터보차저고장에 대하여 - 터보고장정보<명준 Tutbo ATD>

 

터보차저 고장에 대한 기본적인 글입니다.

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터보차저고장을 일으키는 요인은 매우 다양하나 주된 요인으로 5가지 항목으로 나눌 수 있습니다.

(1) Lack of lubricating oil or oil delay.  오일윤활부족 또는 오일공급 지체
(2) Foreign material or dirt in the lubricating system. 윤활시스템에 이물질유입이나 오염
(3) Oil break-down. 오일 손상
(4) Foreign material in exhaust or air-filtration systems. 흡배기시스템에 외부물질 유입
(5) Material and workmanship. 재료 및 제작 품질

 

터보차저는 매우 고속으로 회전(기본적으로  분당 100,000 r.p.m이상이며 최신의 터보차저는 300,000 r.p.m:초당 6,000회전)하기 때문에  터보차저에서 가장 중요한 것은 엔진오일입니다.

 

(1) 윤활유 부족 또는 오일공급 지체

터보차저가 올바르게 작동하기 위해서는 각 터보차저의 요구사항에 맞는 오일 유량과 압력이 필수적입니다. 오일은 아래의 세 가지 중요한 역할을 수행합니다.

1. 스러스트 및 저널 베어링을 윤활: 오일은 터보차저 내부에서 회전하는 샤프트와 베어링을 원활하게 움직이도록 도와줍니다.
2. 회전 샤프트 및 저널 베어링 안정화: 오일은 회전 샤프트와 저널 베어링의 위치를 안정화시켜, 진동이나 불안정한 움직임을 방지합니다.
3. 냉각제 역할: 터보차저의 고속 회전에 의해 발생하는 열을 냉각시키기 위해 오일이 필요합니다.

엔진 부하가 증가하고 터보차저의 속도가 빨라질수록, 오일은 윤활제 역할뿐만 아니라 냉각제 역할을 수행하는 데 더욱 중요해집니다.

 

> 오일 공급 지연 및 그 결과
오일이 터보차저에 도달하는 데 잠시라도 지연이 생기면 베어링 고장이 발생할 수 있습니다. 오일 공급 지연의 징후는 베어링이나 샤프트가 푸르게 변색되는 현상으로 쉽게 알아볼 수 있습니다. 이 변색은 샤프트가 과도한 열에 노출되었을 때 나타나는 것으로, 과열로 인해 푸른 색조를 띠게 됩니다.

(2) 윤활시스템에 이물질유입이나 오염

많은 운용자들은 엔진이 더럽거나 오염된 오일로 작동할 때 오일 필터가 오일이 엔진에 도달하기 전에 모든 이물질을 제거해 줄 것이라고 잘못 가정합니다. 그러나 이는 매우 비용이 많이 드는 실수가 될 수 있습니다.

 

이물질이 충분히 쌓이면 베어링 마모 및 베어링 하우징 구멍 마모를 일으키거나, 이물질이 크기가 클 경우 터보차저의 내부 오일 통로를 막아 오일 공급 부족을 초래할 수 있습니다.

 

터보차저 베어링은 엔진의 메인 베어링보다 고장이 더 쉽게 발생하는 경향이 있습니다. 이는 터보차저가 엔진보다 훨씬 더 높은 속도로 회전하기 때문입니다. 예를 들어, 80,000 rpm으로 작동하는 터보차저는 컴프레서 휠의 블레이드 팁 속도가 시속 700마일에 달합니다. 최신 터보차저 설계는 블레이드 속도가 시속 1,000마일을 초과할 수도 있습니다.

 

따라서 오일이 오염되지 않도록 관리하고, 필터링 시스템이 최적의 상태를 유지하는 것이 필수적입니다.

