열과 과급압 조절이 성공 열쇠 - 터보 튜닝

터보 튜닝을 할 때는 먼저 낮은 엔진회전수(rpm)에서 힘을 내는 작은 터보와 고회전에서 강한 대형 터보 중 하나를 선택한다. 터보를 얹은 뒤에는 열을 식히기 위해 냉각장치를 바꾸고 인터쿨러를 단다. 그밖에 과급압 조절기능을 ECU에 추가하고, 늘어난 출력에 맞춰 인젝터나 배기장치의 용량을 키운다. 터보로 인해 생기는 열과 과급압을 잘 조절하면 내구성을 확보할 수 있다

많은 튜너들의 고민 가운데 하나가 ‘엔진을 바꾸지 않고 출력을 확실하게 올리는 것’이다. 그래서 엔진의 기본적인 구성은 그대로 둔 채 각 부분을 조금씩 바꿔 가며 엔진효율 높이기에 도전하고, 이 같은 노력에 힘입어 NA(자연흡기) 엔진 튜닝기술은 급속히 발전해 왔다. 그러나 튜닝 부품의 교체만으로 출력을 높이는 데 한계가 있다. 그래서 등장한 것이 터보 튜닝이다. 터보 시스템은 개발 초기 몇 가지 문제점을 갖고 있었지만 메이커와 튜너들에 의해 꾸준히 개선되어 지금은 출력을 높이는 가장 효과적인 튜닝법으로 자리 잡았다.

과급기로 흡기 늘려 출력 높인다
엔진출력은 ‘얼마나 많은 연료를 태울 수 있는가’에 따라 달라진다. 연료를 연소시키면 열에너지로 바뀌고, 다시 엔진의 피스톤을 통해 운동에너지로 바뀐다. 이때 연료를 많이 태우려면 충분한 산소가 필요하다. 산소가 충분하지 못하면 엔진에 연료를 아무리 많이 밀어 넣어도 제대로 연소가 안되기 때문이다.

그렇다면 산소의 양, 즉 흡기량을 늘이려면 어떻게 해야 할까. 가장 단순한 방법은 배기량을 늘리는 것이고, 배기량을 키우는 가장 쉬운 방법은 큰 엔진으로 바꾸는 것이다. ‘스왑’(swap)이라고 부르는 이 방법은 엔진의 부품을 바꿀 필요가 없고 난이도 높은 튜닝 기술도 필요하지 않다. 그밖에 실린더의 내경(bore)을 키우거나 크랭크축을 바꿔 엔진의 행정(stroke)을 늘리는 방법도 있다.

흡기량을 늘이는 또 다른 방법은 엔진의 회전수를 높이는 것이다. rpm이 올라가면 엔진이 더 큰 출력을 낼 수 있지만 지나치게 올리다 보면 고회전에서만 출력이 커지고 밸브 트레인을 중심으로 많은 부품을 손봐야 하는 단점이 생긴다.

특히 다른 부품을 바꾸지 않고 ECU만 튜닝해 rpm의 상한선을 높일 경우 엔진에 치명적인 손상이 갈 수 있기 때문에 조심해야 한다. 그래서 rpm을 높이는 방법은 주로 배기량에 제한이 있는 경주차에서 많이 쓴다.

마지막으로 엔진에 과급기(charger)를 얹어 흡기량을 증가시키는 방법이 있다. 과급기란 ‘공기 압축기’를 뜻한다. 즉 자연흡기 엔진은 피스톤이 내려가면 실린더 안에 진공이 생기고, 이 상태에서 공기가 빨려 들어오는 방법으로 공기를 넣는다. 이런 방법으로는 아무리 흡기효율을 좋게 해도 실린더 안에 대기압 이상으로 공기를 채울 수 없다.

하지만 과급기를 이용해 공기를 미리 압축하여 실린더 안으로 밀어 넣는 방법을 쓰면 대기압보다 높은 압력으로 더 많은 공기를 넣을 수 있다. 즉 과급기를 얹으면 엔진 배기량을 키우지 않고서도 큰 엔진으로 바꾼 것과 같은 효과를 얻을 수 있는 것이다. 엄밀히 말하면 출력이 아니라 토크를 키우는 것이지만, 출력은 ‘토크×rpm’이므로 큰 토크를 큰 출력으로 받아들여도 무리가 없다.

과급기의 종류는 크게 두 가지가 있다. 첫째는 배기가스를 이용한 터빈형 과급기로 배기가스를 이용해 압축기를 움직이는 터보를 말한다. 둘째는 벨트나 기어를 이용해 엔진이 직접 압축기를 움직이는 기계식 과급기(mechanical supercharger)가 그것이다. 여기서는 터보만 다루기로 한다.

