ASTI 기술보고서 · 2018. 10. 15. · asti 기술보고서 1 < 요 약 > 1. 연구배경...

Korea Institute of Science and Technology Information http://www.kisti.re.kr

ISBN 1111-2222-3333-4444

ASTI 기술보고서

2014. 11. 00

자동차용 인터쿨러 기술동향 및 전망

최성배, 김창목, 조경환

3 ASTI 기술보고서

❚ 목 차 ❚

< 요 약 >································································································1

제 1 장 서 론····················································································5

제1절 인터쿨러(Inter cooler)란?····················································5

1. 인터쿨러란? ·········································································5

2. 인터쿨러의 작동원리······························································8

3. 터보자처와 인터쿨러의 비교···············································14

제 2 장 인터쿨러의 장착 배경·························································23

제1절 인터쿨러 이야기····································································23

1. 인터쿨러의 역할···································································24

2. 인터 쿨러의 종류·································································25

3. 인터쿨러의 구조 ·································································26

제 3 장 터보차저와 터보인터쿨러엔진의 특성·······························28

제1절 터보차저란?···········································································28

제2절 터보자처의 작동원리·····························································31

1. 터보차저의 구조···································································31

2. 터보차저와 구성품·······························································32

3. 터보차저 래그(Trbocharger Lag) ·······································37


4. 슈퍼차저(Super Changer)란?··············································38

제3절 터보 인터쿨러엔진의 장점····················································41

제 4 장 업체의 적용동향 및 비교··················································47

제1절 다양한 엔진 종류································································47

1. 밸브화(Multi-Valve Engine) ··············································47

2. 가변 흡기 시스템(Variable InductionSystem-VIS) ·········48

3. 가변 밸브 타이밍 시스템(Variable Valve Timing System-VVT) ···49

4. 과급기(Charger System) ···················································49

5. 린 번(lean burn) ································································51

6. 가솔린 직접분사엔진(GDI Gasoline Direct Injection) ······51

7. 전자제어식디젤엔진(ECD electronic controlled diesel) ·52

제2절 인터쿨러와 타 엔진과의 비교··············································53

1. 인터쿨러의 배경···································································53

2. 인터쿨러와 터보차저의 비교···············································53

3. 인터쿨러와 일반엔진의 비교···············································54

제3절 국내 업체의 적용 사례·························································54

1. 터보 챠져 ············································································55

2. 인터쿨러 종류 ·····································································57

제4절 수냉식 인터쿨러 상용화······················································71

제 5 장 결 론··················································································74


<참고문헌>·························································································77


그 림 목 차

<그림 1-1> 인터쿨러 구성도································································5

<그림 1-2> 아이스케이크 보고 만든 첫 카 쿨러 ······························7

<그림 1-3> 터보차저 인터쿨러·····························································9

<그림 1-4> 공랭식 인터쿨러 작동원리<·············································9

<그림 1-5> 수냉식 인터쿨러 작동원리··············································10

<그림 1-6> 인터쿨러의 구조······························································10

<그림 1-7> 인터쿨러 순환 경로·························································11

<그림 1-8> 터보차량의 원리······························································11

<그림 1-9> 인터쿨러의 원리······························································12

<그림 1-10> 터보 엔진·······································································12

<그림 1-11> 터보 엔진의 구동 원리·················································13

<그림 1-12> 터보 엔진의 경량화·······················································14

<그림 1-13> 터보차저의 원리····························································16

<그림 1-14> SUV 테라칸차량의 터보차저와 인터쿨러····················17

<그림 1-15> 슈퍼차저 동작원리························································18

<그림 1-16> 터보차저와 인터쿨러 동작원리·····································19

<그림 1-17> SUV 산타페차량의 인터쿨러········································19

<그림 3-1> 터보차저의 단면도··························································32

<그림 3-2> 터보차저의 원리······························································35

<그림 3-3> 터보엔진의 동작 원리·····················································36


<그림 3-4> 로-프레셔 트윈 터보······················································38

<그림 3-5> 로-프레셔 트윈 터보······················································39

<그림 3-6> 인터쿨러 소개··································································40

<그림 3-7> 인터쿨러 작동 원리·························································43

<그림 3-8> 인터쿨러 냉각 원리·························································44

<그림 4-1> 밸브화··············································································48

<그림 4-2> 가변 흡기 시스템····························································49

<그림 4-3> GDI 엔진··········································································52

<그림 4-4> 인터쿨러···········································································55

<그림 4-5> 임펠러··············································································55

<그림 4-6> 터보차저 시스템······························································56

<그림 4-7> 인터쿨러 장착 차량·························································57

<그림 4-8> GTR35 전용의 SPL 대용량 인터쿨러와 파이핑 킷······58

<그림 4-9> Evo X 전용 SPL 대용량 인터쿨러································59

<그림 4-10> Evo 10기 전용 SPL 대용량 라디에이터·····················60

<그림 4-11> 수프라 전용 V 마운트 시스템······································61

<그림 4-12> 마운트 시스템································································62

<그림 4-13> RX-7 전용 V 마운트 시스템·······································63

<그림 4-14> 스카이라인 R34 전용 대용량 라디에이터···················64

<그림 4-15> 커스텀 SPL 인터쿨러, 파이핑 킷································65

<그림 4-16> V 마운트········································································65

<그림 4-17> SPL 리져브 탱크···························································66

<그림 4-18> SPL 라디에이터····························································67


<그림 4-19> SPL 대용량 라디에이터················································68

<그림 4-20> 브리더 탱크···································································69

<그림 4-21> 커스텀 제작 대용량 알루미늄 라디에이터···················70

<그림 4-22> 수냉식 인터쿨러····························································71


표 목 차

<표 3-1> 터보차저 구동 순서····························································31

<표 4-1> 인터쿨러 작동 순서····························································53

<표 4-2> 인터쿨러와 일반엔진 비교·················································54


< 요 약 >

1. 연구배경

□ 정부는 창조경제 전략산업의 일환으로 자동차 선진국에 비해 뒤

처졌던 국내 튜닝산업을 활성화하기 위해 자동차 튜닝산업 진흥

대책을 발표했다. 정부 차원의 엄격한 규제와 튜닝에 대한 부정적

인식 등으로 튜닝에 대해 많은 거부감이 있는 것도 사실이다.

□ 세계 튜닝시장 규모 100조원으로 미국 35조원 독일 23조원 일본

14조 한국은 5000억원 정도로 큰 차이를 보이고 있다.(2012년기준)

자동차 전체 시장규모 대비 튜닝시장 규모도 미국은 11%(35조/320

조) 정도이나 우리나라는 1.6%(0.5조/30조)에 불과하여 활성화도

부족한 상태이다.

□ 정부는 우리나라 튜닝산업의 문제점으로 7개 구조 중 2개, 21개

장치 중 13개 항목변경을 반드시 승인을 받아야 하며, 소비자 보

호장치나 지원제도도 없는 상태다. 또 불법튜닝으로 인해 합법적

인 튜닝에 대해서도 부정적인 인식이 강하다. 정부는 규제 완화,

제도 기반 조성 등 튜닝시장 규모를 키우고 새로운 일자리 창출

효과를 거두기 위해 이번 튜닝산업 진흥대책을 확정했다.

□ 튜닝을 구분하는 범위가 어디에서 어디까지인지 먼저 살펴보자.

○ 빌드업 튜닝(Build Up)은 냉장, 냉동탑차, 소방차, 구급차, 청소차

등이 빌드업 튜닝 자동차에 속한다. 일반 승합차나 화물차 등을


베이스로 하고, 사용 목적에 따라 적재장치 및 승차장치의 구조를

변경하는 방식이다.

○ 튠업 튜닝(Tune Up)은 자동차의 성능향상을 목적으로 하는 튜닝

이다. 승차감이나 롤링, 노즈업·노즈 다운 등을 억제·상승하는

서스펜션 교체, 배기 흐름을 원활하게 해 출력 상승효과를 가져오

는 소음기 교체, 브레이크 성능을 업그레이드하기 위한 브레이크

및 디스크 변경 등을 말한다.

○ 드레스업 튜닝(Dress Up)은 획일적인 디자인과 품질로 판매되고

있는 자동차에 자신만의 개성을 살릴 수 있도록 내·외관의 디자

인을 꾸며주는 것을 의미한다.

□ 튜닝 중에서 화물 적재함 개조(빌드업 튜닝)나 자동차 외관 개조

(드레스업 튜닝)는 창조경제라고 하기는 어렵고, 엔진 튜닝(튠업

튜닝)이 가장 중요한 적합한 분야다. 튠업 튜닝은 엔진을 개조해

공기 흡입과 연료 분사를 조절하고, 엔진제어장치(ECU)의 프로그

램까지 수정해서 소비자가 원하는 엔진 성능으로 개조하는 것이

다. 특히 엔진 성능의 성공을 좌우하는 터보차저와 인터쿨러에 대

한 튜닝 소비자의 요구를 효과적으로 대처할 수 있어야 한다.

2. 연구목적

□ 튜닝시장 활성화에 대한 문제의식은 유럽, 특히 독일에서는 수십

년 전에 고민을 했다. 독일 정부도 우리나라와 마찬가지로 국가

기둥산업인 자동차 제조업에 초점을 두고 자동차 제조사 지원을

위하여 부단히 노력했다. 독일 정부는 30여년 전부터 자동차 튜닝


산업을 적극적으로 육성하기 시작한다. 당시 독일 정부는 국민들

에게 자동차 튜닝은 자동차를 사랑하고 자동차가 하나의 라이프

스타일이 된다는 점과 튜닝시장 활성화가 제조사의 기술력 향상

에 도움이 된다는 사실까지도 인식했다.

□ 메르세데스-벤츠(이하 벤츠)와 BRABUS의 관계를 보자. BRABUS는

벤츠 전문 튜닝회사이면서, 독일에서 가장 큰 벤츠 공식 서비스

센터를 가지고 있다. 제조사가 튜닝사에게 공식 서비스 센터를 내

준다는 것은 그 의미가 매우 크다. 벤츠에 대한 모든 기술적 노하

우와 비밀 프로젝트를 튜닝사에게 오픈해야 하기 때문이다. 그만

큼 서로가 서로를 윈윈 할 수 있는 상대로 여기고 있다.

□ 독일 ABT 본사에서 열린 '자동차 튜닝기업 투자의향 조인식’에

서 남경필 경기도지사가 독일 튜닝기업 대표들과 협약서에 서명

했다. 경기도는 독일 캠프텐에서 독일차 튜닝기업 ABT와 브라

부스, 테크아트, AC 슈니처와 이들 기업의 한국 독점판매법인인

아승오토모티브그룹 및 신한대학교가 총 1억 달러 규모의 투자의

향서에 서명했다고 밝혔다.

□ 델파이의 신형 수냉식 인터쿨러 (차지 에어쿨러 LCCAC : liquid

cooled charge air cooler)는 가솔린과 디젤 엔진을 생산하는 전세

계 자동차회사들이 뛰어난 엔진 성능을 지닌 친환경 자동차를 생

산하도록 도움을 준다. 이 신형 쿨러는 기존 공기 냉각 장치에 비

해서 엔진 룸 패키지와 엔진 가속 시 반응 속도가 개선되었고 더

욱 빠르게 예열되어 에너지 손실이 적다. 델파이의 키퍼 이사는


“델파이의 수냉식 인터쿨러(차지 에어쿨러) 는 2011년에 생산되

어 국내외에 제공되어 공냉식 인터쿨러의 경우 연결 구조인 큰

직영의 고무 튜브를 사용하는데 발생되는 품질 문제를 해결하였

다.

□ 인터쿨러와 터보차저는 튠업 튜닝의 핵심적 기술로써 국가 전체

튜닝산업 경쟁력과도 밀접한 관계를 가진 핵심기술이라 할 수 있

다. 인터쿨러와 터보차저의 발전은 튠닝산업에 고용 파급 효과를

창출할 것으로 기대된다.

