안녕하세요. 이한준입니다.

프리챌시절부터 군대를 다려온 기간을 제외하곤 줄곧 테스트드라이브를 접속해왔는데..
현재까지 유령회원이네요..^-^; 과거부터 현재까지 테드를 통해 드라이빙이나 메커니즘적인 정보, 자동차시장에 대한 식견까지 많은 것을 배울수 있었습니다. 
 오늘 드리고 싶은 말은 터빈트러블의 원인에 대하여 제가 연구한 내용을 100%정확하다곤 할 수 없으나 정보를 공유해 드리고 또한 내용에 대하여 같이 토론하고자 함입니다. 개인적으로 승용디젤로 다양한 레이스대회를 참가하고 있는 뉴프라이드 디젤머쉰에 드라이버와 같이 머리 싸매고 튜닝하고 메인터넌스를 담당하고 있습니다.^-^;

  현재 나오는 디젤엔진(현대-기아 1.5,1.6 U-엔진)이 장착된 차량은 뉴프라이드, 베르나 i30, 아반떼 HD정도가 시판되고 있습니다. 이 엔진의 경우 오너에 따라 다르나 내구성도 상당히 좋고 하드코어한 주행에도 큰 트러블이 없으며 파워와 연비가 매우 훌룡하고 유로4기준도 맞추는 좋은 엔진이라 생각하고 있습니다. 강력한 토크와 넓은 토크밴드로 인한 스포티함과 평균 18~20km에 육박하는 좋은 연비, 가솔린에 비해 저렴한 유지비용으로 인한 장점 등등에 매료되어 있습니다. ^-^ 비록 고회전과 환상적인 사운드의 가솔린 엔진에 비하면 부족한 면도 있지만 용인서 동급배기량의 가솔린 차량들과 경쟁하여 07DDGT타임전 챔프의 영광까지 얻은 디젤머쉰의 가능성에 푹 빠져있죠.^-^
 
 하지만 이 엔진의 한 가지 문제가 있습니다. 바로 터빈 트러블이 굉장히 자주 발생합니다. 심지어 예비터빈을 한두 개씩 가지고 다니는 오너가 꽤 있을 정도입니다. 물론 터보차져에 관한 이해가 없이 예-후열을 시행하지 않고 운행하는 오너의 잘못일수도 있으나 예-후열을 철저히 지키는 오너들 사이에서도 터빈트러블은 예외가 아니였습니다. 그래서 오너들 사이에선 “휘파람 소리가 들리면 터빈상태가 좋지않은거다.“ 혹은 ”흡기하우징(컴프레셔)쪽 임펠라를 손으로 잡고 흔들었을 때 손에서 유격이 느껴지면 터빈이 맛이 간거다.“라는 소문이 파다하게 퍼져 있었습니다. 고속주행 중 터빈이 ‘뻑!’하는 소리와 함께 축이 부러져 버리는 경우, 어느 순간부터 악셀링과 함께 시작되는 휘파람소리(휘이이잉~).. 그 이후에 모두 터빈이 소위 나가버려서 흰연기와 함께 견인되는 경험이 승용디젤타시는 분들사이에선 흔히 있는 일이 였습니다.

 서킷을 2~3여녀간 출전한 머쉰도 예외는 아니였습니다. 비록 저희만의 엔진트리트먼트로 이 시기를 9만km가량으로 미루었으나 슬슬 휘파람소리가 들려오고 냉간시 초고주파음(그라인더로 쇠를 가는듯한)마져 미세하게 들려와 터빈에 문제가 생겼음을 알았습니다. 사실 그동안 지켜보았던 트러블상황과 Km수를 보면서 경기를 앞두고 혹은 경기중 터빈트러블이 생길까봐 드라이버도 저도 상당히 불안해 하고 있었습니다.

트러블을 예상하고 부스트를 거의 사용하지 않는 주행으로 공도주행을 하면서 디젤터보튜닝으로 유명한 샵에 가게 되었습니다. 터빈상태에 대해 상세히 이야기 해주고 상태를 점검해달라고 하니 소문으로만 나돌던 확인법인 임펠라를 손으로 잡고 흔들어 봅니다. 이내 상태에 대해선 이야기 않고 ‘미리 교체 하는게 좋을 듯 하다‘는 말만 들었습니다. 원인과 진단에 대해 설명이 없어 정말 답답하였습니다.

