스크랩 쌍용차 무쏘·코란도·렉스턴·로디우스에 적용된 터보차저(Turbo Charger)에 대해

[가문의 영광]

쌍용차 무쏘·코란도·렉스턴·로디우스에 적용된 터보차저(Turbo Charger)에 대해

이번에는 쌍용자동차 무쏘·코란도·렉스턴·로디우스에 적용된 터보차저의 역할과 작동원리, 운행 때 주의사항과 점검방법에 대해 알아본다.

터보차저는 공기량을 증대시키기 위해 흡입 밀도를 대기압 이상으로 가압해 실린더 내로 공급시켜 기관의 충전효율을 높이고 평균 유효압력을 높여 출력을 증대시킨다

 터보차저의 일반 사항

터보차저(과급기)는 실린더내의 제한된 용적에 비해 보다 큰 출력을 얻기 위해 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드 사이에 적용되어 있다. 터보차저는 공기량을 증대시키기 위해 흡입 밀도를 대기압 이상으로 가압해 실린더 내로 공급시켜 기관의 충전효율을 높이고 평균 유효압력을 높여 출력을 증대시킨다.

터보차저는 배기가스의 압력을 이용하는 배기 터보식이 주로 사용된다.

① 터보차저의 작동원리

터보차저는 1개의 축 양끝에 각도가 서로 다른 터빈을 설치해 한쪽은 흡기 매니폴드에, 다른 한쪽은 배기 매니폴드에 연결해 배기가스의 압력으로 터빈을 회전시키면 흡입쪽의 임펠러가 회전되기 때문에 임펠러쪽의 공기는 원심력을 받아 가속되어 디퓨저에 들어간다.

디퓨저에 공급된 공기는 통로의 면적이 크므로, 공기의 속도에너지가 압력에너지로 변환되어 실린더에 공급되기 때문에 체적효율이 향상된다. 또한 '배기 터빈 과급기'라고도 불리는 터보차저는 배기 터빈이 회전하므로 배기 효율이 향상되며, 기관의 출력과 회전력이 증대되고 연료 소비율이 향상된다.(그림 1 참조)

터보차저는 배기가스의 압력을 이용해 작동되는 방식과 기관의 동력을 이용해 작동되는 슈퍼차저가 있다.

터보차저를 설치하면 기관의 중량이 10∼15% 증가되는 반면 기관 출력은 35∼45% 증가된다. 일반 자동차에서는 배기가스를 이용한 터보차저가 많이 사용된다.

☞ 디퓨저(diffuser)란

‘확산한다’는 뜻으로 유체의 유로를 넓혀 흐름을 느리게 함으로써 유체의 속도에너지를 압력에너지로 바꾸는 장치이다. ‘감압확산장치’라고도 한다.

터보차저에 있어서는 압축기 하우징부에 디퓨저가 있다. 이 디퓨저의 역할은 임펠러에 공기가 주는 운동 에너지를 효율성 있는 압력으로 변환시켜 가는 것이다. 효율성이 나쁜 디퓨저이면 압력이 변환될 때 단열 압축에 의한 온도 상승 이상으로 공기온도가 상승한다.

② 터보차저 구조

터보차저의 구성을 보면, 터빈 휠과 컴프레서 휠은 축의 양측면에 설치되어 있다. 또한 축을 지지하는 센터 하우징(센터 하우징은 2개의 플로트 저널베어링에 의해 컴프레서를 지지하고 있다)과 터빈측의 터빈 휠, 시라우드, 터빈 하우징과 컴프레서측의 컴프레서 휠, 백 플레이트, 컴프레서 하우징으로 구성되어 있다.(그림 2 참조)

터보차저 종류

터보차저는 배기 에너지를 이용해 흡입되는 공기를 압축시켜 엔진에 유입되는 공기량을 증가시키는 역할을 하며, 터보차저의 성능은 터빈의 입구면적과 하우징의 반경 및 컴프레서의 직경 등 터보차저 사양과 배기 에너지에 의해 결정되어진다.

배기 에너지의 일반적인 특성은 고속영역에서 높고 저속영역에서는 낮다. 저속영역에서의 낮은 배기 에너지를 보상하기 위해 터빈 입구 면적을 축소하면 고속에서는 과다하게 흡입공기 압력이 높아져 분사시기 변화와 펌핑 손실이 증가해 고속성능 악화를 가져온다. 이와 반대로 고속영역 성능 향상을 위해 터빈 입구 면적을 늘리면 저속영역에서 충분한 공기유량과 부스터 압력이 확보되지 않아 저속성능을 악화시키는 요인이 된다.

