가변 형상 터보차저
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1. 개요
가변 형상 터보차저(VGT)는 엔진 회전수에 따라 터빈의 노즐 베인을 제어하여 과급 효율을 높이는 기술이다. 1953년 처음 개발되었으며, 1980년대 후반부터 양산차에 적용되기 시작했다. VGT는 저회전 영역에서 응답성이 뛰어나고, 배기압을 제어하여 웨이스트 게이트 밸브를 불필요하게 하며, 디젤 엔진의 PM(미립자 물질) 감소에 기여한다. VGT는 가변 노즐 터빈(VNT), 슬라이딩 월 터빈, 가변 유량 터빈(VFT) 등의 설계 방식으로 구현되며, 멤브레인 진공 액추에이터, 전기 서보, 유압 액추에이터 등을 통해 제어된다. 주요 제조사로는 가렛, 보그워너, 미쓰비시 중공업 등이 있으며, 디젤 엔진과 가솔린 엔진, 트럭, 버스, 특수 차량 등 다양한 분야에 활용된다.
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| 가변 형상 터보차저 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 터보차저 |
| 기술적 세부 사항 | |
| 작동 방식 | 배기 가스 흐름 조절을 통해 터빈 휠에 가해지는 에너지를 최적화 저속에서는 노즐이 닫혀 배기 가스 속도 증가 고속에서는 노즐이 열려 과도한 압력 방지 |
| 구성 요소 | 여러 개의 조절 가능한 베인 (노즐) 액추에이터 (진공, 유압 또는 전자식) 제어 시스템 (ECU) |
| 재료 | 고온 배기 가스에 견딜 수 있는 내열 합금 |
| 특징 및 장점 | |
| 특징 | 광범위한 엔진 속도 범위에서 높은 부스트 압력 제공 터보 래그 감소 엔진 효율성 향상 배기가스 감소 |
| 장점 | 엔진 응답성 향상 연비 개선 배기가스 배출 감소 |
| 적용 분야 | |
| 적용 분야 | 디젤 엔진 (승용차, 트럭, 버스) 가솔린 엔진 (고성능 차량) 상업용 차량 산업용 엔진 |
| 예시 | 폭스바겐 TDI 엔진 포르쉐 911 터보 |
| 작동 원리 | |
| 저속 | 노즐이 닫혀 배기 가스 속도를 높여 터빈을 빠르게 회전시킴 |
| 고속 | 노즐이 열려 배기 가스 흐름을 증가시켜 터빈 과회전 방지 |
| 제어 방식 | |
| 제어 방식 | 엔진 제어 장치 (ECU)가 엔진 부하 및 속도에 따라 액추에이터를 제어 액추에이터는 노즐의 개폐 각도를 조절 |
| 액추에이터 유형 | |
| 액추에이터 유형 | 진공 액추에이터 유압 액추에이터 전자 액추에이터 |
| 장점 | |
| 장점 | 낮은 RPM에서 더 나은 토크 넓은 RPM 범위에서 더 나은 응답성 개선된 연비 |
| 단점 | |
| 단점 | 기존 터보차저보다 복잡하고 비쌈 고온에 노출되어 고장나기 쉬움 유지 보수가 더 어려움 |
2. 역사
가변 형상 터보차저(VGT)는 1953년 개릿에서 처음 개발되어 특허를 받았다.[1] 초기에는 주로 상용차에 적용되었으며, 승용차에는 1980년대 후반부터 탑재되기 시작했다.
VGT가 적용된 주요 차량 및 엔진은 다음과 같다.
| 연도 | 제조사 | 차량 및 엔진 |
|---|---|---|
| 1983년 | 미쓰비시 후소・더 그레이트 | 6D22(T1) 엔진 (VG 터보) |
| 1985년 | 닛산・세드릭, 글로리아 (Y30) | VG20ET형 엔진 (제트 터보) |
| 1986년 | 이스즈・810 슈퍼 | 6SD1-TC 엔진 (VGS 터보) |
| 1988년 | 혼다・레전드 | C20A형 엔진 (윙 터보) |
| 1989년 | 셸비CSX-VNT | 개릿 VNT25형 VG 터보 |
| 1991년 | 피아트 | 크로마 (VGT) |
| 1992년 | 푸조・405 T16 | 개릿 VAT25형 VG 터보 |
| 1996년 | 미쓰비시 후소・슈퍼 그레이트 | 6D40(T3) 엔진 (VG 터보) |
| 2004년 | 이스즈・엘가 | 6HK1-TCC 엔진 (VGS 터보) |
| 2006년 | 포르쉐 911 터보 (997) | 보그워너제 VTG |
| 2006년 | 아큐라・RDX | K23A형 엔진 (가변 플로우 터보) |
| 2008년 | 미쓰비시・파제로 | 4M41 엔진 (디젤, VG 터보) |
| 2010년 | 미쓰비시 후소・에어로스타 | 6M60 엔진 (VG 터보) |
| 2014년 | 마쓰다・데미오 | SKYACTIV-D 1.5 (VG 터보)[9] |
| 2015년 | 코닉세그 One:1 | 5.0리터 V8 엔진 (트윈 VGT) |
2. 1. 초기 개발
회전 날개 VGT는 1953년 개릿에서 처음 개발되어 특허를 받았다.[1]이러한 터보차저를 사용한 최초의 양산차 중 하나는 1988년 혼다 레전드였으며, 2.0리터 V6 엔진에 수냉식 인터쿨러 VGT가 장착되었다. 1989년형 셸비 CSX-VNT에는 크라이슬러 K 엔진 2.2리터 엔진과 개릿 터보인 VNT-25가 장착되었다. 이 모델은 500대만 생산된 한정판이었다(고정 형상 개릿 T-25와 동일한 압축기 및 샤프트를 사용하기 때문).