3천키로주행한 중고터빈을 수배하여 직접 교체작업 및 주물 배기매니폴더 세미포팅작업을 병행하고 나서 터빈을 직접 뜯어보았습니다. 튜너를 목표하는 튜너워너비로써 ‘터빈을 당연히 뜯어 보고 어떤 트러블인지 알아야 겠다‘는 결정에 피자박스와 신문지 몇장을 깔고서 방한구석에서 터빈오버홀을 했지요..^-^;

 터빈트러블의 형태는 여러가지 일지언정 원인은 크게 한두가지 정도로 압축된다고 봅니다.

  디젤 VGT터보챠져가 아니여도 가솔린엔진에 장착된 터보차져도 역시 사용을 오래하거나 과한 부스트로 주 운행되어왔다면 같은 트러블이 생깁니다.  그 이전에 터빈이라고 이야기 하는 터보챠져라는 물건에 대한 간략적인 정리를 해보겠습니다.



 일단 그 명칭에 대한 개념부터 집고 넘어가겠습니다. 터빈이라 불리는 배기가스로 흡기를 더 많이 공급해주는 과급장치의 정확한 명칭은 흔히 부르는 Turbine이 아닌 Turbocharger라고 알고 있습니다. Turbine과 자동차에 사용되는 Turbocharger는 개념이 조금 다릅니다.
 위 그림에서 보시는 것처럼 배기쪽 하우징과 임펠라를 터빈이라하며 흡기쪽 하우징과 임펠라를 통칭하여 컴프레셔라 합니다.  각각 터빈휠, 컴프레셔휠이지만 원리상 임펠라라고 하는 것도 가능한 명칭이라 생각합니다.



 또한 위 그림에서 처럼 저널베어링의 터보차져는 메인샤프트에 저널베어링이 포함이 되며 저널베어링은 축의 지름방향으로 오는 힘을 감당하는 역할이며 축방향으로 오는 힘을 담당하는 베어링은 Thrust bearing이라 합니다. 이는 터보챠져에 국한되는 명칭이 아님을 아실것입니다. 자동차이외의 분야에도 널리사용되는 베어링들이죠.
 터보챠져 트러블의 원인은 크게 써징과 쵸크상태에서의 손상, 이물질의 대한 임펠라의 손상, 과도한 배기온도로 인한 터보챠져의 손상, 각종베어링류의 노화손상정도로 압축할 수 있을것 같습니다. 많이 원인들이 대부분 복합적으로 작용하여 터빈의 노화를 촉진합니다. 
 

 위의 사진은 직접 오버홀하면서 찍은 사진으로 하우징과 저널부를 분리하고 나서 컴프레셔 하우징에 보시는 바와 같이 깔끔한 알루미늄합금이 그대로보이는 부위와 오일세퍼레이터의 영향으로 블로바이가스를 흡입하여 생긴 카본찌꺼기가 뭍어 있는 부위에 턱이 발견되었습니다.

 ‘이유가 멀까..’ 이 상태는 임펠라와 하우징의 간섭이 생겨 ‘딱 저곳까지 닿았다’라고 판단하고 그 이유에 대해서 고민하기 시작했습니다. 어떤 이유일까요? 저역시 답이 나질 않아 구글링과 국내의 유수의 터보차져오버홀전문가에게 조언을 구하였습니다. 그래서 대략적인 원인을 알 수 있었습니다.

