개요
3.0L V6 디젤 엔진은 두 가지 터보차저, 즉 고정 베인 유형(보조) 및 VGT(가변 형상 터빈) 유형(기본)을 사용한다. 고정 베인 터보차저(Primary)는 뱅크 1 실린더 헤드에 장착되고 VGT 터보차저(Secondary)는 뱅크 2 실린더 헤드에 장착된다. 두 터보차저는 병행 시퀀셜 터보차징 시스템에서 사용되며, 이 시스템을 통해 엔진은 낮은 엔진 속도에서 빠른 스로틀 반응을 나타내고 높은 엔진 속도에서 배기 가스 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다. VGT 터보차저에는 ECM(엔진 컨트롤 모듈)에 의해 제어되는 전자식 VGT 베인 액추에이터가 있다.
VGT 베인 액추에이터는 터빈 베인을 조절하여 터빈 휠에 작용하는 배기 가스 유량 및 속도를 최적화함으로써 필요한 차지 에어 압력을 유지한다. 기본 터보차저에는 샤프트 마찰을 줄여 엔진 반응 및 연료 효율을 향상시키는 볼 베어링이 포함합니다. 병행 시퀀셜 터보차징 시스템은 2개의 터보차저와 ECM으로 구성된다. 기본 VGT 터보차저는 엔진 속도 범위 전반에 걸쳐 작동하지만 최대 2,800rpm까지의 엔진 속도에서 가장 효율적이다. 부하가 걸린 상태에 엔진 속도가 2,800rpm을 넘을 경우 고정 베인 보조 터보차저가 작동하게 되면서 2개의 터보차저 병행 바이 터보 모드로 작동한다.
구성요소 위치
대부분 JLR 3L 디젤엔진의 레이아웃은 비슷하다. 참고 사례는 XJ(X351)
- 보조 터보차저 터빈 흡기 차단 밸브
- 터보차저 오일 공급
- 가변 형상 터빈(VGT) 터보차저 – 기본
- 가변 형상 터빈(VGT) 베인 액추에이터
- 차지 에어 튜브
- 터보차저 오일 배출
- 차지 에어 흡기 밸브
- 고정 베인 터보차저 – 보조
시스템 작동
터보차저의 터빈 휠은 엔진의 배기 가스를 사용해 컴프레서 휠을 구동한다. 컴프레서 휠은 압축된 형태로 엔진 실린더에 공급되는 외부 공기를 끌어들인니다. 기본 VGT(가변 형상 터빈) 터보차저는 광범위한 엔진 작동 조건에서 최적의 흡입구 지오메트리(흡입구 면적 및 유동각)가 사용되도록 한다. 이를 통해 낮은 엔진 속도에서 반응 속도가 빨라지고 부스트 압력이 높아질 수 있다. 가변 베인 각도는 ECM(엔진 컨트롤 모듈)에 의해 제어되는 흡입구 면적 및 유동각을 결정한다. 가변 베인을 통해 배기 가스 에너지를 효율적 으로 사용할 수 있으므로 터보차저 및 엔진 효율성을 향상된다.
가변 베인 작동 원리
- 낮은 엔진 속도
- 중간 엔진 속도
- 높은 엔진 속도
- 엔진 컨트롤 모듈(ECM)
- 가변 형상 터빈(VGT) 베인 액추에이터
- 터빈 하우징
- 가변 베인
- 컴프레서 휠
기본 터보차저의 가변 베인은 ECM에 의해 제어된다. ECM은 터빈 하우징을 회전하여 베인의 피치각을 조절하는 데 사용되는 기본 터보차저에 부착된 VGT 베인 액추에이터를 제어한다. 또한 VGT 베인 액추에이터는 베인의 피치각을 결정하기 위 해 피드백 신호를 ECM에 제공한다. 기본 터보차저의 가변 베인은 컴프레서 휠을 구동하는 터빈 휠로 배기 가스 동력이 더 잘 전달되도록 한다. 이는 낮은 엔진 속도에서 터보차저 부스트 압력을 증가시키는 데 큰 도움이 된다. 엔진 속도가 증가하면서 배기 가스 속도가 증가하면 베인이 열린다. 베인이 열리는 정도는 ECM에 의해 결정되며 터빈 휠에 서 컴프레서 휠로 전달되는 동력이 터보차저 속도 및 부스트 압력 요구 사항의 범위를 벗어나지 않도록 한다. 엔진 속도 및 배기 가스 흐름이 높을 경우 ECM은 베인을 더 많이 열어 터빈의 과속을 방지하고 원활한 고속 작동을 제공한다. 이 과정에서는 듀얼 모드 부스팅 시스템이 보조(고정 베인) 터보차저를 활용하여 영향을 미친다.
