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1. 개요
가변 형상 터보차저(Variable Geometry Turbocharger)의 줄임말이다.1953년에 가레트에서 개발해 특허를 받았으며 VGT가 적용된 최초의 양산차는 1988년형 혼다 레전드로, 2.0L V6 엔진에 수랭식 VGT를 장착했다.
2020년도 기준 운행되는 대부분의 디젤 엔진에 사용되는 터보차저다. 고성능 모델에만 터보차저가 적용되는 가솔린 엔진과 달리 약 20년전부터 디젤 엔진에 VGT가 적용됐다. 2002년 12월 현대자동차가 국내 최초로 VGT 디젤 엔진을 싼타페 SM(1세대), 트라제 XG에 탑재하여 판매하기 시작했다.[1]
기존에는 일반적인 방식의 웨이스트 게이트 터보차저(Waste Gate Turbocharger, WGT) 혹은 고정 형상 터보를 사용했는데, 터보랙 때문에 배기가스 또한 검출이 많이 돼 VGT는 이를 해결하고자 개발됐다. 덕분에 터보랙 역시 줄어들고 유로 3~4 배기가스 규제를 만족시킬 수 있었다.
가솔린 엔진엔 VGT가 잘 쓰이지 않았으나, 2007년 포르쉐 911 터보에 VGT 2개가 장착된 것을 시점으로 적용 사례들이 늘어나고 있다.
전동 액추에이터로 웨이스트게이트를 조정하는 eVGT도 보편화 중이다. 한국에서 Z20S 고출력 사양을 필두로, 현대 R 엔진 등등 널리 보급됐다.
2. 원리 및 효과
액추에이터를 이용해여 터빈에 있는 베인(통로)을 좁게하거나 넓게하여 부스트압을 변화시키는 것이 목적이다. 액추에이터의 방식으로는 공압(진공), 솔레노이드 및 모터+기어 등이 있다. 따라서, 대다수의 VGT들에 별도의 '웨이스트 게이트 및 해당 게이트의 조절장치'는 없다.
부스트압이 높다는 것은 공기의 압력이 높아서 그만큼 기체의 속도가 빨라진다는 의미도 되는데, 기존에는 배기압이 낮을 때(저RPM) 압력이 낮아 기체의 속도가 느려져 공기가 연소실까지 들어가는 시간이 걸렸는데, VGT의 경우 공기의 속도를 늘릴 수 있기때문에 필요로하는 공기량을 빠르게 조달할수 있다는 장점이 생긴다.
이게 중요한 이유는 흡기밸브가 열리고 닫힐때 공기가 들어가다 멈추고 들어가다 멈추고 하는 일종의 '맥동' 현상이 발생한다. 이때 공기에도 '질량'이 존재하고 그에 따라 '관성'이 존재하는데 공기가 멈췄다 다시 들어가게 될 때 압력이 높으면 더 빠른 속도로 연소실에 공기를 집어넣을 수 있게 된다.
다만 부스트압이 높다고 오해할 수 있는데, 절대적 풍량은 터빈의 회전수와 컴프레서 크기에 비례하므로 만약 VGT와 노말 터보의 용량이 같다면 풍량은 같다. 하지만 VGT는 같은 풍량이더라도 저rpm에서 높은 부스트압을 얻을 수 있어 연소를 효율적으로 할 수 있다.
3. 단점
단편적으로 보면 베인을 조절하는 장치가 추가되고 터빈의 구조가 복잡하여 고장날 확률이 늘어난다. 게다가 용량 대비 터빈의 크기가 매우 비대해져서 용량을 늘리면 터빈의 크기가 더욱 늘어나게 된다.그래서 고성능 디젤 엔진에는 보면 빅 싱글 VGT를 적용하기보단 트윈 터보 더 나아가 트리플, 쿼드 터보를 사용하여 터보랙을 잡고 풍량을 늘리는 방법을 사용한다.
4. 활용
디젤 엔진들 위주로 보편화되었다.이유는 승용형 디젤 엔진의 가용 RPM이 최대 4500~5000rpm에 퓨얼컷이 걸린다. 반면 가솔린 엔진은 적어도 7000rpm까지 사용할 수 있도록 설계가 되며, 내구성 확보를 위해 퓨얼컷을 6500~6800rpm에 걸 뿐이다.(물론 차량에 따라 차이는 있다.)
가솔린 엔진의 경우 보통 최대토크가 4000rpm부터 나타나며 최대출력이 6000rpm 가량에서 나오는 고회전형 엔진이다. 그에 반면 디젤 엔진은 (승용형 기준) 최대 토크가 1500~2500rpm 사이에서 나오는 게 기본적이고 최대출력이 3500~4000rpm 정도의 범위에서 나오는데, 이 두 가지 특성을 비교하면 디젤 엔진은 가용 회전수가 낮으므로 가능한 터보랙을 최소화시켜서 1500~2500rpm 사이의 최대토크를 극대화시켜 줘야 한다. 반면 가솔린 엔진은 엔진 회전에 여유가 있고 기본적으로 고RPM 운용을 하는 엔진이기에 3000~4000rpm 정도에서 승부를 봐도 무방하다.
이때 터빈을 이용하여 터보랙을 줄이는 기술이 '트윈터보', '트윈스크롤 터보', 그리고 'VGT' 이렇게 있다고 볼 수 있는데 '트윈터보'는 설비가 복잡해지고 비용이 비싸진다. 남은건 '트윈스크롤 터보'와 VGT가 있는데, 둘 중에서 초반 부스트압을 높게 얻을 수 있는 터빈은 VGT이다.
더욱이 진공 제어에서 전자식 제어로 변경되면서부터는 좀 더 능동적으로 부스트압을 조정하므로 환경규제 대응에서 유리하다.
가솔린 엔진에서는 포르쉐 911이 997 터보를 시작으로 VGT를 적용한 바 있다. 고출력 슈퍼카라는 특징과 맞물려서 역시 가격이 상당히 비싸지만 991 후기형부터 자연흡기를 고수하는 GT3를 제외하고, 카레라 모델에도 탑재하고 있다. 덕분에 992 터보 S 기준 650마력의 고마력 슈퍼카임에도 불구하고 터보랙이 거의 없어서 주행해보면 자연흡기와 별 차이가 없는 주행감을 보여준다고 한다. 앞서 말했듯이 VGT는 최대 토크 범위가 넓은 것이 장점으로 터보 S 모델 역시 최대토크가 2500~4000rpm에서 나온다.
EA211 evo 엔진군의 일부 사양에도 eVGT 사양이 존재한다. 2022년에 시판된 상하이자동차의 15FDE 엔진도 VGT 가솔린 엔진이다.