터보차저의 고장 원인 분석 <명준 Turbo ATD>

터보차저의 고장원인은 다양합니다. 가장 중요한 것은 오일관리입니다.

 

터보차저 자체 불량은 드뭅니다 (재생 터보차저나 저가 중국산은 예외)

 

터보차저는 자동차 부품 중에서도 매우 높은 신뢰성을 자랑합니다. 터보차저 고장의 99.99%는 터보 자체 문제가 아니라, 오일 문제, 외부 물질 유입, 또는 맵핑 오류로 인해 발생합니다.

 

최근 출시되는 터보차저는 초당 6,000회, 즉 1분에 360,000회 회전하며, 온도는 최대 1050°C에 달합니다. 이는 터보 베어링에 엄청난 스트레스를 가하게 됩니다.

 

터보차저의 터빈 샤프트와 베어링은 오일의 얇은 막을 통해 회전합니다. 이때 오일 공급이 원활하지 않으면, 단 5초 만에 터보차저가 심각한 손상을 입을 수 있습니다.

 

이는 비교적 느린 속도로 작동하는 엔진이 오일 공급이 부족할 때 약 5분 후에 손상을 입는 것과는 큰 차이가 있습니다.

 

따라서 엔진 오일 압력이 제조사의 기준에 부합하는지 점검하는 것이 매우 중요합니다. 터보차저로 공급되는 오일 라인은 항상 깨끗하게 유지되어야 하며, 오염되거나 불순물이 섞인 오일은 터보 베어링에 손상을 입혀 결국 터보 고장을 유발할 수 있습니다.

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터보차저 고장 시 나타나는 경고등과 증상

 

터보차저에 문제가 생기면 엔진 관련 경고등이 계기판에 표시됩니다. 대부분의 경우, 시동을 끄고 다시 걸면 경고등이 일시적으로 사라지지만, 주행 중 다시 나타나는 것이 일반적인 패턴입니다.

 

계기판에 경고등이 뜨고 출력 제한(Limp-home Mode)이 발생한다면, 이는 오작동 상태이거나 센서에서 적절하지 못한 신호값이 ECU에 인식된 것을 의미합니다.

 

터보차저 고장은 단순하게 진단될 것처럼 보이지만, 오진단이 빈번하게 발생할 수 있습니다. 특히 오버부스트가 발생하면 터보 관련 부품들이 연속적으로 고장을 일으키는 경우가 많습니다.

 

터보차저 교체 후에도 이상이 있다면, 터보 자체보다는 관련 부품을 먼저 점검하는 것이 중요합니다. 언더부스트의 경우도 마찬가지로 라인 누설을 먼저 확인하는 것이 좋습니다.

 

* 출력 제한(Limp-home Mode)을 일으킬 수 있는 요인들

• 고압 연료 시스템(High-pressure fuel system)
• 흡기 가변 밸브 타이밍 시스템 (Inlet VANOS)
• 배기 가변 밸브 타이밍 시스템(Exhaust VANOS)
• 크랭크축 센서(Crankshaft sensor)
• 캠축 센서(Camshaft sensor)
• 부스트 압력 센서(Boost-pressure sensor)
• 노크 센서(Knock sensors)
• 흡기 온도 센서(Intake-air temperature sensor)

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터보차저 고장 진단의 황금률 (Golden Rules) 

 

모든 수리에서 가장 중요한 것은 수리 결과보다 고장의 원인에 초점을 맞추는 것입니다. 즉, 무엇이 터보차저의 고장을 일으켰는지 이해해야 합니다. 또한, 터보차저의 고장이 다른 부품에 영향을 주었거나, 다른 부품에서 문제가 발생한 경우에도 순차적으로 진단하고 교환하거나 수리해야 합니다.

