트럭과 버스에 달려 있는 '강려크'한 제 3의 브레이크

압축 혹은 진공을 이용하는 제이크 브레이크와 배기 브레이크

 일반 승용차에는 두 가지 브레이크를 사용합니다. 풋 브레이크는 일반적인 브레이크이고, 파킹 브레이크는 주차 시 사용하는 제동 장치입니다. 

출처 : www.goldenrulebrake.com

 속도를 줄이는 목적으로 풋 브레이크가 사용 됩니다만, 같은 목적으로 사용되는 다른 종류의 브레이크, 엔진 브레이크도 있습니다. 쓰로틀 페달에서 발을 뗀 후 엔진 마찰을 이용해 속도를 줄이는 방식입니다.

 

출처 : magicartworld.com

 그런데 버스나 대형차에는 추가로 제3의 브레이크가 달려 있습니다. 리타더 브레이크 (Retarder Brake), 제이크 브레이크(Jake Brake) 그리고 배기 브레이크 (Exhaust Brake)라 불리우는 압축 브레이크 (Compression Brake)가 이들입니다.

출처 : www.todayifoundout.com

 

 배기 브레이크와 압축 브레이크의 메커니즘을 이해하기 위해서는 우선 디젤과 가솔린 차량의 엔진 브레이크의 메커니즘 먼저 짚어봐야 합니다. 위에서는 간단히 마찰에 의해 작동된다고 설명했지만 단순 마찰에, 공기 마찰까지 이용하기 때문이지요.

출처 : www.dailytech.com 

 가솔린 차량에서의 감속은 운전자가 페달에서 발을 떼면서 시작됩니다. 페달이 떨어짐을 감지한 센서는 엔진의 공기 흡입장치인 쓰로틀 바디에 시그널을 보냅니다. ‘주인장이 속도를 줄이고 싶어 한다, 공기 구멍을 막아라.’ 

출처 : ux.stackexchange.com

 명령을 받은 쓰로틀 바디는 플랩을 닫아 최소한의 공기만을 통과 시킵니다. 공기가 들어가지 못하기 때문에 엔진의 실린더 내부는 진공상태가 되는데요. 이는 마치 주사기의 입구를 막고 피스톤질을 하는 상황과 비슷해 집니다. 힘이 들기도 할 뿐더러 연료라는 에너지가 없이 일을 하기 때문에 회전이 줄어들게 됩니다. 진공으로 인해 속도가 줄어 듭니다.

 

출처 : blog.globalknowledge.com

 그런데 디젤차량의 경우는 조금 다릅니다. 쓰로틀 바디는 시동을 켜면 항상 열려 있습니다. 속도에 따라 플랩의 각도를 조절하는 가솔린과는 장착 목적이 다르지요. 달리는 한 항상 일정한 공기가 주입됩니다. 따라서 진공을 이용한 엔진 브레이크를 사용할 수 없습니다. 같은 엔진 브레이크 라더라도 오로지 마찰만 이용하기 때문에 차가 더 밀리게 됩니다.

 

 일반 디젤 승용차라면 그러려니 하겠지만, 만약 대형 차량이라면 어떨까요? 

출처 : www.carsbase.com

 버스 타고 산으로 수학여행 혹은 스키장을 가보신 적 있으시지요? 간혹 신문 지상에 수학여행 차량이 산아래로 굴러 큰 사고가 났다는 기사를 접할 수 있는데요. 내리막에서 큰 질량을 가진 차량은 풋 브레이크가 취약할 수 밖에 없습니다. 물리적으로 패드를 잡아주는 방식은 언젠가 한계가 올 수 밖에 없고 질량이 클수록 한계는 빨리 옵니다.내리막길에서 브레이크 파열 사고가 일어나는 차량들이 대부분 버스나 트럭인 것도 이런 이유 때문입니다. 엔진브레이크가 약한 디젤의 특성상 제3의 브레이크가 반드시 달려야 합니다.

 

출처 : www.dieselpowerproducts.com

 서두에 말씀드렸듯 이를 위해 배기 브레이크, 제이크 브레이크, 리타더 브레이크들이 달리는데요. 

 우선 배기 브레이크는 배기 매니폴드를 막는 방식의 제동장치입니다. 쓰로틀 바디를 여닫을 수 없으니 대신 연소가스가 나가는 배기관을 막아 진공효과를 내는 방식입니다. 이해의 편의를 위해 진공이라고 했지만, 사실 압축에 더 가깝습니다. 빠져 나가지 못한 공기들이 강제로 압축 당하면서 운동 에너지가 소모됩니다. 

출처 : pacbrake.com

 페달을 떼게 되면 ‘어 주인장이 속도를 줄이네? 연료 분사를 멈추어라’ 라는 명령이 진행됩니다. 시그널은 인젝터에 전달되어 연료 분사가 중지되지요. 연소가 멈추면서 엔진이 일을 멈춥니다. 그러나 회전은 계속되고 쓰로틀 바디는 계속 열려 있습니다. 신선한 공기는 실린더 내로 계속 유입됩니다.