1991년 피아트는 크로마의 직접 분사 터보디젤에 VGT를 통합했다.[2] 1992년에 출시된 푸조 405 T16은 2.0리터 16밸브 엔진에 개릿 VAT25 가변 형상 터보차저를 사용했다.
2007년 포르쉐 911 터보는 3.6리터 수평대향 6기통 가솔린 엔진에 트윈 가변 형상 터보차저를 장착했다. 같은 해 아큐라는 (VFT) 설계를 따른 가변 형상 터보차저를 장착한 RDX를 출시했다.
2015년 코닉세그 One:1은 5.0리터 V8 엔진에 트윈 가변 형상 터보차저를 사용하여 1,361마력을 생산할 수 있다.
| 연도 | 내용 |
|---|---|
| 1983년 | 미쓰비시 후소・더 그레이트의 6D22(T1) 엔진 탑재 차량에 VG 터보 채용. |
| 1985년 | 닛산・세드릭・글로리아 (Y30)의 VG20ET형 엔진 탑재 차량에 제트 터보 채용. |
| 1986년 | 이스즈・810 슈퍼의 6SD1-TC 엔진에 VGS 터보 채용. |
| 1988년 | 혼다・레전드의 C20A형 엔진 탑재 차량에 윙 터보 채용. |
| 1989년 | 셸비CSX-VNT에 개릿 VNT25형 VG 터보 채용. |
| 1992년 | 푸조・405 T16에 개릿 VAT25형 VG 터보 채용. |
| 1996년 | 미쓰비시 후소・슈퍼 그레이트의 6D40(T3) 엔진 탑재 차량에 VG 터보 채용. |
| 2004년 | 이스즈・엘가의 6HK1-TCC 엔진 탑재 차량에 VGS 터보 채용. |
| 2006년 | 포르쉐 911 터보 (997)에 보그워너제 VTG 채용. |
| 2006년 | 아큐라・RDX의 K23A형 엔진 탑재 차량에 가변 플로우 터보 채용. |
| 2008년 | 미쓰비시・파제로의 4M41 엔진 탑재 차량 (디젤차)에 VG 터보 채용. |
| 2010년 | 미쓰비시 후소・에어로스타의 6M60 엔진 탑재 차량에 VG 터보 채용. |
| 2014년 | 마쓰다・데미오의 SKYACTIV-D 1.5 탑재 차량에 VG 터보 채용[9] |
2. 2. 양산차 적용
회전 날개 VGT는 1953년 개릿에서 처음 개발되어 특허를 받았다.[1]이러한 터보차저를 사용한 최초의 양산차 중 하나는 1988년 혼다 레전드였으며, 2.0리터 V6 엔진에 수냉식 인터쿨러 VGT가 장착되었다. 1989년형 셸비 CSX-VNT에는 크라이슬러 K 엔진 2.2리터 엔진과 개릿 터보인 VNT-25가 장착되었다. 셸비 CSX-VNT는 500대만 생산된 한정 생산 모델이었다. 1991년 피아트는 크로마의 직접 분사 터보디젤에 VGT를 통합했다.[2] 1992년에 출시된 푸조 405 T16은 2.0리터 16밸브 엔진에 개릿 VAT25 가변 형상 터보차저를 사용했다.
2007년 포르쉐 911 터보는 3.6리터 수평대향 6기통 가솔린 엔진에 트윈 가변 형상 터보차저를 장착했다. 2007년 아큐라는 가변 형상 터보차저를 장착한 RDX를 출시했다. 2015년 코닉세그 One:1은 5.0리터 V8 엔진에 트윈 가변 형상 터보차저를 사용하여 1,361마력을 생산할 수 있다.