 앞서 말씀 드린 터보차져에 대략적인 구성과 베어링의 역할을 설명해드렸으니 어떤 베어링의 소손으로 임펠라의 유격이 축방향으로 생겼고 결국 컴프레셔하우징과 임펠라가 닿았는지 아실 수 있으실 겁니다. 컴프레셔의 컴프레셔휠은 분당10만에서 30만RPM 혹은 그 이상으로 회전하며 공기를 빨아드립니다. 그래서 당연히 엄청난 압력을 생성합니다. 이 상황을 상상하여 보았더니 전 컴프레셔휠이 부스팅시 비행기의 프로펠러처럼 되어 버린다고 생각했습니다. 무슨말이냐면 이 초고속회전을할때 컴프레셔 휠은 기체를 흡입하는 쪽으로 빨려들어가려는 힘이 발생하는 것입니다. 엄청난 압력을 만들면서 공기를 빨아들일때 이 방향으로 빨려 들어가는 힘도 굉장히 크게 생깁니다. 원리는 작용과 반작용에 의해서 생기는 것입니다. 컴프레셔는 공기를 흡입하기 때문에 흡입하는 쪽으로의 반작용에 의해 그방향으로의 추력(Thrust)이 생긴것이고 터빈휠은 공기를 터빈하우징(머플러)쪽으로 불어주기 때문에 반작용에 의해 컴프레셔쪽으로의 추력(Thrust)으로 발생됩니다.  비행기의 제트엔진역시 같은 원리에 의한 추력을 발생시키죠..^-^;이를 막아주기 위해 베어링이 사용되는데 바로 Thrust bearing입니다. 축방향으로 발생하는 힘을 담당하는 베어링이죠. 
 그렇습니다. 바로 이 베어링이 소손되면 임펠라가 하이부스트시에 하우징쪽으로 빨려들어가는 움직임이 커지고 결국 하우징과 마찰을 하게 됩니다.


 그림에서 표시한 부분이 컴프레셔 하우징과 맞닿았던 부분이며 위 아래 블레이드의 카본찌꺼기가 뭍어있는 반면 저부위에만 뭍어있지 않습니다. 바로 그 위에 있는 블레이드를 보셔도 어디까지 마찰이 있었구나 짐작하실겁니다.
 다시 위에 컴프레셔 하우징사진을 보시면 블레이드와 하우징이 어떤마찰이 있었는지 정확하게 아실 수 있으실겁니다.
 바로 이 마찰의 원인은 Thrust bearing의 소손으로 인한 임펠라의 유격이죠. 거의 대부분의 터빈트러블의 주원인이기도 합니다. 이것이 바로 휘파람소리의 주원인이자 고주파 마찰음의 원인이였습니다.

 그럼 왜 쓰러스트베어링이 소손이 오는가? 라는 궁금증이 또 다시 생겼습니다.

 베어링의 손상원인은 저보다도 잘 아시는 분들이 있으시겠지만 역시 윤활의 문제와 마찰로 인한 노후화 등이 있겠습니다만 터보차져의 쓰러스트베어링 소손원인은 설계당시의 한계 부스트 보다 더 높은 부스트의 사용 그리고 마지막으로 VGT기술의 핵심은 베인각변화에 있다고 결정 내렸습니다.



 보시는 그림은 가렛트 GT1548의 스펙입니다. 1.5U엔진에 사용되는 VGT터보차져와 같은시리즈입니다. 터보차져스펙을 결정짓는 요소중에 튜너는 반드시 효율곡선에 대한 정보와 그에 맞는 규격의 터보챠져를 사용해야 합니다. 위그림에서 일기도 같은 컴프레셔맵중 제일안쪽에 위치하는 원의 범위가 그 터빈이 가장 효율이 좋을때의 부스트와 실제공기 압축량입니다. 단순하게 말하면 가장 터빈이 제일을 할 수 있는 범위에 해당한다고 말할 수 있습니다. 이 범위의 구간에서 터빈은 일을 해야 가장 좋은 효율과 더불어 내구성이 확보가 되는 것입니다.

 그래프상 제일왼쪽 선이 써지라인이고 제일 오른쪽이 쵸크라인입니다. 간단히 말씀드리면 써지라인이란 써지를 일으킬수 잇는 범위이고 써지현상이랑 터빈이  부스트를 올리는 반면 엔진은 부스트를 받아드릴 준비가 되어있지 않아(하이부스트, 스로틀off 혹은 저RPM상황) 흡기의 써징현상으로 축의 과한 흔들림을 야기시키는 구간이고, 쵸크라인이란 제일 오른쪽 선으로써 공기의 제한성을 나타내는 그래프입니다. 쵸크라인의 상태란 과도한 부스트의 사용을 말합니다. 내구성이상의 하이부스트를 사용하는 상황이란 당연히 베어링의 손상을 야기시키는 부분입니다. 이것이 터보챠져의 내구성에 결정적인 영향 요소라 말할수 있습니다.