□ 그러나 인터쿨러의 연구는 아직까지 기술개발 내지는 실증 실험

단계로 초보적인 수준에 불과하다. 핵심 소재 및 부품 제조 기술

은 거의 전부를 외국에 의존하고 있다.

□ 정부는 향후 인터쿨러 시장의 발전 방향을 고려하여 기술 개발을

위한 장기 계획을 세워야하고, 인터쿨러에 대한 기술 및 시장 동

향을 분석함으로 관련 기술 개발을 확대 할 수 있는 계기를 마련

코자 한다.


제 1 장 서 론

제 1 절 인터쿨러(Inter cooler)란?

1. 인터쿨러란?

네이버 지식백과의 정의에 의하면 “인터쿨러”는 흡기 공기를 냉각

하는 장치를 말한다. 터빈은 공기를 압축할 때 생기는 열 때문에 애써

가압한 공기 밀도가 희박 해진다. 이 때문에 기온이 높은 여름철 등에

는 충전 효율이 나빠져 일 년 평균 설정을 할 수 없다. 인터쿨러는 컴

프레서로 가압한 공기를 냉각하여 공기 밀도를 올리는 냉각기 구실을

한다. 예전에는 레이싱 카에만 쓰였으나, 현재는 일반 승용차에도 쓰인

다.

<그림 1-1> 인터쿨러 구성도

지금은 자동차에 “카 쿨러”라 부르는 에어컨디셔너가 달려 있지


않으면 자동차 축에도 끼이지 못하는 시대로 변했다. 1980년대 초 내차

장만하기가 힘들던 시절 차는 겨우 구입했지만 카 쿨러는 값비싼 선택

품목이라 큰 부담이었다. 한여름만 되면 무더위에 지쳐 내년에는 돈 모

아 카 쿨러를 꼭 달아야겠다는 것이 보통 오너드라이버들의 큰 희망이

었다.

냉각작용을 하는 냉매인 프레온가스가 압축되어 냉각기체로 변하면

서 더운 공기를 차갑게 만드는 것이 쿨러의 원리이다. 1934년 여름 미

국에 있던 내쉬 자동차회사의 한 엔지니어가 차를 몰고 디트로이트에

서 남부의 애리조나에 살던 친척을 방문할 때 열사의 사막을 건너다

더위를 먹었다.

그는 친척집 천장에 달려 돌아가던 큰 선풍기에서 아이디어를 얻어

작은 선풍기를 만들어 운전대 위에 장치하여 실내의 더운 바람을 몰아

내도록 만들어 시원한 여행을 즐긴 것이 최초의 카 쿨러였다고 한다.

그는 좀 더 시원한 카 쿨러를 연구하다가 당시의 아이스케이크를 만

들던 암모니아가스에서 힌트를 얻어 만들었으나 너무 커서 차에 달고

다니기가 불편했고 독한 냄새 때문에 실용화되지 못했다. 그 후 1936년

디트로이트의 `케리어 엔지니어링 회사`가 1913년부터 실용화 된 가정

용 전기냉장고에서 아이디어를 얻어 무색무취의 프레온 가스를 압축

해 생긴 냉각 기체가 더운 공기를 식히는 원리를 이용해 드디어 실용

적인 자동차용 에어컨디셔너를 개발해 내는데 성공했다.


<그림 1-2> 아이스케이크 보고 만든 첫 카 쿨러

케리어 엔지니어링 회사는 1년간의 성능 시험을 거친 후 자신 있게

내놓으면서 `드디어 에어컨디셔너가 자동차를 점령할 것`이라 호언장담

했다. 그러나 이 카 쿨러는 무게가 270kg에 용량이 756 리터니 되는

엄청나게 크고 무거워서 승용차에 달 경우 공기 냉각용 압축기인 컴프

레셔를 지붕위에 설치했다. 이래서 초기에는 승용차보다 버스에 많이

달았다.

너무 커서 승용차에 달기에 불편했던 것을 1943년 GM자동차회사에

서 작게 만드는데 성공하여 실용화되기 시작했다. 우리나라에 카 쿨러

가 처음 등장한 것은 1954년에 미국서 들여온 이승만 대통령의 승용차

인 캐딜락 리무진에 달려 들어왔었다고 한다.


2. 인터쿨러의 작동원리

터보챠저(TC)는 컴프레셔 휠(임펠러)의 회전에 의한 흡입공기를 실린

더로 강제적으로 압송하여 충진 효율을 증가시켜 출력을 향상 시킨다.

그러나 흡입공기가 터보챠저에 의해 압축될 때 공기의 분자구조는 서

로 밀착되어 분자와 분자 사이의 마찰을 일으킨다. 그러므로 공기의 온

도가 상승되고 부피가 팽창하여 실제적인 공기 밀도가 작아져 충진효

율이 감소한다. 즉 흡입공기가 2배 정도로 압축되었다 하더라도 실제로

흡입되는 공기량은 약 1.6 배 정도 밖에 되지 않는다. 그러므로 흡입공

기를 냉각시켜 충진효율을 증대시켜야만 더욱 큰 출력을 얻을 수 있기

때문에 인터쿨러(Intercooler)를 설치한다.

터보챠저 인터쿨러(TCI)를 설치하므로 과급압을 높일 수 있어 분당

흡입할 수 있는 공기량이 증가되므로 연소효율이 증가되고 엔진 출력

의 향상을 얻을 수 있다.

□ 분류

인터쿨러의 분류는 냉각 방식에 따라 수냉식과 공냉식으로 분류한

다.

○ 공냉식 인터쿨러

공냉식은 인터쿨러에 외기를 직접 닿게 하여 흡기온도를 내리는 방

법으로 라에이터 앞 또는 바람이 잘 접하는 부분에 설치한다.


<그림 1-3> 터보차저 인터쿨러

<그림 1-4> 공랭식 인터쿨러 작동원리<

○ 수냉식 인터쿨러

수냉식은 압축되어 뜨거워진 공기를 엔진 냉각수와는 별개로 설치된

냉각 계통으로 냉각수에 의해 냉각시키는 방법

□ 구성

인터쿨러는 열교환기로 아래와 같은 구조로 되어 있다.


□ 원리

<그림 1-5> 수냉식 인터쿨러 작동원리

<그림 1-6> 인터쿨러의 구조

인터쿨러는 컴프레셔 휠을 통해 가압된 공기가 실린더 쪽으로 압송

되면, 압송된 공기는 실린더로 유입되기 전 인터쿨러를 거치게 된다.

인터쿨러로 유입된 고온·고압의 공기는 냉각 매체인 외부공기 또는

냉각수에 의해 인터쿨러에서 고온의 가압 공기와 열 교환을 통해 냉각

되어 실린더로 강제 압송된다.


<그림 1-7> 인터쿨러 순환 경로

□ 터보차량의 원리

<그림 1-8>에서 빨간색 화살표는 배기가스를 말하고 있다. 파랑색은

엔진으로 들어가기 위한 새로 들어온 공기고요 빨간색 공기가 나가면

서 임펄러라는 위에 프로팰러 같이 생긴 것을 돌리고 나간다. 그러면

파란색공기는 들어오면서 강제적으로 압축을 한다. 밀도가 높은 공기를

만들고 높이 밀도의 공기를 더 많은 연료를 넣고 연소실에서 폭발을

시키면 더 높은 힘을 얻을 수가 있고 그래서 터보차량의 출력이 올라

가는 것이다.

<그림 1-8> 터보차량의 원리


<그림 1-9> 인터쿨러의 원리

<그림 1-9>에서 배기가스(빨간색 화살표)가 배출되면서 터빈홀을 회

전시키면 축의 반대편에 연결된 콤프레서 휠이 회전하면서 공기를 압

축하여 연소실내로 공급한다.

<그림 1-10> 터보 엔진


<그림 1-10>에서 압축된 공기가 인터쿨러를 통과함으로 냉각 후 높

은 밀도의 압축 공기(파란색 화살표)가 엔진의 연소실에 유입 된다.

<그림 1-11> 터보 엔진의 구동 원리

<그림 1-11>에서 그림은 터보엔진에 대한 내용을 설명하고 있는데

더 간단하게 보실 수 있는 설명서이다.

□ 엔진의 경량화

엔진 효율 극대화로 엔진 크기를 대폭 줄일 수 있다. 아래의 그림

22HP를 얻기 위해 NA엔진은 295Kg이 요구되나 터보엔진은 114Kg 크

기면 같은 출력을 낼 수 있다.


<그림 1-12> 터보 엔진의 경량화

“드래그 레이스”나 “타임 어택” 그리고 “스포츠 드라이빙”을

비롯하여 가혹한 운전 조건들은 한 마디로 열과의 전쟁이다.

3. 터보자처와 인터쿨러의 비교

터보차져(Turbo charger)와 인터쿨러(Inter cooler)를 장착한 디젤자동

차가 사고로 인터쿨러 부분이 손상 될 경우 엔진시동은 멈추는 현상은

일어나지 않는다. 터보차져(Turbo charger)와 인터쿨러(Inter cooler)는

엔진이 피스톤의 하강(흡입) 행정의해 공기를 흡입 할 때 외부에서 강

제적으로 더 많은 공기를 밀어 넣어주는 역할을 하므로 인터쿨러가 손

상되더라도 피스톤의 자연적인 흡입력으로 공기는 계속해서 엔진으로

공급 될 수 있다. 그러나 이때 흡입효율이 떨어지는 만큼 출력은 상당

부분 손실되므로 정상적인 주행에는 나쁜 영향을 받을 수 있다


□ 메커니즘 해설(일반사항)

최초의 터보는 비행기 제작사인 에어리서치(Air Research)사에 의하

여 개발된 것으로 고공에서 비행기의 공기가 희박해질 경우 엔진의 출

력이 떨어지는 것을 방지하기 위한 수단으로 고안된 장치였다.

자동차에는 1921년 메르세데스의 차에 처음 장착된 후 40여년 지난

1962년 미국 시보레자동차회사의 콜벳 몬자스파이더(Corvair Monza

Spyder)라는 차가 처음으로 양산되었으나 본격적으로 자동차에서 인기

를 얻은 것은 1974년 BMW사에서 2002 터보를 시판하면서 부터이다.

국내에서는 1991년 현대스쿠프1.5L 엔진에 처음 장착되어 일반인들에

게 터보차저라는 이름을 알렸으며 현재는 높은 출력이 요구되는 차량

에 많이 사용되는 보편화된 기술이다. 터보는 일반적인 대기압의 공기

를 터빈의 힘을 이용하여 연소실에 더 많은 공기를 주입하는 과급장치

이다. 따라서 그 압축비에 비례하여 많은 연료를 공급할 수 있어 보다

높은 출력과 보다 큰 토크를 얻을 수 있다.

□ 메커니즘 해설(주요구조)

엔진은 배기량만큼 혼합기를 흡입하여야 하는데 실제배기량의 80%

정도만큼 밖에 흡입할 수 없다. 따라서 2,000cc 엔진도 1,600cc분의 혼

합기 밖에 흡입하지 못한다.

흡입량을 늘리기 위해 밸브 수를 늘리거나 밸브직경을 크게 하고 있

다. 또 하나의 방법으로 터보차저나 슈퍼차저를 사용하여 터빈이나. 펌

프를 강제적으로 돌려 공기의 압력을 1.5배하면 많은 공기가 실린더내

로 들어가 가솔린의 양도 많아지면서 파워도 상승한다.


이와 같이 실린더 내의 부압을 이용하여 공기를 흡입하는 방식이 자

연 흡기방식이고 터보차져로 공기를 강제로 보내는 방식을 과급방식이

라 한다.

