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자동차 엔진의 대세, 터보 엔진의 과거와 현재

자연흡기 엔진을 밀어내고 자동차 엔진의 대세로 자리잡은 터보 엔진. 그 과거와 현재를 들여다본다.

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터보 엔진은 불과 몇 년 사이에 자연흡기 엔진을 밀어내고 자동차 내연기관의 대세로 자리잡았다. 자연흡기 엔진 대비 배기량을 줄이면서도, 동력성능과 연료소비효율(연비)을 비슷하게 유지하거나 높일 수 있다는 장점 때문이다. 이러한 까닭에 터보 엔진이 비교적 최근에 등장하고 발전한 기술이라 생각할 수도 있다. 그러나 이는 사실이 아니다. 터보 엔진의 역사는 생각보다 오래됐고, 다른 내연기관과 함께 발전해왔다. 


배출가스를 재활용하는 터보 엔진

터보차저는 엔진에서 발생한 배출가스의 압력을 이용해 공기를 압축시켜 실린더로 집어넣음으로써 큰 힘을 만들어낸다

그렇다면 터보 엔진이란 무엇일까? 엔진에서 연소 후 발생하는 배출가스의 압력을 이용해 터보차저를 작동시켜 여기에서 생성된 압축공기를 엔진 연소실로 재공급해 동력을 발생시키는 것이 바로 터보 엔진이다. 자연흡기 엔진과 비교해 연소실로 보다 많은 공기를 과급할 수 있기 때문에 큰 힘을 만들어낼 수 있고, 연소 효율도 증가한다. 일반적으로 터보차저를 장착하면 자연흡기 엔진보다 60% 이상 효율이 좋아지는 것으로 알려져 있다. 터보 엔진이 자연흡기 엔진보다 배기량이 작아도 비슷한 수준의 성능과 효율을 유지할 수 있는 것은 이런 이유 때문이다.


터보 엔진처럼 터보차저의 터빈을 이용해 압축공기를 만들어 과급하는 방식을 과급 엔진이라고 한다. 이와 같은 과급 엔진의 역사는 꽤 오래 전으로 거슬러 올라간다. 


고틀리프 다임러(Gottlieb Daimler)가 1885년 톱니바퀴로 작동하는 펌프식 과급기를 개발한 것이 최초였다. 이후 오늘날과 같은 터보차저의 아이디어는 1905년 스위스의 엔지니어 알프레드 뷔치(Alfred Buchi)에 의해 고안됐지만, 금속 가공 기술이 발달하지 않아 터보 엔진을 만들기 어려웠다. 그래서 뷔치의 아이디어는 그로부터 17년이 흐른 1922년, 비로소 실제 제품으로 만들어질 수 있었다. 그 후 터보 엔진은 100여 년의 시간 동안 발전하며, 오늘 날에 이르고 있다. 


2차 세계대전을 거치며 발전한 터보 디젤 엔진

1905년 알프레드 뷔치가 고안한 최초의 터보차저 설계도. 이후 100년이 넘는 시간 동안 터보 엔진은 발전을 거듭해왔다

1905년 알프레드 뷔치에 의해 최초의 터보 엔진이 개발된 이후, 터보차저 기술은 주로 디젤 엔진에 적용됐다. 애초에 알프레드 뷔치가 디젤 엔진 연구원이자 엔지니어였고, 디젤 엔진의 출력을 올릴 때 동반되는 소음과 진동, 매연을 해결하기 위해 개발된 것이 바로 터보 디젤 엔진이었다. 


최초의 터보 디젤 엔진은 자동차가 아닌 독일산 여객선에 적용됐다. 자동차에 적용하기에는 그 크기가 컸던 탓이다. 1923년 제작된 단치히(Danzig), 프로이센(Preussen)이라는 2대의 여객선에 적용된 10기통 2500마력 터보 디젤 엔진이 최초의 사례다. 이 두 여객선에 적용된 엔진은 같은 배기량의 자연흡기 디젤 엔진과 비교해 최고출력이 750마력이나 강해 터보 엔진의 강력함을 입증했다. 


2차세계대전(1939~1945)은 터보차저 기술이 크게 발전한 시기였다. 각종 전함과 잠수함에 터보 디젤 엔진이 탑재됐고, 전쟁을 치르며 성능과 효율성을 높이는데 각국이 총력을 기울인 결과였다. 그 결과, 터보차저의 크기는 1920년대와 비교해 작아졌고 동시에 과급 능력은 좋아져 디젤 엔진의 성능 향상으로 이어졌다.


