가변 형상 터보차저의 작동 원리: 장점, 고장 및 유지보수

엔진의 여러 과급 시스템 가운데 과급 방식에는 고정 형상 터보차저 또는 가변 형상 터보차저가 있으며, VGT라고 불립니다. 두 방식 모두 목표는 같습니다. 배기가스의 관성을 활용해 엔진이 스스로 흡입할 수 있는 양보다 더 많은 공기를 실린더에 밀어 넣어 출력을 높이는 것입니다.

하지만 일반 터보를 장착한 과급 엔진의 주요 단점 가운데 하나는 저회전에서 작동할 때 배기가스의 힘이 흡기 공기를 압축하는 터빈을 가속할 만큼 충분하지 않다는 점입니다. 반대로 고회전에서는 배기가스 유량이 너무 많아 터빈을 과도한 에너지로 돌리게 되므로 웨이스트게이트(과급 압력 방출 밸브)를 작동시켜야 하며, 이 과정에서 배기가스가 지닌 에너지의 일부가 낭비됩니다.

이 문제를 해결하는 것이 바로 가변 형상 터보차저이며, 살펴보겠지만 저회전과 고회전 모두에서 흡기 공기를 효율적으로 압축하는 능력이 더 뛰어납니다.

가변 형상 터보차저의 초기 개발은 1950년대 중반으로 거슬러 올라가지만, 이를 처음으로 양산 차량에 적용한 것은 90년대 초의 Fiat Croma 터보디젤이었으며, 1.9 엔진에 장착되었습니다. 이 엔진은 직접 분사 방식을 채택한 초기 디젤 엔진 중 하나이기도 했습니다. 오늘날에는 터빈을 가속하기 위해 소형 전기 모터를 직접 사용하는 솔루션도 개발되었습니다. 과급 엔진의 저회전 응답성을 개선하기 위해 쓰이는 또 다른 터보 유형으로는 트윈 스크롤 터보가 있습니다.

가변 형상 터보는 어떻게 작동하나요?

고정 터보와 가변 터보(VGT)의 차이는 후자가 배기가스가 터빈에 부딪히는 속도를 조절하는 기구를 갖추고 있어 터빈이 더 빠르게 가속된다는 점입니다. 공기량을 바꾸는 것이 아니라 공기가 들어오는 입구 단면적을 조절합니다.

이를 위해 가변 날개 또는 베인 시스템을 갖추고 있으며, 엔진이 저회전에서 작동할 때는 이 날개들이 닫혀 배기가스를 가속시켜 터빈에 가하는 추력이 커집니다. 고회전에서는 날개가 열려 배기가스 입구 단면적이 커지므로 속도가 줄어듭니다. 이를 통해 최대 과급 압력을 더 높은 엔진 회전수에서 도달할 수 있습니다.

베인의 조절은 압력 또는 진공 작동기를 사용하는 기계식 시스템으로 이루어질 수 있지만, 최신 엔진에서는 일반적으로 엔진 제어 장치(ECU)가 구동하는 소형 전기 모터를 사용합니다.

가변 형상 터보차저의 작동 원리를 더 자세히 보고 싶다면 이 영상을 참고하세요:

https://www.youtube.com/watch?v=AuQor-YnbZ8

가변 형상 터보는 어떤 장점이 있나요?

가변 형상 터보차저의 작동 원리를 알고 나면 장점은 분명합니다:

• 저회전에서 가속할 때 과급 엔진 특유의 “터보 랙(turbo-lag)” 또는 응답 지연을 줄이거나 없애줍니다.
• 엔진의 모든 회전수에서 과급 시스템의 작동을 최적화하여 더 평탄한 토크 곡선을 구현합니다.
• 가동 날개를 조절하여 과급 압력을 제어하므로 웨이스트게이트(“waste gate”)가 필요하지 않습니다.
• 순차식 듀얼 터보보다 더 간단한 솔루션입니다. 그럼에도 고성능 엔진 중에는 두 개 이상의 터보차저를 장착하고 그중 적어도 하나가 가변 형상인 경우도 있습니다.
• 토크 전달을 최적화하므로 성능이 향상되고, 그 결과 연비와 배출가스도 개선됩니다

가변 터보의 단점은 무엇인가요?

구조가 더 복잡하고 가동 부품이 많기 때문에 가변 형상 터보차저는 일반 터보보다 비쌉니다. 같은 이유로 고장이 날 가능성도 더 큽니다.

또 다른 단점은 가솔린 엔진에 사용할 때의 복잡성입니다. 가솔린 엔진은 배기가스 온도가 더 높아 더 정교하고 비싼 설계가 필요합니다.

Porsche는 가솔린 엔진에 가변 형상 터보차저를 사용한 최초의 브랜드 중 하나였습니다. 오늘날에는 고성능보다는 효율 향상을 위해 소형 엔진에서도 찾아볼 수 있습니다. 최근의 예로는 새로운 Alfa Romeo Tonale의 1.5 하이브리드 엔진이 있습니다.

가변 형상 터보의 유지보수, 관리 및 고장

가동 부품이 많고 고온의 배기가스에 노출되기 때문에 가변 형상 터보차저는 고정 형상 터보보다 더 많은 문제를 겪는 경향이 있습니다.

가장 흔한 고장은 가변 날개 시스템이 달라붙는 것입니다. 이 경우 문제는 가변 터보가 고정 형상 터보처럼 작동하지 않는다는 점입니다. 날개가 고착되면 엔진이 특정 회전수 범위에서만 제대로 작동합니다. 증상으로는 뚜렷한 성능 저하와 그에 따른 연비 증가가 있습니다. 이런 경우에는 출력 전달이 끊기는 현상이나 엔진이 힘을 내지 못하는 데드존을 느끼는 경우도 흔합니다.

공기유량계, EGR 및 매연 필터와 마찬가지로, 가변 형상 터보가 달라붙는 주요 원인 중 하나는 주로 도심에서 운전하거나 엔진을 항상 매우 낮은 회전수로 돌리는 것입니다. 이때 연소 과정에서 그을음이 가장 많이 발생합니다.

따라서 가변 형상 터보차저의 고장을 예방하는 가장 좋은 방법은 운전을 도심 주행으로만 제한하지 않는 것입니다. 가끔 도로로 나가 엔진이 중간 또는 고회전에서도 작동하도록 하는 것이 좋습니다. 물론 적합한 엔진오일을 사용하고 정비 주기를 지키는 것도 필수입니다.