 

터보차저 진단에는 다음과 같은 절차상의 황금률이 있습니다:

1. 엔진 오작동과 출력 손실을 터보차저 고장으로 성급하게 결론짓지 말고, 먼저 각각 점검해야 할 부분을 확인합니다.
   • 청색빛을 띠는 흰 연기가 나올 경우, 먼저 에어크리너의 오염 상태를 점검하고, 차종에 따라 크랭크케이스 환기 시스템의 고장 여부를 확인합니다. 그 후 터보차저를 점검합니다.
   • 터보차저에서 소음이 발생하면, 터보 관련 라인의 압력을 먼저 점검합니다.
   • 검은 매연이 발생하고 출력 손실이 감지된다면, 먼저 엔진 상태를 점검하고 터보 관련 라인을 확인해야 합니다.
2. 터보 고장이 확인되어 교환하는 경우, 다음 소모품을 교환하는 것이 매우 바람직합니다:
   • 오일, 오일 필터, 에어 필터
   • 필요 시, 터보차저 오일 인리트와 아웃리트 라인도 교환합니다.
   • 터보 관련 라인을 청소하는 것이 좋습니다. 이는 고장 원인을 제거하는 데 도움이 되며 출력과도 밀접한 관련이 있습니다.
3. 규격 외의 터보차저를 절대 장착하지 말고, 터보 부스터 관련 부품을 임의로 조작해서는 안 됩니다. 엔진이 허용되는 범위를 벗어난 오버부스트는 과열과 함께 피스톤, 실린더 헤드, 엔진 베어링 계통에 고장을 일으킬 수 있습니다. 특히 전문적인 지식 없이 **웨스트게이트(혹은 액추에이터)**를 조절하지 말아야 합니다.

부스트에 영향을 미치는 다른 요인들:

• 흡기 온도
• 엔진 속도
• 스로틀 밸브 위치
• 주변 압력
• 흡기 매니폴드 압력
• 스로틀 밸브에 유입되는 압력 

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 터보차저의 고장 원인 고찰

 

터보차저의 고장 원인은 보통 4가지로 요약됩니다:

1. 외부 물질 유입으로 인한 손상 (Foreign Object Damage) - 에어크리너 교환 시 에어건으로 불지 않는 것이 좋습니다.
2. 윤활 부족 (Lack of Lubrication)
3. 엔진 오일 오염 (Oil Contamination)
4. 과속 (Overspeed) 및 과열 (Excessive Temperatures)

가장 중요한 원인은 엔진 오일 관리입니다.

 

고장 원인별 상세 내용

 

 

1. Foreign Object Damage (FOD) - 터보차저에 이물질 유입

• 터보 휠의 기계적 손상은 작은 물체가 터빈 또는 콤프레셔 하우징에 고속으로 유입되면서 불균형을 초래합니다. FOD 손상은 종종 심각합니다.
• 콤프레셔 손상은 흡기 이물질 유입으로 발생하며, 터빈 손상은 주로 엔진 부품 결합으로 인해 발생합니다(예: 인젝터 불량, 밸브 트레인 부품 결함).

원인:

• 손상된, 품질이 낮거나 누락된 에어 필터
• 호스 손상으로 작은 입자가 흡입으로 유입 
• 가스켓 재료의 흡입
• 정비 중 흡입 파이프에 남겨진 너트, 볼트, 와셔, 천 등의 물체
• 손상된 엔진 부품(예: 인젝터 팁, 밸브 또는 손상된 피스톤 조각)
• 이전 터보차저 고장의 조각들

2. Lack of Lubrication - 윤활 부족

• 베어링 하우징(bearing housing)에서 터빈과 콤프레셔 끝에는 피스톤링과 흡사한 씰(seals)이 엔진오일을 담고 있습니다. 이 씰은 양압(positive air pressure)이 필요하며, 베어링의 오일 윤활을 유지하고 오일이 하우징에서 빠져나가는 것을 방지합니다.
• 오일 공급이 중단되면 씰에 진공이 형성되어 씰이 콤프레셔 하우징에 붙게 됩니다. 엔진 공회전 상태로 오랜 시간 유지되면 터빈 하우징으로 오일이 비치는 현상을 나타내는데 이는 낮은 공기압력과 상관관계가 있습니다.