그 외에 양산차 적용 사례는 다음과 같다.
| 연도 | 제조사 | 차량 및 엔진 |
|---|---|---|
| 1983년 | 미쓰비시 후소・더 그레이트 | 6D22(T1) 엔진 탑재 차량 (VG 터보 채용) |
| 1985년 | 닛산・세드릭, 글로리아 (Y30) | VG20ET형 엔진 탑재 차량 (제트 터보 채용) |
| 1986년 | 이스즈・810 슈퍼 | 6SD1-TC 엔진 (VGS 터보 채용) |
| 1988년 | 혼다・레전드 | C20A형 엔진 탑재 차량 (윙 터보 채용) |
| 1989년 | 셸비CSX-VNT | 개릿 VNT25형 VG 터보 채용 |
| 1992년 | 푸조・405 T16 | 개릿 VAT25형 VG 터보 채용 |
| 1996년 | 미쓰비시 후소・슈퍼 그레이트 | 6D40(T3) 엔진 탑재 차량 (VG 터보 채용) |
| 2004년 | 이스즈・엘가 | 6HK1-TCC 엔진 탑재 차량 (VGS 터보 채용) |
| 2006년 | 포르쉐 911 터보 (997) | 보그워너제 VTG 채용 |
| 2006년 | 아큐라・RDX | K23A형 엔진 탑재 차량 (가변 플로우 터보 채용) |
| 2008년 | 미쓰비시・파제로 | 4M41 엔진 탑재 차량 (디젤차, VG 터보 채용) |
| 2010년 | 미쓰비시 후소・에어로스타 | 6M60 엔진 탑재 차량 (VG 터보 채용) |
| 2014년 | 마쓰다・데미오 | SKYACTIV-D 1.5 탑재 차량 (VG 터보 채용)[9] |
가변 형상 터보차저(VGT)는 배기 온도가 낮아 고장이 덜 발생하기 때문에 디젤 엔진에서 더 흔하게 사용된다. 초기 가솔린 엔진 VGT는 터보차저의 수명을 적절한 수준으로 유지하기 위해 상당한 과급 냉각이 필요했지만, 기술 발전으로 고온 가솔린 배기에 대한 내성이 향상되어 가솔린 엔진 자동차에도 점점 더 많이 사용되고 있다.[1]
3. 작동 원리 및 특징
일반적으로 VGT는 엔진 상태에 따라 베인을 최적의 위치에 유지하기 위해 정밀한 조정이 필요하므로, OEM(Original Equipment Manufacturer, 주문자 위탁 생산) 적용 분야에서만 사용된다. 하지만 애프터마켓 VGT 제어 장치가 있으며, 일부 고급 애프터마켓 엔진 관리 시스템도 VGT를 제어할 수 있다.
트럭에서 VGT는 엔진 흡입구로 재순환되는 배기 가스 비율을 제어하는 데 사용되기도 한다. 배기 매니폴드 압력이 흡입 매니폴드 압력을 초과할 때까지 선택적으로 증가하도록 제어하여 배기 가스 재순환을 촉진한다. 과도한 엔진 배압은 전체적인 연비에 해롭지만, 기어 변속과 같은 과도 현상 동안에도 충분한 EGR(Exhaust Gas Recirculation, 배기 가스 재순환) 율을 보장하면 배출 가스 규제(예: 유럽의 Euro 5 및 미국의 EPA 10)에서 요구하는 수준까지 질소 산화물 배출량을 줄일 수 있다.
슬라이딩 베인 터보차저는 다운스트림 배기 브레이크로도 활용될 수 있어, 추가적인 배기 스로틀 밸브가 필요 없다. 이 메커니즘은 미리 정의된 위치에서 터빈 효율을 의도적으로 줄이도록 수정될 수도 있다. 이 모드는 디젤 미립자 필터의 "점화" 및 "재생"을 촉진하기 위해 배기 온도를 높게 유지하는 데 사용될 수 있다. (이는 필터에 붙어 있는 탄소 입자를 일부 자가 유지 반응으로 산화될 때까지 가열하는 것으로, 일부 오븐에서 제공하는 자동 청소 프로세스와 유사하다.) EGR 유량 제어를 위해 VGT를 작동하거나 제동 또는 재생 모드를 구현하려면 일반적으로 유압 액추에이터 또는 전기 서보가 필요하다.
3. 1. 작동 원리
가변 형상 터보차저(VGT)의 일반적인 구현 방식에는 가변 노즐 터빈(VNT), 슬라이딩 월 터빈, 가변 유량 터빈(VFT)이 있다.
가변 노즐 터빈은 경량 엔진(승용차, 경주용 자동차, 소형 상용차)에 흔히 사용된다. 터빈의 베인은 허브에 상대적으로 함께 회전하여 피치와 단면적을 변경한다. VNT는 다른 가변 형상 설계에 비해 유량과 최대 효율이 높다.[3]
슬라이딩 월 터빈은 대형 엔진에 주로 사용된다. 베인은 회전하지 않고 유효 너비가 변경된다. 이는 터빈을 축을 따라 이동시켜 하우징 내에서 베인을 부분적으로 후퇴시키거나, 하우징 내의 파티션이 앞뒤로 슬라이딩되는 방식으로 수행된다. 베인의 가장자리 사이 면적이 변경되어 움직이는 부품이 적은 가변 종횡비 시스템이 만들어진다.[4]
가변 유량 터빈은 VNT에 비해 단순화된 VGT 버전이다. 이 설계는 목에 블렌드 게이트가 있는 2개의 볼류트 터빈 하우징을 사용한다. 게이트는 스크롤 사이의 유량을 변경하여 최적의 A/R 비율을 평균화한다. 낮은 유량에서는 배기 가스가 주 볼류트를 통해 라우팅되고, 최대 유량에서는 주 볼류트와 보조 볼류트를 모두 통해 라우팅된다. 이 설계는 VNT 유형에 비해 유량이 낮으므로 웨이스트 게이트가 통합될 수 있다.[5]
VGT는 멤브레인 진공 액추에이터, 전기 서보, 3상 전기 구동, 유압 액추에이터 또는 공기 브레이크 압력을 사용하는 공압 액추에이터에 의해 제어될 수 있다.
