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거버너(GOVERNOR)의 구조 및 기능

디젤 엔진에서는 최고 회전을 제어하고 엔진에 무리가 가는 것을 방지함과 동시에 저속 시의 회전을 안정시키기 위하여 거버너를 사용하고 있습니다. 특히 저속 회전 시의 연료 분사량은 매우 적은 양이기 때문에 제어 래크의 약간의 움직임에 대해서도 분사량의 변화가 커지므로 회전수가 크게 변하게 됩니다. 또한 엔진의 부하 변동에 의해서도 거버너가 없으면, 그것에 추종할 수 없기 때문에 시동이 꺼지기 쉽고 원활한 운전을 할 수 없습니다. 그 때문에 엔진의 회전수나 부하가 변화한 경우, 자동적으로 제어 래크를 움직여서 분사량을 제어하며, 회전을 안정시키는 거버너가 필요로 하게 됩니다. 거버너는 회전수와 부하에 따라 변동하는 흡기 매니폴드 내의 부압을 이용하는 공기식 거버 나와 회전 중의 원심력을 이용하는 기계적으로 작동하는 기계식 거버너가 있습니다. 이밖에도 공기식 거버너와 기계식 거버너를 조합시킨 복합식 거버너도 있습니다. 또한 작용상으로 분류하면, 최고와 최저 회전수만을 제어하는 최고 최저 속 거버 나와 최고, 최저 회전수 및 전범위에 걸쳐서 조속 작용하는 전속도 거버너가 있습니다. 공기식 거버너는 그 구조상으로 전속도 거버너에 속하지만, 기계식 거버너는 최고 최저 속 거버너와 전속도 거버너로 나누어집니다.

기계식 거버너

기계식 거버너는 일반적으로 인젝션 펌프의 캠 축의 뒷부분 끝에 장치되어 있으며, 캠 축과 함께 회전하는 플라이 웨이트, 슬라이딩 볼트, 액셀 페달과 플라이 웨이트의 작동을 제어 래크에 전달하는 플로팅 레버 및 링크 등으로 이루어져 있습니다. 캠축이 회전수가 높아지면 플라이 웨이트는 원심력이 증가하여 플라이 웨이트의 작동을 규제하는 거버너 스프링의 스프링력을 이겨내고 바깥쪽으로 벌어지며, 벨 크랭크를 움직여 슬라이딩 볼트를 오른쪽으로 움직이므로 플로팅 레버는 제어 래크를 왼쪽으로 끌어당겨 연료 분사량을 감소시켜 엔진의 회전수를 감속시킵니다.

또한 엔진의 회전수가 감속되면 플라이 웨이트의 워너 심력이 감속하므로 플라이 웨이트는 거버너 스프링의 스프링력으로 안쪽으로 오무라들어 플로팅 레버를 거쳐서 제어 래크를 오른쪽으로 움직여 연료 분사량을 증가하여 엔진의 회전수를 상승시킵니다. 엔진의 회전수가 상승하면 플라이 웨이트의 원심력이 증가함으로 그림에 나타낸 것과 같이 거버너 스프링의 스프링력을 이겨내고 플라이 웨이트를 바깥쪽으로 벌어지게 하여 제어 래크를 또다시 연료 분사량 감소 그이 방향으로 끌어당겨 일정한 회전수를 지속할 수 있도록 작동합니다.

최고 최저 속도 거버너의 기능

이 거버너는 엔진의 최고 회전수(MAXIMUM RPM)을 규제하는 고속 제어와 아이들 시의 회전수(MINIMUM RPM)를 원활하게 안정시키는 저속 제어를 자동적으로 하는 것으로 그 이외의 중간 범위에서는 운전자 자신이 액셀 페달의 밟는 양을 가감하여 엔진의 회전을 제어하는 것입니다.

