자동차 밸브 구동계

밸브 구동계는 캠의 회전을 밸브에 전달하는 구조에 따라 여러 종류로 나뉘며, 밸브가 열리는 양과 시기는 캠의 단면 모양에 따라 결정된다. 엔진 회전수에 관게없이 최적의 효율과 성능을 내기 위해 가변 밸브시스템이 쓰이기도 한다.

 

밸브 구동계의 구성과 종류

엔진에는 실린더로 공급되는 혼합기(흡기)와 연소 후 남은 가스(배기)의 흐름을 조절하기 위한 밸브가 있는데, 주로 넓은 바닥면과 가늘고 긴 기둥(스템, stem)이 이어진 버섯 모양의 포핏 밸브(poppet valve)가 쓰인다. 이 밸브와 밸브를 구동하기 위한 기계적 구조를 밸브 구동계(valve train) 또는 밸브 시스템(valve system)이라고 한다.

밸브는 실린더 헤드의 흡기 및 백 통로(포트, port)와 실린더의 연소실 사이에서 열리고 닫혀 혼합기(흡기)와 배기가스(배기)의 흐름을 조절한다. 일반적인 엔진에서 밸브는 캠(cam)에 의해 작동된다. 밸브를 조절하는 캠은 단면(프로파일, profile)이 계란 모양으로 생겼고, 회전축이 뾰족한 부분 반대편으로 치웇 있는 편심 캠(eccentric cam)이다. 이 캠에서 뾰족하게 튀어나온 부분으 캠 로브(cam lobe)라고 하고, 여러 개의 캠이 회전축을 따라 나란히 배열된 것이 캠샤프트다. 밸브 구동계는 캠의 회전을 밸브에 전달하는 구조에 따라 여러 종류로 나뉘는데 요즘의 자동차용 엔진에 쓰이는 밸브 구동계 중 가장 오래된 것은 OHV(Over-head Valve)또는 푸시로드(pushrod)바식이다. 이 방식은 크랭크샤프트에 가까운 엔진 블록에 캠샤프트가 자리잡고, 캠으로 실린더 위의 실린더 헤드에 있는 밸브를 움직이기 위해 푸시로드라는 긴 막대와 로커 암(rocker arm)을 이용한다. 이 방식에서 캠 로브는 푸시로드를 실린더 위쪽으로 밀어 올린다. 그러나 밸브는 실린더 아래쪽으로 움직여야 열리므로, 푸시로드의 움직임을 반대 방향으로 바꿔주는 로커 암이 필요하다. 로커 암은 두 개의 꼭짓점 사이에 회전축이 있는 일종의 지레로, 한쪽 꼭짓점을 위로 밀면 반대쪽 꼭짓점에 닿아 있는 밸브 스템(valve stem)은 아래로 밀려 내려가 열린다. 푸시로드의 끝을 캠 로브가 지나 푸시로드가 내려오면 밸브는 밸브 스프링에 의해 자동으로 닫히고 로커 암도 움직이기 전 상태로 돌아온다. OHV방식 엔진의 캠샤프트는 크랭크샤프트와 가깝기 때문에, 크랭크샤프트 끝의 기어나 짧은 체인으로 구동하는 것이 일반적이다. 그러나 OHV 방식은 푸시로드의 관성 때문에 엔진 회전수가 빠를 때에는 효율이 떨어지는 단점이 있다. 이런 단점을 보완하기 위해 개발된 것이 OHC(Over-head Camshaft)방식이다. OHC방식에서는 말 그대로 캠샤프트가 실린더 헤드 위에 자리잡는다.

기본적인 OHC방식은 한 개의 캠샤프트가 흡기와 배기 밸브를 모두 조절하는 SOHC(Single Over-head Camshaft)이다. 캠샤프트는 타이밍 밸트(timing belt) 또는 타이밍 체인(timing chain)으로 크랭크샤프트와 연결되어 움직이고, 캠은 로커 암과 직접 연결되어 밸브를 열고 닫는다. 이 방식은 OHV방식에 비해 빠른 회전수에서도 효율이 높다.

SOHC방식과 달리 DOHC(Double Over-head Camshaft)방식은 두 개의 캠샤프트가 각각 흡기와 배기 밸브를 따로 열고 닫는 방식이다. 대부분 로커 암 없이 캠이 직접 밸브를 열고 닫기 때문에 SOHC방식보다 정확하고 직접적으로 밸브를 여닫을 수 있다. 또한 밸브의 개수를 늘리면 흡기와 배기의 흐름을 더욱 원활하게 할 수 있는데, DOHC방식은 흡기와 배기 밸브를 따로 조절할 수 있기 때문에 밸브의 개수를 눌려도 구조적인 부담이 적다. 일반적인 멀티 밸브 엔진들이 대부분 DOHC방식을 쓰는 이육 바로 이 때문이다.