고정 형상 터빈과 달리 VGT는 웨이스트 게이트가 필요하지 않다.[6] 높은 질량 공기 유량 비율이 필요한 일부 응용 분야는 고성능 점화 엔진에서 주로 발견되는 추가 웨이스트 게이트의 이점을 얻을 수 있다.[8]
엔진 회전수에 따라 터보차저의 터빈 측에 장착된 노즐 베인을 제어함으로써 과급 효율을 높여 최적의 과급압을 발생시킬 수 있다.
가솔린 엔진에서는 혼다 레전드의 "윙 터보"처럼 4개의 노즐 베인으로 터빈 블레이드에 배기 가스 유속을 제어하거나, 아큐라 RDX의 "가변 유량 터보"처럼 흡입구를 전환하는 방식이 있다. 가솔린 엔진은 배기 가스 온도가 디젤 엔진보다 높아 가변 노즐 베인에 내열성이 높은 재료를 사용해야 하므로 비용이 많이 든다. 2009년 현재 가솔린 엔진에서 터빈 측에 가변 노즐 베인을 가진 터보차저를 채용하고 있는 것은 포르쉐 911 시리즈뿐이다.
디젤 엔진의 경우 터보 래그 동안 연료 분사량을 늘리면 산소량이 부족하여 미립자 물질(PM)이 증가하지만, 가변 노즐 터보를 채용하면 과급압이 빠르게 상승하여 배기 가스 중 PM 억제에 기여한다.
3. 2. 장점
가변 형상 터보차저(VGT)는 기존의 고정 기하학적 터보차저보다 과도 응답이 뛰어나다. 이는 VGT가 동력 요구가 매우 역동적인 차량에 사용하기에 이상적임을 의미한다.[7] 엔진 부하가 일정한 정지형 발전기와 같은 상황에서는 고정 기하학적 터보차저가 VGT보다 더 높은 효율을 제공할 수 있는데,[7] 이는 VGT 내 움직이는 부품의 공차로 인해 추가적인 배기 저항이 발생하기 때문이다.
엔진 회전수에 따라 터보차저 터빈 측에 장착된 노즐 베인을 제어하여 과급 효율을 높이고 최적의 과급압을 발생시킬 수 있다.
디젤 엔진의 경우 터보 래그 동안 연료 분사량을 늘리면 산소량이 부족하여 미립자 물질(PM)이 증가하지만, 가변 노즐 터보를 채용하면 과급압이 빠르게 상승하여 배기 가스 중 PM 억제에 기여한다.
VGT의 장점은 다음과 같다.3. 3. 단점
가변 형상 터보차저(VGT)는 일반 터보차저보다 가격이 비싸고, 무게가 더 나가는 경향이 있으며, 전자 제어가 어렵다는 단점도 존재한다.[1]
초기 가솔린 엔진 VGT는 고온의 배기가스에 대한 내구성이 부족하여 과급 냉각이 필요했지만, 기술 발전으로 점차 가솔린 엔진 자동차에도 사용이 늘고 있다.[1] 하지만, 가솔린 엔진은 디젤 엔진보다 배기 가스 온도가 높아 가변 노즐 베인에 내열성이 높은 재료를 사용해야 하므로 비용이 많이 든다.
트럭에서 VGT는 배기 가스 재순환 (EGR) 비율 제어, 배기 브레이크 활용, 디젤 미립자 필터 (DPF) 재생을 위한 배기 온도 상승 등 다양한 용도로 활용되며, 이러한 기능들은 유압 액추에이터나 전기 서보를 통해 제어된다.
VGT는 엔진 부하가 일정한 경우에는 고정식 터보차저보다 효율이 떨어질 수 있는데,[7] 이는 VGT 내부의 움직이는 부품들 사이의 미세한 틈으로 인해 배기 저항이 발생하기 때문이다.
4. 설계 방식
가변 형상 터보차저(VGT)의 일반적인 구현 방식으로는 가변 노즐 터빈(VNT), 슬라이딩 월 터빈, 가변 유량 터빈(VFT)이 있다.