(3) 오일 손상

디젤 엔진의 윤활유는 엔진 성능을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 비록 현대의 오일 기술이 크게 발전했지만, 여전히 다음 두 가지 문제에 직면하게 됩니다:

 

(a) 오일의 열화

현대 디젤 엔진에서 발생하는 고온은 오일의 분해를 촉진시킬 수 있습니다. 이로 인해 생성된 타르와 같은 탄화물질이 엔진의 링에 달라붙어 문제를 유발합니다. 오일에 포함된 탄화수소가 산소와 결합하여 산화가 발생하며, 이는 주로 두 가지 종류의 유기산을 생성합니다. 하나는 저비점 유기산, 다른 하나는 매우 부식성이 강한 유기산입니다.

이 유기산들이 터보차저와 디젤 엔진에서 여러 문제를 일으킬 수 있으며, 이러한 산들이 농축되면 베어링을 공격하여 핏팅(pitting)과 고장을 유발할 수 있습니다. 또한, 산화가 남아있는 오일과 반응하여 슬러지를 형성하게 됩니다. 슬러지는 주로 필터를 막고 터보차저 오일 공급을 악화시키며, 더 심한 산화는 하드 바니시(hard varnish)를 형성합니다.

오일 시스템 내 슬러지가 축적되면 터보차저를 통과하면서 원심력에 의해 회전축과 베어링 하우징의 벽 및 내부 표면에 달라붙게 됩니다. 시간이 지나면 오일 배출이 원활하지 않게 되어 터빈 측에서 오일이 누출될 수 있으며, 열에 의해 이물질이 굳어져 터보차저 시스템의 불균형을 초래할 수 있습니다.

 

(b) 외부 오염

오일이 열과 공기에 노출되면서 발생하는 분해 외에도, 외부 요인에 의한 오염도 고려해야 합니다.

연료 연소 과정에서 발생하는 부산물, 예를 들어 재(ash), 그을음(soot), 연소되지 않은 연료의 잔여물, 물 등이 오일을 오염시킵니다. 또한 엔진 자체에서도 마모로 인한 미세 금속 입자가 생성되어 오일 통로를 통해 터보차저로 들어가거나 산화 과정을 가속화시켜 오일 열화를 촉진합니다.

 

마지막으로, 엔진 외부에서 들어오는 먼지와 같은 이물질도 공기 흡입 시스템을 통해 실린더로 유입되어 오일을 오염시킬 수 있습니다.

(4) 배기 시스템 또는 공기 여과 시스템 내 이물질

이들 시스템에 들어간 이물질은 터보차저를 손상시키며, 심지어 엔진까지 손상시킬 수 있습니다.

 

터보차저는 정밀한 장치이므로, 첫 번째 이물질이 내부에 들어오는 순간 그 취약성이 드러납니다. 이로 인해 터빈 또는 콤프레셔의 회전날개가 손상될 수 있으며, 알루미늄 조각이 엔진으로 유입되어 피스톤, 밸브, 라이너, 심지어 크랭크축까지 손상시킬 수 있습니다. 이물질의 종류는 매우 다양하며, 공기 시스템의 먼지부터 배기 시스템의 엔진 밸브 조각까지 포함될 수 있습니다.

 

또한, 이물질이 시스템 내에 남아있으면 터보차저는 출력 저하, 검은 연기 배출, 과도한 오일 사용 및 누유, 그리고 날개 손상 등의 문제를 일으킬 수 있습니다.

(5) 재료 및 제작 품질

터보차저 제조에는 품질이 보장된 재료만 사용되며, 엄격한 품질 검사 과정을 거쳐 O.E. (Original Equipment) 사양을 충족시킵니다. 터보차저는 아마도 엔진 내에서 가장 잘못 이해되는 부품일 수 있으며, 이로 인해 사용자들이 터보차저 유지 보수에 어려움을 겪게 됩니다.