  GT15시리즈(VGT순정터보챠져)의 쓰러스트베어링은 아마도 예상컨대 1.8바 혹은 그이상의 하이부스트로 계속사용하는 상황에는 견딜수 없는 것 같습니다. 대부분의 터빈트러블 경우 맵핑으로 인한 하이부스트 사용이였고 유독 터빈이 자주나가는 업체의 차량을 보면 상당히 과도한 부스트를 사용합니다. (물론, 배기온도도 밀접한 관계가 있습니다.)
 물론 순정상태의 부스트(1.2바내외 오버부스트시 1.5~1.8바)라면 터빈의 내구성은 보장이 됩니다. 하지만 맵핑을 하지 않아 하이부스트가 되지 않는 순정차량의 경우에도 같은 트러블이 발생하는 건수가 상당 있습니다. 그이유에 대해서도 역시 엄청난 고민을 하기 시작했습니다.

 분명 순정차량역시 트러블이 같다면 원인은 같은 것입니다. 하지만 하이부스트를 사용하지 않는 순정 차량에서 쓰러스트베어링이 2만km도 되지않아 다 갈려 트러블이 발생되진 않을 것입니다. 하지만 비슷한 상황을 연출시키는 녀석이 더 붙어 있습니다. 바로 가변 베인입니다.

아시겠지만 승용디젤은 부스트컨트롤러가 따로 없습니다. ECU에서 모두 알아서 처리하죠. 하지만 부스트를 결정지어 최종명령을 받고 실행하는 것은 진공엑츄에이터에 움직이는 10개의 베인과 솔레노이드 밸브입니다.(배기쪽에 베인들이 배기의 저항, 임펠라에 닿는 배기의 입사각을 변화시켜 부스트를 조절하는 방식입니다.)또한 부스트제어시에 EGR도 역시 함께 부스트제어 역할을 하게 됩니다. EGR밸브를 열어 배기일부를 흡기매니로 보냅니다. EGR은 터보챠져 전의 배기매니폴더에 설치되며 EGR컨트롤밸브에 의해 닫혔다가 열리곤 합니다. 하지만 EGR밸브를 인위적으로 막아도 부스트제어는 됩니다.

 동영상에 보시면 액츄에이터 작동을 보실수 있는데 솔레노이드 밸브에서 듀티값을 정해주면 진공으로 솔레노이드밸브가 진공을 정해서 액츄에이터에 공급하고 엑츄에이터는 그만큼만 움직이게 됩니다.

 운전자가 악셀페달을 떼는 순간 APS값이 낮아지고 ECU는 부스트를 떨어뜨리는데 이때 VGT엑츄에이터에서 잡아당기는 방향으로 엑츄에이터에서 진공형성이 쫙!하고 한번에 명령된 듀티만큼 당겨줘야 하나 실제로 이녀석이 과부하 하이부스트시의 관성이 큰 기체를 통과시키면서 제대로 당겨주지 못하게 됩니다. 왜냐면 제가 보았을땐 진공다이어프램(엑츄에이터)설계자체에서 이미 조금약하거나 U엔진에 적용된 진공펌프가 용량이 작다고 생각하기 때문입니다.또한 엑츄에이터 컨트롤Bar가 자체의 유격이 있다는 사실도 알았습니다.(이 때문에 05년터빈과 07년터빈과는 엑츄에이터모양도 다릅니다. 보완되어 나온걸로 알고 있습니다.) 브레이크 경우에만 봐도 시시각각 변하는 답력에도 추측할 수 있습니다. 왜 당길때가 문제냐 하면 배기가스가 나가는 방향은 그림과 같습니다.