- '''가변 노즐 터빈(VNT)''': 경량 엔진에 주로 사용되며, 터빈의 베인이 회전하여 피치와 단면적을 변경한다. 다른 방식에 비해 유량과 효율이 높다.[3]
- '''슬라이딩 월 터빈''': 대형 엔진에 주로 사용되며, 베인이 회전하지 않고 유효 너비가 변경된다. 터빈을 축 방향으로 이동시키거나 하우징 내 파티션을 슬라이딩하는 방식으로 작동한다.[4]
- '''가변 유량 터빈(VFT)''': VNT보다 단순한 방식으로, 블렌드 게이트가 있는 두 개의 볼류트 터빈 하우징을 사용한다. 게이트는 스크롤 사이의 유량을 조절하여 최적의 A/R 비율을 만든다.[5]
VGT는 멤브레인 진공 액추에이터, 전기 서보, 3상 전기 구동, 유압 액추에이터, 또는 공기 브레이크 압력을 사용하는 공압 액추에이터로 제어할 수 있다. 고정 형상 터빈과 달리 VGT는 웨이스트 게이트가 필요 없지만,[6] 높은 질량 공기 유량 비율이 필요한 일부 고성능 점화 엔진에서는 추가 웨이스트 게이트가 사용되기도 한다.[8]
4. 1. 가변 노즐 터빈 (VNT)
가변 형상 터보차저(VGT)의 가장 일반적인 구현 방식에는 가변 노즐 터빈(VNT), 슬라이딩 월 터빈, 가변 유량 터빈(VFT)이 있다.[3]'''가변 노즐 터빈'''(VNT)은 경량 엔진(승용차, 경주용 자동차 및 소형 상용차)에 흔히 사용된다. 터빈의 베인은 허브에 상대적으로 함께 회전하여 피치와 단면적을 변경한다. VNT는 다른 가변 형상 설계에 비해 더 높은 유량과 더 높은 최대 효율을 제공한다.[3]
엔진 회전수에 따라 터보차저의 터빈 측에 장착된 노즐 베인을 제어함으로써 과급 효율을 높여 최적의 과급압을 발생시킬 수 있다. 작동 방식은 다음과 같다.
- 저회전 상태: 개구 면적을 작게 하여 배기 유속을 높여 과급 효율을 높인다.
- 고회전 상태: 개구 면적을 크게 하여 저항을 줄이고 배기압력을 낮춰 손실을 줄인다.
가솔린 엔진에서는 혼다 레전드의 "윙 터보"처럼 4개의 노즐 베인으로 터빈 블레이드에 배기 가스 유속을 제어하는 방식이나, 아큐라 RDX의 "가변 유량 터보"처럼 흡입구를 전환하는 방식이 채택되었다. 가솔린 엔진의 경우 배기 가스 온도가 디젤 엔진에 비해 높기 때문에 가변 노즐 베인에 내열성이 높은 재료를 사용해야 하므로 비용이 많이 든다. 2009년 현재 가솔린 엔진에서 터빈 측에 가변 노즐 베인을 가진 터보차저를 채용하고 있는 것은 포르쉐 911 시리즈뿐이다.
디젤 엔진의 경우 터보 래그 동안 연료 분사량을 늘리면 산소량이 부분적으로 부족하여 미립자 물질(PM)이 증가하지만, 가변 노즐 터보를 채용하면 과급압이 짧은 시간 안에 상승하므로 배기 가스 중 PM 억제에 기여한다.
4. 2. 슬라이딩 월 터빈
'''슬라이딩 월 터빈'''은 대형 엔진에 일반적으로 사용된다. 베인은 회전하지 않지만, 대신 유효 너비가 변경된다. 이는 일반적으로 터빈을 축을 따라 이동시켜 하우징 내에서 베인을 부분적으로 후퇴시킴으로써 수행된다. 또는 하우징 내의 파티션이 앞뒤로 슬라이딩될 수 있다. 베인의 가장자리 사이의 면적이 변경되어 움직이는 부품이 적은 가변 종횡비 시스템이 만들어진다.[4]4. 3. 가변 유량 터빈 (VFT)
가변 유량 터빈(VFT)은 VNT에 비해 단순화된 VGT 버전이다. 이 설계는 목에 블렌드 게이트가 있는 2개의 볼류트 터빈 하우징을 사용한다. 게이트는 스크롤 사이의 유량을 변경하여 최적의 A/R 비율을 평균화할 수 있다. 낮은 유량 조건에서는 배기 가스가 주 볼류트를 통해 라우팅되고 최대 유량에서는 주 볼류트와 보조 볼류트를 모두 통해 라우팅된다. 이 설계는 VNT 유형에 비해 유량이 낮으므로 웨이스트 게이트가 이 설계에 통합될 수 있다.[5]4. 4. 제어 방식
가변 형상 터보차저(VGT)는 멤브레인 진공 액추에이터, 전기 서보, 3상 전기 구동, 유압 액추에이터 또는 공기 브레이크 압력을 사용하는 공압 액추에이터에 의해 제어될 수 있다.고정 형상 터빈과 달리 VGT는 웨이스트 게이트가 필요하지 않다.[6] 높은 질량 공기 유량 비율이 필요한 일부 응용 분야에서는 고성능 점화 엔진에서 주로 발견되는 추가 웨이스트 게이트를 통해 이점을 얻을 수 있다.[8] 이는 디젤 엔진과는 대조적이다.