듀얼 모드 부스팅
듀얼 모드 부스팅 시스템은 터보차저 2개와 ECM 내의 소프트웨어로 구성된다. 2개의 터보차저 두 가지 모드, 즉 모노 터보 차저 작동 모드 또는 바이 터보차저 작동 모드로 작동할 수 있다.
모노 터보차저 계통도
- 고정 베인 터보차저
- 터빈 흡기 차단 밸브
- 디젤 미립자 필터(DPF)
- 플렉시블 중앙 공진기
- 촉매변환기
- 가변 형상 터빈(VGT) 터보차저
- 엔진
- 스로틀 본체
- 에어 필터
- 흡입 공기량(MAF) 센서
- 차지 에어 라디에이터
- 차지 에어 차단 밸브
- 차지 에어 재순환 밸브
외부 공기는 에어 필터 및 MAF(흡입 공기량) 센서를 통해 흡입되어 기본 터보차저 컴프레서로 전달된다. 그런 다음 압축 된 공기가 차지 에어쿨러를 통해 엔진 내부로 전달된다. 보조 터보차저의 터빈 차단 밸브가 닫히고 이에 따라 배기 가스가 보조 터보차저 터빈을 작동할 수 없게 된다. 이 상태에서 모든 터보차징 부스트 압력은 기본 터보차저에 의해 발생한다.
바이 터보차저 스위칭 계통도
- 고정 베인 터보차저
- 터빈 흡기 차단 밸브
- 디젤 미립자 필터(DPF)
- 플렉시블 중앙 공진기
- 촉매변환기
- 가변 형상 터빈(VGT) 터보차저
- 엔진
- 스로틀 본체
- 에어 필터
- 흡입 공기량(MAF) 센서
- 차지 에어 라디에이터
- 차지 에어 차단 밸브
- 차지 에어 재순환 밸브
엔진 작동 매개 변수가 기본 터보차저의 한도(부하가 걸린 상태에서 약 2,800rpm)에 도달하면 ECM 내의 듀얼 모드 부스팅 컨트롤 소프트웨어가 병행 바이 터보차저 작동으로 전환하기 시작한다. 보조 터보차저는 배기 가스가 터빈을 통해 흐르도록 하는 터빈 차단 밸브가 열리면서 작동을 시작한다.
처음에는 보조 터보차저가 기본 터보차저와 동일한 부스트 압력을 발생시키지 않는다. 따라서 보조 터보차저의 초기 부스 트 압력은 차지 에어 재순환 밸브를 통해 기본 터보차저의 외부 공기 입구 안으로 공급된다. 보조 터보차저 부스트 압력 출 력이 증가하면 차지 에어 재순환 밸브가 닫히고 차지 에어 차단 밸브가 열려 보조 터보차저에서 나오는 부스트 압력을 증가시키고 이 압력은 차지 에어쿨러로 보내진다.
바이 터보차저 계통도
- 고정 베인 터보차저
- 터빈 흡기 차단 밸브
- 디젤 미립자 필터(DPF)
- 플렉시블 중앙 공진기
- 촉매변환기
- 가변 형상 터빈(VGT) 터보차저
- 엔진
- 스로틀 본체
- 에어 필터
- 흡입 공기량(MAF) 센서
- 차지 에어 라디에이터
- 차지 에어 차단 밸브
- 차지 에어 재순환 밸브
보조 터보차저가 필요한 작동 매개 변수에 도달한 경우 차지 에어 재순환 밸브가 닫히고 차지 에어 차단 밸브는 열린다. ECM은 기본 및 보조 터보차저가 모두 에어 차지 유도에 관여하는 바이 터보차저 작동 모드로 엔진 작동을 유지한다. 듀얼 모드 부스팅 소프트웨어에서 엔진 작동 매개 변수가 듀얼 모드 부스팅의 사용을 더 이상 필요로 하지 않는 것으로 판단할 경우 시스템은 다시 모노 터보차저 작동으로 전환된다. 엔진이 3분 넘게 공회전할 경우 샤프트 오일 씰링이 유지되도록 하기 위해 터빈 흡기 차단 밸브를 열어 보조 터보를 작동시킨다. 또한 모든 작동 조건에서의 오일 씰링을 위해 컴프레서 측의 샤프트 씰에 가압된 공기가 공급된다
위 세 과정을 그림만으로 비교해 보면 이해가 쉽다.