원인:

• 콤프레셔 끝의 오일 누유
  • 흡기 필터가 막히거나 제한적일 때
  • 흡기 파이프 또는 호스가 막히거나 제한적일 때
  • 흡기 호스 또는 인터쿨러에서의 공기 누출
• 터빈 끝의 오일 누유
  • 배기 시스템에서의 누출
  • EGR 시스템에서의 누출
• 콤프레셔와 터빈 끝 양쪽에 누유
  • 터보에서 엔진으로 가는 오일 배수 파이프가 제한될 때
  • 엔진 브리더 (engine breather) 가  제한적일 때
  • 터보의 회전 부품 물리적 손상 및 과도한 베어링 간극
  • 반복된 고온 엔진 정지로 인한 카본 침착(coke)
  • 터보를 잘못 장착한 경우

오일 고갈은 심각한 문제를 초래할 수 있습니다.

• 오일 통에 낮은 엔진 오일 수준
• 오일 공급 파이프가 꺾이거나 구부러짐
• 오일 공급 파이프의 카본 침착(coking)
• 오일 인렛(inlet) 가스켓에 실리콘으로 인한 막힘
• 잘못된 오일 인렛 가스켓
• 막힌, 손상된 또는 품질이 낮은 오일 필터
• 오일 펌프 마모
• 교체 터보를 장착할 때 오일로 프라임하지 않은 경우
• 추운 날씨에 오랜 기간 사용되지 않은 엔진

주의: 터보 장착 시 절대로 가스켓에 실리콘을 사용해서는 안 됩니다.

 

3. Oil Contamination - 오일 오염 (엔진 오일 관리 부실)

• 터보 베어링 시스템의 손상은 오일에 고농도의 카본이나 기타 오염물이 혼합될 때 발생합니다. 이는 오일 교환 주기가 지나치게 길거나, 유지 관리가 부실할 때 생길 수 있습니다. 터보차저 차량에는 고품질 오일 필터를 사용하고, 정기적으로 오일을 교환해야 합니다. 또한, 수분이나 냉각수가 오염된 오일은 스팀 포켓을 형성하여 베어링의 오일 부족을 초래할 수 있습니다.

원인:

• 막힌, 손상된 또는 품질이 낮은 오일 필터
• 엔진 내 축적된 카본. 이는 새 오일조차 빠르게 오염될 수 있음
• 정비 중 우연한 새 오일의 오염
• 오일 필터 우회 밸브의 오작동
• 엔진 마모로 인해 오일 내 스왓(deposits) 발생

과도한 온도나 긴 서비스 간격으로 인해 오일 열화

 

4. Overspeed and Excessive Temperature - 과속 및 과열

• 터보의 손상은 설계된 매개변수 이상으로 작동할 때 발생하며, 차량 제조사의 사양을 벗어나면 더욱 심각합니다. 유지 관리 문제, 엔진 오작동 또는 무단 성능 업그레이드는 터보 회전 속도를 작동 한계 이상으로 증가시켜, 압축기와 터빈 휠의 피로를 초래할 수 있습니다. 터보차저를 속도 또는 온도 한계를 초과하여 운전하는 것은 이 섬세하고 비싼 장비에 치명적입니다.
• 오버스피딩은 일반적으로 맵핑 차량에서 많이 발생하며, 오버부스트와 함께 엔진 블로우를 동반하는 경우가 많습니다.

원인:

• 흡기 필터나 파이프의 제한, 또는 찢어지거나 분리된 공기 호스로 인해 터보에 들어가는 공기량이 부정확함
• 기준 사양에 맞지 않는 '맵핑'된 엔진(튜닝된 엔진)
• 웨스트게이트 조작으로 인한 손상
• 마모된 인젝터
• 웨스트게이트 또는 VNT 제어를 위한 SREA(간단한 회전 전자 액추에이터)의 신호 손실
• 잘못된 터보 장착