5. 주요 제조사
가변 형상 터보차저 제조 및 공급 주요 회사는 가렛(Garrett), 보그워너, 미쓰비시 중공업 등이 있다. 회전 날개 가변 형상 터보차저는 주로 소형 엔진 및 경량 차량(승용차, 경주용 자동차, 경 상용차)에 사용된다.[10]
슬라이딩 베인 VGT의 주요 공급 업체는 홀셋 엔지니어링이다.[8]
6. 활용 분야
가변 형상 터보차저(VGT)는 기존의 고정 기하학적 터보차저보다 과도 응답이 뛰어나다. 따라서 동력 요구가 매우 역동적인 차량에 사용하기에 이상적이다. 하지만 엔진 부하가 일정한 정지형 발전기와 같은 상황에서는 고정 기하학적 터보차저가 VGT보다 더 높은 효율을 제공할 수 있는데,[7] 이는 VGT 내의 움직이는 부품의 공차로 인해 추가적인 배기 저항이 발생하기 때문이다.
6. 1. 디젤 엔진
가변 형상 터보차저(VGT)는 배기 온도가 낮아 고장이 덜 발생하기 때문에 디젤 엔진에서 훨씬 더 흔하게 사용된다. 초기 가솔린 엔진 VGT는 터보차저의 수명을 적절한 수준으로 늘리기 위해 상당한 사전 과급 냉각이 필요했지만, 기술 발전으로 고온 가솔린 배기에 대한 내성이 향상되어 가솔린 엔진 자동차에도 점점 더 많이 사용되기 시작했다.[1]일반적으로 VGT는 엔진 상태에 따라 베인을 최적의 위치에 유지하기 위해 필요한 수준의 조율 때문에 OEM(Original Equipment Manufacturer, 주문자 위탁 생산) 적용 분야에서만 사용된다. 그러나 애프터마켓 VGT 제어 장치가 있으며, 일부 고급 애프터마켓 엔진 관리 시스템도 VGT를 제어할 수 있다.
트럭에서 VGT는 엔진 흡입구로 재순환되는 배기 가스의 비율을 제어하는 데 사용되기도 한다. 배기 매니폴드 압력이 흡입 매니폴드 압력을 초과할 때까지 선택적으로 증가하도록 제어하여 배기 가스 재순환을 촉진할 수 있다. 과도한 엔진 배압은 전체적인 연비에 해롭지만, 과도 현상(예: 기어 변속) 동안에도 충분한 EGR(Exhaust Gas Recirculation, 배기 가스 재순환) 율을 보장하면 배출 가스 규제(예: 유럽의 Euro 5 및 미국의 EPA 10)에서 요구하는 수준까지 질소 산화물 배출량을 줄일 수 있다.
슬라이딩 베인 터보차저의 또 다른 용도는 다운스트림 배기 브레이크로, 추가적인 배기 스로틀 밸브가 필요하지 않다. 이 메커니즘은 미리 정의된 위치에서 터빈 효율을 줄이기 위해 의도적으로 수정될 수도 있다. 이 모드는 디젤 미립자 필터의 "점화" 및 "재생"을 촉진하기 위해 배기 온도를 높게 유지하도록 선택할 수 있다. 이것은 필터에 붙어 있는 탄소 입자를 일부 자가 유지 반응으로 산화될 때까지 가열하는 것을 포함하며, 이는 일부 오븐에서 제공하는 자동 청소 프로세스와 유사하다. 일반적으로 EGR 유량 제어를 위해 VGT를 작동하거나 제동 또는 재생 모드를 구현하려면 유압 액추에이터 또는 전기 서보가 필요하다.
6. 2. 가솔린 엔진
초기 가솔린 엔진 VGT는 터보차저의 수명을 적절한 수준으로 늘리기 위해 상당한 사전 과급 냉각이 필요했지만, 기술 발전으로 인해 고온 가솔린 배기에 대한 내성이 향상되어 가솔린 엔진 자동차에도 점점 더 많이 사용되기 시작했다.[1]일반적으로 VGT는 엔진의 상태에 따라 베인을 가장 최적의 위치에 유지하기 위해 필요한 수준의 조율 때문에 OEM(Original Equipment Manufacturer, 주문자 위탁 생산) 적용 분야에서만 사용된다. 그러나 애프터마켓 VGT 제어 장치가 있으며, 일부 고급 애프터마켓 엔진 관리 시스템도 VGT를 제어할 수 있다.
6. 3. 기타
VGT(가변 형상 터보차저)는 낮은 배기 온도 때문에 고장이 덜 발생하여 디젤 엔진에서 훨씬 더 흔하게 사용되는 경향이 있다. 초기 가솔린 엔진 VGT는 터보차저의 수명을 적절한 수준으로 늘리기 위해 상당한 사전 과급 냉각이 필요했지만, 기술 발전으로 고온 가솔린 배기에 대한 내성이 향상되어 가솔린 엔진 자동차에도 점점 더 많이 사용되기 시작했다.[1]일반적으로 VGT는 엔진의 상태에 따라 베인을 가장 최적의 위치에 유지하기 위해 필요한 수준의 조율 때문에 OEM(주문자 위탁 생산) 적용 분야에서만 사용된다. 그러나 애프터마켓 VGT 제어 장치가 있으며, 일부 고급 애프터마켓 엔진 관리 시스템도 VGT를 제어할 수 있다.