□ 터보차저

터보차져(Turbo Charger)는 흔히 터보라고 하며 달팽이 같이 생긴 용

기 안에 한 개의 축으로 연결된 터빈과 컴프레서가 있다. 터빈 측 날개

에 배기 머플러로 나가는 배기가스가 부딪쳐 축을 돌리게 되면 컴프레

서도 함께 돌면서 엔진 연소실 안으로 신선한 공기를 다량 압축 공급

하는 장치로서 저속보다는 고속시에 엔진율 및 출력을 증대 시킨다.

<그림 1-13> 터보차저의 원리

실린더 내의 연소열은 모두 파워로 연결되지는 않는다. 피스톤을 눌

러 크랭크 샤프트를 돌리는데 사용하는 힘은 약 30% 정도다. 피스톤과

실린더의 마찰에 5%가 손실되고 발생한 열을 냉각시키는데 30% 전후


가 손실되고 남은 35%의 에너지도 배기가스로 손실된다. 배기온도는

900℃에 달하고 또 실린더 내 팽창 압착도 높아져 배기 매니폴드로 나

가는 속도는 음속(마하1)이나 된다.

배기 매니폴드 출구에 설치된 터빈은 고속의 배기가스로 강력한 회

전력을 얻어 공기를 흡입하고 또 압축하는 펌프의 역할을 하여 대기압

을 1.5배전후로 압축시켜 엔진의 실린더 내로 보내는 것이다.

<그림 1-14> SUV 테라칸차량의 터보차저와 인터쿨러

□ 슈퍼차저

엔진과 벨트 등에 의해 연결된 컴프레서로 공기를 압송하고 크랭크

샤프트를 이용하여 공기 펌프 작동을 하고 있으므로 저속에서도 좋은

성능을 나타낸다. 터보차져의 터빈은 1분에 최고 12만 회전

(120,000rpm)으로 고속 회전을 하며 엔진 오일을 이용하여 윤활하므로


엔진 오일이나 필터 또는 에어클리너 엘리먼트는 관리를 보다 철저히

해야 한다.

<그림 1-15> 슈퍼차저 동작원리

□ 인터쿨러

터보 과급 엔진에서 터보 차져의 콤프레셔에 의해 흡입공기가 압축

되어 고온 고밀도가 되는데 이는 공기밀도에 악성 요인으로 작용하기

때문에 콤프레셔의 과급 압력공기를 인테이크 매니폴드 직전에서 냉각

시켜 공기밀도를 더욱 증가시켜 엔진 성능개선을 도모하기 위한 장치

이다.


<그림 1-16> 터보차저와 인터쿨러 동작원리

<그림 1-17> SUV 산타페차량의 인터쿨러

□ 터보인터쿨러

항공기 제트엔진의 원리를 응용한 터보 인터쿨러 엔진은 터보차져로


부터 과급된 고온고압의 압축공기를 냉각시키는 기능(인터쿨러)을 추가

했다. 압축공기의 밀도를 높임으로써 흡입공기량을 증대시킨 엔진으로

동일한 배기량의 경우 디젤엔진 형식 중 완전연소에 가장 가깝고 출력

이 높은, 가장 진보한 첨단 디젤엔진이다.

배기량이 일정한 상태에서 연소실에 강압적으로 많은 공기를 주입하

여, 엔진폭발력을 높여 힘과 토오크를 증대시키는 구조이다. 이때, 터

보차저에 의해서 가압된 흡입공기는 폐쇄된 공간에서 압축되기 때문에

공기의 온도 상승이 발생하고 공기의 온도상승은 부피를 팽창시켜 실

린더에 압축시켜 불어넣을 수 있는 공기의 양은 한계를 갖게 된다.

<그림 1-18> 터보인터쿨러의 원리

터보인터쿨러는 이러한 한계를 극복하기 위해 터보차저에서 가압 후

고온이 된 공기를 냉각시켜 공기밀도를 크게 함으로써 실린더로 보급

되는 흡입공기의 절대량을 늘려 엔진 출력을 향상 시키는 장치이다.


□ 터보인터쿨러 엔진의 장점

100만km 무보링을 자랑하는 벤츠 특유의 내구성으로 인하여, 인터쿨

러 엔진의 기본이 되어 있다고 할 수 있다. 충분한 개발기간을 가지고

증가된 출력에 맞게 엔진의 각 부품류를 세팅했기 때문에, 아무리 격렬

한 드라이빙을 하더라도, 충분한 제 성능을 발휘한다.

□ 출력증강

터보인터쿨러 엔진은 NA(자연흡기엔진, Natural Aspiration) 엔진에 비

해 출력이 26%향상되므로 탁월한 동력성능을 발휘하며, 엔진회전 영역

이 저속에서도 동일 출력을 내므로 엔진수명이 오래간다.

□ 진동/소음 감소

일반적으로 엔진의 소음은 엔진회전수가 높을수록 커진다. 터보인터

쿨러엔진은 저속영역에서도 높은 출력을 내므로 결과적으로 낮은 rpm

에 의한 진동 및 소음의 감소효과가 크다.

□ 배기가스

일반적으로 매연은 공기 부족에 의한 불완전 연소에 의해 발생하나

터보인터쿨러 엔진은 다량의 공기를 실린더에 보급하여 완전연소를 유

도하므로 매연이 현저하게 감소한다.

□ 우수한 고지적응성

산간지대나 고지대에서 자연흡기방식 엔진은 공기밀도 저하에 의한

공기부족으로 연료가 불완전 연소되어 약 10%정도 저하되어 성능이 떨

어지는 반면, 터보인터쿨러 엔진은 공기의 공급이 충분하므로 출력의


저하현상이 거의 없습니다.

□ 연비개선

터보인터쿨러엔진은 인터쿨러에 의해 냉각된 다량의 공기를 실린더

에 보내어 점화시키기 때문에 완전연소가 가능하며, 낮은 엔진회전 영

역을 이용할 수 있어 연비가 좋아진다.


제 2 장 인터쿨러의 장착 배경

제 1 절 인터쿨러 이야기

자동차 엔진은 공기와 연료를 혼합하여 그 혼합비율에 따라서 엔진

출력이 조절된다. 디젤엔진에서(가솔린이나 LPG도 마찬가지이겠지만)

연료를 분사하는 방법에도 여러 가지가 있으며 공기를 흡입하는 방법

에도 여러 가지가 있다. 많은 버스들이 V8 엔진을 버리고 터보인터쿨

러 엔진을 장착하고 있다.

자동차엔진은 원래 자영흡기방식의 엔진이었다. 하지만 엔진의 출력

과 연비, 매연 배출 등을 개선하기 위해서 터보엔진(터보차져)이 개발

이 되었다.

자연흡기식은 말 그대로 아무장치도 안달아 놓은 상태이다. 공기를

흡입하는 구멍이 있고 그 구멍과 엔진사이에 에어클리너가 있으며 아

무런 저항 없이 공기가 들어오는 데로 흡입하는 방식이 자연흡기식이

다.

엔진은 배기량만큼 혼합기를 흡입하여야 하는데 실제 배기량의 80%

정도만큼 밖에 흡입할 수 없다. 따라서 2000cc엔진도 1600cc분의 혼합

기 밖에 흡입하지 못한다.

흡입량을 늘리기 위해 밸브수를 늘리거나 밸브 직경을 크게 하고 있

다. 또 하나의 방법으로 터보차저나 슈퍼차저를 사용하여 터빈이나 펌

프를 강제적으로 돌려 공기의 압력을 1.5배하면 많은 공기가 실린더로

들어가 가솔린의 양도 많아지면서 파워도 상승한다.

실린더내의 부압을 이용하여 공기를 흡입하는 방식이 자연흡기방식

이고 터보차져로 공기를 강제로 보내는 방식을 과급방식이다. 터보 인


터쿨러 엔진은 원래 항공기에 사용된 것으로, 공기가 희박해지는 높은

고도에서도 엔진 내부에 일정한 공기압을 유지해 주기 위해 개발된 것

을 자동차 엔진에 응용한 것이다.

터보 인터쿨러는 가압 후 고온이 된 공기를 인터쿨러에서 냉각시켜

공기 밀도를 크게 함으로써 실린더로 보급되는 흡입공기의 절대량을

늘려 엔진출력을 향상시키는 장치이다. 자연흡기 엔진에 비해 출력이

30% 가까이 향상되어 탁월한 동력성능을 발휘하며, 저속에서도 동일

출력을 내므로 엔진 수명이 오래가는 장점이 있다. 진동과 소음, 배기

가스 등이 감소되고, 연비 또한 좋아진다.

□ 터보인터쿨러방식의 엔진은 자연흡기엔진에 두 가지 장치를 추가

한 것이다.(실제로는 많은 차이가 있다.)

□ 터보차져(Turbo Charger)와 인터쿨러(Intercooler)의 두가지 대표적

인 장치가 추가되어 향상된 엔진성능을 발휘하게 된다.

1. 인터쿨러의 역할

과급기로 공기를 압축하면 단열 압축에 의해 엔진 흡입 공기온도가

상승합니다. 이 때문에 가솔린엔진의 경우 충전효율의 저하함과 동시에

혼합기온도가 상승하여 녹킹이 발생하기 쉽다. 인터 쿨러를 부착하여

흡입공기 온도를 저감시킴으로써 충진 효율도 상승시키고 녹킹도 억제

할수 있어 출력을 증대시킬 수 있어 인터쿨러가 필요하다.


2. 인터 쿨러의 종류

인터쿨러는 수냉식과 공냉식이 있다. 수냉식은 냉각액을 매체로 하기

때문에 인터쿨러 본체에 주행 풍을 닿게할 필요가 없고, 인터쿨러의 탑

재 위치의 제약이 적지만, 인터쿨러용 라디에이터, 냉각액 펌프 등을

고온의 흡입 공기를 냉각하기 때문에 인터쿨러를 주행 풍이 닿기 쉬운

장소에 설치할 필요가 있다.

공랭식은 수냉식에 비교하여 긴 흡기 배관이 필요하지만, 구성 부품

이 적고 경량으로 할 수 있다. 메이커에서 정품으로 달려 나오는 인터

쿨러의 경우 배기량이 높고 차량 가격이 높은 차량들은 순정도 수냉식

을 사용하는 차량이 있다. 냉각 효율은 수냉식이 시내주행이나 보편적

으로 좋으나 고속 주행용은 공냉식과 큰 차이는 없다.

수냉식으로 개조도 가능 하지만 투자금 대비 이익의 효과는 그리 크

지 않으므로 순정이 부착된 방식으로 업그레이드만 해주면 가격대비

최고의 성능을 낼 것이다.

□ 인터쿨러 업그레이드시 특징

연소실로 들어가는 공기는 차가울수록 많은 질량의 공기를 넣을 수

있다. 연비도 올라가게 된다.

인터쿨러 사이즈가 무작정 클 수는 없지만 보기 싫지 않을 정도로

키울 수 있다면 알루미늄 타입으로 키우는데 많은 차가운 공기를 엔진

에 넣을 수 있다. 이때 차가운 공기란 차갑다는 의미보다는 터빈에서

바로 나오는 공기 보다 온도가 내려간다는 의미 입니다. 참고로 터빈은

최고 1,000도 가까이 온도가 상승 한다.

인터쿨러만 키울 경우 인터쿨러를 거쳐서 연소실 까지 가는 거리가


멀어지므로 엔진 응답성이 떨어진다. ECU맵핑으로 보정하여서 손실을

최소화 시킬 수 있다.

특히 여름철 초기 시동 후 차는 잘나가나 조금만 온도가 상승하면

안나가거나 미약한 노킹이 나는 것을 억제 합니다. 터보 차량에서 흡입

온도가 높으면 노킹이 발생활 위험도가 증대 됩니다. 특히 고급유가 아

닌 일반유 사용시 이 느낌은 현저히 커진다.

아주 단순하지만 마우스피스를 물고 있는 것처럼 멋집니다. 인터쿨러

를 바꾼다고 몇십 마력이 상승하는 것은 아니다. 나의 최대 마력수를

꾸준히 지속적으로 사용 할 수 있다.

