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출처 : CARLiFE

타임 래그를 줄이고 출력 높이는 최신기술
VGT로 터보에 날개를 달다

디젤 엔진의 동력성능을 높여 주는 터보차저는 저회전 영역에서 제기능을 못하는 한계를 지닌다. 최근 디젤 엔진에 많이 쓰이는 VGT(가변식 터보)는 터빈 휠을 돌리는 유체의 속도와 양을 조절해 저회전에서도 좋은 성능을 끌어낸다. 구조에 따라 슬라이딩 노즐과 가변 노즐(VNT) 방식으로 나뉜다. 둘 다 배기량 변화 없이 출력을 높일 수 있어 최근 인기를 끌고 있다
글·장한형 기자(janga@4wdrv.co.kr)

디젤 엔진은 휘발유 엔진처럼 불꽃점화를 하지 않고 실린더에 들어온 공기를 압축시켜 압력이 최고점에 다다랐을 때 경유를 분사해 폭발시킨다. 이러한 구조 때문에 휘발유 엔진보다 훨씬 더 많은 공기를 필요로 한다. 공기가 많이 들어갈수록 압력과 온도가 높아져 연소효율이 커지기 때문이다. 이처럼 실린더의 공기를 늘리는 장치가 과급기, 터보차저다.

과부하 막기 위해 웨이스트게이트 달기도
일반 디젤 엔진의 체적효율은 75∼85%에 머물지만 터보차저를 달면 140% 이상으로 두 배 정도 늘어난다. 체적효율이란 실린더에 들어온 공기의 양을 대기상태의 체적으로 환산해 실린더 행정체적으로 나눈 값. 값이 클수록 흡입공기의 양이 많다는 의미다. 체적효율이 크면 실린더에 분사된 연료를 더 많이 태울 수 있어 엔진 출력이 그만큼 높아진다.
터보차저의 구성은 간단하다. 배기가스를 이용해 터빈 휠을 돌리는 터빈 하우징과 공기를 압축시켜 실린더로 보내는 컴프레서 하우징 그리고 둘 사이를 연결하는 샤프트가 기본구성이다. 터빈이 돌면서 샤프트로 연결된 컴프레서가 따라 돌고, 이 과정에서 더 많은 공기가 빨려 들어와 압축된 다음 실린더로 들어간다

최근 선보이는 터보는 터빈 휠의 회전 한계 이상으로 배기가스가 들어왔을 때 과부하가 걸리지 않도록 일부를 빼내는 웨이스트게이트(wastegate)가 달린다. 이것은 흡기 또는 배기 매니폴드에 붙어서 터빈이나 컴프레서로 들어오는 유체의 양을 조절해 공기를 밀어 넣는 힘, 즉 부스트 압력을 조절한다.
터보의 역사는 한 세기 전에 시작되었다. 1911년 스위스 엔지니어 알프레드 뷔히(Alfred Buchi)가 처음으로 배기가스를 이용하는 터빈을 완성해 출력을 40% 끌어올리는 데 성공했다. 터보가 디젤 엔진에 쓰인 때는 1950년대. 미국의 농업용 트랙터 회사 캐터필러(Caterpillar)사가 가레트와 공동으로 불도저 디젤용 터보를 고안한 것이 출발점이다. 승용차용 터보의 원조는 20여 년이 지난 1978년 선보인 메르세데스 벤츠 300SD이고, 1981년 폭스바겐 골프 터보 디젤이 뒤를 이었다.
현재 널리 쓰이는 디젤 엔진의 터보도 벤츠 300SD와 골프 터보 디젤과 같은 구조다.

터빈과 컴프레서 하우징으로 들어가는 배기가스와 공기의 양이 회전수에 따라 일정하기 때문에 고정식 터보차저(Fixed Geometry Turbocharger)라고 부르는 것이 정확한 표현이다. 일부 메이커는 웨이스트게이트가 달린 터보차저라는 뜻으로 ‘WGT’(Wastegate Turbocharger)라고 부르기도 한다.
고정식 터보는 일정속도 이상에서는 출력을 높이지만 회전수가 낮으면 배기가스의 양과 압력도 낮아져 제구실을 못하는 단점이 있다. 배기가스가 적어 터빈 휠을 돌릴 수 없다면 출력을 더하기는커녕 엔진에 짐만 될 뿐이다. 이러한 이유로 저속에서도 안정적으로 터빈 휠을 돌릴 수 있는 방법이 연구되었다.
터보의 두 번째 단점은 터보 래그(turbo lag). 실린더에 분사된 연료가 터빈에서 공급한 공기보다 많아 불완전연소가 일어나면서 엔진이 반응하기까지 약간의 시간지체가 생긴다. 터보차의 액셀 페달을 꾹 눌러 밟았을 때 곧바로 반응을 보이지 않고 1∼2초 뒤에 ‘휘리릭’ 하는 터빈 소리와 함께 엔진이 반응하는 것을 말한다. 이 문제를 해결하기 위해 최근 알루미늄이나 세라믹을 이용해 하우징을 작게 만드는 추세다. 하우징이 작으면 유체 속도가 빨라져 반응지체 현상을 줄일 수 있지만 완벽한 해결책은 못된다.

