VGT
1. 개요
'''가변 형상 터보차저(Variable Geometry Turbocharger).'''
탄생 배경은 디젤 차량의 배기가스 규제와도 약간 관계가 있는데, 유로 3~4 부근 CRDi가 활발히 적용되기 시작하면서 같이 적용된 터보차저의 종류 중 하나이다.
기존에는 Waste Gate Turbo 혹은 Fixed Geometry Turbo라고 불리우는 방식을 사용했는데[1] 터보랙때문에 배기가스또한 검출이 많이 되어버려 이를 해결하고자 발명된것이 이 VGT이다.
궁극적으로는 터보랙을 줄이기 위한 노력의 산물 중 하나라고 보면 된다. 다른 방법으로는 트윈 스크롤 방식이 있다.
단점으로는 엔진의 구조가 복잡해지는 만큼 고장의 위험도 올라가고 가격이 상대적으로 비싸진다.
2. 원리 및 효과
액추에이터를 이용해여 터빈의 임펠러 부근에 있는 베인(통로)을 좁게하거나 넓게하여 일정한 부스트압을 얻게하는것이 목적이다.
부스트압이 높다는것은 공기의 압력이 높아서 그만큼 기체의 속도가 빨라진다는 의미도 되는데, 기존에는 배기압이 낮을때(저RPM) 압력이 낮아 기체의 속도가 느려져 공기가 연소실까지 들어가는 시간이 걸렸는데, VGT의 경우 공기의 속도를 늘릴수 있기때문에 필요로하는 공기량을 빠르게 조달할수 있다는 장점이 생긴다.
이게 중요한 이유는 흡기밸브가 열리고 닫힐때 공기가 들어가다 멈추고 들어가다 멈추고 하는 일종의 '맥동'현상이 발생한다. 이때 공기에도 '질량' 이 존재하고 그에따라 '관성' 이 존재하게 되는데 공기가 멈췃다 다시 들어가게 될때 압력이 높으면 더 빠른속도로 연소실에 공기를 집어넣을 수 있게 된다.
다만 부스트압이 높다고 오해를 할수 있는게 있는데, 절대적 풍량은 터빈의 회전수와 컴프레셔 크기에 비례하므로 만약 VGT와 노말 터보의 용량이 같다면 풍량은 같다. 하지만 VGT는 같은 풍량이더라도 저rpm에서 높은 부스트압을 얻을수 있기 때문에 연소를 효율적으로 할수 있게한다.
3. 단점
단편적으로 보면 컴프레셔에 베인을 조절하는 '솔레노이드'가 추가 되고 터빈의 구조가 복잡하여 고장날 확률이 늘어난다. 게다가 용량대비 터빈의 크기가 매우 비대해지기 때문에 용량을 늘리면 터빈의 크기가 더욱 늘어나게 되어버린다.
그래서 고성능 디젤엔진에는 보면 빅싱글 VGT를 적용하기 보단 트윈 터보 더나아가 트리플, 쿼드 터보를 사용하여 터보랙을 잡고 풍량을 늘리는 방법을 사용한다.
4. 활용
보통은 디젤 엔진 에서만 볼수 있다.
이유는 승용형 디젤 엔진의 가용 RPM이 최대 4500~5000rpm에 퓨얼컷이 걸린다. 반면 가솔린엔진은 적어도 7000rpm까지 사용할수 있도록 설계가 되며, 내구성 확보를 위해 퓨얼컷을 6500~6800rpm에 거는것 뿐이다.(물론 차량에 따라 차이는 있다)
가솔린 엔진의 경우 보통 최대토크가 4000rpm 부터 나타나며 최대출력이 6000rpm 가량에서 나오는 고회전형 엔진이다. 그에반면 디젤 엔진은(승용형 기준) 최대토크가 1500~2500rpm 사이에서 나오는게 기본적이고 최대출력이 3500~4000rpm 정도의 범위에서 나오는데, 이 두가지 특성을 비교하면 디젤엔진은 가용 회전수가 낮기때문에 가능한 터보랙을 최소화 시켜서 1500~2500rpm 사이의 최대토크를 극대화 시켜줘야 한다. 반면 가솔린엔진은 엔진회전에 여유가 있고 기본적으로 고RPM 운용을 하는 엔진이기에 3000~4000rpm 정도에서 승부를 봐도 무방하다.
이때 터빈을 이용하여 터보랙을 줄이는 기술이 '트윈터보' '트윈스크롤 터보' 그리고 'VGT' 이렇게 있다고 볼수 있는데 '트윈터보'는 설비가 복잡해지고 비용이 비싸진다. 남은건 '트윈스크롤 터보' 와 VGT가 있는데, 이 두가지 터보를 비교하면 초반 부스트압을 높게 얻을수 있는 터빈은 VGT이다.
더욱이 솔레노이드 제어에서 전자식 제어로 변경되면서 부터는 능동적으로 부스트압을 조정을 하주기 때문에 친환경을 주제로 하는 차량에 더 알맞다고 볼수 있다.
가솔린 엔진에서는 포르쉐 911 터보가 VGT를 적용한바 있다. 고출력 슈퍼카라는 특징과 맞물려서 역시 가격이 상당히 비싸지만 트윈터보 VGT 덕분에 650마력의 고마력 슈퍼카임에도 불구하고 터보랙이 거의 없어서 주행해보면 자연흡기와 별 차이가 없는 주행감을 보여준다고 한다. 앞서 말했듯이 VGT는 최대 토크 범위가 넓은 것이 장점으로 터보 S 모델 역시 최대토크가 2500-4000rpm에서 나온다.
[1] 이는 일반 터보차져를 의미한다.