VGT(Variable geometry turbocharger) : 가변제어터보

타 블로그 발췌

 

 

디젤의 숙명인 높은 압축비를 위해서 터보차저는 필수불가결한 요소이다.

더군다나 정밀한 연료량 제어가 가능해진 커먼레일디젤 시스템이 보편화되면서

정밀한 부스트 제어가 동반되면 금상첨화인 것은 두말하면 잔소리.   어차피 디젤은 스로틀밸브가

 

항상 개방되어 있어 항상 공기 과공급 상태인 점을 감안하면, 부스트의 정밀한 제어는

 

고압 연료분사 방식에 날개를 다는 격이 될 것이다.

또한 배기가스의 유속이 느린 낮은 엔진회전수(低 rpm) 구간에서, 압축비 부족에 따른 출력저하를

보완해야 하는 숙제를 감안한다면,  엔진회전수에 따라 부스트가 정비례하는 명제를 깨뜨려야 할 필요가 있다.

"엔진회전수 ∝ 부스트"로 인해 발생하는 저rpm 구간의 낮은 부스트 문제는 가솔린 터보차저 엔진에서

 

트윈스크롤 터보, 트윈 터보 등의 방법을 통해 보완 또는 해결되어 왔다.

하지만 요놈들이 매우 정밀한 부스트 제어가 가능하다고 보기에는 어렵다. 따라서, 더욱 정밀한 부스트 제어가

 

가능한 놈의 필요성이 느껴졌고, 인간의 무한한 능력은 결국 이것을 충족시켰으니, 그것이 바로

 

가변제어터보라 불리는 VGT(Variable Geometry Turbocharger)이다.

 

 

내가 VGT의 구조와 원리를 보면서 새삼 또 다시 느낀 점은, 인간의 두뇌는 도대체 얼마나 뛰어나고 기발한 것이지,

 

 정말 그 끝을 알 수 없겠다는 것이다. 요놈은 어떻게 정밀하게 부스트를 제어할 수 있을까?

유로를 통과하는 유체의 속도는  유량에 비례하고, 유로의 단면적에 반비례한다.

즉, 유량이 많거나 유로의 단면적이 작으면 유체의 속도는 빠르고,

반대로 유량이 적거나 유로의 단면적이 크면 유체의 속도는 느리다.

따라서, 유량이 부족할 때는 유로의 단면적을 줄이면 유속을 빠르게 할 수 있다는데 착안한 것이다.

그것은 바로 배기가스가 통과하는 골뱅이 안에 유로의 단면적을 조절할 수 있는 장치를 설치함으로써 가능해졌다.

심지어 동일한 유량에서도 다양한 부스트를 만들 수 있는 진정한 가변제어를 실현하였다.

그러면, 어떤 장치를 설치함으로써 유로의 단면적을 조절하는 것이 가능하였을까?

혹시,

 

 

카메라 셔터처럼 유로의 입구에 이렇게 생긴 놈을 설치했을까?

그런데, 이런 놈을 설치했다가는 저 날개들이 빠른 유속에서 받은 엄청난 저항으로 인해 다 부서지고 말것이다.

그러면 도대체 어떻게?   유로의 단면적의 조절하는데 있어서, 

조절할 수 있는 장치가 위의 셔터처럼 반드시 유체의 진행방향과 직각일 필요는 없지않은가?

그렇다면 유체의 진행방향과 나란한 방향으로???

 

 

유체가 진행하는 방향과 나란하게 여러 개의 날개를 만들어 고정시키고, 까닥까닥 움직이게 한다.

 

 

 

 

 

이렇게 하면 배기가스는 날개와 날개 사이의 틈으로 빠져나갈 것이다.

오른쪽 위의 그림처럼 날개들을 시계 방향으로 돌리면,

날개와 날개 사이 즉, 유로가 좁아지면서 유속은 빨라질 것이다.

 

 

<vane이 닫혔을 때>

반대로, 오른쪽 아래의 그림처럼 날개들을 반시계 방향으로 돌리면,

유로는 넓어지게 되고 유속은 느려질 것이다.

 

 

<vane이 열렸을 때>

저기 보이는 날개를 vane이라 하는데, 저rpm에서 즉, 배기가스의 유량이 풍부하지 못한 상황임에도 불구하고

vane을 닫아 유속을 높임으로써, 부스트를 형성할 수 있다. 고rpm에 이르면, 유로가 좁으면 back pressure가

 

 발생되기 때문에 vane을 열어 유량을 높여 높은 부스트를 형성할 수 있다.

즉, 저rpm에서는 유속을 높여 부스트를 up시키고, 고rpm에서는 유량을 늘려 부스트를 up시킨다.

 

 

VGT의 작동원리를 쉽게 알 수 있는 영상들을 몇개 찾아봤다.

 

 

 

정말 감탄이 절로 나오는 장면이 아닐 수 없다.

초기에는 엑추에이터로 vane을 조절하는 기계식 VGT를 사용하였으나,

vane 조절을 전자식으로 하게 되면서 전자식 VGT가 등장하였고, 이를 e-VGT라고도 부른다.

전자식 VGT는 ECU가 다양한 상황에 맞추어, 직접 제어함으로써 매우 정밀한 제어가 가능하다.