기술 문서 – 작성자: 크리스 플로렌
수냉식 터보
내 터보에 정말 수냉이 필요합니까? 그렇게 중요한 사안인가요?
Garrett 엔지니어는 당사의 수냉식 터보차저와 관련하여 이러한 질문을 많이 받습니다. 많은 고객이 터보 센터 하우징 측면에 추가 냉각수 라인을 설치해야 하는 필요성이나 이점에 대해 의문을 제기합니다. 그냥 놔두면 안될까요? 사실, 수냉식 터보는 적절한 급수관 미설치로 인해 치명적인 손상될 수도 있다는 것입니다. 간단 배경 지식 및 수냉식이 터보차저에 대해 실제로 어떤 역할을 하는지에 대한 설명이 포함된 본 가레트 백서는 회의론자들에게 수냉식이 제공하는 이점 설명을 통해 노력할 만한 가치가 있다는 믿음을 심어줄 것입니다.
수냉식은 과연 어떤 역할을 할까요?
수냉방식으로 기계 내구성이 향상되고 터보차저의 수명이 연장됩니다. 많은 터보 차저는 수냉식 포트 없이 설계되었으며 공기와 이를 통해 흐르는 윤활유에 의해 충분히 냉각됩니다. Garrett GT 및 GTX 볼 베어링 라인업과 같은 터보차저는 처음부터 오일과 물로 냉각되도록 설계되었습니다. 공냉식/유냉식 터보와 오일/수냉식 터보의 차이점을 어떻게 알 수 있습니까? 터보차저의 중앙 하우징에 오일 입구/출구 플랜지에서 90°인 양쪽에 나사산이 있는 포트가 있는 경우 수냉식입니다. 가레트 엔지니어가 개발 중에 정의한 내구성 목표를 충족하려면 이를 통해 냉각수 흐름이 필요합니다.
수냉식의 주요 이점은 실제로 엔진이 꺼진 후에 발생합니다. 터빈 하우징과 배기 매니폴드에 저장된 열은 셧다운 후 터보차저의 중앙 섹션으로 “다시 흡수”됩니다. 냉각수가 적절히 연결되지 않으면 이 높은 열로 인해 터빈 휠 후방 베어링 시스템과 오일 씰링 피스톤 링을 잠재적으로 파손할 수 있습니다.
워터 포트는 터보 센터 하우징의 양쪽에 있습니다. 물은 중앙 하우징을 통해 오른쪽에서 왼쪽으로 또는 왼쪽에서 오른쪽으로 흘러야 합니다. 선택할 포트가 2개 이상인 경우 중앙 하우징의 양쪽에 하나를 사용해야 합니다(두 라인을 같은 쪽에 연결하지 마십시오).
수냉식은 어떻게 작동합니까?
터보 차저 수냉식의 물리적 프로세스는 흥미로우며, 특별한 방식으로 작동합니다. 정상적인 엔진 작동 중에 물은 주로 엔진의 워터 펌프에 의해 생성된 압력으로 인해 터보차저를 통해 흐르는 것이 사실입니다. 그러나 “열 사이펀”으로 알려진 추가 현상은 엔진이 꺼지고 워터 펌프가 더 이상 펌핑되지 않는 경우에도 급수관이 제대로 라우팅되면 터보의 중앙 하우징을 통해 물을 끌어당깁니다.
중앙 하우징의 열은 일반적인 수냉식 엔진(각 실린더를 둘러싸고 실린더 헤드를 통과하는 워터 재킷 포함) 내부에서 발생하는 냉각 효과와 같이 열전도를 통해 물로 전달됩니다. 터보차저를 통해 흐르는 물이 열을 흡수한 후 자유롭게 빠져나가도록 허용되면 냉각 시스템을 통해 상승하여 더 차가운 물을 터보차저로 끌어들이게 됩니다. 이러한 방식으로 엔진 정지 후 터보로 다시 스며든 강한 열은 베어링과 씰에서 제거됨으로써, 엔진 워터 펌프의 도움 없이도 심각한 손상을 방지합니다.
워터 캐비티(파란색), 오일 캐비티(노란색)가 있는 절단면으로 표시된 터보 센터 하우징. 워터 캐비티는 볼 베어링 카트리지(주황색)를 완전히 둘러싸고 양쪽에 물 유입구 및 배출구를 위한 포트가 있음.
수냉식은 터보 수명을 어떻게 연장합니까?
