자동차공학)가솔린 엔진 (밸브 기구)

가솔린 엔진에서 밸브 기구에 대하여 알아보자. 밸브 기구(valve mechnism)은 흡·배기밸브를 정확한 시기에 개폐할 일련의 장치를 말한다. 작동방법 및 구성요소는 밸브 개폐기구에 따라 다르다. 가솔린 엔진은 주로 오버 헤드 캠축식(OHC)을 사용되고 있으며, 이 형식은 크랭크 축과 캠 축이 벨트로 연결되어 있고 캠 축의 회전에 의해 직접 밸브를 여닫고 있다.

 

1. 밸브 개폐기구

2. 밸브, 밸브 시트, 밸브 스프링

3. 밸브 간극

4. 캠, 캠축

5. 가별밸브 타이밍

 

1. 밸브 개폐기구

밸브 개폐기구는 밸브의 배치 및 연소실의 형상에 따라 구성 부품도 다르지만, 현재는 흡기밸브, 배기밸브가 모두 연소실 상부에 부착된 오버 헤드식이 사용되고 있다.

 

오버 헤드 밸브(OHV)식 : 캠축이 실린더 블록 내에 있어 캠의 움직임을 태핏, 밸브 리프트, 푸시로드, 로커 암을 통하여 밸브 개폐를 행한다. 밸브가 밸브 스프링력에 이해 닫혀 있으나 캠축이 회전하여 캠의 산이 태핏(tappet)에 오면 밸브 리프터를 밀어 푸시로드(push rod)가 상승되고 이것이 밸브 로커 암의 한쪽  끝을 밀게 되면 로커 암의 다른쪽 끝이 밸브를 밀어 흡기밸브 및 배기밸브를 열게 한다. 이 형식은 소형이며 밸브 면적도 크게 설계할 수 있어 출력의 향상을 꾀할 수 있다는 장점이 있다.

 

오버 헤드 캠축(OHC)식 : 캠축이 실린더 헤드에 설치되어 캠이 직접 로커 암을 움직이지는 형식이다. 직접 구동방식과 간접 구동방식이 있으나 주로 직접 구동방식이 많이 사용된다. 이 방식은 실린더 헤드의 구조가 복잡하다는 단점은 있으나 밸브 기구의 왕복운동 관성력이 적어 밸브의 가속도를 크게 할 수 있다. 그 결과 고속에서도 안정된 밸브 개폐를 할 수 있어, 고속성능의 향상 및 저속에서 고속까지 신속하게 회전수를 높일 수 있다는 장점이 있다.

 

2. 밸브, 밸브 시트, 밸브 스프링

 

밸브 : 밸브는 축부(valve stem), 우산모양의 우산부로 구성되어 있다. 밸브는 엔진 작동 중 고온·고압의 연소가스를 직접 접촉하고, 고속회전에서도 캠의 움직임에 확실히 추종할 수 있어야 하므로 내열성이며 경량의 니켈-크롬강 등의 특수강으로 제작되고 있다. 최근에는 고강도 티탄 합금재 밸브도 개발되고 있다. 특히 배기밸브에는 축부와 우산부를 다른 재료로 용접한 것과 축부를 중공화하여 경량화를 도모함과 동시에 중공부분에 비열이 큰 금속나트륨을 봉입하고 밸브의 온도 저감을 도모한 나트륨 봉입 중공 배기밸브를 사용하여 내구 신뢰성의 향상을 꾀하고 있다. 일반적으로 밸브 지름은 충전효율을 향상시키기 위하여 흡기밸브를 배기밸브보다 크게 설계하고 있다.

 

밸브 시트 : 밸브 시트(valve seat)는 밸브 페이스가 접촉하는 시트로서 보통 밸브 페이스와 같은 각도로 되어 있다. 밸브 시트는 폭발열에 의해 고온의 연소가스와 항상 접촉하므로 열적 변형 및 부식성이 크기 때문에 시트 링(seat ring)을 만들어 이것을 실린더 헤드 밸브 자리에 강한 힘으로 끼우는 경우가 많다.

 

밸브 스프링 : 밸브는 실린더 내의 고압의 연소가스가 새지 않도록 스프링력에 의해 잡아 당겨 밀폐시키고 있다. 밸브 스프링은 코일 스프링으로서 밸브마다 1개를 가지는 것이 보통이나 대형 엔진에서는 2개 또는 3개를 사용하는 것도 있다. 재질은 주로 실리콘 - 망간간, 크롬 - 바다륨강 등의 내열 특수강이지만 티탄 합금재도 개발되고 있다. 고속회전에서 스프링이 공진(surging)을 일으키면 밸브의 운동이 불안정하게 되므로 스프링의 권수나 하중설계에 주의가 필요하다.

