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VGT(Variable Geometry Turbocharger) 가변 흡기 제어 시스템의 구성

자동차 부품 2021. 2. 1. 22:43 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

VGT(Variable Geometry Turbocharger) 가변 흡기 제어 시스템의 구성

 

VGT의 용어 정의

이 장치는 Variable Geometry Turbocharger의 약자로서 일명 VGT라고 한다.

배기가스의 흐름을 이용하여 엔진으로 흡입되는 공기량을 증가시키는 터보차저의  한 종류이다.
현재 D-엔진 커먼레일에 설치되며 차후에 출시되는 거의 모든 디젤 엔진에도 적용되고 있다.

 

현대자동차는 최근 인기를 끌고 있는 직접연료분사방식의 기존 커먼레일 디젤엔진(CRDi)에서 출력이 크게 향상된 친 환경적인 최첨단 VGT(Variable Geometry Turbocharger) 디젤엔진을 적용하고 있다.

 

VGT 디젤 엔진의 특징

최첨단 VGT 디젤엔진은 국내최초로 전자식 가변용량 터보차저를 적용한 엔진으로 개발기간은 약 3년이 소요되었다. 이 엔진은 터보차저를 통과하는 배기가스의 양과 유속을 정밀하게 제어 해 저속 및 고속 전구간에서 최적의 동력성능을 발휘할 수 있어 출력과 가속성능, 연비가 향상됐고 유해가스 배출량도 줄어든 것이 특징이다.

 

VGT(가변흡기 제어 과급기) 적용 원리 및 효과

VGT 디젤엔진은 유체가 흐르는 통로입구를 좁게 해 유속을 빠르게 함으로써 강한 힘을 발생시키는 것과 같은 원리를 이용한 것으로 전자제어를 통해 배기가스가 적게 배출되는 저속구간에서는 터보챠저로 유입되는 배기유로를 축소, 흐름을 빠르게 함으로써 터빈의 구동력을 높여 가속성능을 향상시키고 배기가스가 많이 배출되는 고속구간에서는 배기유로를 넓혀 많은 양의 배기가스로 터빈의 구동력을 높여 줌으로써 출력을 대폭 향상시켰다.

최고출력은 126마력으로 기존 커먼레일 엔진 대비 11마력이 높아졌고 최대토크도 29.5kgm 3kgm가 향상되었다.

 

흡기장치의 변천사

우선 가변용량제어 터보차저에 대해 알아보기 이전에 흡기장치가 어떤 발전가정을 거쳐 왔는지 알아본다면 좀 더 쉽게 VGT를 이해하실 수 있을 것이다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

가장 먼저 자연 흡입방식의 흡기장치인데 일명 NA라고도 한다. NA라고도 한다(Natural - Aspiration의 약자). 과급기의 도움없이 공기를 있는 그대로 받아들이고 혼합기를 만들어 엔진을 작동시키는 방식이다.

그 다음으로 흡기장치에 터보차저가 등장하면서 배기가스를 이용, 흡입공기량을 추가적으로 공급하게 된다. 일반적으로 엔진출력이 NA 대비 약 10% 정도 향상되었다.

그리고 터보차저를 후속이 바로 터보차저 인터쿨러이다. 이것은 터보차저에서 나오는 더운 공기를 인터쿨러를 통해 흡입공기의 온도를 낮춰 공급하게 만들어 주는 장치로 이것 또한 터보차저 대비 약 10% 이상의 엔진출력 향상 효과가 있다.

자 그럼 정리해 보면 터보 차저(과급기)의 역사는

1. 자연 흡입방식(Natural Aspiration) : 출력이 떨어지고,연비가 안 좋음

2. 터보차저만 적용(Turbo Charger Only) : 배기가스를 재 순환 시켜 흡입 공기량을 추가공급

3. 인터 쿨러 적용 : 터보차저로 해서 들어오는 배기가스의 흡입공기의 온도를 낮춰준다.

 

VGT 효과

VGT시스템의 엔진출력 부분을 보면 일반 터보차저와 비교해 VGT는 최대출력이 약 10% 향상된 것을 알 수 있고 최대토크는 약 14% 향상된 것을 알 수 있다. 연료소비율은 일반 시내주행 구간에서 약 8% 정도 연비 향상 효과가 있다. 이외에도 배출가스 저감의 효과도 있다.