“열 흡수”는 자주 터보 고장을 야기하므로 터보 차저 엔지니어와 사용자 모두 이를 심각하게 고려해야 합니다. 이 해로운 열은 배기 시스템에서 발생합니다. 엔진 작동 중 발생하는 고온의 배기 가스로 인해 배기 매니폴드, 터빈 하우징 및 휠에 과도한 폐열이 발생합니다. 본 구성 요소부품들은 적절한 디자인 및 재료 선정을 통해 내열성능을 확보하도록 설계되었습니다. 그러나 구성요소와 접촉 연결된 센터 하우징, 베어링 시스템 및 터보차저 샤프트 등 비교적 열에 취약한 부품들로 폐열이 용이하게 전달될 것입니다. 엔진이 작동하고 오일이 터보 베어링 시스템을 통해 흐르는 동안에는, 전달된 열의 대부분은 오일에 흡수되어 베어링과 오일 씰의 손상을 방지합니다.
엔진이 꺼지면 오일 흐름이 멈추고 터빈을 통한 배기 가스 흐름도 중지되지만 배기 매니폴드와 터빈 하우징에 저장된 모든 열은 여전히 남아 있습니다. 이 열은 어디론가 빠져나가야 합니다. 유일한 경로는 열전도를 통해 터보의 중앙 섹션과 배기 다운파이프로 전달되거나 후드 아래의 주변 공기로 방출됩니다. 소량의 열은 복사와 대류를 통해 주변 공기로 전달되지만, 대다수는 중앙 하우징이 더 낮은 온도에 있기 때문에 터빈 하우징에서 중앙 하우징으로 전도됩니다. 또한 열의 일부는 터빈 휠에서 샤프트로 이동하고 베어링 시스템으로도 이동합니다.
터빈 및 배기 냉각의 이 단계에서 열이 터보의 중앙 섹션으로 “다시 흡수”되면서 센터 하우징, 오일 씰, 베어링 및 터보에 남아 있는 모든 오일의 온도가 모두 정상 작동 온도보다 높아집니다. 오일 순환은 엔진 작동시만 가능하므로 더 이상 열 방출은 이루어지지 않습니다. 이러한 영향은 대형 터빈 하우징으로 갈수록 악화됩니다. 터빈 A/R이 클수록(및/또는 터빈 하우징이 클수록) 작동 중에 하우징에 더 많은 열이 저장됩니다. 따라서 셧다운 후 열 흡수 동안 터보 손상의 위험이 더 큽니다.
엔진이 꺼지면 배기 매니폴드와 센터 하우징의 높은열이 남아 터보차저의 센터 하우징(노란색 화살표 방향)으로 이동하여 베어링과 씰을 손상시킬 수 있음.
냉각 부족시 터보가 어떻게 손상될 수 있습니까?
이제 우리는 수냉식 터보 작동 방식을 알아보았으므로 냉각 부족의 결과를 이해할 수 있습니다. 베어링 시스템과 오일 실링 시스템 모두 과열로 인해 손상될 수 있습니다. 볼 베어링 카트리지는 매우 견고하고 반복적인 남용에 견딜 수 있지만 내구성에는 한계가 있습니다. 볼 베어링 카트리지는 내부 레이스 세트, 볼과 리테이너 세트 2개, 외부 레이스로 구성됩니다. 내부 레이스와 외부 레이스는 모두 정상 작동 조건에서는 매우 강하고 단단하지만 온도가 너무 높아지면 물성이 저하하는 각종 강철로 만들어집니다. 일반적인 볼 베어링 레이스의 강도와 경도는 150°C(300°F) 이상의 온도에서 급격히 저하되기 시작합니다.
일반적인 고출력 터보차저 가솔린 엔진에서 배기 가스 온도가 980°C(1800°F)까지 올라갈 수 있다는 점을 고려할 때 이것은 낮은 것처럼 보일 수 있지만, 베어링은 여러 방어선으로 강력하게 보호됩니다: 터빈 휠 후방 방열판, 센터 하우징과 터빈 하우징 사이의 접촉 면적 감소(열 전달 속도 감소), 엔진 작동 중 오일 및 수냉식, 마지막으로 엔진 핫 셧다운후 수냉식. 특히 수냉식을 살펴보면, 터보차저의 중앙 하우징 내부에 있는 워터 재킷이 볼 베어링 카트리지를 감싸고 있으며 볼 베어링 온도를 한계 이하로 유지하여 베어링 고장을 방지하도록 설계되었습니다. 냉각수 미사용 또는 냉각라인 부적절 시공 시, 베어링 온도가 허용 한계를 금세 초과하여 베어링 유격이 증가하고 터빈 및 압축기 휠이 해당 하우징에서 마찰되어 궁극적으로 치명적인 터보 고장이 발생할 수 있습니다.
