폴크스바겐(Vlokswagen)의 트윈차저(Twincharger) TSI 엔진(Engine) by 달콤한인삼

최근에 폴스바겐에서 골프 1.4 TSI를 국내로 들여오기로 했다는 바람직한 소식이 있었습니다. 

그런데 이 TSI엔진이라는 것이 정말 대단한 엔진입니다. 쉽게 말하자면 예전에 엑센트에 들어갈만한 배기량의 엔진으로 소나타를 굴릴만큼, 혹은 그 이상 출력과 토크가 나온다는 것입니다. 

바로 요 엔진이죠. 윗면만 보면 잘 모르겠네요.

아래는  폭스바겐의 TSI  엔진 소개 영상입니다. 오래된 영상이라 조금 화질이 구려요.

사실, 이 개념이 나온것은 상당히 오래되었습니다. 대략 2005년 8월에 폭스바겐에서 처음으로 컨셉을 공개를 했었습니다. 사이즈를 줄이면서도 더 높은 출력과 토크를 적은 연료를 들이고 뽑아 내겠다는 내용이었습니다. 그리고 Twinchager라는 기술을 도입했습니다. 위의 영상은 2008년에 등록된 영상입니다. 이미 그해에 최고 엔진상을 휩쓴 상황이었습니다.

자동차에 대해서 조금이라도 관심이 있는 사람이라면 터보차져turbo charger)라는 장치를 알 것입니다. 그리고 조금 더 나아가서 수퍼차저(super charger)라는 것도 말이죠. 영어로는 'charger'라고 쓰지만 우리에게 익숙한 말로 쓴다면 '과급기'라고 표현 할 수 있습니다. 큰 범주 안에서는 터보차저와 수퍼차저는 '과급기'라는 범주하에 넣을 수 있습니다. 

이 '과급기'를 처음 사용한 것은 자동차가 아닙니다. 원래는 비행기에 사용하기 위해서 개발된 기술이었습니다. 높은 고도를 비행하는 비행기는 높이 상승 할 수록 공기 저항이 적어서 비행에는 효율적이었지만 공기가 희박해서 엔진의 연소 효율은 낮았습니다. 그래서 '과급기'를 설치하여 문제를 해결 했었습니다. 

수퍼차징과 터보차징은 그 방식에 차이가 있습니다. 수퍼차징은 크랭크 축과 연결되어 있기 때문에 엔진이 작동하는 한 계속해서 압축공기를 만들어 냅니다. 반면에 터보차징은 엔진의 배기가스로 터빈을 돌려서 공기를 실린더로 밀어넣기 때문에 배기가스가 일정량 이상 나오지 않는 저회전 구간에서는 작동하지 않습니다.(이것을 터보렉이라고 합니다. 이 문제점 때문에 트윈터보나 VGT같은 기술들이 나오게 됩니다. 이건 나중에...)

대략적인 '과급기'에 대한 설명을 했으니 본격적으로 내용을 진행 하겠습니다.

TSI엔진에 대한 개념도는 다음과 같습니다.

위쪽의 날개 3개짜리 바람개비 두개가 붙어 있는 부분이 수퍼차저입니다. 수퍼차저는 압축기라고도 부릅니다. fresh air가 유입되는 intake 쪽에 장치 되어 있고 구동은 크랭크축에서 연결되어 오는 밸트에 의해서 하게 됩니다. 그리고 바이패스관이 있어서 전체 공기량이나 시스템의 작동을 컨트롤 하게 됩니다.

터보차저 부분은 하단에 있는데 한쪽은 유입공기, 반대편은 배기가스와 닿아있는 터빈이 같은 축으로 연결되어 있습니다. 배기가스의 열팽창과 운동에너지를 이용하여 공기를 과급시킵니다. 

위에서도 설명 했지만 수퍼차징 방식은 계속해서 크랭크축의 동력을 소모시키기 때문에 큰 출력을 얻기는 힘들지만 저속 구간에서의 출력을 확보하기에 유리합니다. 반면에 터보차징은 저속구간에서는 터보렉으로 큰 효과를 얻지 못하지만 고속으로 갈 수록 배출되는 배기가스가 많기 때문에 큰 출력을 얻기에 좋습니다. 이 두가지 서로의 단점을 보완하고 장점만을 살린 엔진이 Twincharger engine, 폭스바겐의 TSI 엔진입니다.

2005년에 개념 발표 당시에 간단한 스펙 비교표를 참고하겠습니다. 

골프의 2.0 FSI 엔진에 비해서 배기량은 30%나 줄이면서도 출력은 14%나 더 나오고 게다가 연비는 5%가 더 좋고 CO2 배출량도 5%나 감소시키는 그런 엔진입니다. 저때 저렇게 발표 해 놓고 엔진 잘 만들었다고 상타고 해서 이미 다 입증 된 엔진입니다. 

과급기를 장착한 엔진이기 때문에 일반 엔진과는 다르게 더 튼튼한 강성을 확보하기 위해서 고강도 회주철을 사용하여 실린더 블록을 만들었다고 합니다. 실린더 내부의 고압을 견뎌야 하고, 냉각수 역시 고압으로 유동 시키기 때문에 전체적인 강성이 뛰어나야 했습니다.