터보 디젤 엔진은 종전 이후에야 자동차에 적용되기 시작했고, 당시에는 그 크기 탓에 주로 대형 트럭에 적용되었다. 만, 볼보, 스카니아 등의 제조사가 대형 터보 디젤 엔진의 발전을 이끌었다. 그 사이 터보 디젤 엔진은 소형화 됐고, 마침내 1960년대 들어서는 소형 트럭에 적용할 수 있을 정도로 크기가 작아졌다. 

로버자동차회사는 랜드로버 픽업트럭에 터보 디젤 엔진을 적용해 양산하려 했지만, 내구성, 수익성 등의 문제로 포기했다

터보 디젤 엔진을 소형 트럭에 처음으로 적용한 곳은 영국의 로버자동차회사였다. 1963년 4기통 2.5L 터보 디젤 엔진을 개발해 '129인치 랜드로버 픽업트럭'에 적용했다. 기계식 연료 분사, 8개의 푸시로드 밸브 방식(캠축을 실린더 헤드보다 낮게 설치하고 푸시로드와 로커 암으로 밸브를 작동시키는 방식)이었고, 터보차저는 실린더 헤드 위쪽에 위치하는 구조였다. 그러나 이 엔진은 끝내 양산으로 이어지지 못했다. 내구성, 수익성 등의 문제 때문이었다. 


최초의 승용차용 터보 디젤 엔진의 시작

1세대 S-클래스에 탑재된 3.0L 터보 디젤 엔진이 최초의 승용차용 터보 디젤 엔진이다

최초의 승용차용 양산형 터보 디젤 엔진은 1978년 5월 세상에 나온 메르세데스-벤츠의 1세대 S-클래스(W116) 300SD에 탑재된 OM617 엔진이었다. 미국과 캐나다에서만 판매된 300SD의 터보 디젤 엔진은 직렬 5기통 3005cc 배기량에 가렛(Garrett)제 터보차저를 더해 4200rpm에서 최고출력 110마력을, 2400rpm에서 최대토크 23.2kg·m를 만들었다. 

터보차저가 더해진 S-클래스의 디젤 엔진은 출력과 토크가 자연흡기 방식에 비해 크게 향상됐다

터보차저가 더해지지 않은 자연흡기 디젤 엔진의 경우, 최고출력과 최대토크가 각각 80마력, 17kg·m대였던 것과 비교하면 터보 디젤 엔진의 성능이 얼마나 뛰어난지 알 수 있다. 터보차저가 더해진 디젤 엔진은 단순히 성능만 좋아진 것이 아니었다. 효율 또한 좋아졌다. 300SD의 터보 디젤 엔진은 4단 자동변속기와 조화를 이뤄 9.4km/L의 연비까지 보여줬다. 길이 5m 안팎에, 공차중량 2215kg이 넘는 초대형 세단이라는 점을 생각하면 훌륭한 연비다. 


특히 당시 직렬 6기통 2746cc 자연흡기 가솔린 엔진을 쓴 같은 세대 S-클래스 280SE의 연비가 8.0km/L였던 점을 생각했을 때 터보 디젤 엔진을 쓴 300SD의 연비는 매우 인상적이다. 더군다나 300SD의 무게는 280SE의 2130kg보다도 무거웠기에 터보 디젤 엔진의 효율성이 이 같은 무게 차이를 극복했다는 걸 알 수 있다. 

오늘 날, S-클래스와 같은 프리미엄 세단에 적용되는 터보 디젤 엔진은 성능, 효율성, 연비 등을 모두 만족시킨다

최초의 양산형 터보 디젤 엔진이 세상에 나온 후, 41년이 흐른 지금 터보 디젤 엔진의 성능과 효율은 눈에 띄게 좋아졌다. 메르세데스-벤츠의 최신 S-클래스(W222) S 400d 4MATIC에 올라간 OM656 직렬 6기통 2925cc 터보 디젤 엔진을 직접 비교하면 그 차이가 확연하다. 이 엔진은 2개의 터보차저가 장착되어 저회전과 고회전 영역별로 각기 다른 터보차저를 사용함으로써, 저회전 터보 래그를 없애고 각 회전수 영역에서 과급 효과를 극대화 하는 것을 목적으로 개발된 2스테이지 터보차저 기술로 리터당 100마력이 넘는 340마력(4400rpm)의 최고출력과 71.4kg·m(1200~3200rpm)의 최대토크를 만들 수 있다. 연비는 9단 자동변속기, 네바퀴굴림과 짝을 이뤄 유럽기준 17.9km/L를 기록한다. 