이러한 재료 열화 외에도 높은 베어링 온도는 스틸 볼 베어링 카트리지에서 내부 간극을 감소시킵니다. 온도가 너무 높아져 터보차저가 정격 터보 속도보다 높게 작동되면 강철 볼 베어링 카트리지가 물리적으로 잠기거나 고착되어 치명적인 터보 고장을 일으킬 수 있습니다. 높은 속도는 높은 부스트 압력을 수반하므로 하이 부스트 시스템을 실행하는 터보 사용자는 터보의 수냉식 라인의 설정과 상태를 극도로 주의해야 합니다. “높은 부스트”는 터보마다 다르지만 일반적으로 25psig(1.7bar) 이상으로 간주할 수 있습니다.
높은 열과 터보 속도에 의해 손상된 볼 베어링 레이스. 베어링의 취약표면에서의 고회전 작동으로 손상이 심화되었습니다!
가레트 듀얼 볼 베어링 카트리지 내부의 각 개별 볼 베어링은 리테이너에 의해 제자리에 고정되며 볼 세트당 하나의 리테이너가 있습니다. 하나는 터보의 컴프래서 측이고 다른 하나는 터빈 측입니다. 상승된 온도는 또한 이러한 리테이너를 손상시킬 수 있으며, 이는 심각한 샤프트 움직임(또는 유격), 하우징의 휠 마찰, 그리고 다시 치명적인 터보 고장으로 이어질 수 있습니다.
베어링 리테이너의 정상상태를 유지하십시오. 과도하게 열화되지 않도록 하십시오!
과열된 볼 베어링 카트리지, 오른쪽 하단의 분해된 리테이너. 베어링 레이스도 파란색으로 변하고 손상됩니다. 과도한 작동에 기인한 리테이너 및 레이스 손상의 결과이며, 종종 휠-하우징 마찰 및 전체 터보 고장으로 절정에 이릅니다.
불충분한 냉각과 매우 높은 온도는 베어링 시스템의 건전성을 위협할 뿐만 아니라; 이로 인해 잠재적으로 오일 씰도 파괴할 수 있습니다. 오일이 과열되면 산화되어 “탄화물”을 생성합니다. 이 고체는 탄소 기반의 고체 잔류물이며 검은색 덩어리진 그을음 물질로 나타납니다. 터보차저 오일 씰은 엔진 크랭크 샤프트와 같은 기존의 고무 샤프트 씰이 아닙니다. 고무 씰 또는 O-링은 터보차저 내부의 고온에서 씰링 특성을 유지할 수 없기 때문입니다. 대신, 터보 샤프트의 홈에 장착되는 강철 “피스톤 링”입니다. 그들은 탄력 있고 엔진 실린더의 피스톤 링처럼 중앙 하우징의 구멍을 누르도록 설계되었습니다.
이 또한 제대로 작동하려면 약간의 운동 자유도가 필요합니다. 축 방향으로 약간의 축 방향 이동이 필요합니다. 과열된 오일이 씰 영역에서 탄화물로 바뀌면 피스톤 링 씰 홈이 탄화물로 채워질 수 있으며 링을 과도하게 구속합니다. 이것은 샤프트의 링 마찰로 이어질 수 있으며, 이는 바람직하지 않습니다. 과열영향과 결합된 이러한 자유 운동의 제약은 링이 중앙 하우징의 씰 구멍으로 바깥쪽으로 확장될 때 소성 변형을 유발합니다. 소성(비가역적) 변형은 링 기능 상실로 이어지며, 터보차저가 냉각되면 피스톤 링 씰이 탄력을 잃어 더 이상 오일 씰의 기능을 할 수 없습니다. 따라서, 수냉 기능 부재시 센터 하우징에서 터빈 하우징으로 심각한 오일 누출이 발생할 수 있으며, 이는 고온의 배기 가스에 의해 오일이 연소되어 스모크 발생을 야기합니다.
오일 실링 피스톤 링에 갭이 관찰됨, 카메라 방향. 좌측 터빈 휠, 우측 샤프트. 본 부품은 상태가 양호한 사용품임- 과열되지 않았으며 오일 탄화물이 관찰되지 않음.