 

앞서 살펴본 바와 같이, 터보차저는 엔진의 출력 증가에 기여하지만, 엔진의 운영 특성을 변경하지는 않습니다. 터보차저는 엔진이 요구하는 대로 작동하며, 배기가스의 유속, 압력, 온도에 의해 구동됩니다. 따라서 엔진이 고장 나거나 비정상적인 조건에서 작동할 때, 터보차저는 그 문제를 해결하기보다는 오히려 강조할 가능성이 높습니다. 이로 인해 결함이 있는 터보차저를 새 것으로 교체해도 문제가 해결되지 않을 수 있습니다. 만약 의심이 든다면, 반드시 원래의 엔진 매뉴얼을 참조해야 합니다.

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- 결함 식별 -

(1) 윤활유 부족

 

윤활유 부족은 베어링 내에서 과도한 축의 움직임으로 나타납니다. 다음과 같은 결함을 통해 확인할 수 있습니다.

 

(a) 베어링의 내부 및 외부 직경에 마모가 발생합니다.
(b) 콤프레셔 쪽 피스톤 링 캐리어 외부 직경 부근에 열로 인한 변색이 나타납니다.
(c) 콤프레셔 휠의 후면 및 흡입부 (인듀서)에 마찰 흔적이 보입니다. 휠의 표면은 휠 후면에서 접촉된 부분과 180° 떨어진 지점에 마찰 자국이 나타납니다.
(d) 터빈 휠도 콤프레셔 휠과 유사한 마찰 흔적이 나타납니다.
(e) 터빈 끝 피스톤 링의 한 부분에서 심한 마찰 흔적이 보입니다.
(f) 스러스트 링의 한 면에 열 변색 및 마찰 자국이 나타납니다.
(g) 스러스트 베어링의 마모 패턴이 보입니다.

 

이 모든 증상은 터보차저가 충분한 윤활 없이 작동한 시간에 따라 정도가 달라집니다.

 

(2) 윤활 시스템 내 이물질

 

이 결함은 과도한 베어링 마모와 터보차저의 오일 유입 통로를 막아 오일 공급 부족을 초래할 수 있습니다.

 

이러한 결함은 베어링 외경이나 베어링 하우징 보어에 가벼운 긁힘에서 심한 긁힘까지 나타나며, 손상의 정도는 윤활 시스템 내에 존재하는 이물질의 양과 크기에 따라 달라집니다.

 

(3) 오일 산화

 

터빈 쪽에 단단한 오일 침전물이 쌓입니다. 이러한 현상은 터빈 씰의 누출을 일으킬 수 있으며, 경화된 탄소가 떨어져 나가면 베어링에 손상을 줄 수 있습니다.

 

특히 베어링 하우징 출구 보어 주변에 슬러지가 나타나며, 이는 터보차저에서 자주 발생합니다.

 

(4) 배기 시스템 또는 공기 흡입 시스템 내 이물질

 

이 결함은 비교적 쉽게 감지할 수 있습니다. 터빈이나 콤프레셔 휠에 날개 일부가 손상되어 있을 수 있으며, 콤프레셔 커버 입구에 움푹 파인 자국이 있을 수 있습니다. 부러진 날개로 인해 회전 장치가 균형을 잃어 콤프레셔 휠이 마찰될 수 있습니다.

 

터빈 쪽에서는 부러진 밸브, 피스톤 또는 연료 분사기 팁에 의해 손상이 발생할 수 있습니다. 모래와 같은 작은 입자는 날개의 앞부분을 침식시키고, 큰 단단한 입자는 날개를 찢어버립니다. 수건이나 고무 같은 부드러운 재료는 휠 회전 방향과 반대로 날개를 구부러뜨립니다.

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- 문제 해결 절차 - 주의 사항 !