(왜 냉각수를 고압으로 하냐면, 물은 1기압에서는 섭씨 100도가 되면 끓어서 기화가 되어 수증기가 됩니다. 실린더 내부의 냉각수 유로에 수증기가 생기면 그 기포가 내벽에 달라 붙어 단열 효과가 발생하고 또한 냉각수의 소통을 방해하여 엔진이 제대로 냉각되지 않습니다. 그래서 이를 방지하고자 냉각수의 압력을 높여주면 끓는 점도 올라가기 때문에 상대적으로 더 고온의 상태에서도 냉각을 시킬 수 있습니다.) 

그리고 영상에서 확일 할 수 있듯이 연료 분사에 대해서도 신경을 썼더군요. 

캡쳐 뜬 사진이라 화질이 좋지 않지만 대략적으로 보이긴 합니다. 분사 압력을 150bar로 셋팅한 동시에 분사 노즐에는 6개의 홀을 통해서 연료가 분사 되도록 했습니다. 더욱이 엔진 회전 상태에 따라서 분사 상태를 컨트롤합니다.

밸브 타이밍 기술은 이제 너무 옛날 기술이고, 요즘은 이정도는 해야 좀 먹고 산다는 겁니다.

이 엔진은 수퍼차징과 터보차징이 유기적으로 연계되어 있습니다. 그래서 각각을 독립적으로 컨트롤 하는가 하면 일련의 순차적인 작동을 하기도 합니다. 터보차저만 작동 할 때에는 인테이크 쪽의 콘트롤 밸브가 활짝 열려서 공기를 과급합니다. 이때에는 수퍼자저는 놀고 있게 됩니다.(마그네틱 클러치가 동력을 끊어 놓으니까요.)

최대 부스트압력은 2.5bar(1,500rpm)입니다. 물론 수퍼차저와 터보차저의 각각의 부스트 압력은 거의 같게 세팅됩니다. 대략 1.53bar라고 하는군요. 그런데 왜 3.06bar가 아니고 2.5bar냐고 물으신다면, 저는 열역학과 유체역학적인 계산을 좀 한 뒤에나 말씀 드릴 수 있겠습니다. 대략 몇달 혹은 몇년 걸릴만하겠습니다. 

그리고 컴프레서(수퍼차저) 혼자서 아이들링 상태로 작동 할 때에는 대략 1.8bar 정도의 부스트 압력이 있답니다.  

앞서 말씀 드렸듯이 컴프레서와 터보차저는 각각의 고유한 장단점을 가진 특징이 있습니다. 컴프레서는 저속구간에서 장점이 크기 때문에 2,400rpm 정도 까지는 수퍼차저가 퍼포먼스를 담당합니다. 당연히 터보차저는 그보다 높은 영역을 책입지도록 세팅을 하겠죠. 그래서 엔진 회전수를 높이면 부스트 압력 조절 장치가 관여하면서 수퍼차저와 터보차저의 역할 분담을 조절하면서 힘을 뽑아 내 줍니다. 그러다가 더 회전수가 올라가면 터보차저 혼자서 출력을 빵빵 뽑아 주겠죠. 

밑에 그림을 보면, 대략 2,500rpm 정도 까지는 터보차저가 부스트압력을 제대로 뽑아주지 못합니다. 그런데 수퍼차저랑 같이 작동을 하면 부스트압력을 원하는 만큼 뽑아줄 수가 있지요. 물론 이때 부스트 압력 컨트롤러가 개입하여 조절을 하는 겁니다.

이건 엔진의 주요 파츠를 떼어서 설명한 부분입니다. 

중앙에 실린더 블록이 있습니다. 그다지 큰 기능은 없는 것 같아도 충분한 강성을 가지지 못한다면 이 기술을 버텨내지 못합니다. 우측 상단에 터보차저 유닛이 있고 그 밑에는 냉각펌프와 수퍼차저의 클러치가 되는 마그네틱 클러치가 있습니다. 좌측에는 컴프레서가 있는데 생각보다 제법 크네요. 

사실, 학교 다닐 때 이런 개념은 내연기관 수업 들으면서 했던 적이 있습니다. 그런데 벌써 이렇게 몇년 전에 만들어 버리면 저의 아이디어는 뭐가 되는 겁니까... ㅠ 

그래도 좋은 엔진이 많이 나와서 환경도 지키고 고유가시대의 활력소가 되었으면 좋겠습니다. 전기자동차가 많이 나오고 있지만 완벽한 상용화에는 여러가지 보이지 않는 걸림돌들이 많을 것으로 예상되구요.

기술적으로 설명이 조금 부족한 부분이 많은 것 같습니다. 각 과급방식에 대한 설명이 조금 부족하고, 인젝터의 노즐에 대한 설명을 조금 더 추가해야 하지 않나 하는 생각도 듭니다. 이 부분들은 추후에 연관된 포스팅을 통해서 보충하도록 하겠습니다.

내용이 이상하거나 추가 설명이 필요하신 분들은 밑에 댓글 달아주세요. 저도 외국에서 영문 자료들 보면서 쓰는거라 조금 이상할 수도 있습니다.