자동차 엔진의 주요 구성 알아보기, 이번 포스팅은 밸브 트레인입니다.
밸브 트레인의 정의
밸브 트레인은 위의 움짤처럼 밸브, 캠샤프트, 밸브 시트 등의 기구들이 하나의 체계를 이루어 작동하는 시스템을 의미합니다. 밸브를 열고 닫아 연소실에 혼합기를 흡기하고 배기 가스를 밖으로 배출하는 등 가스의 흐름을 제어하고 연소실을 폐쇄하여 압축과 폭발 행정을 할 수 있게 하는 역할을 하죠.
밸브 트래인은 흡배기 밸브를 열고 닫으며 엔진 연소의 에너지원인 혼합기(연료+공기)를 연소실에 들어오고 나갈 수 있도록 합니다. 정의만 놓고 보면 단순해 보이지만 혼합기가 들어오고 나오는 타이밍이 맞지 않으면 엔진의 성능을 저하 시킬 뿐만 아니라 배기 가스의 양이 늘어나기 때문에 상당히 섬세한 조작이 필요합니다. 엔진 효율과도 직결되는 시스템이므로 엔진 생산을 위한 핵심 기술 중의 한 가지로 볼 수 있습니다.
밸브 트래인의 구성 요소
엔진 타입에 따라 구 요소들에 차이가 있을 수 있으나, 대부분의 밸브 트래인은 캠샤프트, 밸브, 커넥팅 로드, 로커암 등으로 이루어져 있습니다.
캠샤프트 (Camshaft): 캠샤프트는 엔진의 헤드 또는 블록을 통과하는 긴 축으로, 회전 운동을 통해 각 밸브를 열고 닫습니다. 위의 사진처럼 길다란 쇠막대기에 각각 크기가 다른 Lobe가 배열되어 있는데. 이 Lobe의 치수가 밸브를 열고 닫는 타이밍을 결정합니다.
푸시 로드 (Push rod): 푸시 로드는 길고 가느다란 금속 막대로 캠샤프트에 따라 움직이며 로커 암을 밀어 올리고 실린더 헤드 위로 오일을 전달하는 역할을 합니다. 엔진 블록의 캠축에서 실린더 헤드의 밸브로 움직임을 전달하기도 하죠. 푸시 로드는 디젤 엔진에서는 사용하지 않는 경우도 있으며, 캠이 블록 안에 있을 때만 사용됩니다.
로커 암(Rocker arm): 로커암은 로커 레버 또는 로커로 부르기도 하는데 회전하면서 밸브를 밀어내는 레버를 의미합니다. 밸브 트레인의 유형에 따라 캠샤프트가 로커 암을 직접 동작시키거나 푸시 로드를 동작시켜 로커 암까지 동작을 수행합니다.
로커 샤프트(Rocker Shaft): 로커가 연결되는 긴 축입니다. 로커암의 중심축이며 로커 암에 오일을 전달합니다.
밸브 브릿지 (Valve Bridge): 밸브 요크라고 부르기도 하는 밸브 브릿지는 단일 로커가 여러 밸브를 작동할 수 있게 합니다. 두 밸브 스템에 스템 또는 브릿지가 연결되어 로커를 누르면 밸브 스템도 아래로 눌러지게 됩니다.
밸브 (Valve): 밸브는 캠샤프트 로브 또는 로커 암에 의해 열리고 밸브 스프링으로 인해 닫히면서 엔진 실린더에서 혼합기를 투입시키고 배기가스를 밖으로 내보내는 역할을 합니다. 크게 밸브 헤드와 밸브 스템 두 부분으로 나눌 수 있는데, 밸브의 헤드는 공기가 실린더 밖으로 나갈 수 있도록 하고 밸브 스템은 혼합기를 투입시키고 실린더를 밀폐시킵니다. 현대의 대부분의 엔진에는 4개의 밸브가 들어있으며 이를 포핏 밸브라고 합니다.