 

3. 밸브 간극

밸브가 열을 받아 열팽창이 생기면 밸브 길이가 길어져 밸브의 완전개폐가 이루어지기 어렵게 된다. 이를 위해 밸브간극을 부여한다. 밸브 간극(valve clearance)이 너무 크면 밸브가 열릴 때 밸브 스템 끝에 강한 접촉에 의해 따른 소음 발생과 밸브가 완전히 열리지 않는다. 매우 작으면 엔진 온도가 상승하면 열팽창이 생겨 이 간극이 유지될 수 없기 때문에 완전히 닫힐 수가 없게 되어 가스가 새게 된다. 일반적으로 밸브간극은 흡입밸브는 0.15~0.40mm, 배기밸브에서는 0.20~0.45mm이다. 최근 승용차는 밸브간극 자동조절장치가 채용되어 있다. 자동조절장치(auto rash adjuster)는 엔진의 유압에 의한 온도변화, 각 부의 마모 등에 의한 밸브 간극의 변화를 자동저그로 흡수 조정하고, 로커 암과 밸브의 틈을 항상 0으로 유지하는 기구로서, 제로 래쉬 어저스터라고도 한다. 이것은 밸브 간극의 무조정화, 밸브계의 소음 저감의 장점이 있다. 

 

4. 캠, 캠축

 

캠 : 캠은 엔진 작동에 알맞도록 흡기밸브와 배기밸브를 열어 주는 작동을 하며 캠축과 일체로 만들어 진다. 캠은 캠축의 회전에 따라 캠과 접촉된 리프트와 접촉하여 리프트를 밀어 밸브를 열어주고, 밸브가 닫은 작동은 밸브 스프링에 의해 행하게 된다. 즉 밸브가 밸브 시트에서 떨어지게 하는 일은 캠의 구동에 의하고, 밸브를 밸브 시트에서 닫아 두는 일은 밸브 스프링의 탄성에 의한 장력에 의한 것이다. 캠 표면의 곡선은 조금만 변화하여도 밸브의 개폐시기나 리프트가 달라져 엔진성능의 저하를 초래하므로 캠의 재질은 내마모성의 향상을 위하여 부분적으로도 경도를 높이는 처리를 하고 있다.

 

캠축 : 캠축(cam shaft)에는 각 밸브를 개폐할 캠이 설계되어 있고, 이 캠들은 점화순서와 밸브이 개폐시기를 정확한 각도에서 행하도록 배열되어 있다. 4행정사이클기관에서는 크랭크 축이 2회전하는동안, 즉 1사이클 당 흡기 및 배기밸브는 1회씩 개폐하면 된다. 따라서 캠축은 크랭크축 회전수의 1/2의 회전속도로 회전한다. 캠축이 1개인 OHC 엔진을 SOHC(single over head camshaft)라 하고, 2개인 것을 DOHC(double over head camshaft) 또는 트윈 캠이라고 한다. DOHC는 캠축이 2개 있기 때문에 SOHC에 비하여 밸브 작동을 위한 왕복 운동량이 적어지고 밸브 개구 면적을 넓힐 수 있으며, 밸브 1개당 중량을 경감시킬 수 있고 밸브게의 관성중량 및 마찰 손실의 저감을 도모할 수 있어 엔진의 출력을 증가 시킬 수 있다. 크랭크 축과 캠 축 사이에는 벨트 또는 체인으로 연결되어 있으며, 전자를 타이밍 기어 벨트(timing gear belt)에는 주로 콕 벨트(cock belt)가 사용된다. 이것은 내측에 치형을 붙인 유리섬유가 함유된 고무 벨브로서 운전음이 조용하다는 특징이 있다.

 

5. 가별밸브 타이밍

최근 엔진의 전자제어에 가변밸브 타이밍 기구를 채용한 차량이 증가하고 있다. 연속가변 밸브 타이밍(CVVT, continuously variable valve timing) 기구는 엔진 회전수, 차량의 부하 상태에 따라 흡기 캠 축의 위상을 최적의 상태로 변화시키면 결국 밸브 오버랩이 변화되어 배기가스의 저감, 연비 저감, 성능향상, 공회전 안전화를 꾀하고 있는 기구이다. 밸브 오버랩(vavle overlap)이란 흡·배기 밸브가 동시에 열려 있는 구간이다. 저속 영역에서는 배기의 역류에 의한 부정연소를 방지하기 위해 밸브 오버랩이 작은 것이 바람직하고, 고속 영역에서는 대량의 흡기와 폐기의 교환을 짧은 시간에 행하기 때문에 밸브 오버랩이 큰 쪽이 바람직하다. 이 양쪽의 요구를 만족시키는 것이 가변 밸브 타이밍 기구이다. 여기에는 캠 프로파일(profile) 가변형과 캠 위상 가변형이 있다.

 

캠 프로파일 가변형 : 저속형과 고속형에 적합한 2개의 캠을 준비하여 운전조건에 따라 저속용과 고속용으로 연속적으로 밸브기구를 유압으로 전환하여 상용하는 방법이다. 따라서 캠의 프로파일을 저속 영역에서는 밸브 개도를 좁게, 밸브 리프트량을 낮게 하고, 고속 영역에서는 밸브개도를 넓게 밸브 리프트량을 높게 하여 출력 및 배기성능을 향상시키고 있다. 밸브 타이밍 리프트시스템(variable valve timinglift system)이라고도 한다.

 

캠 위상 가변형 : 캠 축의 중심각을 상대적으로 회전시킬 수 있도록 가변으로 하는 방식으로 밸브 개도와 밸브 리프트량은 변하지 않고 밸브 개폐시기만 변화시키는 형식이다. 이 형식은 크랭크 축과 캠 축의 위상을 어긋나게 하는 비교적 간단한 구조로 되어 있어 장착이 쉽고 신뢰성이 높다. 가변밸브 타이밍 시스템(variable vavle timing system)이라고도 한다.