크랭크 축을 이용한 밸브 시스템과 타이밍(+엔진 본체 11가지)

밸브 시스템은 크랭크 축의 회전을 이용해 캠을 여닫고 밸브 타이밍은 흡배기 밸브를 여닫는 타이밍으로 미묘한 오차가 있습니다.

실제 밸브 시스템에서는 축 하나의 여러개의 캠을 한꺼번에 연결한 캠축이 사용됩니다. 그리고 크랭크 축에 크랭크축 폴리의 회전이 타이밍 벨트라는 벨트를 통해 캠축에 장착된 캠축 폴리에 전달됩니다. 크랭크축은 일련의 4행정 진행되는 사이에 2회전을 하는데, 이때 캠축은 1회전만 해야하기 때문에 캠축 폴리의 지름을 크랭크축 폴리의 지름보다 2배로 만듭니다. 벨트와 폴리가 아니라 체인과 스프로킷을 사용하는 경우도 있다.

오버헤드 캠축식

현재 밸브 시스템의 주류는 오버헤드 캠축식입니다. 캠축이 엔진의 상부에 위치하기 때문에 이렇게 부릅니다. 그리고 캠축이 한 개인 방식을 싱글 오버헤드 캠축식, 두개인 방식을 더블 오버헤드 캠축식이라고 합니다. V형이나 수평 대향형 엔진의 경우는 각각의 뱅크에 밸브 시스템이 장착됩니다.

SOHC식의 경우 흡배기 밸브 중 한쪽은 전동식으로, 다른 한쪽은 암으로 구동합니다. 아니면 양쪽을 모두 암으로 구동합니다. 흡배기 밸브의 스템이 이루는 각도는 흡베기의 흐름에 영향을 끼치기 때문에 엔진을 설계할 떄 중요한 요소가 됩니다. SOHC식은 설계의 자유도가 낮기 때문에 점화 플러그의 전극을 비스듬하게 돌출시켜야하는 경우도 많습니다.

한편 DOHC식의 경우 암이 사용될 때도 있지만 관성력의 영향으류 암의 움직임이 나빠질 수 있기 때문에 작동식이 많습니다. 설계의 자유도가 높아서 점화 플러그의 전극을 수직으로 돌출시킬 수 있다. 다만 엔진 상부가 거대해지기 쉽습니다.

SOHC식 : 흡배기 밸브 양쪽을 로커암으로 구동시키는 방식으로 때떄로 로커암과 스윙암을 조합하거나 작동식과 로커암을 조합하기도 합니다.
DOHC식 : 흡배기 밸브 양쪽 모두 직동식이지만, 로커암이나 스윙암을 병용하는 경우도 많습니다.

밸브 타이밍

엔진이 4행정을 설명할 때 흡배기 밸브는 피스톤이 상사점과 하사점에 있을 때 열리고 닫힌다고 말했는데, 실제 엔진에서는 일찍 열리고 늦게 닫힐 떄가 많습니다. 이는 흡배기나 밸브가 관성의 영향을 받기 때문에 일어나는 일로 이런 밸브의 개폐시기를 밸브 타이밍이라고 하며 이것을 크랭크축의 회전 각도에 대응해 그린그림을 밸브 타이밍 다이어그램이라고 합니다.

흡기 행정에서 피스톤이 내려가기 시작하는 순간에 흡기 밸브를 열어도 곧바로 완전히 열리지는 않을뿐더러 그때까지 정지해 있던 공기도 즉지 움직이지는 않기 때문에 밸브는 조금 일찍 열립니다. 그리고 피스톤이 하사점에 이르러 다시 올라가기 시작하면 실린더 안의 압력이 높아지는데, 계속 흘러들어오고 있는 공기의 기세가 내부의 압력보다 강한 동안 흡기가 계속됩니다. 이때문에 밸브가 늦게 닫힙니다.

배기 행정에서 피스톤이 올라가기 전에 배기밸브를 열면 연소 가스의 압력이 빠져나갈 것같지만, 하사점 부근에서 이미 압력 상스이 끝난 상태이기 때문에 손실은 발생하지 않습니다. 또 흡기가 시작되어 잠시 동안은 배기 밸브가 열린채로 있습니다.

밸브 오버랩

이에 따라 기세 좋게 흘러가는 연소 가스가 공기를 끌어들이느 효과와 흘러들어오기 시작한 공기가 연소 가스를 밀어내는 효과를 기대할 수 있습니다. 이와 같이 양 밸브가 모두 열려있는 시기를 밸브 오버랩이라고 합니다. 다만 오버랩을 할 떄 일부러 연소 가스를 남겨서 연소를 좋게 하거나 대기 오염 물질을 줄이는 방법도 있으며, 최적의 밸브 타이밍은 엔진의 운동 상태에 따라 변합니다. 그래서 현재는 밸브 타이밍이나 밸브가 열린 상태로 상황에 맞춰 변화시키는 가변 밸브시스템을 탑재하는 엔진이 증가하고 있습니다.

엔진 본체

일반적으로 엔진의 골격이 되는 실린더 블록과 실린더 헤드에 주운동계에 동변계까지 포함해서 엔진 본체라고 합니다. 하지만 이것만으로 엔진이 온전하게 기능하지는 낳습니다. 엔진을 가동시키기 위해서는 보조 기구가 필요합니다.

보조 기구

보조 기구로는

연소에 필요한 공기를 흡기 장치
연소 가스를 원활하게 배출하는 배기 장치
연료를 공급하는 연료 공급 장치
연료에 불을 붙이는 점화 장치
적정 온도를 유지하는 냉각 장치
내부의 부품이 원활하게 움직일 수 있도록 하는 윤활장치
엔진을 가동시키는 시동 장치
점화 장치나 시동장치 등에 필요한 전력을 발전하고 저장하는 충전장치
엔진에 따라서는 터보차저 등의 과급 장치가 추가되기도 합니다.

엔진을 제어하는 엔진 컨트롤 유닛은 연료 공급 장치의 일부로 취급되어 왔지만, 현재는 하나의 보조 기구로 다뤄도 될만큼 중요한 존재입니다.

이들 보조 기구는 엔진 본체에 장착되는 부분도 있고 독립된 부분도 있습니다. 보조 기구에 대해서는 다음 블로그 글에서 함꼐 설명하도록 하겠습니다.

엔진 개발에는 비용과 시간이 많이 들어가기 떄문에 똑같은 엔진 블록에 여러 실린더 헤드를 조합해서 다양한 성격의 엔진을 만드는 경우도 있습니다. 이떄 연소실의 모양이나 밸브 시스템 등이 바뀝니다. 보조 기구도 마찬가지이여서, 흡기 장치나 배기장치, 연료 공급 장치, 점화 장치등을 다른 장치로 바꿔서 엔진 성능에 변화를 줄 수 있습니다.

한편 충전 장치나 시동 장치 등은 다양한 엔진에 모두 쓰일 수 있는 범용으로 개발되는 경우가 정말 많습니다. 이런 경우네는 대량 생산을 통한 비용 절감을 도모할 수 있기 떄문입니다. 그 밖의 보조기구도 부품 단위에서 범용화가 진행되고 있습니다.