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.
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
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쓰로틀페달이란게 뭡니까? 엑셀,브레이크, 클러치는 들어봤어도 저런 페달이 있다는 건 처음 듣는군요.
뚜벅이님, 엑셀페달이 업계 용어로 쓰로틀 (Throttle) 페달이라고 불린 답니다 ^^
아... ABS원리 짱 ㅋㅋㅋ
짤 찾고서 저도 한참 웃었드랬지요 ㅋㅋㅋㅋ
디젤엔진이 엔진브레이크 약하다는 말에 별로 공감을 못하겠어요... 디젤엔진은 가솔린엔진 대비 고압축비 엔진 이기 때문에 저항이 크므르 엔진브레이크 성능은 가솔린 엔진과 비등하거나 월등 할 것이라고 생각되네요.
실제 운전시 체감도 다릅니다.
디젤차량이 엔진 브레이크 감속시 울컥임이 가솔린대비 조금 심한 면이 있습니다
흠...... 듣고보니 군용트럭님의 말씀도 맞네요. ETC 개도와 압축비, 그리고 스트로크쪽을 더 뒤저보고 확인해 보겠습니다. 지적 감사드려요!
군용트럭님, 확인했습니다!
현재 거의 대부분의 디젤차량은 EGR이 장착되어있고, 추가로 DPF와 터보차져 까지 장착되어 있는 경우가 많아 ETC가 열려 있더라도 배압을 야기하게 된답니다.
따라서 압축비와 상관 없이 디젤과 가솔린의 엔진 브레이크 메커니즘이 다른 건 맞고, 실제 엔진 브레이크가 더 강하다고 느끼는 것은 배기가스 저감을 위한 이들 장치 (터보는 조금 다르겠네요) 덕분에 배기 브레이크의 효과가 있어 그런 것으로 확인 하였습니다.
이 내용을 본문에 추가하도록 하겠습니다. 지적 대단히 감사합니다~
egr은 앤진브레이크와 아무런 상관이 없는 장치입니다..
배기가스재연소장치입니다.
그리고 리타더는 워터리타더도 있습니다..
밴츠 신형트럭 악트로스 모델에 워터리타더기 올라가 있어요..국내 차종중에 전자식 리타더를 쓰는 차는 극히 드물구여 외산 차종들은 대부분 유압식리타더구요..연비상승을 위해 워터리타더를 채용하기도 합니다..
parkhs님 EGR이 제 담당 파트인데 제가 그걸 모를리가요 ^^;;;;
디젤의 브레이크 필이 왜 가솔린 보다 더 강하게 느껴지는지에 대해서 이야기하다 EGR, DPF, 터보까지 언급하게 되어버렸습니다~
워터 리타더는 처음 들어봤네요. 조금 더 자세히 알고 싶어요! (그러고 보니 리타더 글을 다시 쓰기로 했는데, 한번 다시 찾아봐야 겠습니다.)