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디젤 터보 엔진을 터보 엔진스럽게, VGT 엔진
  • 2017.05.15
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VGT는 ‘Variable Geometry Turbocharger’의 약어로 디젤 터보엔진의 효율을 향상시키고 터보랙 현상을 줄이기 위해 고안된 부품입니다.

 

또한, 엔진 작동상태에 대응, 최적의 엔진 실린더 흡입 공기를 제공하기 위하여, 터보차저를 작동시킬 배기가스의 압력에 자유로이 대응하는 효율적인 과급 장치입니다. 오늘은 이러한 VGT에 대해서 자세히 알아보겠습니다.

 

VGT 엔진

 

터보엔진의 고질적인 문제점을 해결하기 위해 등장한 VGT!

일반 디젤엔진에 터보차저를 장착하면 엔진 실린더에 공급되는 공기량이 늘어납니다. 기존의 터보엔진은 고속에서는 효율적으로 출력을 높이지만, 초반 가속이나 저속에서 배기가스의 압력이 낮아 발생하는 시간 지체 현상인 터보랙이 발생하기도 합니다.

 

따라서, 이런 현상을 줄이기 위해 하우징을 작게 만드는 방식을 적용하기도 하지만, 완벽한 해결책이라 할 수는 없습니다.

 

VGT 엔진

 

이러한 기존 터보엔진 방식의 단점을 보완하기 위해 고안된 VGT는 터빈 휠을 작동시키는 배기가스의 양과 속도를 효율적으로 조절하여 터보랙의 단점을 보완해주는 장치가 달려 있습니다.

 

VGT가 가솔린엔진이 아닌 디젤엔진에 일반적으로 적용되는 이유는, 터보차저에서 터빈 측에 배기가스의 유속을 변화시키기 위해 가변 블레이드(베인)가 장착되는데, 디젤엔진보다 가솔린엔진에서 발생하는 배기가스 온도가 상대적으로 높으며, 이는 가변 블레이드(베인)가 견딜 수 있는 온도의 범위를 초과할 가능성이 높기 때문입니다.

 

VGT를 적용시킨 선도주자는 누구일까?

터보차저의 역사는 100년이 넘었지만, VGT는 비교적 최신기술입니다. 처음 VGT를 선보인 곳은 메르세데스 벤츠라고 합니다. 2000년 2월, 벤츠는 거의 모든 CDI 엔진에 VGT를 장착하기 시작했습니다.


VGT 엔진

 

벤츠가 VGT 기술을 적용한 후, 크라이슬러도(지프) 체로키 2.8 CRD, 그랜드 체로키 3.0 CRD에 VGT가 장착된 엔진을 사용하면서 대중화의 발걸음을 시작하게 되었습니다.

 

국내에서는 현대자동차에서 2002년 12월, VGT가 장착된 엔진을 적용한 싼타페와 트라제 XG를 출시했고, 이후 기아 쏘렌토에도 같은 엔진이 적용되었습니다.

 

VGT 엔진

 

저속, 고속 모두 만족시키는 VGT의 원리!

VGT의 원리를 알아보기에 앞서 먼저 일반 터보차저 원리를 간단하게 살펴볼까요?

배기가스가 터빈 하우징 내부를 돌아 터빈 휠이 작동하게 됩니다. 축에 의해 결합되어 있는 반대편 컴프레셔 휠도 같이 회전하면서 휠 중심부로 외부 공기가 흡입되고 컴프레셔 휠을 통해 압축되어 컴프레셔 하우징을 따라 엔진 실린더로 보내지게 됩니다.

 

하지만, 배기 가스양이 적고 유속이 느린 저속구간에서는 터빈 휠을 돌릴 수 있는 충분한 힘이 확보되지 못해, 앞서 말한 터보랙 현상이 발생하게 됩니다.

 

VGT 엔진

 

반면, VGT는 속도에 따라 형상을 달리하는 가변 블레이드(베인)를 이용해 저속구간에서 배기가스 통로를 좁힘으로써, 적은 양의 배기가스로도 유속을 빠르게 해 터빈을 빠르고 효율적으로 구동시킬 수 있는 것입니다.

이는 벤츄리관으로 공기가 흐를 때, 면적이 작아지는 지점에서 속도가 빨라진다는 벤츄리의 원리와 유사한 형태라고 할 수 있겠네요.