1. 주의 사항
   • 터보차저 공기 흡입구 근처에 손이나 손가락을 대지 마십시오: 엔진이 작동 중일 때 공기 흡입구에서 발생하는 공기 압력 강하로 인해 손가락이 압축기 휠로 빨려 들어갈 수 있으며, 심각한 부상을 초래할 수 있습니다.
2. 소음 수준의 변화로 문제를 감지:
   • 엔진 소음 변화: 터보차저가 작동하는 동안 각 엔진 시스템은 고유한 소음이나 소음 수준을 가집니다. 소음 수준이 변할 경우에는 이상 징후를 감지할 수 있습니다.
     • 음조가 높아질 경우: 공기 실린더와 엔진 사이에서 공기 누출이 발생하거나, 터보차저와 엔진 사이의 배기 시스템에서 가스 누출이 있을 수 있습니다.
     • 소음이 주기적으로 변할 경우: 공기 청정기 막힘이나 터보차저 공기 흡입구 앞에서의 제한 문제 또는 압축기 하우징이나 휠에 심한 오염이 원인일 수 있습니다.
3. 소음 수준의 급격한 감소:
   • 소음 수준이 갑자기 감소하고, 검은색 또는 파란색 연기가 발생하며 과도한 오일 누출이 동반된다면, 이는 완전한 고장을 나타낼 수 있습니다.

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소음 및 공기 누출 점검 절차

1. 터보차저 소음 및 진동 점검:
   • 엔진 작동 중: 터보차저에서 불규칙한 소음이나 진동이 감지되면 이는 샤프트 및 휠 어셈블리에 이상이 있을 수 있음을 나타냅니다. 의심스러운 상태가 발견되면 즉시 엔진을 중지하여 터보차저와 엔진을 추가 손상으로부터 보호해야 합니다. 권장된 검사 절차에 따라 터보차저를 점검하고, 손상이 발견되면 터보차저를 제거해야 합니다.
2. 터보차저가 정상으로 보일 경우 공기 시스템 점검:
   • 엔진이 꺼진 상태에서:
     • 공기 청정기에 제한 상태가 있는지 확인합니다.
     • 모든 호스 클램프가 단단히 고정되어 있는지 점검합니다.
     • 흡기 매니폴드 가스켓이 제대로 장착되어 있으며 상태가 양호한지 확인합니다.
     • 공기 호스에 균열이나 열화가 있는지 확인합니다. 공기 호스에 작은 핀홀이라도 있으면 터보차저 출력의 **10%**가 손실될 수 있습니다.

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엔진 공회전 중 점검 절차

1. 엔진 시동 유체를 사용하는 경우:
   • 공기 튜브와 터보차저 사이의 연결부에 가볍게 분사합니다. 누출이 있을 경우 엔진 속도가 증가하며, 이는 이 부위에서 발생한 공기 압력 강하로 인해 시동 유체가 압축기 휠을 통해 엔진으로 유입되기 때문입니다.
2. 터보차저와 엔진 사이의 공기 누출 점검:
   • 손으로 느껴보거나, 가벼운 오일이나 비누 거품을 교차 튜브 연결부 또는 호스에 발라 공기 누출을 확인합니다.
   • 엔진 블록과 터빈 입구 플랜지 사이의 배기 가스 누출은 소음 수준의 변화를 일으키며 터보차저 성능을 저하시킬 수 있습니다.

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배기 시스템 점검 절차

1. 매니폴드 가스켓에서 누출이 있는지 확인합니다.
2. 매니폴드 볼트가 단단히 고정되어 있는지 점검합니다.
3. 매니폴드에 균열이나 다공성이 있는지 확인합니다.
4. 터보차저 입구 가스켓에서 누출이 있는지 점검합니다.
5. 터보차저 입구 플랜지에 오염이 있는지 확인합니다.
6. 터보차저 플랜지에 오염이 있는지 점검합니다.
7. 터보차저 입구 플랜지 볼트가 단단히 고정되어 있는지 확인합니다.
8. 배기 가스 누출의 명백한 징후는 누출 부위 주위의 열 변색입니다.