순탄치 않았던 터보 가솔린 엔진의 발전사

1962년 세계 최초로 터보 가솔린 엔진을 얹은 올즈모빌 제트파이어

가솔린 엔진에 터보차저 기술이 적용된 것은 터보 디젤 엔진이 최초로 등장한 시점보다 약 40년이 늦지만, 승용차에 적용된 시점으로만 본다면 16년이나 빨랐다. 벤츠가 1978년 초대 S-클래스에 터보 디젤 엔진을 적용하기 훨씬 이전인 1962년 GM 산하의 브랜드 올즈모빌 제트파이어에 터보 엔진이 적용된 게 최초의 터보 가솔린 엔진이다. 

올즈모빌의 터보-로켓 엔진은 높은 출력을 자랑했지만, 노킹 문제 등의 이유로 오래 생산되지 못했다

이 엔진은 올즈모빌의 V8 3523cc 자연흡기 가솔린 엔진을 기반으로 한다. 종전에는 카뷰레터의 수를 늘리고 압축비를 높이는 방식으로 엔진 힘을 키웠지만, 여기에는 물리적인 한계가 있었다. 그래서 등장한 것이 터보차저의 추가다. 


터보-로켓이라는 이름을 가진 올즈모빌의 터보 가솔린 엔진은 싱글 카뷰레터 방식 V8 3523cc 엔진의 압축비를 10.25:1로 맞추고, 가렛 T5 터보차저를 더해 완성됐다. 그 결과, 4600rpm에서 215마력의 최고출력을, 3200rpm에서는 41.8kg·m의 최대토크를 만들어냈다. 카뷰레터를 2개 사용하고 압축비가 8.75:1였던 자연흡기 엔진의 최고출력과 최대토크가 각각 155마력, 30.6kg·m였던 것과 비교하면 터보차저의 추가가 큰 변화를 줬다는 걸 알 수 있다. 


하지만 이 엔진은 1년만에 단종되고 말았다. 높은 압축비에, 터보차저에서 만들어진 공기가 과급되면서 노킹 현상 같은 문제가 발생했기 때문이다. 올즈모빌은 물 분사 냉각 기술 등으로 문제를 해결하려 했지만 완벽하지 못했고, 결국 그 당시 소비자들은 터보 엔진 대신 카뷰레터가 추가된 자연흡기 엔진의 편을 들어주고 말았다. 

BMW 2002 터보는 고성능 터보 가솔린 엔진 시대의 서막을 연 주인공 중 하나다

한동안 주춤했던 터보 가솔린 엔진이 또 한번 주목받은 시기는 1973년이다. 그 주인공은 BMW의 2002 터보라는 모델이다. BMW의 소형차인 02 시리즈를 기반으로 한 2002는 4기통 1966cc 자연흡기 가솔린 엔진을 기반으로 카뷰레터 수(싱글과 듀얼 방식), 압축비 등에 따라 최고출력 101마력과 119마력 버전으로 판매됐다. 여기에 터보차저를 더한 2002 터보는 최고출력이 껑충 뛰어올라 본격적인 고성능 소형 쿠페의 시대를 열었다. 

2.0L 배기량으로 170마력이라는 고성능을 냈지만, 터보 래그에서 자유롭지 못한 BMW 2002 터보의 엔진

구체적으로 2002 터보의 터보 가솔린 엔진은 기계식 연료분사 시스템, KKK제 터보차저를 더하고 압축비를 6.9:1로 맞춰 170마력의 최고출력과 24.5kg·m의 최대토크를 만들어냈다. 하지만 강력한 출력에 비해 터보 래그(가속 페달을 밟았을 때 실제 가속까지 시간차를 보이는 현상)가 심했고, 1973년 석유파동이 겹치는 바람에 그해 1672대만 생산된 채 단종됐다. 

새롭게 등장한 BMW 3시리즈는 다운사이징 2.0L 터보 엔진을 사용한다

2002 터보로 시작된 BMW의 터보 가솔린 엔진은 오늘날 더욱 진화했다. 당시와 비슷한 배기량의 엔진을 비교해 보면 차이가 크다. B48 4기통 1998cc 터보 엔진 기준으로 보면, 트윈스크롤 터보차저, 직분사 시스템, 가변 밸브, 가변 캠샤프트 기술이 더해져 5000~6500rpm에서 258마력의 최고출력, 1550~4400rpm에서 40.8kg·m의 최대토크를 만들어낸다. BMW의 최신 모델인 330i에 적용됐을 때 유럽기준으로 16.4~17.2km/L의 연비와 139~132g/km의 이산화탄소 배출량을 기록한다. 