유사 형태의 터빈 휠 및 샤프트 어셈블리, 그러나 이것은 반복 과열되었음. 피스톤 링 홈과 오일 슬링거 홈에는 모두 탄화물이 존재함. 이 피스톤 링은 아직 파손되지는 않았지만 파손은 시간 문제일 뿐임. 우측 강철 샤프트의 심각한 청색(변색)도 관찰됨, 이는 터보차저가 제대로 냉각되지 않았거나 최대 정격 온도 이상으로 작동했음을 나타냄.
수냉식 터보차저를 설정하는 올바른 방법은 무엇입니까?
냉각 시스템에 냉각수 라인을 적절하게 설치하면 열 흡수에 기인한 터보차저의 손상을 방지할 수 있습니다. 수냉식 터보차저가 결코 복잡한 과업은 아닙니다. 터보의 워터 라인은 엔진의 기존 냉각 시스템에 연결되어야 하며, 편의상 히터 라인에 분리될 수도 있습니다. 엔진 냉각수(부동액)는 우려 없이 사용 가능합니다. 수냉식 가레트 터보 차저는 91°C(196°F)의 온도에서 물과 부동액의 일반적인 50/50 혼합물을 사용하여 열 흡수 테스트 검증되었습니다. 수냉식의 이점을 최대한 활용하려면 터보차저의 센터 하우징을 중심축(축)을 중심으로 회전하여 급수구가 수평에서 약 20° 각도를 이루도록 해야 합니다. 이는 앞서 논의한 열 사이펀 효과를 촉진하기 위해 필요합니다.
하우징을 회전시킨 후 유입수(엔진 냉각 시스템에서 더 차가운 쪽)를 두 포트 중 아래쪽으로 배관해야 합니다. 엔진의 냉각 시스템으로 되돌아가는 더 뜨거운 출력 물은 더 높은 포트로 연결되어야 하고 냉각 시스템과 만나는 곳까지 “오르막”으로 다시 이동할 수 있어야 합니다. 이 리턴 라인에 위/아래 꼬임 또는 “트랩”이 없어야 합니다. 터보차저의 양쪽을 배출구로 사용할 수 있습니다. 워터 코어는 양방향으로 흐르도록 설계되었습니다. 이러한 방식으로 적절한 배관 작업을 수행하면 낮은 쪽에서 더 차가운 물이 들어가 회전된 센터 하우징으로 연결되고 위쪽으로 나가면 공기 주머니의 형성이 줄어들고 엔진이 닫힌 후 열 사이펀 주기 동안 무제한 흐름이 허용됩니다. 열 사이펀 효과의 완전한 이점이 실현되고 내부 터보 온도가 최소화됩니다. 가레트 실험실 테스트에 따르면 중앙 하우징을 회전하여 더 뜨거운 배출수가 더 높은 포트에서 빠져나갈 때 중앙 하우징의 최고 온도가 50°C(90°F)까지 감소할 수 있습니다. 하우징을 수평에서 20° 이상 회전시키면 온도가 약간 더 떨어질 수 있지만 오일 배출을 방해할 수 있으므로 최대 20°를 유지하십시오.
중앙에 베어링 카트리지, 양쪽에 오일 주입구 및 배수구, 물 포트를 보여주는 중앙 하우징의 단면도. 효율적 열 사이펀을 촉진하려면 중앙 하우징을 수평에서 각 방향으로 20° 회전해야 함
열 흡수 테스트 시 측정된 센터 하우징 피크 온도 대 센터 하우징 방향을 나타낸 그래프. 우측 녹색 영역은 출구 포트가 입구보다 높은 적절한 급수관 설정에 기인한 낮은 온도를 나타냄. 좌측 적색 영역은 하우징이 “잘못된” 방향으로 회전함에 따라 급격한 온도 상승을 나타내며 물 출구 포트가 입구보다 낮음.
여러 유형의 급수관을 성공적으로 사용할 수 있지만 관 선택 시 따라야 할 몇 가지 지침이 있습니다. 최소한 엔진 냉각수 온도기준 고온 검증된 호스 및 관을 사용하십시오. 이 온도는 경우에 따라 121°C(250°F) 이상까지 올라갈 수 있습니다. 관 또는 호스는 물 및 부동액과 호환되도록 설계되어야 하며 대부분 호환됩니다. AN 스타일(37° fl are) 피팅은 쉬운 설치와 누수 없는 시스템을 위해 권장되며 가레트 급수 포트에 대한 다양한 어댑터는 여러 유통업체에서 구할 수 있습니다. 단단한 강철 관 및 유연한 관 모두 사용할 수 있지만 단단한 관의 경우 진동에 의한 손상이 없도록 주의해야 합니다. 엔진 작동 중 정상적인 진동이 발생하지만, 높은 토크 출력 시 엔진이 마운트에서 회전함에 따른 관의 움직임도 발생합니다.