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권장 검사 절차 (현장 서비스)

1. 흡기 및 배기 배관 제거: 터보차저의 흡기 및 배기 배관을 제거합니다.
2. 휠 블레이드 손상 검사:
   • 이물질에 의해 발생한 휠 블레이드 손상 여부를 확인합니다.
   • 압축기 휠은 압축기 공기 흡입구를 통해 쉽게 점검할 수 있습니다.
   • 터빈 휠 블레이드는 터빈 하우징 내에 위치하므로, 배기구 쪽에서 라이트를 사용하여 휠 블레이드 끝 부분을 검사합니다.
3. 외부 블레이드 팁 가장자리 점검:
   • 양쪽 휠이 각 하우징 보어에 근접한 위치에서 블레이드 팁을 확인하고, 휠 마찰 흔적이 있는지 점검합니다.
4. 샤프트 및 휠 회전 상태 점검:
   • 샤프트와 휠을 손으로 돌려보고, 회전이 부드러운지 확인합니다. 샤프트를 한쪽으로 밀면서 회전시키고, 마찰이 발생하는지 점검합니다.
5. 베어링 클리어런스 점검:
   • 샤프트 양쪽 끝을 들어 올리면서 베어링 유격이 과도한지 확인합니다.
   • 유격이 정상적이면, 샤프트 움직임은 거의 감지되지 않습니다.
   • 한쪽 끝만 흔들 때 .003에서 .006 인치의 베어링 유격이 있는 경우, 반대쪽 끝에서 .015에서 .020 인치 정도의 움직임이 발생할 수 있습니다.
6. 터보차저가 사용 가능한 상태인지 확인:
   • 샤프트와 휠이 원활하게 회전하고, 휠 손상이나 마찰이 감지되지 않으면, 터보차저는 사용 가능한 상태라고 간주할 수 있습니다.

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- 터보차저 수명에 영향을 미치는 일반적인 요인 -

서비스에서 제거된 터보차저 분석결과:

• 약 **40%**의 문제가 터빈 또는 압축기로 이물질이 유입된 경우로 나타났습니다.
• 추가 **40%**는 윤활 문제 때문이었으며, 나머지 **20%**는 기타 원인에 해당됩니다.

이물질에 의한 손상:

1. 소각된 밸브 또는 손상된 연소컵의 조각이 배기 시스템을 통해 터빈으로 들어가는 경우가 많습니다.
2. 배기 매니폴드와 포트에서 주조 핀이 깨져 터빈으로 유입되는 경우도 있습니다.
3. 잘못 설치된 가스켓으로 인해 가스켓 일부가 포트를 덮쳐 배기 시스템으로 떨어질 수 있습니다.
4. 너트나 와셔가 배기 시스템에 떨어져 손상을 유발하는 경우도 자주 발생합니다.
5. 스크래치된 피스톤 조각이 터빈 휠을 손상시키기도 합니다.
6. 압축기 휠 손상도 발생하지만, 터빈 휠 손상만큼 빈번하지는 않습니다.

윤활 문제:

1. 크기가 작은 오일 라인이나 막힌 오일 라인이 원인이 되는 경우가 많습니다.
2. 터보차저는 매우 높은 속도로 작동하므로 오일 공급이 잠깐만 중단되어도 쉽게 과열될 수 있습니다.
3. 터보차저의 오일 공급은 반드시 적절한 크기의 필터를 거쳐야 하며, 항상 터보차저 베어링에 엔진 오일 압력이 충분히 유지되어야 합니다.

기타 요인:

1. 과도한 배기 온도는 고산지대에서 발생할 수 있으며, 이로 인해 터빈 하우징 균열이나 휠 손상이 발생할 수 있습니다.
2. 공기 청정기 막힘이나 호스 연결부의 붕괴로 인해 엔진으로의 공기 공급이 줄어들면 배기 온도가 상승하여 터보차저 손상이 발생할 수 있습니다.
3. 누출된 가스켓이나 연결부에서의 공기 누출도 공기 공급을 줄여 배기 온도를 높입니다.

결론적으로, 이물질 유입 방지와 적절한 배기 온도 관리, 그리고 깨끗한 오일의 안정적인 공급만 이루어진다면, 터보차저 고장은 거의 발생하지 않을 것입니다.