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자동차 신기술 정보 – HONEYWELL의 터보 차저

HONEYWELL의 터보차저
HONEYWELL의 터보차저

HONEYWELL의 터보차저

배기량을 줄여 연비를 개선해 동력 성능 저하를 과급기로 보충하는 ‘ 다운사이징 엔진’. 성능의 열쇠를 쥐고 있는 것이 터보 차저다. 이 시장에서 세계 선두의 자리에 있는 미국 Honeywell International 이 축류 터빈을 사용해 응답성을 개선한 터보 차저의 양산을 2017년에 시작한다. 사실 이 제품은 양산 전에 이미 전통 있는 내구 레이스에서 그 존재감을 발휘했다. 속도와 안정감을 양립시킨 압도적인 주행. 2015 년 6 월에 개최된 ‘ 제83 회 르망 24 시간 내구 레이스’. 전통의 레이스를 제패한 것은 독일 Porsche의 ‘ 919 Hybrid’ 19호차였다. 종반에서도 3분 20 초대의 랩타임을 연발하며, 압도적인 파워를 자랑했다. 919 Hybrid 엔진은 배기량 2.0L의 V 형 4 기통 터보. 라이벌인 독일 아우디는 배기량 4.0L의 V 형 6 기통디젤 터보를, 도요타는 배기량 3.7L의 V 형 8 기통 자연 흡기를 선택했다. Porsche는 배기량이 작은 엔진으로 연료 소비를 억제하면서 강력한 에너지 회생 시스템을 무기로 달렸다. 하지만 배기량이 작은 엔진의 약점은 동력 성능이 떨어진다는 점이다. 그래서 등장한 것이 터보 차저다. 터보 차저는 배기 가스 압력을 터빈으로 회수해 터빈과 직결된 컴프레서가 에어 클리너에서 흡입한 공기를 압축해 엔진으로 보낸다. 실린더 용적 이상으로 공기를 압축해 보내기 때문에 실질적으로 배기량을 확대하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 

재료 변경 없이 형상 연구

919 Hybrid 에서 채택한 터보 차저는 Honeywell 이 개발했다. Honeywell 이 ‘ DualBoost’ 라 명칭 한터보 차저는 터빈과 컴프레서의 휠 형상이 기존 터보 차저와는 크게 다르다. 휠 형상을 수정한 이유는 터보차저의 최대 결점으로 여겨지는 ‘ 터보 래그’를 개선하기 위해서였다. 터보 래그는 가속의 ‘ 정체’를 의미한다. 배기가스의 에너지가 충분한 중(中)고(高) 회전 역에서는 문제가 없지만, 저(低) 회전 역의 에너지가 작을 때는 터빈을 돌릴 힘이 약해져 가속력을 일으키는데 지연이 생긴다.이를 해결할 방법으로 Honeywell이 고안해 낸 것이 터빈 휠 형상을 변경하는 일이었다. 터보 래그의 원인 중 하나가 무거운 질량의 터빈휠이다. 경쟁사 제품 중에는 사용재료를 니켈 합금에서 더 가벼운 티타늄 알루미늄 합금(Ti-Al)으로 변경한 제품이 있다. 그러나 ‘ Ti- Al 은 고가라 비용 증가로 이어진다. 재료 변경은 하지 않겠다는 전제 하에 개발했다. 일반적인 터보 차저는 ‘ 레이디얼 터빈’이라 불리는 방식을 채택한다. 배기가스는 지름(레이디얼) 방향으로 유입해 휠에서 방향을 바꿔 축 방향으로 빠진다. 터빈 휠 컴프레서 쪽에는‘ Back Disc’라는 금속판이 있어 이 부분이 무겁다. 터빈 휠이 무겁고 클수록 관성 모멘트(Inertia)가 커져 회전하기 어려워진다. Inertia 가 회전체 질량과 반지름 2 제곱에 비례하기 때문이다. Honeywell의 개발품은 ‘ 터빈 휠의 Inertia를 반감시켰다’. 휠 방식을 ‘ 축류 터빈’으로 변경해 실현했다. 축류 터빈은 회전축과 평행 방향으로 가스 유로를 설치한다. 휠에는 Back Disc 가 없기 때문에 가볍고 반지름도 작다. 그리고 축류 터빈은 저회 전역에서의 효율이 뛰어나다는 장점이 있다. 이 2 가지로 응답성을 개선했다.동시에 컴프레서 쪽의 휠 형상도 변 경했다. 각각의 휠이 회전하면 축 방향으로 작용하는 ‘ 드러스트 하중’ 이 발생한다. 터빈 쪽을 축류 터빈으로 삼으면 드러스트 하중은 작아지므로 균형을 잡기 위해 컴프레서 쪽도 수정해야 했다. 그래서 등장한 것이 2 장의 컴 프레서 휠의 뒷면을 맞댄 독자적인 형상의 휠이다. 개발 시에 고려한 부분은 드러스트 하중을 줄이면서 회전수를 유지하는 일이었다. 컴프레서 쪽도 축류 방식 형상으로 만들면 유랑이 부족 해충 분한 양의 공기를 흡입할 수 없다. 검토 끝에 휠 지름을 작게 해, 날개(Blade)를 늘려 ‘ 휠의 뒷면을 맞대는 독자적인 형상에 이르게 되었다’. 공기를 다량 흡입할 수 있도록 흡 기구는 2 개 설치했다.Honeywell 은 DualBoost를 배기량 1.6L 의 엔진과 조합해 효과를 검증했다. 엔진 사양은 최고 출력 132kW, 최대 토크 280N・m이다. 그 결과 엔진 회전수 1500 rpm에서 토크를 100N・m에서 240N・m까지 늘리는데 드는 시간을 0.6 초 앞당길 수 있었다. 또, 액셀을 밟고 나서 1.5 초 후에 도달하는 토크는 신형 제품이 50N・m 향상되었다. 응답성 개선 효과는 일반 터빈을 사용한 트윈 스크롤 타입의 터보에 가깝다고 다. 또, 이 기구의 트윈 스크롤 타입도 개발 중이며, 응답성을 더욱 개선할 수 있을 것으로 전망한다.‘ 시뮬레이션 결과로 봤을 때 연비를 2% 정도 개선할 수 있다’ 고 한다. 이는 감속 이후의 시동이 빨라져 연비가 좋은 고속 기어로 이동하기 쉬워지기 때문. 이번 개발품이 적용되는 것은 ‘ 배기량 2L 클래스의 가솔린 차량’이라고 한다

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