양 끝단 사이에 유연한 부분이 없는 단단한 관은 라우팅 방법에 따라 엔진 회전으로 인해 금이 가거나 구부러지거나, 정상 엔진 진동에 기인한 피로도 발생가능합니다. 금이 간 관은 냉각수 누출로 이어지므로 관을 사용할 때는 움직임과 진동에 대해 각별히 주의해야 합니다. 대부분 자동차 엔진은 수냉식이므로, 터보차저 배관은 매우 직선적이며 간단명료해야 합니다. 공랭식 엔진은 고성능 차량에 존재하며 수냉식 터보차저와 병행 사용시 별도의 추가 작업이 필요할 수 있습니다. 저수조, 소형 라디에이터 및 전동 워터 펌프가 있는 별도의 수냉식 시스템 구성하는 것이 바람직합니다. 배관 및 저수조 배치 시 열 사이펀 효과를 우선시하면 터보차저 내부의 열이 자연스럽게 시스템을 통해 냉각수를 순환시키기 위해 작동하므로, 워터 펌프가 필요하지 않을 수 있습니다. 확실하지 않은 경우, 게이지 및/또는 데이터 로깅을 통해 냉각수 온도를 면밀히 모니터링하여 시스템 적절성 및 터보차저 입력부에 약 250°F(121°C) 미만 온도의 물 또는 냉각수가 공급되는지 여부를 확인하는 것이 좋습니다.
배기 가스 온도가 매우 낮고 수냉식 시스템이 없는 차량(예: 저출력 디젤 또는 특수 제작된 메탄올/알코올 연료 드랙스터)에는 터보차저용 수냉식 시스템이 필요하지 않을 수 있습니다. 이 경우 모든 터보 구성 요소의 상태를 면밀히 모니터링하여 베어링이 양호한 상태를 유지하고 오일 탄화물이 형성되지 않도록 해야 합니다. 확실하지 않은 경우 간단한 수냉식 시스템을 설정하십시오. 요약하면, 수냉식은 워터 포트가 장착된 터보차저의 중요하고 매우 간단한 요구 사항입니다. 수냉식 터보 차저 과열로 인한 결과는 매우 치명적일 수 있기에, 원활 작동을 위한 적정 배치 수냉 시스템으로 극한 조건에서도 장수명을 확보할 수 있도록 하는 것입니다. 즉, 터보에 급수관을 연결하기 위한 다소의 노력을 기울임으로써, 고성능 차량의 가혹 조건에서 장기간 작동 가능한 기회를 부여하는 것입니다.
수냉식 설치 체크리스트
- 터보가 설치된 후 중앙 하우징을 수평에서 각 방향 20° 회전(시계 방향)합니다.
- 차량 냉각 시스템 태핑에 적합한 위치를 선택하십시오. 터보는 히터 라인 또는 히터 호스와 인라인으로 배관할 수 있습니다.
- 히터 밸브가 열려 있거나 닫혀 있는지 여부에 관계없이 물이 항상 터보를 통해 흐르도록 합니다.
- www.garrettmotion.com 또는 Garrett 카탈로그를 확인하여 특정 터보에 대한 워터 포트 스레드 사양을 찾으십시오.
- 포트 스레드 및 차량의 원하는 레이아웃에 따라 라인 및 어댑터를 선택합니다.
- 더 차가운(입력) 물을 중앙 하우징의 하단 포트에 연결합니다.
- 중앙 하우징의 더 높은 포트에서 더 뜨거운(출력) 물을 흐르게 합니다.
- 냉각 시스템으로 이어지는 출력 라인에 위/아래 기복이 없는지 확인하십시오.
- 시스템의 어느 곳에서나 강관을 사용하는 경우 유연한 섹션을 사용하여 진동이나 엔진 토크로 인한 균열을 방지하십시오.
- 크러쉬 와셔를 사용하여 중앙 하우징 물 포트에 대한 연결부를 밀봉하십시오.
- 터보 설치 후 냉각 시스템을 보충할 때 냉각수 레벨을 자주 확인하고 필요에 따라 보충하십시오.
- 냉각 시스템내 에어 포켓(공기 주머니)가 완전히 제거되었는지 확인하십시오.
- 공냉식 엔진의 경우, 수냉식 터보차저를 사용할 때는 별도 수냉식 시스템을 신중하게 고려하십시오.