터보차저의 종류는 먼저 터보과급과 인터쿨러 터보차저로 나뉘며, 웨이스트게이트와 가변 터보차저 등으로 구분된다.

① WGT(Waste Gate Turbo charger)

흡기/배기 압력이 과대해지는 것을 방지하기 위해 배기를 바이패스해 배기 터빈의 일량을 조정한다. 과급 효율이 좋은 작동점을 저·중속 영역에 선정함으로써 저속영역 토크 부족 경감 및 사용빈도가 높은 저·중속 영역 성능개선을 꾀할 수 있고, 고속 영역에서는 펌핑로스를 줄일 수 있다.(렉스턴, 무쏘, 코란도에 적용/그림 3 참조)

② VGT(Variable Geometry Turbo charger)

컴프레서와 터빈 하우징과 휠 사이에 베인을 설치, 터빈 입구 측의 단면적 크기를 제어해 배기 에너지 효율을 극대화해 배기량 증가 없이 흡입 공기량을 증대해 보다 높은 출력을 얻을 수 있도록 한 터보차저이다.(그림 4 참조)

출력 증대는 동일 부하에서 더 많은 공기량을 흡입시킬 수 있고, 이는 매연/PM 등의 공기 부족에 의한 불완전 연소성분 발생을 억제시키고, 이러한 PM 성분의 감소는 배기가스에 대한 최저 한도(Margin)를 확보할 수 있다.

또한 엔진 출력 향상으로 차에서 여유 구동력의 증대로 동일 부하조건에서 상대적으로 좋은 연비를 가질 수 있다.(쌍용차 미 적용 방식/그림 5 참조)

적용 터보차저 및 부스터 압력 비교

진공 타입(DI)인 경우는 ECU의 제어 요구량에 의해 개폐가 결정되고 최초 열림 시기 역시 ECU 제어로직과 맵에 의해 결정된다.(표 1, 그림 6 참조)

터보차저의 고장진단

● 터보차저 차의 운행 때 주의사항

① 엔진 시동 후 급격하게 엔진 회전수를 상승시키지 말 것

이것은 크랭크축의 저널 베어링이 윤활되기 전에 크랭크축이 과잉속도로 회전되어 급유 불량 상태에서 터보차저가 회전하는 경우, 수초만에 베어링이 소착하는 고장이 발생될 수 있다.

② 엔진오일 또는 오일필터 교환 후 엔진 회전수 급상승하지 말 것

엔진 회전수를 급상승시키면 터보차저 베어링 부분의 급유 불량 상태에서 터보차저가 회전하게 되므로, 엔진오일이나 필터 교환 후에는 터보차저에 오일이 순환될 수 있도록 약 1분 동안 공회전 후 운전을 시작해야 한다.

③ 엔진이 고속에서 운전된 후 엔진을 급격히 정지시키지 말 것

고속으로 주행 후 급격하게 엔진을 정지하면, 터보차저의 유압이 '0'인 상태에서 터빈 휠은 계속 회전하게 된다. 이때 터보차저의 센터 베어링과 저널 부위의 유막이 형성되지 않으므로 금속접촉에 의한 마모가 발생된다.

이와 같은 현상이 반복되면 터보차저의 수명이 현저하게 단축되므로 엔진을 가능한 한 공회전 상태에서 정지시켜야 한다.

☞ 주의

혹한기 때 장기간 운전하지 않거나, 엔진오일의 유동성이 저하되는 저온 상태에서는 엔진 시동 전에 크랭킹을 해 엔진오일을 순환시킨 후 수분간 공회전 후에 유압이 정상 상태임을 확인한 후 운전해야 한다.

● 터보차저 차의 점검 및 검사

터보차저는 통상 행해지는 점검 즉, 주행거리 또는 가동시간을 기준해 별도 점검할 필요가 없으며, 엔진의 정기점검 및 정비를 철저히 하는 것이 터보차저의 점검으로 연결된다.

다시 말해 차나 엔진이 정상적인 상태에서 작동된다면 터보차저의 고장이나 손상은 발생되지 않는다.

<터보차저 고장 발생 때 현상>

·엔진 출력 저하

·배기가스 과다

·이음 발생

·오일 소비량 과다

물론 이런 현상의 원인에는 엔진 측의 문제로 인한 경우도 있을 수 있으며, 터보차저에 이상이 없는 경우도 있다. 또 많은 경우 터보차저에서 엔진을 분리하기 전 단계에서는 외관검사를 헤 고장의 원인을 예측해야 한다.