 

VGT 작동원리 및 구조

1. 작동원리

일반 터보차저의 경우 배출가스량이 적고 유속이 느린 저속구간에서는 효과를 발휘할 수가 없다. VGT는 저속구간에서 배출가스의 통로를 좁힘으로써 배출가스 속도를 빠르게 해 터빈을 빠르고 힘 있게 구동시키게 된다.

이것은 벤츄리의 원리를 이용한 것인데 이는 벤추리관으로 공기가 흐른다고 할 때 면적이 작아지는 A지점에서는 속도는 빨라진다. 이러한 상태에서 벤추리관의 내경을 더 좁히면 속도는 점점 커진다는 원리이다.

 

 

 

<그림 > 벤추리관

 

고속구간의 경우를 살펴보면 배기가스의 양이 많이 나오게 되며 그 배출가스는 많은 힘을 동반하고 있다. 그럴 때 베추리관의 내경을 넓혀 준다면 다량으로 배출되는 배기가스에 의해 터보차저의 터빈은 더욱 커진 에너지를 컴프레서에 전달하게 되는 것으로 흡입공기량이 더욱 더 많아지는 것이다.

, 저속구간에서는 벤츄리관을 좁혀 유속을 증가시킴으로써 터빈을 구동하고 고속구간에서는 벤츄리관을 넓혀서 배기가스를 그대로 이용, 터빈을 구동함으로써 전 구간에 걸쳐 엔진 성능의 향상 효과를 얻을 수 있게 된다.

 

VGT와 e-VGT의 차이

흡입구의 흡입 공기량을 어떤 방식으로 했는지가 VGT eVGT의 차이이다. VGT가 진공 엑츄에이터로 조절했었고, eVGT e가 들어간 걸 보면 느낌이 올 수도 있겠는데 모터로 Geometry variable하는 것이다. 모터로 하면 장점이 뭔가. 더 정밀한 제어가 가능하다. 상황에 맞춰서 더욱 즉각적으로 모양을 변형시키게 된다.

 

2. VGT 구조

VGT는 터빈과 컴프레서가 이렇게 한 축상에 설치되어 있다. 그리고 터빈 측에는 배출가스의 유속을 변화시키기 위한 가변 터빈 인렛 베인이 11개가 설치되어 있다. 11개의 베인을 동시에 모두 작동하도록 하기 위해 원형으로 된 유니슨 링이 베인 뒤쪽으로 설치된다. 터빈과 컴프레서를 감싸주는 터빈 하우징과 컴프레서 하우징이 설치가 되고 터빈 하우징 쪽으로는 유니슨 링을 작동하기 위해서 베인 컨트롤 액츄에이터가 설치되어 있다.

 

VGT 작동방법

 VGT 작동방법을 보면 유니슨 링은 시계방향 및 반 시계방향으로 움직일 수 있도록 되어 있다. 유니슨 링은 베인 컨트롤 액츄에이터와 기구적으로 연결되어 있고 액츄에이터의 작동에 따라 유니슨 링도 시계방향 또는 반시계방향으로 작동하게 된다. 가변 터빈 인렛 베인은 유니슨 링과는 베인 암을 통해 연결되어 있다. , 액츄에이터가 작동하게 되면 11개의 베인이 움직이게 된다. 11개의 베인은 터빈 입구 배기가스의 통로 역할을 하고 있으므로 이 베인의 움직임에 따라 배기가스의 유로 면적이 변하게 되는 것이다. 저속에서는 <그림 7>과 같이 좁혀서 배기의 속도를 높여 터빈의 전달 에너지를 증대시키고 고속에서는 넓혀서 많은 배출가스로 인해 더욱 더 큰 터빈의 전달 에너지를 증대하는 것이다.

베인 컨트롤 액츄에이터는 엔진 ECU에 의해 듀티 제어하는 VGT 솔레노이드 밸브와 진공호스로 연결되어 있어 엔진 ECU가 운전조건에 따라 솔레노이드 밸브의 듀티율을 변화시킴으로써 액츄에이터의 움직임을 제어할 수 있는 구조로 되어 있다.

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