슬라이딩과 가변 노즐 방식으로 구분
이러한 단점을 보완하기 위해 고안된 방식이 VGT다. VGT(Variable Geometry Turbocharger)는 고정식 터보와 달리 터빈 휠을 돌리는 배기가스의 양과 속도를 조절하는 장치가 달려 있다. 저회전에서는 터빈 하우징 입구를 조여 유체의 속도에너지를 높이는 방법으로 터빈 휠의 회전력을 키운다. 반대로 고회전에서는 입구를 넓혀 많은 배기가스를 들여보내 고출력을 끌어낸다. 저회전에서 반응이 빨라 터보 래그가 크게 줄어드는 것이 장점.
VGT 터보는 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 첫 번째가 슬라이딩 노즐을 달아 배기가스의 흐름을 조절하는 방식. <그림1>처럼 흡입공기의 양에 따라 자동으로 움직이는 노즐을 통해 터빈 하우징 안에 달린 원판이 여닫히면서 배기가스의 양과 유입속도를 조절한다. 회전수가 낮아 흡기가 부족하면 노즐이 멈춰 터빈 하우징이 활짝 열린다

반대로 공기가 늘어나면 노즐이 내려가고, 터빈 하우징도 덩달아 닫혀 부스트 압력이 지나치게 올라가는 것을 막는다. 영국 홀셋(Holset)과 미국 커밍스(Cummins)사가 사용하는 방식이다.
가변 노즐 또는 VNT(Variable Nozzle Turbocharger)는 구조가 간단하고 효율이 뛰어나 가장 많이 쓰이는 VGT 방식이다. 가변 노즐 VGT는 <그림2>처럼 터빈 휠 주변에 각도가 조절되는 여러 개의 블레이드(blade)가 달려 유체의 속도와 양을 조절한다. 엔진 회전수가 낮거나 배기압력이 작을 때는 블레이드를 닫아 유체의 속도를 높인다. 반대로 엔진 회전수가 높고 배기가스가 많을 때는 블레이드를 열어 저항을 줄이고, 적절한 회전력을 얻도록 한다. 블레이드는 컴프레서 하우징에 달린 압력센서에 의해 전자식으로 제어되는 것이 일반적이다. 미국 가레트(Garrett), 디트로이트 디젤(Detroit Diesel), 나비스타(Navistar)가 주로 사용하는 방식이다.
최근 쏟아져 나오는 디젤 터보 모델들은 대부분 VGT 시스템을 달고 있다. 엔진 성능을 높이는 가장 효과적인 방법이기 때문이다. 실제로 VGT 터보를 달면 최고출력 20% 안팎, 최대토크는 10% 이상 높일 수 있다. 또 가속력 10∼15%, 연비는 5∼7% 높아진다. 회전수와 상관없이 전구간에서 뛰어난 동력성능을 보이는 것이 VGT 엔진의 진짜 매력이다.

터보의 역사는 100년이 넘었지만 VGT는 비교적 최신기술이라고 할 수 있다. 처음 VGT를 선보인 메이커는 디젤 기술에서 선두를 달리는 메르세데스 벤츠. 2000년 2월 ML270 CDI를 비롯한 모든 CDI 엔진에 전자제어식 VNT를 달았다. 벤츠의 VNT는 유체의 속도와 블레이드 각도가 ECU에 의해 전자적으로 조절된다. 따라서 저회전에서도 지체 없이 부스트 압력을 만들어 터보 래그가 짧은 것이 특징. 크라이슬러도 지난해 9월 체로키 2.8 CRD에 출력 9%, 토크는 11% 늘어난 VGT 터보를 얹었다. 올해말 들어오는 그랜드 체로키 3.0 CRD VGT 엔진도 전자식 가변 노즐(VNT) 터보다. 국내에서는 현대가 2002년 12월 VGT 엔진의 싼타페와 트라제 XG를 출시했고, 이번에 기아 쏘렌토에도 같은 엔진이 올라갔다.

< 4WD&RV, 2005년 04월호 >