특히 엔진 측의 원인이 있음에도 불구하고 터보차저만을 교환해 또 다시 동일 내용의 고장을 유발시킬 수도 있으니 주의해야 한다.

① 설치 상태에서의 점검

·볼트 및 너트의 풀림과 떨어져 나간 곳은 없는가 점검

·흡입관 및 배출관의 풀림과 파손은 없는가 점검

·오일 입구 파이프 또는 드레인 파이프에 손상이 없는가 점검

·터보차저 하우징에 균열 또는 열화된 곳이 없는가 점검

·오일 누유 흔적 유무 점검

② 터빈 측 점검

우선 터빈 측 출구의 배기관을 제거한 후 하우징과 휠의 간섭, 오일 누유의 유무, 외부로부터의 이물질 혼입을 점검한다.

▷ 터빈 휠의 간섭 흔적이 있는 경우

간섭이 아주 작은 흔적일지라도 저널 베어링이 마모되는 경우가 많으므로 터보차저를 점검해야 한다.

▷ 오일 누유 상태 점검 때 오일 누유의 현상이 발생한 경우

배기가스 입구부의 내벽부분에 오일이 묻어있는 경우는 ‘엔진 측의 문제’이며, 배출가스 출구부에만 오일이 묻어있는 경우는 ‘터보차저 측의 문제’이다.

☞ 주의

장기간 공회전하면 저압의 배기가스와 터빈 휠의 저속회전에 의해 터빈 측으로 오일 누유를 유발시킬 수 있다. 이 경우 터보차저의 고장이 아니므로 주의해야 한다.

▷ 오일드레인 파이프의 불량

터보차저의 하우징에서 크랭크케이스로 오일의 흐름이 원활하지 못할 경우, 센터 하우징내에 오일이 고여 오일 누유의 원인이 된다. 또한 오일은 고온에서 슬러지화 되어 베어링과 부싱부의 간섭의 원인이 된다.

이와 같은 경우 오일 드레인 파이프의 막힘 또는 손상의 원인이므로 크랭크케이스 내의 블로바이 가스의 압력을 점검해야 한다.

▷ 이물질 혼입에 의한 손상

이물질 혼입이 확인되면, 터보차저의 회전균형이 어긋나 내부 손상을 유발시킨다. 이 경우는 엔진내부로 혼입될 수 있으므로 점검해야 한다.

● 터보차저의 컴프레서 측 점검

점검은 터빈 측과 동일하게 점검하고, 다음 사항을 철저히 점검한다.

☞ 주의

컴프레서 입구 및 출구를 개방시킨 상태에서 터보차저를 구동시키면 터보차저에 손상 또는 작업상 위험이 있으므로 절대로 엔진을 구동시키지 말아야 한다.

① 간섭 여부 점검

컴프레서 휠의 간섭 흔적 등 조그만 한 손상이라도 있으면 터보차저의 저널 베어링 부싱이 마모되었을 가능성이 많으므로 점검한다.

② 오일 누유 상태 점검

컴프레서 측의 오일 누유 원인은 먼지 등에 의한 에어클리너 막힘에 의해 컴프레서 입구의 부압이 크게 되어 센터 하우징내의 오일 누유가 되는 경우가 있다.

▷ 장기간 무부하로 고속회전 하는 경우

컴프레서 하우징내의 압력보다 센터 하우징 내의 유압이 높게 되어 컴프레서 측의 오일이 누유되는 경우가 있다.

▷ 내리막길에서 엔진 브레이크(특히 저단)를 과다 사용할 경우

엔진이 고회전해 다량의 공기를 필요로 할 때 비해 배기가스의 에너지는 대단히 적다. 따라서 컴프레서 출구의 공기량은 증가하지만 연소실에 공급되는 공기량은 높지 않으므로 컴프레서 측은 부압이 되고 센터 하우징내의 오일 누유가 된다.

☞ 주의

위의 원인이 조기에 발생되면 터보차저에 이상이 없으나 장기간에 걸쳐 누유된 오일은 각 부에 응고 부착되면서 2차적인 고장발생 우려가 있다.

③ 이물질에 의한 손상

컴프레서 휠이 이물질에 의한 손상인 경우는 점검 및 교환해야 한다. 이때 이물질이 흡/배기 매니폴드나 엔진 내부에 혼입되어 있는가를 점검해야 한다.

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