앵글라이히 장치 [angleichen device system]

디젤 엔진의 공기흡입 효율은 일반적으로 고속 회전이 되면 저하하는 경향이 있습니다. 한편, 분사펌프에 있어서 플런저의 1 행정 당 분사량은 제어 래크 위치가 동일해도 회전수가 높아짐에 따라 증가하는 특징이 있습니다. 저속 회전 시에 충분한 출력이 얻어지도록 분사량을 세트 하면, 고속 회전 시에는 분사펌프 특성에 의해 분사량 과로 공기량 부족이 되기 때문에 불완전 연소하여 흑연의 배출하게 됩니다. 또한 반대로 고속 회전 시에 완전히 연소하도록 분사량을 세트 면 저속 회전 시에는 충분한 공기량이 있어도 엔진의 성능을 충분히 발휘하도록 할 수가 없습니다. 이와 같이 엔진의 흡입 공기량과 분사펌프의 분사량과의 관계를 적절하게 하여 저속 회전 역에서는 큰 토크가 얻어지도록 분사량을 세트 하고 고속 회전 역에서는 분사량을 조정하여 흑연을 방지하고 있는 것이 앵글 라이히 장치입니다. 

거버너의 속도변동율

지금 엔진이 전부 한 최고 회전수로 운전하고 있는 경우, 무엇인가의 원인으로 엔진의 부하가 감소하면, 엔진의 회전수가 갑자기 상승하려고 합니다. 이와 같은 경우에는 거버너가 분사량을 감소시켜 회전수를 제어하지만, 이 제어의 양부, 즉 거버너의 기능의 양부는 이상과 같이 갑자기 부하가 감소하는 경우에 발생하는 회전수의 도약 비율로 나타내고 있습니다. 속도 변동률이 작을 때는 거버너의 기능이 민감한 것을 나타내며, 반대로 클 때는 거버너의 기능이 둔해져 회전수의 도약이 커지며, 엔진이 오버런을 일으킬 우려가 있는 것을 나타내고 있습니다. 또한 속도 변동률은 일반적으로 약 10% 정도입니다. 

타이머 필요성

연료가 연소실 내에 분사된 다음에 착화하기까지에는 다소의 시간이 걸립니다. 이것을 착화 지연기간이라고 하는데, 이 기간은 엔진의 회전수가 바뀌어도 그다지 변화하지 않기 때문에, 회전수가 상승하는 데 따라 착화 지연기간에 회전하는 크랭크 각도가 커져서 최량의 연소 시기를 얻을 수 있습니다. 이 때문에 엔진의 회전수의 변동에 따라 분사 시기를 변화시킬 필요가 있습니다. 이것이 아주 중요한 타이머의 필요성입니다. 타이머에는 수동 타이머와 자동 타이머가 있으며 자동차용 디젤 엔진에는 자동 타이머가 사용되고 있습니다. 

타이머의 구조

자동 타이머는 엔진에서의 동력은 드라이빙 플랜지, 타이머 웨이트, 베어링 핀 등을 거쳐서 분사펌프의 캠 축에 전달됩니다. 타이머 스프링은 타이머 웨이트 홀더에 고정된 베어링 핀과 드라이빙 플랜지의 발 사이에 장치되어 있습니다. 플랜지의 발의 ㄴ타이머 웨이트의 특수 곡면으로 가공된 면에 접하고 있는데 타이머 웨이트는 베어링 핀을 중심으로 요동할 수 있게 되어 있으며, 플랜지의 발을 거쳐서 타이머 스프링의 힘에 의해 항상 안쪽으로 밀어붙여져 있습니다. 또한 내부에는 규정량의 그리스가 봉입되어 각 마찰 부분의 윤활을 하고 있습니다. 정지 또는 저속 회전 시 플랜지의 발은 타이머 웨이트, 베어링 핀을 거쳐서 캠 축을 구동하고 있습니다. 이 상태에서는 저널은 타이머 웨이트를 안쪽으로 밀어붙인 상태로 되어 있습니다. 회전수가 상승함에 따라 타이머 웨이트의 원심력이 점점 강해져 타이머 스프링을 압축합니다. 저널은 엔진의 펌프 구동축에 직결되어 있기 때문에 위치를 바꿀 수 없습니다.

디젤 엔진의 연소과정 

고압축으로 고온이 된 공기 중에 분사된 연료는 스스로의 자연발화에 의해 연소를 시작합니다. 착화를 일으키기 쉽게 하기 위해서는 분사된 오일 방울이 휘발하여 가연성의 혼합기를 만들 필요가 있습니다. 가솔린 엔진에서는 혼합기가 전기불꽃에 의해 점화된 다음에 몇 가지 과정을 경유하여 연소하는 것과 마찬가지로 디젤 엔진에 있어서 연료의 연소과정에도 다음과 같이 4단계의 단계가 있습니다.