인터쿨러 라인은 최대한 단거리로 짜는 것이 유리하다. 괜히 뺑뺑 돌

려서 라인이 길어지면 응답성이 극하게 떨어진다. 이 경우 튜닝을 안한

것만 못하다. 인터쿨러의 업그레이드 할 때 더 많은 공기를 더 차갑게

사용이 가능 하므로 좀 더 타이트하게 맵핑이 가능하다. 이 경우 맵핑

으로 보정해 주면 순정의 응답성에 떨어지지 않는 운동 성능을 보일

수 있다.

냉각 능력과 마찬가지로 엔진 성능에 영향을 주는 요인으로 흡기계

의 압력 손실이 있으며, 설정 과급 압력(인테이크 매니폴드 내 압력)에

대해서 과급기의 출구 압력은 인터쿨러 본체 및 배관계의 압력 손실분

을 고려하여 높게 설정할 필요가 있다. 과급기의 필요량의 증가와 흡입

공기 온도의 상승을 초래하여 출력 저하의 요인이 되며, 이것을 방지하

기 위해 저압력 손실의 흡기계로 할 필요가 있다.

3. 인터쿨러의 구조

□ 자동차용 인터쿨러는 일반적으로 알루미늄을 약간 혼합한 구조의


적층 타입, 튜브 타입, 드로온캡 타입이 주로 사용되고 있다.

○ 적층 타입

제조가 쉽고 다종 소량의 생산에 적합하며 주로 트럭용으로 사용

되고 있다.

○ 튜브타입

튜브는 알루미늄 압출 성형으로 제조되는 경우가 많고 내부에 핀

을 붙이거나 다 공관으로서 방열량을 증가시킨 것도 있다.

○ 드로온 캡 타입

핀과 캡을 적층하여 일체로 브라징해서 제조할 수 있기 때문에

생산성은 좋지만, 파이프의 취출부가 인터쿨러 단면으로 제한되기

때문에 탑재의 자유도는 적다.


제 3 장 터보차저와 터보인터쿨러엔진의 특성

제 1 절 터보차저란?

터보차져란 흔히 말하는 터보를 말한다. 즉 과급기의 한 종류이다.

엔진에서 연료와 공기가 혼합을 하여 연소가 이루어지고 이 연소과정

에서 생기는 힘으로 차량에 구동력을 보내 차량이 움직이는 힘을 얻게

되어 자동차가 움직인다. 엔진에 부속으로 달려 있는 것이다.

엔진이 연소작용을 하면 배기가스가 생기게 된다. 이 배기가스는 엔

진에 있는 배관[배기 매니폴더]과 머플러[흔히 마후라 혹은 배기구]를

통해 엔진 밖으로 배출이 된다.

터보란 이렇게 배출되는 배기가스를 이용하여 엔진에 공기를 강제적

으로 많이 집어넣는 역할을 한다. 터보차져를 보시면 마치 골뱅이처럼

생겼고 터빈의 정중앙을 보면 바람개비 같은 날개를 볼 수 있다.

연소작용이 끝난 배기가스가 터빈의 날개[임펠러]를 돌리게 하여 엔

진에 공기를 압축하여 강제적으로 더 집어넣게 된다. 즉 배기가스가 가

진 힘을 좀 더 엔진의 동력에 이용을 할 수 있도록 하는 장치다. 이러

한 터보를 사용했을 경우 일반적으로 같은 배기량의 논터보엔진[터보

가 장착되지 않은 엔진]에 비해서 출력이 30~40% 정도 차이가 있다.

이 출력의 증강치는 엔진의 셋팅, 엔진의 물리적 특성, 터빈의 크기

및 특성 등에 의해서 많이 차이가 나기도 한다. 일례로 현대의 투스카

니 2.0의 베타엔진 같은 경우 노말 엔진[팩토리 사양]의 출력이 140마

력[휠마력 110마력]정도라면 크기, 용량이 작은 터보를 장착했을 경우

약 200~230마력 부근으로 출력이 상승을 한다. 즉 순정 기준으로 2.0리

터 엔진의 출력에서 터보를 장착함으로써 3.0엔진급의 출력을 얻을 수


있는 부품이다.

터보엔진들은 터보만 장착하지 않고 인터쿨러도 병행하여 사용한다.

즉 엔진에 들어가는 공기를 인터쿨러에 거치게 하여 온도를 낮추어 보

다 높은 밀도의 공기 및 산소량을 가지게 하여 출력을 보다 높게 한다.

터보의 작동은 엔진에서 나오는 배기가스가 동력원이다. 일반적인 상식

으로도 알 수 있듯이 배기가스의 온도는 매우 높은 온도를 가지고 있

다.

휘발유 엔진은 약 1000도에 달하는 온도를 가지고 있다. 고온을 직접

적으로 받는 터보이기에 부품들이 정밀하고 또 고온에 잘 견디는 재질

로 되어 있다. 배기가스가 터보차저의 구성부품에 들어가게 되면 임펠

러가 회전을 한다. 터보가 작동을 하게 되면 임펠러의 회전속도는 약

100,000~150,000rpm 의 회전수로 임펠러가 돌아가게 된다. 그러면 당연

히 임펠러 및 공기를 압축시키는 부품의 회전속도도 빠르고 그 부품들

에 열이 엄청나게 발생할 것이다.

그 열을 식혀주기 위해서, 또 그 부품들이 회전운동을 할 때 부품들

의 표면에 생길 수 있는 부하를 줄여주기 위해서 윤활작용이 필요하게

된다.

이 엔진오일은 또 터보차저의 부품들에게 냉각의 효과도 제공을 하

게 됩니다. 이렇게 열이 많이 받는 터보차저이기에 예열 및 후열이 필

요한 것이다. 한 예로 상당한 터보튠을 거친 차량이 엄청난 부하 혹은

초고속 주행을 끝내고 바로 정차하여 엔진룸을 열어 봤을 때 배기 매

니폴더 및 터보차저가 포항제철에서 볼 수 있는 철강제품이 새빨갛게

달아오르듯이 엔진룸에서 빨갛게 잘 익어버린 것을 본 기억도 있다.

그 상황의 배기온도는 약 1,000도 이다.

이러한 터보차저에 예열 및 후열관리를 하지 않고 바로 시동을 끈다


면 아무리 고온에 잘 견디는 재질로 제작된 터보차저라고 하더라도 부

품들이 서로 녹아서 달라붙는 경우가 생기게 된다. 예열도 공회전[=아

이들링]을 주행하기 전에 실시하여 각 부분[엔진+미션+터보차저]에 엔

진오일, 미션오일을 충분히 회전시켜 부하를 줄이는 것이 목적이다.

시동을 키자마자 주행을 하는 것과 충분한 예열을 하고난 후의 자동

차의 엔진, 미션의 반응은 몸으로 느끼실 수 있다. 예열을 실시했을 때

가 훨씬 부드럽고 조용하게 움직인다. 특히 겨울철에 그 효과를 느끼실

수 있다.

터보차저의 이상은 가속력에 비해서 엔진의 힘이 떨어지거나, 엔진

부근에서 못 듣던 기계의 마찰음이 들리거나, 블로우 개스음이 들리지

않는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 가속 및 엔진의 반응이 전보다 늦어

진다. 갑자기 매연이 많이 발생한다.

가속을 하다가 엑셀을 떼면 보통 터보차량은 피쉭~과 같은 소리가

난다. 이 소리는 엔진 및 터보 임펠러에 가해지는 충격을 최소화하기

위해 블로우 오프 밸브가 작동을 하여 발생하는 소리다. 그런 블로우

밸브 소리가 들리지 않을 때 엔진과 밀접한 관계의 터보이기에 터보차

저에 이상이 생기면 진동, 소음 등이 발생한다.

터보가 고장 난다고 해서 차가 아예 못 굴러 간다던지 아님 엔진이

깨진다던지 하는 문제는 없다. 고착상태에 빠진 터보 임펠러가 분해가

되거나 고장 난 터보의 부품들이 깨져 엔진 내부로 침투가 된다면 엔

진이 그야말로 작살이 날 수도 있다.


제 2 절 터보자처의 작동원리

1. 터보차저의 구조

터보차저는 배기가스의 압력에 의해서 고속으로 회전되어 공기를 가

압하는 임펠러(impeller), 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변환시키

는 터빈(turbine), 터빈 축을 지지하는 플로팅 베어링, 과급 압력이 규

정 이상으로 상승되는 것을 방지하는 과급 압력 조절기, 과급 된 공기

를 냉각시키는 인터쿨러, 분사 시기를 조절하여 노킹이 발생되지 않도

록 하는 노킹 방지 장치 등으로 구성되어 있다.

□ 터보차져의 단면도

<표 3-1> 터보차저 구동 순서


<그림 3-1> 터보차저의 단면도

2. 터보차저와 구성품

□ 임펠러(impeller)

흡입 쪽에 설치된 날개로서 공기를 실린더에 가압 시키는 역할을 한

다. 디젤 기관의 임펠러는 직선으로 배열된 레이디얼형(radial type, 고

속회전에 유리)이 사용되고 가솔린 기관의 임펠러는 나선형(spiral)으로

배열된 백워드형(backward type impeller, 저속회전에도 효율이 좋음)이

사용된다.

□ 터빈(Turbine)

터빈은 배기 쪽에 설치된 날개로서 배기가스의 압력에 의하여 압축

기를 회전시켜 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변환시키는 역할을

한다. 터빈의 날개는 레이디얼형(radial type turbine)이 사용된다. 따라

서 터빈은 기관의 작동 중에는 배기가스의 온도를 받으며, 고속으로 회


전하기 때문에 원심력에 대한 충분한 강성과 내열성이 있어야 한다.

엔진이 작동할 때 각 실린더의 배기 밸브를 통하여 배출되는 배기가

스는 터빈의 하우징 안에서 바깥 둘레로부터 터빈의 날개와 접촉되어

회전시키고 배기관을 통하여 배출된다. 이 때 흡입 쪽에 설치된 임펠러

가 동일 축에 설치되어 있기 때문에 회전하게 된다.

□ 플로팅 베어링(floating bearing)

플로팅 베어링은 10,000∼15,000rpm정도로 회전하는 터빈 축을 지지

하는 베어링으로서 엔진으로부터 공급되는 오일로 충분히 윤활 되므로

하우징과 축 사이에서 자유롭게 회전할 수 있다.

주의할 점은 고속주행 직후 엔진을 정지시키면 플로팅 베어링에 오

일이 공급되지 않기 때문에 소결(stick)이 되는 경우가 있으므로 충분히

공회전하여 터보장치를 냉각시킨 후 엔진을 정지 시켜야 한다.

□ 과급 압력 조절기(super pressure relief) - Wastegate

과급 압력 조절기는 과급 압력이 규정 값 이상으로 상승되는 것을

방지하는 역할을 한다. 과급 압력을 조절하지 않게 되면 허용 압력 이

상으로 상승하여 기관이 파손되므로 과급 압력을 조절하여야 한다. 압

력을 조절하는 방법으로는 배기가스를 바이패스(by-pass)시키는 방법과

흡입되는 공기를 조절하는 방식이 있다.

가. 배기가스 바이패스 방식(exhaust gas by-pass type)

터빈에 유입되는 배기가스의 일부를 바이패스시켜 과급 압력이 규정

값 이상으로 상승되지 않도록 하는 방식으로서 터보차저에서 떨어진

(아래 그림) 곳에 배기 가스 바이패스 밸브를 설치하여 과급 압력을 조

절하는 원격 바이패스 밸브식과 터보차저에 일체로 스윙밸브를 설치하


여 과급 압력 조절 액추에이터(actuator)에 의해서 배기가스를 바이패스

시키는 스윙 밸브식이 있다. 국내에서 사용하는 터보장치는 스윙 밸브

식을 사용하고 있다. 터보차저 wastegate의 작용-부스트압을 제한

나. 흡기 조절 방식(suction relief type)

흡기 쪽에 릴리프 밸브(relief valve)를 설치하여 임펠러에 의해서 과

급된 흡입 공기가 규정 값 이상으로 상승하면 릴리프 밸브가 열려 과

급 공기를 대기 중으로 배출시켜 과급 압력 자체를 조절하여 실린더에

공급하는 방식이다. 이러한 방식의 경우 전자제어 방식으로 주로 사용

된다.