밸브 스프링 (Valve spring): 밸브 스프링은 캠샤프트 로브 또는 로커 암에 의해 열린 밸브를 닫는 역할을 합니다. 스프링은 캠 샤프트의 로브가 더 큰 힘을 주어 아래로 밀어낼 때까지 밸브를 닫은 상태로 유지합니다.
타이밍 밸트 (Timing Belt): 엔진 크랭크 축에 장착된 타이밍 기어와 캠샤프트에 장착된 타이밍 기어를 연결하여 캠샤프트를 회전시키는, 쉽게 말해 엔진의 힘을 구동 기관에 전달하는 역할을 합니다. 또한 크랭크축의 회전에 따라 일정한 각도를 유지하면서 실린더의 4행정 사이클인 배기->흡기 과정에서 열림과 닫힘을 정확하게 제어하며 밸브의 열림과 닫힘을 담당하는 캠축을 회전시키기도 하죠. 벨트가 미끄러지는 것을 방지하기 위해 사각 톱니 모양으로 설계되었습니다.
밸브 트레인의 구분, OHV(OverHead Valve)와 OHC(OverHead Camshaft)
밸브 트레인은 실린더와 밸브의 배치 방법에 따라 크게 OHV(OverHead Valve)와 OHC(OverHead Camshaft)로 구분 할 수 있습니다.
OHV는 실린더 바로 위에 밸브가 배치된 형태로 실린더 블록 내에 캠 샤프트를 배치하고 푸시로드 또는 로드를 사용하여 실린더 헤드 위의 로커 암을 작동시켜 밸브를 작동시키는 피스톤 엔진입니다.
OHV는 엔진의 초창기에 주로 사용했던 방식으로 설계와 구동 메커니즘이 비교적 단순합니다. 배기 가스를 보다 효율적으로 배출하고 경우에 따라 더 빠르게 회전하기도 합니다. 그러나 기술의 발전으로 OHC, 특히 DOHC의 에너지 효율과 출력 성능 등이 월등해짐에 따라 오늘날에는 잘 사용하지 않는 방식이 되었습니다.
OHC는 Over Head Cam의 약자로 실린더 윗 부분에 밸브가 배치된 형태, 실린더 헤드에 캠 샤프트가 설치되어 있는 형태를 의미합니다. 오버헤드 숫자에 따라 SOHC는 싱글 오버헤드 캠, DOHC는 더블 오버헤드 캠으로 나눌 수 있죠.
SOHC는 캠 샤프트가 1개이며 밸브가 이 캠 샤프트에 직접 의존하여 작동하기 때문에 높은 rpm에서도 보다 정확한 타이밍을 쉽게 유지할 수 있습니다. 실린더당 3개 또는 4개의 밸브를 설치하는 것도 가능하고 구성 부품의 숫자도 상대적으로 적어 가격도 보다 저렴하죠. 하지만 배기 밸브와 흡기 밸브의 작동 타이밍을 개별적으로 구현하기가 어렵습니다.
DOHC는 OHV에서 파생된, 오늘날 가장 많이 사용하는 엔진 트레인 구성이며 일반적으로 실린더당 2개의 캠축과 4개의 밸브로 이루어져 있습니다. 하나의 캠 샤프트가 흡기 밸브를 작동하고 다른 캠 샤프트는 반대쪽의 배기 밸브를 제어합니다. 캠 샤프트 사이의 간격을 조절하여 흡기 밸브와 배기 밸브의 각도를 조절 할 수 있으며 이를 통해 엔진의 공기 흐름을 효율적으로 컨트롤 할 수 있습니다. 더 작은 엔진 볼륨에서 더 많은 마력을 생성 할 수 있는 것이죠.
DOHC 엔진은 SOHC에 비해 크기도 커지고 설계 또한 복잡해집니다. 구성품도 그만큼 많아지고 타이밍 벨트의 교체 주기 또한 짧아 지기 때문에 유지 보수 측면에서도 비용이 증가합니다.
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