터보는 배기가스의 남은 에너지를 이용해 흡기를 압축하기 때문에 배기가스가 충분하지 않으면 터보가 제대로 작동하지 않는다. 그래서 터보 튜닝을 하기 전에 두 가지 형태의 터보 중 하나를 골라야 한다
중간 rpm 이하에서 토크를 높이기 위해서는 적은 양의 배기가스로도 충분히 힘을 얻을 수 있는, 직경이 작은 터보를 써야 한다.

그러나 작은 터보는 고회전에서 힘을 쓰지 못하므로 높은 rpm에서 출력을 높일 때는 압축능력이 뛰어난 대형 터보를 쓴다. 엔진의 출력 수치만 놓고 보면 대형 터보가 훨씬 힘이 세지만 이것은 낮은 rpm에서 토크를 높이지 못한다.

터보의 열 낮추고 과급압 조절해야
터보의 크기를 선택했다면 늘어난 출력에 맞게 엔진의 각 부품을 보완해야 한다. 특히 터보 엔진은 자연흡기 엔진보다 연료를 더 많이 태우기 때문에 엔진에서 발생하는 열도 많다.

터보는 열에 약하므로 엔진에서 생기는 열을 효과적으로 줄이는 것이 중요하다. 튜닝하기 전에 쓰던 냉각·윤활장치로는 터보 엔진을 충분히 식힐 수 없으므로 라디에이터, 냉각수 및 오일펌프, 오일쿨러 등의 용량을 키워야 한다.

터보는 높은 압력으로 실린더에 공기를 채우므로 압축된 공기의 온도도 높다. 이 뜨거운 압축기는 점화 플러그가 불꽃을 튀기기 전에 먼저 발화하는 노킹현상의 원인이 된다. 특히 높은 rpm에서 생기는 노킹은 엔진에 큰 손상을 줄 수 있으므로 흡기의 열을 식히거나 엔진의 압축비를 낮춰 노킹현상을 방지해야 한다.

흡기를 식히는 데는 인터쿨러를 쓰거나 시원한 공기를 흡입할 수 있도록 흡기 유도관을 설치하는 방법이 쓰인다. 흡기 시스템 전체를 단열 처리해도 어느 정도 효과를 볼 수 있다. 압축비를 낮추기 위해서는 실린더헤드의 개스킷을 두꺼운 것으로 교체하거나 피스톤 크라운의 높이를 낮추고 커넥팅로드를 줄이면 된다.

터보 튜닝을 할 때는 엔진의 ECU 프로그램도 손봐야 한다. 터보를 얹으면 자연흡기 엔진과는 상태가 많이 달라지므로 연료분사 및 점화시기를 바꾸는 것은 물론이고 과급압(boost) 조절기능을 ECU에 추가해야 한다.

과급압 조절은 엔진 내구성과 효율성을 높이기 위해 반드시 필요한 작업이다. 예전에는 주로 드로틀이나 산소 센서의 값을 이용해 압축된 혼합기가 실린더에 도달하기 전에 대기에 방출시키는 웨이스트게이트 밸브를 조절했다. 이것은 비교적 간단한 방법이지만 과급압에 영향을 주거나 받는 요소를 간접적으로 이용하기 때문에 효과가 크지 않다.

별도로 과급압 조절기를 다는 방법도 있다. 과급압 조절기는 엔진이 혹사당할 때 이를 보호하는 기능이 제대로 작동하는지 살펴보고 작업하는 것이 좋다. 마지막으로 터보 튜닝을 할 때는 인젝터나 배기 시스템의 용량을 키워야 한다.

터보 튜닝을 할 때 많은 사람이 내구성을 걱정한다. 그러나 기술적인 문제로 인해 내구성이 떨어지는 경우는 거의 없다. 과급된 흡기로 인해 늘어난 동력의 부하는 엔진의 회전으로 인한 관성 부하에 비해 작기 때문이다. 따라서 과급압과 엔진의 열만 잘 조절하면 기계적인 내구성은 충분히 확보할 수 있다.

내구성에 영향을 끼치는 요소는 오히려 소비자의 지나친 기대심리나 열악한 도로환경, 기후 같은 기술 외적인 요인에 있다. 과급기 튜닝은 출력향상 효과가 좋지만 환상을 가질 만큼 완벽한 시스템은 아니다. 운전자가 무리한 성능을 요구하거나 경주용에 가깝게 튜닝한 차를 일반도로에서 마구 몰아대면 내구성에 문제가 생길 수밖에 없다. 오너가 제대로 사용할 때 터보도 제몫을 해내는 것이다.