□ 노킹 방지 장치(knocking prevention system)

노킹 방지장치는 실린더 블록에 노크 센서를 설치하여 노킹 진동이

발생되면 분사 시기를 느리게 조절하여 노킹이 발생되는 것을 방지하

는 장치이다. 노킹은 과급 압력이 낮거나 흡기 온도가 낮을 경우에 발

생되기 쉬우며, 노킹 방지장치는 6∼8KHz의 진동(vibration)을 감지하는

노크센서, 노크 조절장치, 진각 제어 부분으로 구성되어 있다.


□ 터보차저의 작동원리

<그림 3-2> 터보차저의 원리

가. 피스톤을 눌러 크랭크샤프트를 돌리는데 사용하는 힘은 약 30%,

피스톤과 실린더의 마찰에 5%가 손실되고 발생한 열을 냉각시키는

데 30% 전후가 손실되고 남은 35%의 에너지도 배기가스로 손실된

다.

나. 배기온도는 900▫C에 달하고 또 실린더 내 팽창압착도 높아져 배

기 매니폴드로 나가는 속도는 음속(마하1)이나 된다. 이 배기 매니

폴드 출구에 설치된 터빈은 고속의 배기가스로 강력한 회전력을 얻

어 공기를 흡입하고 또 압축하는 펌프의 역할을 하여 대기압을 1.5

배 전후로 압축시켜 엔진의 실린더내로 보내는 것이다.


다. 용기안에 1개의 축 양 끝에 각도가 서로 다른 터빈을 설치하여 하

우징의 한쪽은 흡기 다기관에 연결하고 다른 한쪽은 배기 다기관에

연결하여 배기가스의 압력으로 배기 쪽의 터빈을 회전시킨다.

라. 흡입쪽의 임펠러도 회전하기 때문에 임펠러 중심 부근의 공기는 원

심력을 받아 외주로 가속되어 디퓨저에 들어간다.

마. 공급된 공기는 통로의 면적이 크므로 속도 에너지가 압력에너지로

변환되어 실린더에 공급되기 때문에 체적 효율이 향상된다.

<그림 3-3> 터보엔진의 동작 원리


3. 터보차저 래그(Trbocharger Lag)

부분부하 상태와 정상 운전 중의 터보차저는 공회전 상태이다. 이 경

우 흡기 매니폴드 내는 진공 상태가 되며, 배기가스는 거의 터빈을 통

과하지 않으므로, 압축기가 너무 느리게 회전해서 흡입 공기를 압축할

수가 없다.

운전자가 더 많은 동력을 발생시키기 위하여 가속 페달을 밟을 때

스로틀 밸브가 열리게 된다. 더 많은 공기와 연료가 엔진으로 흡입되어

흡기 매니폴드의 진공 상태는 감소된다. 추가된 혼합기의 연소는 배기

가스의 흐름을 증가시키게 되어 이것이 압축기가 부스트 공기를 공급

할 때까지 터빈과 압축기의 속도를 증가시킨다.

터보차저가 부착된 차들의 많은 운전자들은 터보랙에 대한 불평을

한다. 이것은 스로틀 밸브가 열리고 터보차저가 추가 동력을 공급할

때까지 느껴지는 지연 시간이다.

터보랙은 공회전 상태의 터빈이 과급압에 도달하는 데 요구되는 시

간이다. 또한 인터쿨러에 소요되는 시간과 흡기관 내가 진공 상태로부

터 압력이 존재하는 상태로 되기 위하여 공기를 채우는 데 걸리는 시

간이 추가된다.

전체의 랙 시간은 0.5초이거나 그 이상일 수 있으며, 이러한 터보랙

은 많은 운전자들의 관심을 끄는 부분이다. 하나의 부분적 해결책은 압

축기와 터보 휠과 같은 회전체를 가능한 한 경량화 시키는 방법이다.

또 다른 해결책은 하나의 큰 부품 대신에 두 개의 작은 터보차저를 사

용하는 것이다. 더 작고 가볍게 회전하는 부품들은 랙 시간을 감소시킨

다.

두 개의 터보차저가 설치된 엔진을 바이터보(bi-turbo) 또는 트윈 터


보(twin-turbo) 엔진이라 한다.

4. 슈퍼차저(Super Changer)란?

슈퍼차저란 크랭크축의 회전을 이용하여 압축 공기를 엔진으로 보낸

다. 과거의 비행기에는 일반적으로 많이 이용되었다.

<그림 3-4> 로-프레셔 트윈 터보


<그림 3-5> 로-프레셔 트윈 터보

터보가 배기가스를 이용하여 공기를 압송하는데 비하여 크랭크축의

회전을 이용하여 공기를 보내는 것이 슈퍼차저이다.

□ 종류별 슈퍼차저의 단점

○ 루츠식(Roots Type) : 누에고치 모양의 로터가 서로 반대 방향으

로 회전하여 혼합기를 보낸다.

○ 리숄므식(Lysholm Type) : 나사선 모양의 로터 2개를 회전 시켜

혼합기를 보낸다.

○ G 래더식(G Lader Type) : 편심축을 회전 시켜 바깥 케이스와의

간극을 컨트롤하여 압축한다.

○ 압력파(Pressure Wave Type) : 배기가스의 힘을 이용하지만 압력

파와 배기가스의 속도 차이를 이용한다.

슈퍼차저는 종류가 다양하지만 공통적인 것은 크랭크축의 회전을 이

용하기 때문에 저속회전에서부터 곧바로 과급을 시작하여 토크가 신속

하게 높아지는 것이 터보보다 우수한 점이지만 단점이 없는 것은 아니

다.


크랭크축의 회전을 이용하기 때문에 동력의 손실, 부하의 증가, 진동

이나 소음이 발생하기 쉽다. 특히 동력의 손실은 심각하고 저속회전 영

역에서는 그 장점을 이용할 수 있지만 고속회전의 영역에서는 슈퍼차

저에 동력을 보내는 것은 저항으로 되기 때문에 엔진의 동력을 사용하

지 않는 터보 쪽이 고속회전 영역에서 우수한 성능을 발휘하기 쉽다.

□ 터보도 실제는 슈퍼차저

○ 슈퍼차저는 과급기의 의미로 터보도 슈퍼차저의 일종이다.(터빈

슈퍼차저 : 배기 터빈 과급기)

○ 기계식의 슈퍼차저는 메커니컬 슈퍼차저(기계식 과급기)라고 부른

다.

<그림 3-6> 인터쿨러 소개

○ 일반적으로 배가가스를 이용하는 것을 터보, 기계식을 “슈퍼차

저”라 하여 다른 장치로 분류하고 있다.


○ 터보가 실용화 된 것은 제2차 세계대전 중 비행기에 사용된 것이

시작이지만 그 무렵에는 벌써 슈퍼차저가 실용화되어 일반 비행

기에 이용되고 있다. 슈퍼차저는 고도의 기술력을 필요로 하지 않

고 개발할 수 있었던 장치이다.

제 3 절 터보 인터쿨러엔진의 장점

인터쿨러(Intercooler)는 임펠러와 흡기 다기관 사이에 설치되어 과급

된 공기를 냉각시키는 역할을 한다. 임펠러에 의해서 과급 된 공기는

온도가 상승함과 동시에 공기 밀도의 증대 비율이 감소하여 노킹이 발

생되거나 충전 효율(charging efficiency)이 저하된다. 이러한 현상을 방

지하기 위하여 라디에이터와 비슷한 구조로 설계하여 주행 중에 받는

공기로 냉각시키는 공랭식과 냉각수를 이용하여 냉각시키는 수냉식이

있다.

□ 공냉식 인터쿨러(Air cooled Type Intercooler)

엔진 냉각용 라디에이터 앞에 설치한 쿨러에 의한 냉각, 엔진 냉각계

에 무관계하게 설치한 쿨러에 의하여 냉각, 공랭식 인터쿨러는 주행 중

에 받는 공기로서 과급 공기를 냉각시키는 방식으로서 수냉식에 비해

서 구조는 간단하지만 냉각 효율이 떨어진다. 주행속도가 빠를수록 냉

각 효율이 높기 때문에 터보엔진을 사용한 레이싱 자동차에서 사용된

다.


□ 수냉식 인터쿨러(Water cooled Type Intercooler)

엔진 냉각수 즉 물 재킷을 이용하여 냉각, 엔진 냉각수와 상관없이

독립된 냉각계를 설치하여 냉각. 수냉식 인터쿨러는 엔진의 냉각용 라

디에이터 또는 전용의 라디에이터의 냉각수를 순환시켜 과급 공기를

냉각시키는 방식이다. 흡입 공기 온도가 200℃이상인 경우에는 80∼9

0℃의 냉각수로 냉각시킴과 동시에 주행 중에 받는 공기를 이용하여

공랭을 겸하고 있다. 공냉식에 비교하여 구조는 복잡하지만 저속에서도

냉각 효율이 좋은 특징이 있다.

□ 인터쿨러의 작동원리

○ 엔진 작동시 배기가스로 의해 터빈이 회전하며 압축기 횔을 돌린

다.

○ 에어필터를 통해 유입된 공기는 압축기에 의해 높아진 압축비 상

태로 인터쿨러로 전달.

○ 압축기에 의해 전달된 공기를 인터쿨러 코어에서 밀도가 높아지

도록 냉각

○ 커진 압축비의 공기가 연소실내에서 연료와 함께 연소


<그림 3-7> 인터쿨러 작동 원리

○ 높은 밀도로 농축된 산소와 연료의 연소 효율로 마력 상승

○ 연소된 배기가스가 매니폴드를 통해 터빈을 회전시킨 후 배기

○ 이와 같은 과정이 엔진 작동시 연속적으로 반복

□ 인터쿨러의 역할

○ 인터쿨러의 기능은.과급 기관에서 압축기에 의하여 가압된 급기의

온도는 압력비에 따라서 달라지나 보통 120~150℃정도로 높다.

○ 보다 높은 출력을 얻기 위해서는 인터쿨러를 사용하여 급기를 냉

각시켜 급기의 밀도를 높이고 체적 효율을 향상시켜야 한다.

○ 과급에서 가압된 흡기는 온도가 상승하는데 흡기 라인 내을 흐를

때에는 더욱더 온도가 높아진다.

○ 그렇게 되면 충전 효율이 악화(온도 상승에 의한 공기의 밀도가

떨어지기 때문에 과급 효과가 떨어진다.)될 뿐만 아니라 노킹이

발생하게 된다.

○ 노킹을 억제하기 위해 최적의 점화시기보다 지연시켜야 하므로


토크가 떨어지고 배기 온도가 상승되어 터빈의 입구온도가 허용

온도보다 높아지므로 터빈의 내구성이 떨어지게 된다.

○ 이를 억제하기 위해서 가압 후에 흡입 온도를 낮추고 과급압을

더욱 높이고 출력을 증대시키기 위해 인터쿨러를 사용한다.

<그림 3-8> 인터쿨러 냉각 원리

□ 터보차져와 인터쿨러에 대한 정리

○ 과급기는 엔진의 출력을 향상시키고 회전력을 증대시키며, 연료

소비율을 향상시키기 위하여 흡기 통로에 설치한 공기 펌프이다.

○ 과급기가 설치되지 않은 엔진은 피스톤의 하강 행정에서 발생되

는 진공으로 공기를 흡입하기 때문에 출력의 향상을 얻을 수 없

다.

○ 흡기 통로에 과급기를 설치하여 강제적으로 많은 공기량을 실린

더에 공급시킴으로서 체적효율이 증대되어 엔진의 출력이 향상된

다.