관련 YouTube 영상
가변 형상 터빈(VGT) 터보차저 – 기본
각 터보차저는 2개의 터보 요소, 즉 터보 휠 및 컴프레서 휠로 구성되며 두 구성 요소는 따로 주조 하우징 안에 밀폐되어 동일 한 샤프트에 장착된다. 기본 터보차저의 샤프트는 2개의 볼 베어링에서 회전하지만, 보조 터보차저는 샤프트 회전을 제공 하는 2개의 반부동형 베어링으로 구성된다.
- 차지 에어 출구
- 배기 입구
- 배기 출구
- 오일 공급 연결부
- 냉각수 리턴 연결부
- 냉각수 공급 연결부
- 가변 형상 터빈(VGT) 베인 액추에이터 로드
- 오일 리턴 연결부
- 가변 형상 터빈(VGT) 베인 액추에이터
- 외부 공기 입구
VGT 터보차저는 좌측 배기 매니폴드에 부착되며, 매니폴드의 플랜지에 있는 3개의 스터드에 너트로 고정된다. 생산시에 는 터보차저와 매니폴드 사이의 조인트를 씰링하는 데 개스킷이 사용되지 않는다. 터보차저와 매니폴드 사이의 조인트가 방해를 받는 경우 서비스 중인 차량에 서비스 개스킷을 장착해야 한다.
터보차저의 두 번째 플랜지에는 3개의 일체형 스터드 있으며, 여기에 좌측 촉매변환기 입구 파이프를 부착할 수 있다. 입구 파이프는 너트 3개로 플랜지 스터드에 고정되고 구성 요소 사이의 조인트는 개스킷으로 씰링된다. 터보차저의 컴프레서 끝단에는 호스 연결부 2개가 있다. 중앙 연결부는 에어 필터에서 컴프레서로 외부 공기를 공급한다. 하우징 외측의 두 번째 연결부를 통해 터보차저에서 차지 에어쿨러로 파이프를 연결한다.
터보차저는 터빈 휠 및 가공된 컴프레서 휠로 구성되며, 볼 베어링으로 지지되는 동일한 샤프트를 공유한다. 가공된 컴프레서 휠 및 볼 베어링을 사용함에 따라 내구성이 향상되고 NVH(Noise, Vibration and Harshness)가 줄어들고 연비가 최적화 된다. 터보차저는 실린더 블록의 파이프를 통해 엔진 오일을 공급 받는다. 이 파이프는 윤활을 위한 오일을 두 터보차저에 공급한다. 오일은 터보차저의 오일 배출 파이프를 통해 터보차저로부터 빠져나와 실린더 블록으로 들어간다. 또한 터보차저에는 볼 베어링을 적절히 냉각하기 위한 엔진 냉각 회로를 장착할 수 있는 연결부가 있다.
일체형 브래킷에는 VGT 베인 액추에이터가 들어 있다. VGT 베인 액추에이터는 베인 위치를 조절하기 위해 터빈 하우징 을 이동하는 편심 레버에 연결된다. VGT 베인 액추에이터가 작동하면 보스가 회전하고 이에 따라 레버가 움직이며 회전 운 동이 선형 운동으로 변환된다. 레버는 터빈 하우징의 외측에 연결되어 있으며 선형 운동은 다시 하우징의 회전 운동으로 변환된다. VGT 베인 액추에이터 작동은 ECM에 의해 제어된다.
고정 베인 터보차저 – 보조
- 터빈 흡기 차단 밸브
- 배기 입구
- 오일 공급 연결부
- 씰 가압 에어 파이프
- 차지 에어 출구
- 외부 공기 입구
- 컴프레서 하우징
- 위치 센서 전기 커넥터
- 배기 출구
- 진공 연결부
- 터빈 하우징
- 오일 리턴 연결부
고정 베인 터보차저는 우측 배기 매니폴드에 부착되며, 매니폴드의 플랜지에 있는 3개의 스터드에 너트로 고정된다. 생산시에는 터보차저와 매니폴드 사이의 조인트를 씰링하는 데 개스킷이 사용되지 않는다. 터보차저와 매니폴드 사이의 조인트가 방해를 받는 경우 서비스 중인 차량에 서비스 개스킷을 장착해야 한다.
터보차저의 두 번째 플랜지에는 2개의 일체형 스터드가 있으며, 여기에 우측 배기 시스템 다운파이프를 부착할 수 있다. 다운파이프는 너트 2개로 플랜지 스터드에 고정되고 다운파이프와 터보차저 사이의 조인트는 개스킷으로 씰링된다.