 고속에선 반시계방향으로 배기가스가 빠져나가고 배기가스가 빠져나가는 힘은 곧 베인을 넓게 펴주는 힘(스프링으로 밀어버리는 힘only)과 같기때문에 베인듀티가 고속일때는 엑츄에이터가 스프링힘으로만으로도 쉽게 밀어버릴수 있으나 저속이나 저부하 혹은 부스트 압력을 낮춰야 할때는 엑츄에이터의 진공힘만으로 베인을 당겨야 합니다.
 허나 베인을 당기는 경우엔 배기가스가 나가는 방향과 반대로 해야 하고 동시에 스프링으로 미는 힘도 이기면서 진공의 힘으로만 액츄에이터컨트롤 바를 댕겨야 합니다. 진공의 힘이 약할경우 베인을 미쳐 닫지 못하는 경우가 발생합니다. 
 베인을 미쳐 제대로 닫아주지 못하면 부스트가 계속 하이부스트 상태가 됩니다.<베인으로 배기압력에 저항을 걸어줘야 부스트가 낮아집니다.> 바로 이경우에 운전자는 악셀을 띠고 연료공급은 중단되며 폭발압력은 낮아져 요구하는(받아들일수 있는) 공기량이 줄어들게 되는데 부스트는 순간 오버부스트가 되고 엔진에선 연소가 중단되니 임펠라에서 힘차게 불어주던 엄청난 하이부스트압력이 순간 꽉! 차게 되어 앞서 말씀드렸던 써징현상에 이르게 됩니다. <대부분의 터빈트러블 즉, 한방에 뻑!하고 나가버린 경우는 5단 고속 Rpm4000레드존 근처에서의 악셀on/off시에 발생했습니다.>
 아래는 써징현상에 대한 외국자료중 일부를 발췌한것 입니다.
 Surge is the situation when the compressor "spits out" more air than the engine can swallow, which causes a backup of air at the intake and it actually creates reverse-flowing pressure waves that can be very damaging to the turbo. You want to avoid surge at all costs.

  Compressor Surge Compressor surge is when the air pressure after the compressor is actually higher than what the compressor itself can physically maintain. This condition causes the airflow in the compressor wheel to back up, build pressure, and sometimes stall. In cases of extreme surge, the thrust bearings of the turbo can be destroyed, and will sometimes even lead to mechanical failure of the compressor wheel itself.

◊ Surge Line

Surge is the left hand boundary of the compressor map. Operation to the left of this line represents a region of flow instability. This region is characterized by mild flutter to wildly fluctuating boost and “barking” from the compressor. Continued operation within this region can lead to premature turbo failure due to heavy thrust loading. 
 
 Surge is most commonly experienced when one of two situations exist. The first and most damaging is surge under load. It can be an indication that your compressor is too large. Surge is also commonly experienced when the throttle is quickly closed after boosting. This occurs because mass flow is drastically reduced as the throttle is closed, but the turbo is still spinning and generating boost. This immediately drives the operating point to the far left of the compressor map, right into surge.

  써지 현상을 피하기 위해 가솔린터보차의 경우엔 BOV가 필수로 들어갑니다. 하지만 디젤의 경우엔 스로틀의 역할을 하는 것이 없는 구조 이므로 BOV를 달아봐야 소용없다는 것이 정설이였으나 VGT경우엔 장착을 해줘야 하지 않나...고민하고 있습니다.^-^ 시중에 VGT전용 BOV모듈도 팔더군요. 아마 APS값과 연결이 되어 있지 않나 생각합니다.

 이번에 현대에서 공개한 2.0R엔진은 e-vgt와 피에조 인젝터를 사용하기에 진공엑츄에이터가 아닌 솔레노이드밸브가 터보챠져에 같이 장착되어 정교한 컨트롤과 피에조인젝터로 정확한 분사시기 및 좀더 높은 레일압력을 사용할 수 있어 아마 반응성 및 출력이 가솔린수준 어쩌면 그 이상이되지 않을까 생각하고 있습니다.^-^ 

 여기까지가 제가 VGT터빈 트러블을 겪으면서 연구해본 내용입니다. 저는 특별히 스승이 없어 지금껏 사실 모든것을 혼자 배우고 적용하고 하려니 만만치가 않네요. 내용상 맞지않는 것이 있다면 과감하게 지적하여 주시면 감사하겠습니다. 더불어 원인에 대한 다른 의견이 있으신 분들도 말씀해 주시면 감사하겠습니다.
 위와 같은 사항을 모르셨던 분들에게 조금이나마 도움이 되었으면 합니다. 위와 같은 트러블을 막는 대처방안에 대해 운전자 본인의 운전습관 및 과도한 부스트사용 맵 지양등을 스스로 고민하여 보시고 더불어 튜닝샵에서 하는 말들에 대한 옥석을 가리는데 도움이 되길 바랍니다. ^-^