○ 엔진의 출력이 향상되므로 회전력이 증대되고, 연료 소비율이 향


상된다. 이러한 과급기 설치 시 얻을 수 있는 효과를 정리하자면

다음과 같다.

가. 엔진의 출력이 35∼45% 증가된다.

나. 체적효율(volumetric efficiency)이 향상되기 때문에 평균유효압력이

높아진다.

다. 체적효율이 향상되기 때문에 엔진의 회전력이 증대된다.

라. 고지대에서도 출력의 감소가 적다.

마. 압축온도의 상승으로 착화 지연 기간이 짧다.

바. 냉각손실이 적고 연료 소비율이 3∼5% 정도 향상된다.

□ 터보인터쿨러엔진의 장점

○ 출력 증강 : NA엔진(자연습기엔진)에 비해 출력이 26% 향상 되므

로 탁월한 동력성능을 발휘하며, 엔진 회전 영역이 저속에서도 동

일 출력을 내므로 엔진 수명이 오래간다.

○ 진동/소음 감소 : 엔진의 소음은 엔진 회전수가 높을수록 커지는

데, 터보 인터쿨러엔진은 저속영역에서도 높은 출력을 내므로 결

과적으로 낮은 RPM에 의한 진동 및 소음의 감소 효과가 크다(95

마력엔진의 경우 4000rpm에서 최대 힘 발휘

○ 배기가스 : 매연은 공기 부족에 의한 불완전연소에 의해 발생하나

터보인터쿨러엔진은 다량의 공기를 실린더에 보급, 완전연소를 유

도하여 매연이 현저하게 감소

○ 우수한 고지적응성 : 산간지대나 고지대에서 NA엔진은 공기 밀도

저하에 의한 공기 부족으로 연료가 불완전 연소되어 약10%정도

저하되어 성능이 떨어지는 반면, 터보인터쿨러엔진은 공기의 공급

이 충분하므로 출력의 저하현상이 거의 없음


○ 연비개선 : 인터쿨러에 의해 냉각된 다량의 공기를 실린더에 보내

어 점화시키기 때문에 완전연소가 가능하며, 낮은 엔진 회전 영역

을 이용 할 수 있어 연비가 좋아진다.


제 4 장 업체의 적용동향 및 비교

제1절 다양한 엔진 종류

자동차의 탄생과 함께 발전해온 엔진(Engine). 엔진은 좁은 의미로

석탄·석유 등의 열에너지를 사용해서 계속적으로 기계적 일을 하는

장치, 즉 내연기관을 말한다. 자동차의 성능을 결정하는데 가장 큰 요

소인 자동차엔진. 다양한 자동차엔진을 하나하나 살펴보도록 하자.

1. 밸브화(Multi-Valve Engine)

4밸브 엔진은 일본에서 처음 선을 보였으며, 일본의 자동차 세율(Tax

Bracket)이 엔진 배기량 기준으로 되어 있어 일본 자국내 고객의 유지

비 절감을 위해 저배기량, 고출력 엔진을 개발하게 되었다. 4밸브 엔진

의 목적은 엔진의 흡입효율을 증대 시킴으로써 출력 증대가 주이며 현

재 양산되고 있는 자동차용 가솔린엔진에는 거의 모두 이 시스템을 채

택하고 있다.

○ 실린더 당 흡,배기 밸브가 각각 2개씩 구성됨

○ 최근에는 흡기3개, 배기2개인 5 valve 엔진도 개발

○ 동일출력을 낼 수있는 2 valve 엔진에 비해 가벼워 연비향상

○ 고출력으로 인한 집중하중으로 소음, 진동이 심하며 수명이 짧음

○ 구조가 복잡하고 제조원가가 비쌈


<그림 4-1> 밸브화

2. 가변 흡기 시스템(Variable InductionSystem-VIS)

엔진 회전영역에 따라 공기의 흡입저항이 달라지며 이는 엔진성능에

직접적인 영향을 미친다. 일반적으로 저속에서는 흡기관내의 흡기 유속

을 빠르게 하기 위하여 흡기관의 직경은 작고 길이는 길게 하는 것이

유리하며, 고속에서는 흡기저항을 줄이기 위해 가능한 흡기관의 직경을

크게, 길이는 짧게 하는 것이 유리하다.

각 회전영역에서 최대의 효율을 낼 수 있도록 흡기 다기관의 길이나

단면적을 저속과 고속에 각각 유리한 치수로 변경시키는 방법으로 가

변 흡기시스템이 적용되고 있다.


<그림 4-2> 가변 흡기 시스템

3. 가변 밸브 타이밍 시스템(Variable Valve Timing System-VVT)

VVT엔진은 엔진의 회전영역에 따라 밸브의 개폐시기 및 개폐량에

대한 최적조건이 달라진다. 엔진 회전수에 따라 밸브의 개폐시기 및 개

폐량을 변경시켜 주는 기술로 일본의 혼다, 도요타 등이 현재 양산 적

용하고 있다.

4. 과급기(Charger System)

엔진의 출력을 높이기 위해 일반 자연 흡기식(Natural Aspirated)엔진

에 공기를 압축하여 공급함으로써 흡기효율을 강제적으로 좋게 하여

엔진의 출력향상을 도모하고자 도입되었다.

과급기는 엔진의 출력을 향상시키기 위해 흡기다기관에 설치한 공기

펌프이다. 과급기가 설치되지 않은 엔진은 피스톤의 하강 행정에서 발

생되는 진공으로 혼합기를 흡입하여 출력향상을 얻을 수 없다. 때문에

과급기라는 공기 펌프를 설치하여 강제적으로 많은 공기량을 실린더에

공급시켜 엔진의 출력 및 회전력의 증대, 연료 소비율을 향상시킨다.

과급기는 배기가스에 의해 작동되는 배기 터빈식과 엔진의 동력을


이용하는 루트식이 있다.

□ 슈퍼차저(super charger) : 엔진에서 기계적인 방식으로 동력을 인

출하여 압축기 구동.

○ 컴프레서를 사용하여 엔진에 흡입되는 혼합기의 압력을 높이는

장치의 총칭이다.

○ 컴프레서를 회전시키는데 엔진의 축출력을 이용하는 매커니컬 슈

퍼 차저와 배기가스의 압력을 이용하는 터보차저가 있으며 구조

에 따라서 원심형, 축류형, 용적형으로 분류된다.

□ 일반적으로 메커니컬 슈퍼차저를 단순히 슈퍼 차저라고 하며, 맨

처음 레이싱카나 항공기 엔진용으로 개발되어 지금은 일반 자동차에도

사용되게 되었다. 과대한 공기를 공급하는 기계라고 하는데서 과급기라

고 부른다. 정확하게 표현하자면 기계구동 과급기라고 부른다.

□ 터보차져 (Turbo charged engine) : 배기가스의 힘으로 압축기 구동

○ 배기터빈 과급기. 배기가스의 에너지로 배기 터빈을 돌리고 이것

에 직결된 컴프레서로 엔진에 공기를 강제로 밀어넣어 엔진 출력

을 향상시키는 장치.

□ 인터 쿨러(inter cooler)

○ 과급된 공기의 온도는 상승하고 공기밀도의 증대 비율이 감소하

여 충전 효율이 저하하거나 노킹을 일으키기 쉽다.

○ 과급된 공기의 온도를 낮추려고 한 것이 인터룰러이다.

○ 인터쿨러는 구조적으로 방열기와 비슷한 것으로 공랭식과 수냉식


이 있다.

5. 린 번(lean burn)

희박 연소란 이론공연비보다 엷은 혼합기를 연소시키는 것으로 안정

된 희박 연소가 실현되면 배기가스의 정화와 저연비가 동시에 달성되

지만 엷은 혼합기는 착화성이 나쁘고, 연소 속도도 느리므로 연소가스

가 불안정하여 실화되기 쉽고 출력도 나오지 않는다.

희박 혼합기를 단시간에 안정한 상태로 연소시키기 위하여 흡기계통

의 기구나 연소실의 형상을 연구하여 적합한 와류를 발생시켜 연료 분

사시기가 가장 적합한 층상 흡기, 강력 점화 등에 따라 확실한 착화를

실시하는 방법이 개발되었다.

해결에 어려운 문제점은 Nox로서 이것은 가장 많은 이론 공연비보다

조금 큰쪽에 있고, 토크가 필요한 가속시나 고속 주행시 Nox가 많게

배출되는 것이다. 이러한 문제점들이 린번 엔진 개발상의 애로점이 되

어 있다.

6. 가솔린 직접분사엔진(GDI Gasoline Direct Injection)

가솔린을 디젤 엔진과 같이 가솔린 기관에서 연소실에 연료를 직접

분사시킴과 동시에 전기점화를 일으키는 장치이다.


<그림 4-3> GDI 엔진

7. 전자제어식디젤엔진(ECD electronic controlled diesel)

차속, 엔진회전, 액셀 위치, 흡기압, 흡기온, 수온 등을 각종 센서로

감지하여 연료 분사 시기와 분사량을 컴퓨터로 제어한다. 흡기매니폴드

의 공기 통로를 대소로 2분할하고, 엔진회전이 낮을 때는 흡입 공기량

을 적게 하고 연소실 내의 연소 압력을 낮추어 진동이나 소음을 낮게

하는 것이 특징이다.


제 2 절 인터쿨러와 타 엔진과의 비교

1. 인터쿨러의 배경

<표 4-1> 인터쿨러 작동 순서

2. 인터쿨러와 터보차저의 비교

□ 터보차저

배기가스의 압력을 이용해 터보팬을 초고속으로 회전시켜 실린더로

들어가는 공기의 양을 많게하여 출력을 높이는 장치

□ 인터쿨러

공기의 온도가 낮을수록 밀도가 높아 같은 부피의 공기라도 더 많은

산소분자를 얻을 수 있다. 터보차저의 경우 높은 온도의 배기가스를 이


용하다보니 흡입공기의 밀도가 낮으므로 인터쿨러를 장착하여 흡입되

는 공기의 온도를 낮추고 밀도를 높여 많은 산소분자를 확보할 수 있

도록 한다.

3. 인터쿨러와 일반엔진의 비교

<표 4-2> 인터쿨러와 일반엔진 비교

제 3 절 국내 업체의 적용 사례

인터쿨러(Intercooler)는 선박, 철도 차량, 자동차, 항공기 및 발전기

등에 사용되는 과급기 (터보, 슈퍼차저 등)가 내연 기관용 보조 기기에

서 과급기의 압축에 의해 온도가 상승한 공기를 냉각하는 열교환기이

다. 연비 효율과 출력이 향상된다.


<그림 4-4> 인터쿨러

1. 터보 챠져

매우 정밀하기 때문에 많은 노력으로 이제는 국산화 생산이 가능하

게 되었다. 가솔린 터보챠저와 디젤용으로 구분되며 관리가 요구되는

고가의 부품이다. 고장이 잦아 아직까지도 미완성으로 지적되고 있다.

<그림 4-5> 임펠러


엔진폭발에 의해 배기밸브가 열리면 강력한 폭발압력에 의해 오른쪽

팬 <임펠러>이 엄청난 회전으로 돌아가게 되며 이때 같은 축으로 연결

되어있는 왼쪽팬이 같이 회전하면서 강한 바람을 만들어 엔진 흡입구

로 보내지게 된다.

바람을 일으키고 나면 단순 공기의 열만을 식혀주는 인터쿨러지만

너무나 많은 공간을 차지하고 있다. 그래서 터보차져 시스템은 고가의

부품/잦은 고장/저속에서의 과다 배기가스 배출/복잡하고 많은 공간을

차지한 탓에 결국은 미완성으로 언젠가는 자동차 역사 속으로 사라질

것이라고 예측을 해본다.