출처 : www.gizmag.com

 이 때 운전자가 배기 브레이크 스위치를 키게 되는데, 배기 매니폴드의 밸브가 구멍을 막게 됩니다. 나갈 곳을 잃은 공기들이 강제로 압축 당합니다. 연료 없이 공기를 압축하면서 엔진은 운동 에너지를 잃게 됩니다. 배기 브레이크가 컴프레션 브레이크라 불리는 이유는 공기의 압축을 사용하기 때문입니다.

공기가 가득찬 주사기에서 바늘을 빼고 입구를 막은 뒤 피스톤을 눌리는 것과 유사합니다.

 제이크 브레이크도 비슷한 개념입니다. 나갈 구멍을 막는 방식은 동일합니다. 다만, 배기관을 막지 않고 배기 밸브 조절로 비슷한 메커니즘을 구현합니다. 

 

출처 : www.pistonheads.com

 엔진은 일반적으로 흡기 – 압축 – 폭발 – 배기의 4행정을 가지는데, 흡기에서는 밸브가 열리면서 공기가 들어가고, 배기에서는 밸브가 열리면서 연소가스가 배출됩니다. 제이크 브레이크는 흡기와 폭팔 중간의 압축 행정 때 배기 밸브를 한번 더 열어 줍니다. 공기가 강제로 배출 되므로 실린더 내부가 진공이 됩니다. 

진공을 제동에 이용하니, 가솔린 엔진의 엔진 브레이크 작동 원리와 비슷한 셈입니다.

반복이지만 조금 더 구체적으로는,

 운전자가 브레이크 스위치를 켜면 브레이크를 위한 별도의 캠이 작동하여 압축 행정에서 배기 밸브가 열립니다. 실린더 내부에 공기가 다 빠져 나가고 밸브는 닫히는데, 폭발 행정에서 폭발이 일어나지 않고 (공기와 연료가 없으므로) 피스톤만 내려가게 되어 진공 상태가 됩니다. 엔진은 필요 없는 일을 하고 결국 속도가 줄게 됩니다.

출처 : www.convergecfd.com

 엄밀히 따지면 배기 브레이크는 압축, 제이크 브레이크는 진공 이라고 하는 편이 맞겠죠. 인터넷을 찾아보면 배기 브레이크, 제이크 브레이크, 압축 브레이크를 혼용하여 사용되고 있습니다. 통틀어 모두 압축 브레이크라고 하는 경우도 있고요. 

 조금 추가 설명을 드리자면, 엔진이 도는 어느 한 시점에 모든 피스톤은 각각 흡기, 압축, 폭발, 배기의 다른 행정이 진행 중이므로 배기 브레이크를 걸게 되면 어디는 압축, 어디는 진공 상태가 되는 것이 맞습니다. 그래서 서두에 애매한 공기 마찰이라는 표현을 사용 했지요.

출처 : www.kidsdiscover.com

 마지막으로 리타더 브레이크는 엔진 브레이크가 아닌 진정한 보조 브레이크 입니다. 종류가 많으므로 별도 섹션으로 다시 소개할 까 합니다만, 

 자석의 끌어당기는 힘을 이용해 엔진의 출력축을 잡아주는 전자식, 유체의 마찰 에너지를 열에너지로 전환하는 유체식으로 구분 합니다. 바퀴가 아닌 변속기 끝단에 달려 감속을 조절하는 브레이크 입니다. 

출처 : www.telmaindia.com

 전기자동차에서 사용하는 회생제동과 비슷한 개념이라고 보시면 됩니다. 전기차에서는 운동 에너지가 전기 에너지로 바꾸어지고, 리타더에서는 재활용 되지 못하고 열에너지로 버려지지요. 

 

세 브레이크의 원리를 간단히 정리하면 이렇군요.

 

배기 브레이크 : 배기관은 닫음 (압축저항)

제이크 브레이크 : 배기 밸브를 상사점에서 열음 (팽창저항)

리타더 브레이크 : 유체저항, 전기저항을 이용한 별도 제동장치

출처 : newsroom.scania.com

오늘의 세줄결론

 

디젤 엔진은 엔진 브레이크가 약하대더라

버스와 트럭에는 제3의 브레이크가 달려 있다더라

없으면 내리막에서 조낸 위험하대더라

* 군용트럭님께서 지적해주셨습니다. 현행 디젤 엔진의 엔진 브레이크의 '필'이 가솔린 보다 강하다고 느끼는 것은 바로 EGR + 터보차져 + DPF의 배압으로 부터 야기된 배기 브레이크의 효과 때문에 그렇다고 합니다. 본문 읽으실 때 참고하시면 도움이 될 것 같습니다. 군용트럭님 감사합니다!

막짤은 서비습니다 ABS의 원리 ^^;;;

출처 : toniat.snimka.bg

(다른 포스팅을 보려면 클릭하세요)