자동차의 엔진은 실린더 내에 연료와 공기를 주입한 뒤, 이를 압축하고 폭발시켜 출력을 얻는다. 그리고 출력을 높이려면 연료와 공기를 더 많이 넣으면 된다. 이렇게 되면 완전 연소 비율도 높일 수 있어 효율도 올릴 수 있다. 연료는 전자제어 인젝터를 통해 분사하기 때문에 쉽게 분사량을 늘릴 수 있지만 공기는 다르다. 자연흡기 방식은 대기압보다 강한 압력으로 공기를 주입할 수 없어 한계가 있다. 그래서 실린더에 더 많은 공기를 강제로 주입하기 위해 과급기를 자동차에 도입하게 된다. 그리고 그 작동 방식에 따라 크게 두 가지로 분류된다.
터보차저
터보차저는 원래 항공기를 위해 만들어진 기술이다. 항공기는 높은 고도를 비행하게 되는데, 고도가 높아질수록 대기압은 낮아진다. 그만큼 공기 밀도도 낮아져 엔진 출력이 저하되었고, 이를 보완하고자 공기를 압축하여 강제로 밀어 넣을 수 있는 터보차저를 개발하게 된 것이다.
터보차저는 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용해 공기를 압축한다. 배기가스가 터보차저 내부의 터빈을 회전 시키고, 반대편에 연결된 임펠러가 회전하면서 진공청소기처럼 공기를 빨아들여 대기압보다 높은 압력을 만들어낸다. 원래는 그냥 버려지는 배기가스를 재활용하기 때문에 효율이 좋은 것이 특징. 또한, 슈퍼차저 대비 가볍고 작다는 장점이 있다. 그리고 전자제어로 쉽게 부스트 압을 조절할 수도 있다.
하지만 터보차저가 동작하기 위해서는 터빈을 돌릴 만큼의 배기가스가 필요하기 때문에, 낮은 RPM에서는 가속 페달을 밟는 즉시 출력이 나오지 않는다. 충분한 배기가스가 나와 터빈을 돌리고, 압축된 공기가 실린더에 공급되기까지의 시간이 필요한데 이를 터보랙이라고 한다. 응답성이 매우 중요한 레이싱에서는 치명적인 단점이 된다.
이를 보완하기 위한 ‘일렉트릭 터보’라는 기술도 등장했다. 전기 모터를 통해 직접 공기를 압축 시켜 낮은 회전에서의 터보랙을 없애고, 적당한 엔진 회전수가 되면 기존처럼 배기가스로 터빈을 돌려 공기를 압축하는 방식이다. 또한 더욱 큰 사이즈의 터빈을 장착해 출력을 쉽게 올릴 수 있다는 장점도 있다.
터보차저는 터빈 개수에 따라 싱글터보, 트윈터보, 트라이터보, 쿼드터보 등으로 부르며, 하나의 터빈으로 마치 트윈터보와 같은 효율을 내는 ‘트윈 스크롤 터보’도 있다.
트윈 스크롤 터보는 터빈은 하나지만 배기가스가 지나가는 라인이 두 개인 싱글터보로, 트윈터보에 비해 성능은 떨어지지만, 무게가 가볍고 가격이 저렴하다는 장점이 있다.
자동차에는 1962년 올즈모빌 커틀라스에 ‘제트파이어’라는 이름으로 처음 적용되었다. 가솔린 3.5L V8 엔진에 터보차저를 조합해 최고출력 218 마력, 최대토크 41.5kgf·m를 발휘했다.
가솔린엔진에 터보차저가 처음으로 적용된 국산차는 스쿠프 터보로, 1.5 알파엔진에 가레트 T-2 터보차저를 얹어 최고출력 129마력, 최대토크 18.3kgf·m를 발휘했다. 스쿠프 터보는 국산차 최초로 시속 200km/h를 넘긴 차로도 알려져 있다.
슈퍼차저
슈퍼차저의 기본적인 원리는 터보차저와 같지만, 공기를 압축하는 방식이 다르다. 버려지는 배기가스를 활용해 공기를 압축하는 터보차저와 달리, 엔진에 직접 연결되어 엔진 동력을 이용해 터빈을 돌려 공기를 압축한다. 엔진이 회전을 시작하면 슈퍼차저 역시 바로 작동하기 때문에 응답성이 빠르고 터보랙과 같은 현상이 발생하지 않는다. 또한 뜨거운 배기가스를 통해 공기를 압축하는 터보차저보다 비교적 온도관리가 용이하다.
하지만 엔진의 크랭크축에 연결되어 작동하기 때문에 저 배기량 엔진과의 궁합이 좋지 않으며, 구동 저하가 발생하는 등 터보차저 대비 효율이 떨어진다. 또한 엔진의 회전수에 비례하여 작동하기 때문에 부스트압 조절이 제한적이며, 출력 상승 폭이 비교적 낮다.
이러한 특성으로 슈퍼차저는 대배기량의 상징 머슬카 등에 주로 사용된다. 캐딜락의 고성능 세단 CT5-V 블랙윙 역시 6.2L V8 엔진에 슈퍼차저를 장착하여 최고출력 677마력, 최대토크 91.9kgf·m토크를 발휘한다.
터보차저? 슈퍼차저? 난 둘 다! 트윈차저
터보차저와 슈퍼차저는 각각의 장점과 단점이 명확하다. 높은 효율과 같은 터보차저의 장점은 슈퍼차저의 단점이고, 터보랙이 없다는 슈퍼차저의 장점은 반대로 터보차저의 단점이다. 이 두 시스템의 장점을 모두 누리며 서로의 단점을 보완하기 위해 터보차저와 슈퍼차저를 동시에 적용하기도 하며, 이를 트윈차저라고 한다. 터보랙이 발생하는 저회전 영역에서는 슈퍼차저를 통해 과급하고, 고회전에서는 효율과 출력 상승 폭이 높은 터보차저를 이용해 과급하는 방식이다.
트윈차저는 볼보의 XC60, XC90, S90, V90 크로스 컨트리 등 다양한 차종에 B6, 혹은 T8이라는 이름으로 적용되고 있다. 볼보에 적용된 트윈차저는 3,500RPM 미만에서는 슈퍼차저와 터보차저가 작동하며, 3,5000RPM 이상에서는 터보차저만 작동한다.
T8은 여기에 플러그인 하이브리드 시스템이 결합되어 전기모터를 통해 더 높은 출력을 제공한다. B6 트림은 최고출력 300마력, 최대토크 42.8kgf·m를 발휘하며, T8은 전기모터가 결합되어 455마력의 시스템 출력을 낸다.
과급기의 발전, 특히 터보차저의 발전으로 성공적인 다운사이징을 이룰 수 있었고, 이로 인해 내연기관의 수명이 조금은 더 연장되었다고 해도 과언이 아니다. 기존 자연흡기 엔진을 대체한 터보엔진은 더 높은 연비를 가지면서도 더 낮은 탄소를 배출한다. 향후 내연기관 운행 및 판매가 금지되면, 이러한 과급기들은 더 이상 자동차 분야에