<그림 4-6> 터보차저 시스템


<그림 4-7> 인터쿨러 장착 차량

인터쿨러 일반상식 터보챠져가 배기의 압력에 의해 강력한 회전으로

인해 <1분에 약 150,000 RPM 전후> 공기가 부딪히면서 소용돌이 속에

서 높은 열이 발생하게 된다. 이렇게 뜨거운 공기가 엔진 연소실 안으

로 들어가게 되면(우리가 마치 뜨거운 찜질방에서 힘든 일을 하는 것

과 비슷하기 때문에) 능률이 떨어짐은 너무도 당연하다. 기계도 마찬가

지다. 그래서 터보챠져를 통한 압축된 뜨거운 공기를 식혀주는 방법을

연구한게 인터쿨러다.

2. 인터쿨러 종류

공냉식 인터쿨러 방식은 라디에이터 앞부분에 주로 설치되어 있으며

자동차가 움직이면서 자연 바람에 의해 인터쿨러 내부로 흐르는 공기

의 열을 식혀주는 간단한 방식이다. 부피가 크기 때문에 공간을 많이

찾이 하는 불편함이 있다. 주로 일반 도로주행을 하는 자동차용<경주용

차등>으로 많이 사용하고 있다.


수냉식 인터쿨러 방식은 주로 저속으로 운행되고 있는 선박 엔진 등

에서 많이 사용되고 있다. 찬물로 공기의 열을 식혀주는 방식이라고 하

겠다. 일부 슈퍼카에도 적용되고 있다. 전기 모터방식<전자식>은 야전

에서 저속주행 차량에 많이 사용되고 있다. 험로에서는 속도가 느리기

때문에 모터팬에 의해 인터쿨러로 흐르는 공기의 열을 식혀주는 방식

이다. 우리나라에서도 생산 되었던 겔로퍼 자동차 등에 설치되어있다.

<그림 4-8> GTR35 전용의 SPL 대용량 인터쿨러와 파이핑 킷

가. GTR 35 전용 제작되는 SPL 대용량 인터쿨러와 SPL 파이핑 컷

인터쿨러 코어는 에어로 튜브 타입에 비해 냉각 성능이 뛰어난 스피

어코 코어 적용하였으며 사이즈는 600 x 300 x 90 으로 GTR 35 프론

트 레이아웃에 가장 적합한 사이즈로 설계하였다.

스피어코 코어는 바 플랫 타입으로 에어로 튜브 타입에 비해 웨이트

는 더 나가지만 냉각 효율은 훨씬 더 높기 때문에 GT 성향을 뛰고 있

는 R35에 가장 적합하다고 볼 수 있다. 사이드 탱크는 알루미늄 3T를

여러 피스로 절단하여 용접하는 방식이 아닌 원 피스 플레이트을 절곡

하여 강성을 확보하였다.


SPL 파이핑킷 역시 알루미늄 파이프을 적용하여 경량화와 냉각 성능

을 고려하였고 가장 이상적인 라인으로 설계하여 공기의 흐름을 극대

화 하였다. GTR 35 전용으로 제작되어진 SPL 대용량 인터쿨러와 SPL

파이핑 킷은 뛰어난 냉각 성능뿐만 아니라 하이 퀄리티로 제작되어진

만큼 GTR 35의 존재 가치를 한층 더 부각시켜 드릴 것이다.

나. Evo X 전용 SPL 대용량 인터쿨러

<그림 4-9> Evo X 전용 SPL 대용량 인터쿨러

인터쿨러 코어는 에어로 튜브 타입에 비해 냉각 성능이 뛰어난 스

피어코 바 플랫 타입을 적용하였으며 사이즈는 500 x 300 x 90 으로

에보 10기 레이아웃에 적용할 수 있는 최대 사이즈로 설계하였다.

사이드 탱크는 알루미늄 3T를 여러 피스로 절단하여 용접하는 방식

이 아닌 원 피스 타입을 절곡하여 강성을 확보한다.

Evo X 전용으로 제작되어진 SPL 대용량 인터쿨러는 뛰어난 냉각 성


능뿐만 아니라 하이 퀄리티로 제작되어진 만큼 하드 코어 차량의 존재

가치를 한층 더 부각될 것이다.

<그림 4-10> Evo 10기 전용 SPL 대용량 라디에이터

다. 에보 10기 전용 SPL 대용량 라디에이터

기본적으로 50mm이상의 대용량 코어를 적용하였고 기존의 사이드

피드 방식에 IN OUT 포트를 변경하여 보다 높은 냉각 효율을 발휘할

수 있도록 제작하였다. 사이트 탱크 역시 순정에 비해 월등히 높아진

용량으로 설계하여 냉각 성능을 극대화 하였다. 추가로 브리더 탱크까

지 구성하여 완벽한 냉각 시스템을 구축하였다.

SPL 대용량 라디에이터는 스트리트 사양의 스포츠 주행에서 부터

1000분의 1초를 다투는 서킷 레이스 등 아무리 혹독한 조건에서도 늘

한결같은 냉각 성능을 유지시킬 것이다.


라. 수프라 전용 V 마운트 시스템

<그림 4-11> 수프라 전용 V 마운트 시스템

드리프트 특성상 직진보다는 사이드로 슬라이딩되는 시간이 많기 때

문에 자연풍을 최대한 활용하여 자연스럽게 도풍 되어 질 수 있는 시

스템과 라디에이터와 인터쿨러의 냉각 성능이 일반적인 경우보다 월

등해야만 엔진의 히팅을 최대한 억제할 수 있다. 추가로 F-con V Pro

의 전동 팬 컨트롤 기능을 활성화 한다면 냉각 성능을 더욱 더 향상

시킬 수 있다.

냉각수의 원활한 순환을 위해 사이드 피드방식으로 구성하여 제작한

대용량 라디에이터와 효율적으로 냉각수 흐름을 유도하는 브리더 탱크

와 리져브 탱크 그리고 600 * 300 * 100 사이즈의 대용량 인터쿨러는

그 어떤 가혹한 드라이빙 조건에서도 엔진의 컨디션을 최상으로 유지

시킬 수 있다.


마. 마운트 시스템의 취지

일반적인 차량의 경우 엔진룸 자체가 그렇게 넓지 않기 때문에 제대

로 된 V 마운트 시스템을 적용하려면 지지 판넬의 재설계 등 적극적인

튜닝이 먼저 이루어 져야 한다.

<그림 4-12> 마운트 시스템

단순히 V자 형태를 갖추었다고 해서 냉각성능이 무조건 좋아지리라

는 기대하지 않는 것이 좋다.

간혹 보면 400마력 이상의 출력을 발휘하기 위해 모든 하드웨어 셋

팅을 변경한 후 나름대로 V 마운트 시스템을 변경한다. 그러나 엔진과

지지 판넬 사이의 협소한 공간에 들어갈 만한 인터쿨러를 선택하다 보

면 300마력은 커녕 200마력 정도의 스펙에나 어울릴 만한 작은 사이즈

의 인터쿨러를 사용하게 된다.

에어컨 컨덴서를 라디에이터 상단에 설치하여 모처럼 힘들게 적용한


V 마운트 시스템의 본질적인 취지를 망치게 되는 경우도 종종 보곤 한

다.(에어컨은 시원하다) 그래서 인터쿨러 사이즈에 구해를 받지 않는

기존의 전치형 방식을 권장한다.

바. RX-7 전용 V 마운트 시스템

<그림 4-13> RX-7 전용 V 마운트 시스템

냉각 시스템의 보강을 위해 지지 판넬을 새롭게 구성한 RX-7 전용

V 마운트 시스템이다. 냉각수의 원활한 순환을 위해 사이드 피드방식

을 더블로 구성하여 제작한 대용량 라디에이터와 효율적으로 냉각수

흐름을 유도하는 브리더 탱크와 리져브 탱크 그리고 600 * 300 * 70

사이즈의 대용량 인터쿨러는 그 어떤 가혹한 드라이빙 조건에서도 엔

진의 컨디션을 최상으로 유지시킬 수 있다.


사. 스카이라인 R34 전용 대용량 라디에이터

순정 라디에이터의 용량이 턱없이 부족하여 R34 전용으로 대용량

라디에이터를 제작하였다. 스카이라인의 경우 라디에이터의 인 아웃 라

인이 같은 방향으로 되어있어 효율성이 다소 떨어지기 때문에 대용량

라디에이터를 제작하면서 그런 부분까지 고려하여 완벽하게 냉각성능

을 보장 받을 수 있도록 설계하였다.

아. 커스텀 SPL 인터쿨러 , 파이핑 킷

<그림 4-14> 스카이라인 R34 전용 대용량 라디에이터


<그림 4-15> 커스텀 SPL 인터쿨러, 파이핑 킷

셋팅 방향에 따라 차종에 관계없이 최적의 레이아웃을 고려하여 인

터쿨러와 파이핑 킷을 커스텀 제작한다.

자. V 마운트

<그림 4-16> V 마운트


드래그 레이스의 생명인 빠른 리스펀스를 실현하기 위하여 인터쿨러

를 기존의 라디에이터 위치에 셋팅하여 인테이크 라인의 길이를 최소

화 하였고 커스텀 제작한 대용량 라디에이터는 사이드 플로 방식을 채

택하여 기존의 인터쿨러 위치에 셋팅하여 극한 상황에서도 안정된 수

온을 유지할 수 있도록 제작하였다.

인터쿨러와 라디에이터의 각도를 V자 형태로 레이아웃을 설정하여

냉각성능을 극대화 하다.

차. SPL 리져브 탱크

엔진룸 레이아웃을 고려하여 제작되어지며 1리터 이상의 냉각수를

저장할 수 있는 대용량 리져브 탱크이다.

<그림 4-17> SPL 리져브 탱크


카. SPL 라디에이터

<그림 4-18> SPL 라디에이터

기존의 코어를 사용하지 않고 냉각의 극대화를 위하여 인너 핀이 내

장된 대용량 코어를 적용하여 극한의 상황에서도 안정된 수온을 유지

할 수 있도록 제작되었다.


파. SPL 대용량 라디에이터

<그림 4-19> SPL 대용량 라디에이터

탑 플로 방식이 아닌 사이드 플로 방식을 채택하여 냉각성능을 극대

화 할 수 있도록 제작하였다. 브리더 탱크와 병행 사용함으로서 최상의

냉각성능을 발휘 할 수 있다.


타. 브리더 탱크

<그림 4-20> 브리더 탱크

냉각수에 에어가 차는 것을 방지하고 엔진내의 냉각수흐름을 원활하

게 하여 수온상승을 억제하는 효과가 있다.

하. 커스텀 제작 대용량 알루미늄 라디에이터

하드한 튜닝과 가혹한 운전 조건 등은 튜닝카에 내구성을 위협하는

조건이다. 수온 상승은 단순히 오버히트만을 의미하는 것이 아니라 헤

드에 변형을 초래하여 결국에는 엔진 내구성에도 막대한 영향을 준다.

기존에 라디에이터는 양산차 출력을 고려해서 제작하였기 때문에 터

보차져 장착 등 하드웨어가 대폭 개량된 경우에는 용량이 턱없이 부족

하다.


레이싱카에 경우 냉각수 용량을 늘리거나 브리더 탱크를 장착하고

도풍판 등을 제작해서 장착한 모습들을 볼 수 있다. 수온을 안정적으로

유지시키고 내구성을 보장받기 위해서 가장 보편적으로 생각 할 수 있

는 부분이 라디에이터에 용량을 키워서 냉각수량을 증가시키는 방법이

다. 단순히 용량을 키우는 것이 아니라 제각기 다른 레이아웃을 고려해

서 최적에 상태를 유지 할 수 있도록 커스텀 제작한다.

<그림 4-21> 커스텀 제작 대용량 알루미늄 라디에이터


제 4 절 수냉식 인터쿨러 상용화

수냉식 인터쿨러, 성능은 높으면서 배가가스를 줄이고 연비는 개선된

다.

