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자동차 터보차저, 저속 영역 마찰 손실 측정 장치 개발
등록일 : 2017-06-27 21:06 | 최종 승인 : 2017-06-27 21:06
김진우

[리서치페이퍼=김진우 기자] 터보차저는 엔진 연소실에 공기를 강제로 밀어넣어 출력과 토크를 크게 향상시켜주는 역할을 담당한다. 터보차저는 자동차는 물론 항공기, 선박 등의 이동수단은 물론 공장 등 산업용으로도 폭넓게 사용되고 있다.

최근에는 터보차저 자체 효율성을 높이기 위해 같은 배기압력으로도 더 빠르게 회전하고 더 빨리 반응할 수 있도록 산업계 전반에서 터보차저 연구에 집중하고 있다.

한국기술교육대학교 기계공학과 정진은 교수 연구팀은 승용차 저속 주행시 터보차저 내부에 발생하는 마찰손실 측정 장치를 개발했다. 해당 논문은 한국산학기술학회논문지에 게재됐다.

새로 개발한 터보차저 마찰손실 측정 장치는 구동모터, 오일 공급 시스템, 커플링으로 구성됐으며, 실제 차량의 저속 운전 상황을 테스트 가능하도록 설계 제작됐다. 마찰손실 측정장치에 사용될 실험 변수는 회전속도, 오일온도, 오일압력이라고 연구팀은 밝혔다.

연구팀에 따르면 터보차저는 배기가스 압력을 이용하기 때문에 터보차저가 없는 자연흡기 엔진보다 가속 상황이 지연되는 현상이 발생한다고 설명했다. 이러한 지연 현상을 '터보래그'라고 하며 이 현상으로 축계 베어링 마찰손실에 큰 영향을 받는다고 설명했다.

대부분 승용차는 저속주행시 엔진회전수는 1800-2500rpm을 유지한다. 반면 터보차저는 상황에 따라 3만rpm 부터 12만rpm까지 회전하는데 터보차저 회전수가 낮을수록 마찰손실이 커진다.

연구팀은 저속 구간에서 터보차저 마찰을 측정하기 위해 회전속도, 오일온도 및 압력 조건을 설정해 실험을 진행했다.

터보차저가 장착된 배기량 2.0L 가솔린 엔진을 통해 저회전 구간(1500-2500rpm)에서 엔진회전수, 부하 등에 따른 터보차저 회전수, 엔진오일 공급압력 및 온도 평균값과 최대, 최소값을 측정하기 위해 실험을 진행했다.

먼저 터보차저 회전수에 따른 마찰 손실 측정 실험을 진행한 결과 6만rpm이상 회전시 에어 동압 베어링 특성으로 인해 마찰 손실은 발생하지 않았지만 5만rpm 이하 회전수에서는  마찰 손실이 발생했다.

연구팀은 오일온도 60℃와 오일압력 4bar에서 측정시 마찰손실값, 오일온도 90℃와 오일압력 4bar 상태에서의 마찰손실값을 측정했다.

그 결과 터보차저에서 발생하는 마찰손실은 터보차저 회전수가 높아질수록 증가한 것으로 나타났다.

특히 오일온도가 60℃ 조건보다 90℃인 조건에서 마찰손실률은 최소 41%에서 최대 63%까지 감소했다. 

연구팀은 새로 개발한 장치는 터보차저 저속영역에서의 마찰손실을 정확히 측정해 볼 베어링을 적용한 새로운 축계 시스템 평가에 사용될 수 있을 것이라고 밝혔다.

자동차의 필수품이 되어가는 터보차저

현재 자동차업계에서 터보차저는 없어서는 안될 필수품이 됐다. 현대차그룹 기준으로 1990년대 후반부터 2000년대 중반까지 터보차저를 탑재한 자동차가 없었지만 최근 대부분 자동차에 터보차저가 탑재되고 있는 실정이다.

수입차에서도 터보차저가 폭넓게 탑재되고 있다. 벤츠, BMW, 아우디 등 독일 자동차업체는 대부분 생산되는 자동차에 터보차저가 탑재되고 있으며, 상대적으로 터보차저 탑재에 인색한 미국에서도 터보차저 탑재가 확대되고 있다.

터보차저가 더 많이 적용되는 이유는 한정된 연소실에서 더 높은 출력과 토크를 얻는 것과 동시에 연소효율성 향상으로 연비도 향상되기 때문이다.

우리나라의 경우 2020년 자동차 평균연비 20km/l 이상 달성해야 하며, 선진국 또한 비슷한 규정을 두고 있다. 터보차저는 까다로운 연비규제에 효과적으로 대응 가능해 터보차저 탑재 비율은 더 높아질 것으로 전문가들은 예상하고 있다.  

[리서치페이퍼=김진우 기자]
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