트럭에서 VGT는 엔진 흡입구로 재순환되는 배기 가스의 비율을 제어하는 데 사용되기도 한다. 배기 매니폴드 압력이 흡입 매니폴드 압력을 초과할 때까지 선택적으로 증가하도록 제어하여 배기 가스 재순환을 촉진한다. 과도한 엔진 배압은 전체적인 연비에 해롭지만, 과도 현상(예: 기어 변속) 동안에도 충분한 EGR(배기 가스 재순환) 율을 보장하면 배출 가스 규제(예: 유럽의 Euro 5 및 미국의 EPA 10)에서 요구하는 수준까지 질소 산화물 배출량을 줄일 수 있다.
슬라이딩 베인 터보차저의 또 다른 용도는 다운스트림 배기 브레이크로, 추가적인 배기 스로틀 밸브가 필요하지 않다. 이 메커니즘은 또한 미리 정의된 위치에서 터빈 효율을 의도적으로 줄이도록 수정될 수 있다. 이 모드는 디젤 미립자 필터의 "점화" 및 "재생"을 촉진하기 위해 배기 온도를 높게 유지하도록 선택할 수 있다. (이는 필터에 붙어 있는 탄소 입자를 일부 자가 유지 반응으로 산화될 때까지 가열하는 것을 포함하며, 이는 일부 오븐에서 제공하는 자동 청소 과정과 유사하다.) 일반적으로 EGR 유량 제어를 위해 VGT를 작동하거나 제동 또는 재생 모드를 구현하려면 유압 액추에이터 또는 전기 서보가 필요하다.
VGT는 기존의 고정 기하학적 터보차저보다 향상된 과도 응답을 제공한다. 이는 VGT가 동력 요구가 매우 역동적인 차량에 사용하기에 이상적임을 의미한다. 정지형 발전기와 같이 엔진 부하가 일정한 상황에서는 고정 기하학적 터보차저가 VGT보다 더 높은 효율을 제공할 수 있다.[7] 이는 VGT 내의 움직이는 부품의 공차로 인해 생성된 추가적인 배기 저항 때문이다.
7. 적용 차종
가변 형상 터보차저(VGT)는 승용차, 트럭, 버스 등 다양한 차종에 적용되었다.
VGT가 적용된 구체적인 차량 목록은 하위 섹션에서 확인할 수 있다.
- 가솔린 엔진
- 디젤 엔진
- 기타
7. 1. 가솔린 엔진
회전 날개 VGT는 1953년 개릿에서 처음 개발되어 특허를 받았다.[1]이러한 터보차저를 사용한 최초의 양산차 중 하나는 1988년 혼다 레전드였으며, 2.0리터 V6 엔진에 수냉식 인터쿨러 VGT가 장착되었다. 1989년형 셸비 CSX-VNT에는 크라이슬러 K 엔진 2.2리터 엔진과 개릿 터보인 VNT-25가 장착되었는데, 이는 고정 형상 개릿 T-25와 동일한 압축기 및 샤프트를 사용했기 때문이다. 이 모델은 500대만 한정 생산되었다.
1992년에 출시된 푸조 405 T16은 2.0리터 16밸브 엔진에 개릿 VAT25 가변 형상 터보차저를 사용했다.
2007년 포르쉐 911 터보는 3.6리터 수평대향 6기통 가솔린 엔진에 트윈 가변 형상 터보차저를 장착했다. 같은 해 아큐라는 (VFT) 설계를 따른 가변 형상 터보차저를 장착한 RDX를 출시했다.
2015년 코닉세그 One:1은 5.0리터 V8 엔진에 트윈 가변 형상 터보차저를 사용하여 1,361마력을 생산할 수 있다.
7. 2. 디젤 엔진
디젤 엔진의 경우, 가변 형상 터보차저(VGT)는 승용차뿐만 아니라 트럭, 버스 등 다양한 차종에 적용되어 왔다.VGT가 적용된 차량 목록은 하위 섹션('승용차', '트럭・버스')에서 표 형태로 자세히 다루고 있다.
7. 2. 1. 승용차
회전 날개 VGT는 1953년 개릿에서 처음 개발되어 특허를 받았다.[1]이러한 터보차저를 사용한 최초의 양산차 중 하나는 1988년 혼다 레전드였으며, 2.0리터 V6 엔진에 수냉식 인터쿨러 VGT가 장착되었다. 단 500대만 생산된 한정 생산 모델인 1989년형 셸비 CSX-VNT에는 크라이슬러 K 엔진 2.2리터 엔진과 개릿 터보인 VNT-25가 장착되었다(고정 형상 개릿 T-25와 동일한 압축기 및 샤프트를 사용하기 때문). 1991년 피아트는 크로마의 직접 분사 터보디젤에 VGT를 통합했다.[2] 1992년에 출시된 푸조 405 T16은 2.0리터 16밸브 엔진에 개릿 VAT25 가변 형상 터보차저를 사용했다.
