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밸브기구는 엔진의 성능을 좌우하는 중용한 시스템이다.
혼합기와 연소가스의 통로를 개폐시켜 주는데, 재빠른 동작, 타이밍, 밀폐성능이 POINT이다.
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실린더(실린더 블록)
4 사이클엔진에는 피스톤의 작동과 혼합가스에 의한 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4개행정이 있다.
이 4행정의 경우 흡입과 배기 행정에서는 연소실이 실린더 외부와 연결된 상태로 되며, 또한 압축과 폭발 행정의 경우에는 완전하게 밀폐된 상태가 되지 않으면 않된다.
이와같이 실린더와 외부와의 밀폐역할을 해주는것이 밸브라고하는 부품으로 밸브를 엔진회전에 맞도록 정확하게 개폐시켜주는 기구를 밸브개폐기구 또는 밸브시스템이라고 부른다.
밸브의 구조와 작동
밸브는 아래의 그림과 같이 버섯의 머리부분을 거꾸로 놓은 형상과 같다.
그림에서 밸브 표면이라고 불리는 부분이 실린더헤드로 삽입되어 밸브시트와 밀착됨으로써 연소실내의 밀폐상태를 유지시켜준다.
밸브에는 혼합기가 흡입되는 흡입밸브와 연소실 배기가스를 배출하는 배기밸브가 있다. 일반적으로 흡입밸브쪽의 직경이 크지만 최근에는 밸브의 복수화가 유행하며 "흡입2, 배기1"의 3밸브방식과 "흡입2, 배기2"의 4밸브방식이 다수를 차지하고 있다.
그래서 실린더 1개당 4개밸브가 설치된 4기통엔진을 16밸브라고 부르고 있다.
밸브의 장착상태를 그림으로 간단히 설명하자면 밸브는 스프링힘에 의해 항상 닫히는 쪽으로 압박받고 있다.
스프링은 상부와 하부 스프링시트에 끼워져 있으며 분할식 록장차에 의해 고정되어있다.
스프링이 2겹으로 조합되어 있는것은 엔진고회전시 스프링이 이상진동을 일으켜 파손되는 것을 방지하기 위해서이다.
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오일누유현상
갑자기 가속할때 자기차의 배기가스가 하얗게 되며, 그것도 가속페달을 밟으면 아주 하얗게 되는 경우가 있다.
그런 경우는 오일누유가 그 원인이다.
오일 상방향 누유는 피스톤링이 마찰될 때 실린더하부에서 오일이 연소실로 누유되는 상태이며, 오일 하방향 누유는 밸브의 오일씰과 밸브가이드 또는 밸브시스템이 마모되어 실린더헤드상부에서 오일이 밸브를 타고 연소실로 유입되는 상태를 말한다.
어는경우든지 연소실내에서 혼합기와 동이에 연소되면서 오일이 흰연기로 되어, 배기관으로 배출된다.
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캠은 아래의 그림과 같이 정확히 계란을 잘라놓은 것과 같은 형상을 지니고 있다. 이러한 캠은 캠샤프트상에 일렬로 배치되어 있으며, 캠샤프트타이밍기어를 통해 크랭크샤프트에 의해 체인이나 벨트기어로 구동된다.
또한 캠의 직경중 긴쪽에서 짧은 직경을 뺀것을 "CAM LIFT"량이라고 부른다.
캠샤프트가 회전중 단직경쪽일 경우에는 밸브끝부분을 누리지 않으며, 장직경쪽일 경우에는 강제로 밸브를 눌러주게 된다.
결국 CAM LIFT의 양이 있기 때문에 스프링에 의해 항상 닫혀있는 밸브를 밀어서 열리도록 해준다.
이 리프트량이 큰경우 밸브의 열리는 각도는 크게된다.
또한 리프트량은 같아도 외경을 다르게 함으로써 엔진이 고속형도 되고, 저속형도 되는등 엔진성격을 부여해 주는 중요한 부품이다.
타이밍기어는 크랭크샤프트 회전수보다 정확히 1/2만큼 캠샤프트가 회전하도록 해주는 기어이다.
이것은 크랭크샤프트 2회전으로 4사이클엔진의 4행정이 1번 이루어 지기 때문이다.
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제일 윗쪽 그림에서 흡입밸브와 배기밸브는 크랭크샤프트에서 벨트를 통해 회전되는 캠샤프트에 의해 개폐되는 구조로 되어있다.
이와같이 캠샤프트가 실린더 상부에 있는 타입을"OHC (OVERHEAD CAMSHAFT)방식이라고 부른다.
다시말해 "DOHC"(TWIN CAM)도 넓은 의미에서는 OHC 방식의 일종이다
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밸브개폐기구의 종류와 특징
≫SOHC (OHC) 방식
현재 주류를 이루는 것으로 고회전, 고압축비를 실현할 수 있는 것이 OHC방식이다. 이방식에 의하면 캠과 밸브 사이의 접속부품이 대폭 감소하여 고회전에서도 타이밍이 틀리지 않도록 회전시켜 준다.
또한 크랭크샤프트의 회전은 밸브타이밍이 정확하도록, 기어같은 것이 주위에 설치되어 있는 코그밸트 또는 체인으로 전달되며, 텐셔너에 의해 자동적으로 장력이 주어지도록 되어 있다.
≫DOHC 방식
OHC 방식의 발전형으로 흡입밸브용과 배기밸브용으로 캠샤프트가 각가 설치되어 있기 때문에 (DOUBLE OVERHEAD CAM)이라고 부른다
이방식은 캠이 직접 밸브를 누르기 때문에 가장 타이밍이 정확한 타입이다.