터보차저의 컴프레서 끝단에는 2개의 호스 연결부가 있으며, 중앙 연결부는 에어 필터로부터 외부 공기를 공급한다. 터보 차저 하우징 외측의 두 번째 연결부를 통해 터보차저에서 차지 에어쿨러로 연결할 수 있다. 터보차저의 뒤쪽에는 터빈 흡기 차단 밸브가 부착된다. 이 밸브는 진공 상태로 작동하며 ECM에 의해 전자적으로 제어된다. 시스템이 모노 터보차저 모드로 작동 중일 때는 밸브가 닫히며, 배기 크로스오버 덕트를 통해 우측 배기 매니폴드에서 좌 측 배기 매니폴드로 배기 가스를 보낸다. 바이 터보차저 작동이 필요한 경우 ECM은 전자적으로 이 밸브를 작동시켜 진공을 허용함으로써 차단 밸브를 열고 우측 배기 매니폴드의 배기 가스를 통해 고정 베인 터보차저의 터빈을 구동한다.
차지 에어 흡기 밸브
- 차지 에어 재순환 솔레노이드
- 차지 에어 차단 밸브 커넥팅 로드
- 진공 연결부
- 진공 액추에이터
- 차단 밸브 차지 에어 출구(차지 에어쿨러로 나감)
- 차단 밸브 본체
- 차지 에어 재순환 솔레노이드 밸브 본체
- 차지 에어 입구(보조 터보차저에서 나옴)
- 재순환 솔레노이드 차지 에어 출구(기본 터보차저 외부 공기 덕트로 나감)
차지 에어 흡기 밸브는 엔진 보강 플레이트의 브래킷에 부착된다. ECM은 이 밸브를 사용하여 터보차저의 바이 터보차저 작동을 제어한다.
차지 에어 흡기 밸브는 4개의 나사와 개스킷으로 함께 연결되는 재순환 솔레노이드 및 차단 밸브로 구성된다. 재순환 솔레노이드는 보조 터보차저의 컴프레서에서 기본 터보차저의 외부 공기 덕트로 공급되는 공기의 흐름을 제어한다. 차단 밸브 는 보조 터보차저의 컴프레서에서 차지 에어쿨러로 공급되는 공기의 흐름을 제어한다.
재순환 솔레노이드는 EJB(엔진 정션 박스)의 전원 공급 및 ECM과의 접지 연결을 통해 작동된다. 전원이 차단되면 재순환 솔레노이드가 닫힌다. 차지 에어 흡기 밸브 재순환 솔레노이드에서 고장이 발생할 경우 이 솔레노이드는 기본적으로 닫힘 위치에 있게 된다. 이 위치에서 기본 터보차 처의 과속이 발생한다. 이 과속은 압력 증가를 감지하는 MAP(매니폴드 절대 압력) 센서에 의해 감지된다. ECM은 MAP 센서에서 보낸 신호를 기록하고, 터보차저를 엔진 토크가 제한적인 모노 터보 모드로 작동시키며, 해당하는 DTC(고장 진단 코드)를 기록한다.
차단 밸브는 진공 액추에이터에 의해 작동되는 플랩 밸브다. ECM은 차지 에어 솔레노이드를 작동하여 액추에이터에 진공을 가하고 해제한다. 액추에이터에 진공이 가해지면 밸브가 열린다. 차단 밸브가 열리면 차지 에어가 보조 터보차저에서 밸브를 통과하여 차지 에어쿨러로 흘러든다.
진공 컨트롤 솔레노이드
- 진공 탱크
- 터빈 차단 밸브로 가는 파이프(보조 터보차저)
- 터빈 흡기 차단 밸브 솔레노이드
- 차지 에어 솔레노이드
- 좌측 에어 클리너에서 나오는 파이프
- 배기 가스 재순환 시스템의 냉각 바이패스 솔레노이드로 가는 파이프
- 차지 에어 차단 밸브의 진공 액추에이터로 가는 파이프
- 역류 방지 밸브
- 진공 펌프에서 나오는 파이프
터빈 흡기 및 차지 에어 솔레노이드는 뱅크 2 실린더 헤드의 전방에 부착된 브래킷에 장착된다. ECM은 이 솔레노이드를 작동하여 터빈 흡기 차단 밸브(보조 터보차저) 및 차지 에어 차단 밸브의 진공 액추에이터에 진공을 가하고 해제한다. 액추에이터의 진공은 뱅크 1 실린더 헤드의 뒤쪽에 있는 진공 펌프에 의해 발생한다.
이 솔레노이드는 평상시에는 닫혀 있는 밸브이며, 진공 탱크와 이에 관련된 진공 액추에이터 사이의 진공 라인에 장착된다. 또한 각 솔레노이드는 좌측 에어 클리너에서 나오는 라인에 연결되어 있기 때문에 솔레노이드 전원이 차단되면 진공 라인을 거쳐 액추에이터로 공기가 들어간다.