2007년 포르쉐 911 터보는 3.6리터 수평대향 6기통 가솔린 엔진에 트윈 가변 형상 터보차저를 장착했다. 2007년 아큐라는 (VFT) 설계를 따른 가변 형상 터보차저를 장착한 RDX를 출시했다. 2015년 코닉세그 One:1은 5.0리터 V8 엔진에 트윈 가변 형상 터보차저를 사용하여 1,361마력을 생산할 수 있다.
| 제조사 | 엔진 | 차량 |
|---|---|---|
| 미쓰비시 | 4M41 | 미쓰비시 파제로 (4세대) |
| 아우디 | 3.0TDI | 아우디 A4, A5 |
| 지프 | 메르세데스-벤츠 OM642 | 지프 그랜드 체로키 |
| 마쓰다 | SKYACTIV-D 1.5: S5계 | 마쓰다 데미오 (4세대), CX-3 |
| 미쓰비시 | 4N14 | 미쓰비시 아웃랜더 (유럽향), 델리카 D:5 |
| 닛산 | YD25 | 닛산 프레사쥬 (초대), NV350 캐러밴 (5세대) |
| 닛산 | ZD30DDTi | 닛산 사파리 (3세대), 테라노 (2세대), 테라노 II (후기형), 엘그랜드 (초대), 캐러밴 (4세대) |
| 토요타 | 1KD-FTV | 토요타 하이에이스 / 레지아스 에이스 (200계), 하이럭스 서프 (3·4세대), 랜드 크루저 프라도 (90·120계) |
| 스바루 | 스바루 EE200 | 스바루 레가시 / 아웃백, 포레스터, 임프레자 |
| 혼다 | N22A | 혼다 어코드 / 혼다 어코드 투어러, 혼다 FR-V, 혼다 CR-V, 혼다 시빅 |
| 현대/기아 | D4EA(:en:Hyundai D engine) | 현대 싼타페(SM), 현대 쏘나타(NF) |
7. 2. 2. 트럭・버스
| 제조사 | 차종 |
|---|---|
| 미쓰비시 후소 | |
| 히노 | |
| 이스즈 | |
| UD트럭 | |
| 토요타 | 토요타 코스터 (N04C-T 계열 및 N04C-U 계열 탑재 차량, OEM 차량인 히노 리에세 II 포함) |
| 닛산 | |
| 볼보트럭 | 볼보 FH/FM |
| 메르세데스-벤츠 | 메르세데스-벤츠 스프린터 |
7. 2. 3. 기타
회전 날개 VGT는 1953년 개릿에서 처음 개발되어 특허를 받았다.[1]이러한 터보차저를 사용한 최초의 양산차 중 하나는 1988년 혼다 레전드였으며, 2.0리터 V6 엔진에 수냉식 인터쿨러 VGT가 장착되었다. 단 500대만 생산된 한정 생산 모델인 1989년형 셸비 CSX-VNT에는 크라이슬러 K 엔진 2.2리터 엔진과 개릿 터보인 VNT-25가 장착되었다. 1991년 피아트는 크로마의 직접 분사 터보디젤에 VGT를 통합했다.[2] 1992년에 출시된 푸조 405 T16은 2.0리터 16밸브 엔진에 개릿 VAT25 가변 형상 터보차저를 사용했다.
2007년 포르쉐 911 터보는 3.6리터 수평대향 6기통 가솔린 엔진에 트윈 가변 형상 터보차저를 장착했고, 아큐라는 (VFT) 설계를 따른 가변 형상 터보차저를 장착한 RDX를 출시했다. 2015년 코닉세그 One:1은 5.0리터 V8 엔진에 트윈 가변 형상 터보차저를 사용하여 1,361마력을 생산할 수 있다.
- 아우디 R15+
- 10식 전차
참조
[1]
특허
Turbosupercharger
https://patents.goog[...]
1953-06-08
[2]
웹사이트
Turbo Pioneer
2014-01-22
[3]
학술지
A review of the application of variable geometry turbines to the downsized gasoline engine
http://dx.doi.org/10[...]
2014-10-06
[4]
학술지
Design of diesel engine's optimal control maps for high efficiency and emission reduction
2017-11-20
[5]
서적
SAE Technical Paper Series
2002-07-09
[6]
서적
Fuel and Emissions Control Systems
Prentice Hall
2012
[7]
학술지
The turbocharger with variable turbine geometry for gasoline engines
http://dx.doi.org/10[...]
2007-02
[8]
웹사이트
My Holset Turbo {{!}} Variable Geometry Turbos
http://www.myholsett[...]
2020-02-03
[9]
서적
2015年マツダ技報 「小排気量クリーンディーゼルエンジン SKYACTIV-D 1.5の開発」
http://www.mazda.com[...]
マツダ株式会社
2015-05
[10]
웹인용
My Holset Turbo {{!}} Variable Geometry Turbos
http://www.myholsett[...]
2020-02-03
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