1기 착화 지연 기간 ( 연소 준비기간 )

2기 화염 전파 기간 ( 정용연소기간 )

3기 직접 연소 기간 ( 정압연소기간 )

4기 후기 연소 기간 ( 애프터 번 기간 )

디젤 엔진 노크(노킹)

발생 원인 

디젤 노크란 앞에서 설명한 화염전파 기간에 있어서 급격한 압력 상승이 일어나면 실린더나 피스톤 등은 충격을 받아, 쿵쿵하고 딱딱한 것을 두드리는 소리를 발생하며 운전이 혼란해지고 출력도 저하되는 증상을 말합니다. 이 형상의 원인은 화염전파 기간에 급격한 압력 상승이 일어나는 것이 원인이며, 이 원인은 착화 지연기간이 긴 것이 원인이 됩니다. 

착화 지연이 길어진다는 것은 연료가 분사된 다음에 연소를 개시할 때까지의 고온의 공기 중에 체류하고 있는 시간이 긴 것을 의미합니다. 이와 같은 경우에는 분사된 연료 입자의 대부분이 휘발하여, 가연 혼합기를 대량으로 생성합니다. 이와 같은 상태에 이른 다음에 착화가 일어나면 그 연소는 매우 급격 해지며, 그것에 따라 압력 상승도 급격해집니다. 

디젤 노크의 방지법

디젤 엔진에 있어서 노크에 관계된 원인을 설명하면 다음과 같습니다. 

연료의 종류, 압축비, 분사량, 연소실의 형상, 연료의 분사 시간, 분무 상태, 회전수, 엔진의 부하, 냉각장치 둥.

연료의 종류는 실린더 내에 분사된 다음에 발화 연소하기까지에는 연료 자체의 성질로서 어떤 시간을 필요로 합니다. 이 시간을 착화 지연기간이라고 하며, 연료에 따라 크게 달라집니다. 따라서 노크를 방지하기 위해서는 착화 지연기간이 짧은 이른바 착화성이 좋은 연료를 사용할 필요가 있습니다.  

압축비는 압축비를 크게 하면 압축 온도나 압력이 각각 높아져서 노크 방지에 도움이 됩니다. 그러나 압축비를 너무 크게 하면 엔진의 기동 토크가 증대하여 연소 최고 압력이 높아지며 기계효율도 반대로 저하하게 되므로 일정 한도 이상 높이는 것을 오히려 엔진에 무리가 갑니다. 

연료의 분사량은 분사 개시 시의 분사량을 적게 하면 맨 처음에 착화하는 연료가 적어지므로 압력 상승도 급격하지 않아서 노크를 적게 할 수 있습니다. 착화 연소를 개시한 후에 분사되는 연료는 연소실 내가 이미 고온으로 되어 있으므로 즉시 착화하게 됩니다. 따라서 분사 개시 시에 분사량을 교축하여 착화 후, 대량의 연료를 분사하면 해결되며 노즐의 구조에 따라 필요로 하는 성능을 부여할 수 있습니다. 

연소실의 형상은 착화 지연기간을 짧게 하여 급격한 압력 상승을 방지하기 위하여 각종 형상의 열 손실이 있으며, 현재 사용되고 있는 것에는 예비연소실식, 와류실식 및 직접분사식이 있습니다. 분사 시기에 대해서는 어느 정도 이상 진행하여도 착화가 일어나는 시기도 한도가 있으며, 엔진의 온도가 낮은 경우, 회전수가 늦은 경우 등에는 압축 온도가 저하하여 착화 지연 기간이 길어지게 되며, 노크를 일으키기 쉽게 됩니다. 

위 그림은 저속 디젤 엔진에 사용되는 FULE INJECTION VALVE입니다. 동그라미 쳐져 있는 노즐팁이 실린더 내부로 연료를 분무해주는 아주 중요한 부품입니다. 노즐팁의 분무할 수 있는 구멍의 개수, 크기, 각도, 형상에 따라서 엔진의 출력이 차이가 나게 됩니다. 

엔진의 출력 및 실린더 체적에 따라 노즐의 결정됩니다. 

위 사진은 엔진 피스톤이 상사점에 도달하였을 때의 사진입니다. 실린더 위에 실린더 햇드가 장착이 되며, 

  주위의 볼트들이 실린더 햇드를 고정시켜줍니다. 

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