터보 래그를 최소화하기 위한 노력과 결과물

터보 엔진이 자연흡기 엔진과 비교해 고출력, 고효율이라는 장점을 보여주고 있지만, 터보 래그라는 고질적인 문제점은 쉽사리 해결되지 못하고 있다. 이를 해결하기 위해 여러 제조사에서 갖가지 기술을 선보이고 있다. 직분사 기술과의 결합, 터보차저 내부에 2개의 날개(스크롤)를 적용한 트윈스크롤, 엔진회전수에 따라 작동 시점이 다른 터보차저 여러 개를 적용한 멀티 터보 엔진이 대표적이다. 

터빈의 날개 형상을 바꿔 터보 래그를 최소화하고자 한 포르쉐 터보 엔진의 가변 지오메트리 터보차저

그중 눈에 띄는 기술 중 하나가 가변 지오메트리 터보차저(VGT, Variable Geometry Turbocharger)다. 일부 터보 가솔린 엔진, 그리고 주로 터보 디젤 엔진에 쓰이고 있는 이 기술은 배기가스 양이나 유속에 따라 터빈의 날개 형상을 바꿔 공기압을 높인다. 배기압이 낮은 중저속 엔진회전대에서는 날개를 닫아 배기압을 높이고, 엔진회전 속도가 높아 배기압이 충분할 때는 날개를 열어 유속을 빠르게 한다. 이런 원리의 VGT를 쓰면, 저회전대에서도 터빈이 원활히 작동해 실린더 내부로 과급이 잘 돼 터보 래그가 상대적으로 줄어든다. 

볼보의 디젤 엔진은 별도의 탱크에 저장된 압축공기를 활용한 파워펄스가 탑재된다

볼보자동차는 2.0L 디젤 엔진의 터보 래그를 줄이기 위해 파워펄스라는 기술을 2017년부터 사용 중이다. 시동 직후 또는 저속(구체적으로 1단과 2단, 2000rpm 이하일 때)에서 터보차저의 배기압이 충분치 못할 때 2.0L 크기의 탱크에 저장된 압축공기를 이용해 터보차저의 터빈을 작동시키는 원리다. 대부분의 터보 래그가 저회전대에서 발생한다는 점을 고려할 때 2000rpm 이하에서만 터보차저의 압력을 보충해주는 파워펄스는 상당히 유용한 기술이라 할 수 있다. 


국산 고성능 터보 엔진의 변천사

고성능 터보 엔진의 발전은 국내에서도 꾸준히 이뤄졌다. 그 시작은 최초의 국산 스포츠카로 평가받는 현대차 스쿠프다. 1990년 출시된 스쿠프는 초기만 하더라도 4기통 1.5L 자연흡기 방식의 알파 엔진만을 사용했다. 하지만 스포티한 디자인에 비해 최고출력이 92마력이어서 힘이 다소 부족하다는 평이 많았다.

국산차 최초로 터보 엔진을 쓴 현대차 스쿠프. 도어 하단에 'Turbo'라는 문구가 선명하다

그에 따라 1991년 10월 성능을 대폭 향상시킨 터보 가솔린 엔진이 추가됐다. 스쿠프에 추가된 터보 엔진은 국산차 최초의 터보 엔진으로서, 직렬 4기통 SOHC 방식 1459cc 배기량에 가렛 T2 터보차저를 더해 최고출력 129마력, 최대토크 18.3kg·m를 만들어냈다. 터보 엔진의 추가로 스쿠프는 당시 국산차로서는 획기적인 성능을 자랑했다. 9초 초반대의 100km/h 가속시간, 국산차 최초로 200km/h대 벽을 깬 205km/h의 최고속도 등이 대표적이다. 

터보 엔진으로 본격적인 국산 스포츠카의 시대를 연 제네시스 쿠페

이후에도 국산 터보 엔진의 발전은 현대차가 주도했다. 한동안 터보 디젤 엔진 기술에 집중했던 현대차는 알파 터보 엔진 이후 실로 오랜만에 가솔린 터보 엔진을 개발했다. 대표적인 게 2009년 나온 본격 뒷바퀴굴림 스포츠카 제네시스 쿠페에 적용된 직렬 4기통 1998cc 세타II(코드명: G4KF) 엔진이다. 이 엔진은 2002년 현대차가 독자 개발한 세타 엔진의 후속으로, 미쓰비시 중공업의 싱글스크롤 터보차저를 적용해 최고출력 210마력, 최대토크 30.5kg·m를 자랑했다. 인상적인 점은 옥탄가가 낮은 일반 휘발유로도 리터당 100마력이 넘는 고출력을 만들었다는 사실이다. 