OHC 방식의 최고 회전수가 고성능 엔진의 경우 6000~7000RPM인데 반해, DOHC 방식은 8000~9000RPM에 육박하는 것도 출현하고 있다.
즉, 캠샤프트를 배기측, 흡기측에 따로 설치하므로 밸브를 복수로 하는것이 가능하며 흡입 및 배기효과도 향상된다.
≫ SIDE VALVE 방식
가장 간단한 형식으로 밸브를 캠으로 누르기 때문에 각부품의 틈새를 걱정할 필요가 적은 방식이다.
그러나 밸브가 피스톤과 같은 횡방향으로 설치되어 있어 여기에 적합하게 연소실도 옆으로 길게하는 것이 필요하며, 저압축비 엔진 밖에 사용할 수 없다.
이때문에 현재는 거의 사용되지 않고 있다.
≫OHV 방식
SIDE VALVE 방식의 문제점을 해결하며, 혼합기를 보다 많이 실린더내로 유입하기 위해서는 밸브가 윗쪽에 있는것이 좋다.
그래서 캠샤프트는 사이드밸브와 같은 위치에 있는 반면 밸브를 위로 이동시켜, 그 사이를 PUSH ROD와 ROCKER ARM으로 연결하여 작동시키는 방식이 OHV (OVERHEAD VALVE)방식이라고 부른다.
이 방식에 의하면 연소실 문제는 해결되므로, 바로 최근까지 대부분의 엔진이 이방식을 작용하였지만 고회전시 PUSH ROD의 왕복운동과 타이밍이 틀린 경우 및 각부의 틈새 조정을 부지런히 해야하므로 현재는 그다지 적용되고 있지 않다.
밸브복수화의 효과
주행차들의 바디에 16VALVE, 24VALVE등의 스티커가 붙어있는 것을 볼수 있듯이 4기통 16밸브의 경우와 6기통 24밸브의 경우 모두 같은 4밸브로 되어 있다.
과연 밸브의 복수화로 어떤효과를 볼 수 있을까?
하나는 흡입, 배기구의 면적이 크게 된다는 것이다.
고속회전의 경우 당연하지만 다량의 혼합기와 배기가스를 유입, 유출시키기 위해서는 면적이 큰것이 유리하다.
다음으로 중량이 감소된다.
1초간에도 수십번씩 개폐되지 않으면 안되는 밸브는 가벼울수록 좋다.
더구나 스파크플러그를 연소실의 정중앙에 설치할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 점 때문에 DOHC의 복수밸브방식은 성능 향상을 위해서는 좋은 방식이지만 부품이 복잡하며, COST가 높다.
또한 최근에는 SOHC방식에 3~4밸브방식을 적용하여 기존 OHC방식을 개선하면서 COST를 낮추는 것도 출현하고 있다.
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여기서는 밸브기구의 종합으로서 4사이클 4행정사이에 밸브가 어떻게 작동하는지를 볼 수 있다.
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흡입행정
흡입행정에서는 피스톤의 하강과 더불어 실린더는 진공과 가까운 상태로 되어 흡입관을 통하는 혼합기가 흡입밸브를 통해 흡입되어진다.
또한 흡입행정의 초기에는 배비밸브가 열려 흡입되고 있는 혼합기에 의해 배출되어 진다.
이와 같이 흡입, 배기의 양밸브가 열려있는 상태를 VALVE OVERLAP상태라고 부른다.
압축행정
피스톤이 하사점(최저위치)을 지난후 상승하면 압축행정이 시작된다.
그러나 흡입밸브는 압축행정초기까지 열려있다.
피스톤의 상승에 따라 흡입밸브가 완전히 닫히면, 실린더내의 압력이 상승한다. 이 상태로 상사점(최고위치)까지 도달하면 피스톤도 흡입과 압축의 1왕복, 다시말해 크랭크샤프트가 1회전하게 된다.
연소행정
피스톤이 혼합기의 압축을 완료한 시점에 점화플러그에서 화염이 발생한다. 압축된 혼합기에 불을 붙이면 급격한 연소가 이루어지고 이에따라 가스는 팽창하기 때문에 순간적으로 실린더의 압력이 급상승하여 피스톤을 아래로 밀어낸다. 이때 이 힘에 의해 크랭크사프트가 회전된다.
피스톤에 힘이 가해지는 것은 이 행정으로서 단기통 엔진의 경우 나머지 행정에서는 관성력에 의해 크랭크샤프트가 회전하게 된다.
배기행정
4사이클 최후의 행정이 배기행정이다.
혼합기의 연소가 완료되어 열팽창된 가스에는 압력이 없기 때문에 피스톤이 상승함에 따라 배기밸브를 밀어서 열어준다.
그리고 다시 흡입행정이 시작된다.
여기에서 크랭크샤프트는 2회전하게 된다. 뿐만 아니라 배기상태를 좋게하기 위해서 배기밸브는 연소행정의 종료시점에 열려 흡입행정의 초기까지 그 상태를 지속시켜야 한다.
SHORT STROKE와 LONG STROKE
각 행정그림에 표시되어 있는바와 같이 실린더내 피스톤의 최상위위치(상사점)에서 최하위위치(하사점)까지의 거리를 스트로크라 부른다.
이에 반해 실린더 내경을 보어(BORE)라 부근다.
보어보다 스트로크가 큰 엔진을 롱 스트로크라고 하며, 반대의 경우를 쇼트 스트로크라고 부른다.
반면 보아와 스트로크가 같은 경우을 특히 SQUARE STROKE라고 부른다.
일반적으로 LONG STROKE엔진은 고토르크형으로 지나친 고회전용에는 맞지 않으며, SHORT STROKE엔진은 고회전용으로 사용된다.
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