<그림 4-22> 수냉식 인터쿨러

델파이의 신형 수냉식 인터쿨러 (차지 에어쿨러 LCCAC : liquid

cooled charge air cooler)는 가솔린과 디젤 엔진을 생산하는 전세계 자

동차회사들이 뛰어난 엔진 성능을 지닌 친환경 자동차를 생산하도록

도움을 준다. 이 신형 쿨러는 기존 공기 냉각 장치에 비해서 엔진 룸

패키지와 엔진 가속 시 반응 속도가 개선되었고 더욱 빠르게 예열되어

에너지 손실이 적다.

델파이 공조 시스템 엔지니어링 담당 이사 스티브 키퍼(Steve Kiefer)

는 언급한다. “델파이의 신형 수냉식 인터쿨러(차지 에어쿨러)는 자동

차 배기 가를 줄이고 연비를 개선시켜 쾌적하고 경제적인 주행이 될

수 있도록 일조 할 것입니다.”

자동차 제조사들은 배기가스는 절감 시키면서도 연비는 개선하여 운


전자를 최대 만족 시키고자 Down sizing 엔진으로 돌아서고 있다. 터보

나 슈퍼 충전장치로 탄력을 받은 이러한 엔진들은 더 작은 엔진으로

얻는 배출량 감소와 연비 절감뿐 아니라 큰 엔진에서 얻을 수 있는 성

능을 느끼게 해준다. 그러나 부스팅 과정 중 엔진에 유입되는 공기가

압축되고 공기의 온도가 올라가 연비가 크게 낮아지며 성능 또한 저감

되는 것이 현실이다. 델파이는 흡입 시스템에 인터쿨러를 도입함으로써

이를 해결했다. 또한 다양한 종류의 공냉식 인터쿨러를 생산하고, 다양

한 방법으로 설치 될 수 있는 신형 수냉식 열 교환기를 개발하고 있다.

델파이의 다기능 수냉식 인터쿨러 (차지 에어쿨러)는 터보/슈퍼 차

저와 엔진에 연결되는 덕트와 일체 시킬 수 있고 Intake manifold와 일

체화가 가능하므로, 엔진 룸 패키지 최소화 및 차지 에어쿨러를 통화하

는 공기 압력 손실을 감소시킬 수 있다. 또한 델파이의 열 교환기는 엔

진 크기와 모양에 맞는 특별한 어플리케이션으로 개조될 수 있어 자동

차 제조회사에 다양한 패키지 솔루션을 제공한다.

일반적 공냉식 인터 쿨러의 경우 연결 구조인 큰 직영의 고무 튜브

를 사용하는데 이는 품질 문제를 야기시킬 수 있다. 반면 수냉식 인터

쿨러 (차지 에어쿨러)는 이를 필요로 하지 않아 품질 문제에 대한 우려

가 해결되었고 엔진 룸 패키지가 최소화되었다. 수냉식 시스템의 순간

열용량 반응으로 인해, 공기 유도 장치와 엔진 사이의 감소된 공기 유

입을 구현하여 엔진 가속 시에 반응 속도가 개선되게 된다. 순간 운전

조건이 변경되는 상태에서 불완전 연소로 인해 NOx 가 발생되는데, 수

냉식에서는 열용량이 증대로 차지 에어쿨러 유입 공기 온도를 유지시

킴으로써 NOx 수치를 낮추는 데 도움을 주게 된다.

냉간 시동 시에도, 냉각수 흐름을 차단시킴으로써 엔진 Warm-up 시

간을 단축시키며, 촉매 장치가 적정 온도로 도달되는 시간을 감소시키


게 된다. 엔진 부분 과부하 시에도, 공기 밀도가 적어져 Throttle valve

가 크게 열리는 현상이 줄어든다. 따라서 엔진 Pumping 손실을 감소시

키게 된다.

키퍼 이사는 “델파이의 수냉식 인터쿨러(차지 에어쿨러) 는 2011년

에 생산될 것으로 예상 한다"고 덧붙였다


제 5 장 결 론

□ '튜닝 불모지' 대한민국에 지난해 하반기부터 불기 시작한 튜닝

산업 활성화 논의는 박근혜 정부 창조경제의 일환으로 수면 위로

올라와 업계의 기대심리를 자극했다. 하지만 그 사이 큰 발전은커

녕 변화의 움직임조차 거의 파악되지 않자 시장에선 여기저기 재

촉의 목소리도 들려온다. 그만큼 그동안 누적된 소비자의 불만과

발전에 대한 기대심리가 컸다.

□ 지금 자동차 튜닝이 규제개혁의 중요한 이슈가 되고 있는데, 자동

차에 대한 소비자의 관점은 엔진 성능, 연비, 외관, 승차감 등이

있는데 양산형 자동차는 소비자들의 다양한 요구의 평균을 맞추

다보니 대체로 개성이 없는 밋밋한 자동차가 나오게 된다. 이런

자동차를 소비자 개개인이 추가비용을 들여서 자기 취향에 맞게

고치려는 수요가 생기게 된다.

□ 2015년부터 완화되는 튜닝규제 내용이 들어 있는 자동차관리법

개정안에는 크게 5가지의 변화가 있다.

◦ 튜닝 승인 대상의 축소

◦ 대체부품의 성능·품질 인증제 도입

◦ 소비자 보호를 위한 정비요금 및 표준시간 공개 의무화

◦ 신차 하자에 대한 고지 의무화,

◦ 무등록 자동차관리사업자 신고 포상금제 도입

□ 향후 먹거리가 가득할 국내 튜닝 시장을 외국 업체들에 내주고


있는 상황이라는 것이다. 우리나라는 영세한 튜닝 업체의 난립으

로 기술의 축적은 없고 학교에서는 튜닝 전문 인력의 양성에는

관심이 없다. 또한 규제에 묶여 튜닝 연구·개발에 등안시 하는

사이 미국, 일본, 독일 등 선진 외국 업체들은 국내 시장에 진출

에 시장을 선점해가고 있다.

□ 특히 엔진 성능, 연비, 외관, 승차감 등의 기술 중에서 튜닝 승인

이 필요 없는 흡기매니홀드, 배기매니홀드, 에어클리너, 변속기 클

러치디스크, 보조 브레이크 페달, ABS 브레이크, 속업쇼버, 스프링

튜닝, 디스크브레이크 등의 기술 축적과 개발 및 인력 양성에 많

은 노력을 기울려야한다.

□ 본문의 “국내 업체의 적용 사례”에 보여준 인터쿨러, 터보차저,

라디에이터 등은 엔진 출력을 높이는 튠업 튜닝 기술을 벤츠, 아

우디, BMW 등 독일계통의 자동차를 대상으로 많이 튜닝 되고 있

다. 튜닝 업체는 영세하고, 인력 양성기관인 대학에서는 전문적인

튜닝 인력을 양성하고 있지 않고 독일계통의 선진 외국 업체가

국내 시장을 선점하고 있다.

□ 특히 아주자동차대학은 빌드업 튜닝(모터스포츠전공, 특장차 튜닝

전공), 튠업 튜닝(튠업제어전공), 드레스업 튜닝(디지털튜닝전공)을

이미 주문식으로 교육하고 있다. 다만 아직 업체가 영세하여 학생

들의 눈높이에 맞지 않아서 취업에 미스 매치가 일어나고 있다.

□ 아직도 국내의 연구기관과 대학에서는 완성차에 대한 기술 연구


및 개발은 활발하지만 튜닝 기술에 대한 연구와 개발은 아직도

활발하지 않고 있다. 본 연구를 위하여 튠업 튜닝 기술인 “수냉

식 인터쿨러”에 대한 연구 논문이나 보고서를 찾기가 어려웠다.

이는 아직도 튜닝 기술에 대한 연구는 많은 규제로 연구비 배정

과 연구물 사용이 불법으로 묶여서 기술 개발이 활발히 일어나고

있지 않다는 반증이다.

□ 정부는 합리적인 튜닝 규제와 보완 방법을 마련하여 튜닝 기술

연구 개발에 연구비를 조성하고, 영세 튜닝 업체에 대해서 자금

과 기술 지원을 강화하고, 연구기관은 튜닝 기술 개발에 많은 인

력을 투입하고, 대학에는 전문 인력 양성에 많은 투자와 안력을

투입하여야 한다.


<참고문헌>

1) 유동 제어를 통한 인터쿨러 성능 최적화, 남종우, 김원식, 이종훈,

추동호, 학술대회 논문, 자료집 2013년 5월 - 부문종합 학술대회 논

문집 805 – 810 2) 2.0 Turbo-GDI 차량의 수랭식 인터쿨러 적용 및 평가, 이용규, 박

진일, 이종화, 박경석, 김광연, 이준호, 학술대회 논문, 자료집 2012

년 5월 - 부문종합 학술대회 논문집 280 – 282 3) 인터쿨러 과급측 압력 강하 저감을 통한 효율 개선 방안, 이상옥,

전길웅, 전태수, 신현근, 학술대회 논문, 자료집 2009년 11월 - (정

기) 학술대회 및 전시회 313 – 318 4) ECU 커먼레일 디젤기관의 NOx 및 THC 배출물에 미치는 터보 인

터쿨러 플라즈마 EGR 조합시스템의 영향, 배명환, 구영진, 이동윤,

김종섭, 지부 학술대회 논문, 자료집 2004년 10월 부산울산경남지부

추계학술대회 116 – 128 5) 인터쿨러용 판형열교환기 내부유로의 유동현상에 관한 전산유체해

석, 윤천석, 한승한, 한국자동차공학회 논문집 (국문) 2004년 3월 12

권 2호 91 – 100 6) 인터쿨러용 판형열교환기 내부유로의 유동현상에 관한 전사유체해

석, 윤천석, 한승한, 학술대회 논문, 자료집 2003년 11월 - 추계학

술대회 논문집 1호 623 – 631 7) 터보차져 인터쿨러 디젤기관에서 연료 분사특성과 기관성능의 개

선, 윤천한, 김경훈, 학술대회 논문, 자료집 2002년 5월 - 춘계학술

대회 논문집 1호 507 – 512 8) 인터쿨러가 부착된 터보 엔진 개발, 김상호, 워크숍 및 심포지엄


논문, 자료집 1992년 4월 - 기관, 공해, 연료 및 윤활유부문 학술

강연 초록집 13 - 2

9) http://cafe.naver.com/lockershop/115

10) http://cafe.naver.com/autowave21

1 1 )

http://blog.naver.com/novasin?Redirect=Log&logNo=7014015731

7

12) http://blog.daum.net/ktmac-boor/301

13) http://www.buslife.co.kr/2001/06/turbo-charger-intercooler/

14) http://www.autoview.co.kr/content/article.asp?num_code=38621

15) http://car.kcs.ac.kr/bbs/skin/bor/bor1/

16) http://cafe.sayclub.com


◀ 저 자 ▶

최 성 배 ⋅KISTI 중소기업정보지원센터 책임연구원⋅[email protected]

김 창 목 ⋅KISTI 중소기업정보지원센터 책임연구원⋅[email protected]

조 경 환 ⋅아주자동차대학 교수⋅[email protected]

ASTI 자동차용 인터쿨러 기술동향 및 전망

쇄 2014년 11월 15일발 행 2014년 11월 25일

펴낸곳펴낸이 한선화편집장 김강회 편집간사 김창목주 소 대전시 유성구 대학로 245

전화 042-869-0694, 팩스 042-869-0679등 록 1991. 2. 12, 제5-258호

ISBN 978-89-294-****-*-93550

※ 본 연구의 내용은 본 연구원의 공식적인 견해가 아닌 참여 연구원들의 의견임을 밝혀둔다.

■ 대전본원 : 대전광역시 유성구 대학로 245 TEL : 042-869-0672 / FAX : 042-869-0679

■ 서울분원 : 서울특별시 동대문구 회기로 66 TEL : 02-3299-6114

Date post:	23-Jan-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

ASTI 기술보고서 · 2018. 10. 15. · asti 기술보고서 1 < 요 약 > 1. 연구배경...

Documents