후에 제네시스 쿠페의 세타II 터보 엔진(G4KH)은 연료분사 방식을 간접에서 직분사로 바꾸고, 트윈스크롤 터보차저까지 얹어 최고출력과 최대토크를 각각 271마력과 37.2kg·m까지 높였다. 세타 II 터보 엔진은 이후 영역을 넓혀 LF 쏘나타에까지 얹혀졌다. 다만 세단의 특성에 맞춰 최고출력과 최대토크를 각각 245마력, 36.0kg·m으로 낮추어 튜닝했다는 차이가 있었다. 

i30 N은 현대차의 2.0L 터보 가솔린 엔진 기술의 잠재력이 극대화된 대표적인 사례다

세타II 터보 직분사 엔진의 잠재력은 2017년 공개된 국산차 최초의 본격적인 고성능 버전인 i30 N, 그리고 2018년 공개된 벨로스터 N에서 정점을 맺는다. 물론 같은 계열의 엔진이 제네시스 G70과 기아차 스팅어에도 쓰여 최고출력 255마력, 최대토크 36.0kg·m를 발휘하긴 하지만, N 버전은 그 이상의 성능을 뽑아낸다. 결과적으로 i30 N과 벨로스터 N에 올라간 세타II 1998cc 터보 직분사 엔진은 최고출력 275마력(퍼포먼스 팩 기준, 기본 버전은 240마력), 최대토크 36.0kg·m를 자랑한다. 

i30 N TCR은 현대차의 2.0L 터보 가솔린 엔진의 진가를 확인할 수 있는 경주차다

혹자는 이런 생각을 할지도 모른다. 최신 2.0L 터보 엔진과 비교했을 때 현대차의 터보 엔진은 최고출력이 부족하다고. 하지만 이는 성능과 효율, 내구성 등의 토끼 여러 마리를 잡기 위한 계산된 전략이다. 실제, 현대차에서 내구성보다 성능에 초점을 맞추어 제작한 경주차에서는 현대차 터보 엔진의 잠재력을 간접적으로 확인할 수 있다. i30 N, 벨로스터 N에 적용되는 세타II G4K 계열의 세타II G4KD 엔진이 TCR 경주차인 i30 N TCR과 벨로스터 N TCR에서는 최고출력과 최대토크가 각각 350마력, 45.9kg·m로 상승한 것이 단적인 예다. 

V6 3.3L 람다II 터보 직분사 엔진은 최고출력 370마력을 자랑하는 고성능 지향 엔진이다

1991년 이후 25년 이상 발전해온 국산 터보 엔진 기술의 최고 정점은 현재, 현대차의 람다II 터보 직분사 엔진에 있다고 해도 과언이 아니다. 2006년, V6 3342cc 간접분사 가솔린 엔진으로 최초 개발된 람다 엔진(코드명: G6 DB)은 이후 배기량을 확장하며 람다II 간접분사, 람다II 직분사 등으로 발전했고, 마침내 2016년 람다II 터보 직분사 엔진으로 발전하기 이른다. 


이 엔진은 배기량 3342cc에 듀얼 CVVT(가변밸브 제어 시스템), 직분사 방식, 그리고 트윈 터보차저까지 더해 최고출력 370마력, 최대토크 52.0kg·m라는 엄청난 성능을 내뿜는다. 같은 형식의 엔진에서 터보차저만 추가되지 않은 자연흡기 엔진의 최고출력과 최대토크가 각각 300마력, 35.0kg·m대인 것과 비교하면 트윈 터보차저의 추가가 성능을 획기적으로 올린 것을 알 수 있다. 무엇보다 최대토크가 1300~4500rpm이라는 매우 넓은 영역에서 발생해 시종일관 강력한 힘을 느낄 수 있는 것이 특징이다. 

고성능 람다II 터보 엔진은 제네시스의 전 라인업에 탑재되어 그 진가를 발휘하고 있다

이 엔진은 현재, 제네시스 G70, G80, G90와 기아차 스팅어 등 현대·기아차의 고성능 프리미엄 모델에 적용되며 그 가치를 뽐내고 있다. 특히 지난 2017년 말에는 미국 자동차 전문 미디어 <워즈오토>가 선정한 2018년 10대 엔진에 선정되며, 그 진가를 전 세계에 알리기도 했다.


앞으로 어떤 터보차저 기술이 개발되어 내연기관의 성능을 끌어올릴 지는 아직 알 수 없다. 그러나 현재까지 등장한 갖가지 기술을 보면 터보 래그를 줄이면서 성능과 효율을 끌어올리는데 집중할 것임을 예상할 수 있다. 계속 진보하는 기술을 통해 우리의 자동차 생활이 더 나은 방향으로 흘러가길 바라본다. 

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