 

VGT 엔진

 

고속구간의 경우, 많아진 배기가스는 많은 힘을 동반할 수 있습니다. 이때 터빈 하우징 관의 통로를 넓혀주면 다량으로 배출되는 배기가스에 의해 터빈은 더욱 커진 에너지를 컴프레셔에 전달하여 엔진으로 흡입되는 공기량이 더욱 많아지게 됩니다.

 

이러한 원리들을 통해 저속에서부터 고속에 이르기까지 전 구간에 걸쳐 엔진 성능 향상 효과를 얻을 수 있게 되는 것입니다.

 

VGT 엔진

 

최근에는 배기가스 압력에 따라 기계적으로 바뀌는 블레이드가(베인)가 아닌 ECU가 엔진 상황을 체크하여 배기가스 흡입량 및 유속을 최적으로 제어하는 e-VGT가 등장하였습니다.

 

즉, 엔진의 ECU가 엔진 회전수, 엑셀 페달 값, 대기압, 흡기온도, 수온, 차 속 등을 고려하여 액츄에이터의 움직임을 제어하는 것입니다.

 

VGT의 구성에 대해 살펴보자!

VGT는 기존 터보차저와 같이 ‘터빈 휠’과 ‘컴프레셔 휠’이 양쪽 축에 하나씩 설치되어 있습니다. 그 중 ‘터빈 휠’이 설치된 축에는 배기가스의 유속을 변화시키기 위한 ‘가변 터빈 인렛 베인’과 베인들을 동시에 작동시키기 위한 ‘유니슨 링’이 설치됩니다. 그리고 ‘터빈 휠’과 ‘컴프레셔 휠’를 감싸는 ‘하우징’, ‘유니슨 링’의 작동을 위한 ‘베인 컨트롤 액츄에이터’로 구성되어 있습니다.

 

VGT 엔진

 

출력과 연비를 한번에 충족시키는 VGT의 특징!

앞서 살펴본 원리에 의해 VGT는 일반 터보차저와 비교해 최대출력, 최대토크가 향상된다고 합니다. 또한, 연비는 일반 시내 주행 기준, 약 8% 정도 향상되며, 최적연소가 이뤄져 배출가스 저감 효과 또한 가져온다는 장점이 있습니다.

 

하지만 VGT는 일반 터보차저와 단순히 비교해보면 터빈의 구조가 복잡해져 가격이 상대적으로 비싸고 고장이 날 확률이 높을 수 있고, 엔진 용량이 커지면 터빈의 크기가 더욱 커지게 되는 단점이 있을 수 있습니다.

 

VGT 엔진

 

VGT의 종류에 대해 알아보자!

VGT는 구조에 따라 크게 가변 노즐(VNT)과 슬라이딩 노즐 방식으로 나눌 수 있습니다. 두 방식 모두 배기량 변화 없이 출력을 높일 수 있습니다.

 

먼저, 가변노즐 방식은 앞서 설명했던 것처럼 터빈 휠 주변에 각도가 조절되는 블레이드(베인)가 있어 유체의 속도와 양을 조절하는 것으로 구조가 간단하고 효율이 뛰어나 가장 많이 쓰이는 방식입니다.

 

VGT 엔진

 

반면에 슬라이딩 노즐방식은 슬라이딩 노즐을 달아 배기가스의 흐름을 조절하는 방식입니다. 배기가스양에 따라 자동으로 움직이는 노즐을 통해 터빈 하우징 안의 원판이 여닫히면서 배기가스의 양과 유입속도를 조절합니다.


이러한 슬라이딩 노즐 방식은 엔진 회전수가 낮아 배기가스량이 부족하면 노즐이 멈춰 터빈 하우징이 열리게 되고, 배기가스양이 늘어나면 터빈 하우징이 닫히는 방식으로 작동하게 됩니다.

 

VGT 엔진

 

최근 쏟아져 나오는 디젤 터보 모델들은 특유의 엔진 효율을 높이는 방식으로 인해 대부분 VGT 시스템을 가집니다. VGT를 장착한 엔진은 회전수와 상관없이 전 구간에서 뛰어난 동력성능을 보이며 매력을 뽐내기 때문이죠.

 

최근 볼보는 XC90, S90에서 파워 펄스 공기탱크를 새롭게 시도했습니다. 이를 통해 공기필터에서 이동한 공기는 압축공기 저장소에 머무르다가, 시동 직후 또는 저속에서 빠르게 속도를 높일 때 터보차저에 도달하게 됩니다.

 

VGT에 이어 단점을 극복하고 또 다른 기술을 장착하는 자동차엔진들, 앞으로도 계속될 발전들을 Kixx 엔진오일 & 휠라이프가 함께 기대해봅니다.

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