 

크랭크샤프트의 회전에 맞춰 밸브를 구동시키는 구조를 밸브구동계라고 한다.            아래쪽 크랭크샤프트의 회전이 기어와 체인 또는 벨트를 통해 캠샤프트로 전달된다

 

밸브 구동계의 핵심 : 캠의 단면 모양

밸브는 엔진의 4개 행정(흡기-압축-폭발-배기) 중 흡기와 배기 때에만 열려야 하므로 크랭크샤프트가 두 번 돌 때 캠샤프트는 한 번만 돈다. 따라서 엔진회전수가 빨라지면 밸브도 그만큼 빨리 열리고 닫힌다. 즉, 밸브의 열리는 양과 시간은 캠의 단면 모양(포로파일, profile)에 의해 결정된다. 이런 밸브의 움직임을 피스톤의 운동과 연관지어 생각해 보자. 흡기 밸브는 배기 행정이 끝나고 피스톤이 실린더 안에서 가장 위로 올라가 흡기 행정을 시작하기 위해 아래로 내려가기 시작하는 지점(상사점, TDC)부터 열리기 시작한다. 흡기가 끝나는 것은 피스톤이 가장 아래로 내려가 압축 행정을 시작하기 위해 위로 올라가기 시작할 때이므로, 흡기 밸브는 이때 완전히 닫히게 된다. 배기 밸브는 폭발 행정이 끝나고 피스톤이 가장 아래로 내려가 배기 행정을 시작하기 위해 위로 올라가기 시작하는 지점(하사점, BDC)부터 열리기 시작한다. 배기가 끝나는 것은 피스톤이 가장 위로 올라가 흡기 행정을 시작하기 위해 아래로 내려가기 시작할 때 이므로, 배기 밸브는 이때 완전히 닫히게 된다. 크랭크샤프트의 회전이 느리고 빠른 것에 상관없이 밸브는 기본적으로 이와 같은 동자글 계속한다. 그런데 엔진(크랭크샤프트) 회전수가 빨라지면 흡기와 배기의 흐름도 그에 맞춰 빨라져야 하는데, 실제로는 그렇게 되지 않는다. 특히 피스톤이 아래로 내려가면서 실린더 안에 생기는 압력 차이를 이용하는 흡기는 더욱 그렇다. 피스톤이 움직이는 속도가 빨라지면 실린더로 빨려 들억는 혼합기의 속도도 빨라지기 때문이다. 예를 들어 엔진 회전수가 1,000rpm일 때에 밸브는 1분에 500번, 1초에 약 8.3번 열리고 닫힌다. 그러나 엔진 회전수가 6,000rm에 이르면 밸브는 1분에 3,000번, 1초에 50번 열리고 닫힌다. 이 정도 속도가 되면 필요한 만큼의 혼합기가 미처 실린더에 모두 공급되지 않은 상태에서 밸브가 닫혀버릴 수도 있다. 이 때문에 엔진회전수가 빠를 때에는 흡기 밸브가 조금 더 오랜 시간동안 열려 있어야 충분한 양의 혼합기가 실린더로 공급될 수 있다. 즉, 엔진회전수가 빠르고 혼합기가 빠르게 실린더로 공급될수록 흡기 밸브는 더 오랫동안 열려 있어야 한다. 그러나 캠의 단면 모양은 고정되어 있기 때문에 밸브의 열리는 양과 시간은 정해져 있다. 그래서 일반적인 구조의 밸브 시스템은 특정한 엔진 회전수에서만 밸브의 작동이 최적의 상태가 되고, 그렇기 때문에 캠의 단면 모양은 엔진의 특성을 결정하는 중요한 요소 중의 하나가 된다. 캠의 단면 모양을 낮은 엔진 회전수에 최적화하면 회전수가 높을 때에는 효율이 낮아지고, 높은 회전수에 최적화하면 반대의 결과가 나온다. 그래서 대부분의 엔진들은 특정한 엔진회전수에서의 성능을 희생하더라도, 많이 쓰이게 될 회전수에 최적화해 캠의 단면 모양을 결정한다.

 

가변 밸브 시스템

엔진회전이 빠를 때에는 흡기 밸브가 오래 열리는 것이, 느릴 때에는 흡기 밸브가 짧게 열리는 것이 효율과 성능, 배기가스 면세서 바람직하다. 이런 조건을 충족시키기 위해 개발된 것이 가변 밸브 시스템이다. VTEC(혼다), 바리오캠(포르쉐), VVT(토요타) 등 메이커에 따라 다양한 명칭으로 불리며 크게 캠 페이징(cam phasing)과 캠 체인징(cam changing)의 두 가지 방식으로 나눌 수 있다. 캠 페이징 방식은 캠샤프트의 작동각도를 바꾸는 것으로, 빠른 엔진회전수에서는 캠샤프트를 낮은 회전수일 때보다 먼저 열리도록 캠샤프트의 각도를 바꾸어 혼합기를 빨리 받아들이기 시작한다. 캠샤프트의 갇도는 정해진 엔진회전수를에 이르면 엔진 제어 컴퓨터가 캠샤프트 기어 안의 장치를 유압펌프로 조정해 바꾼다. 이 방식은 캠의 모양이 그대로 유지되기 때문에 밸브가 열려 있는 시간과 열리는 양(리프트량)은 조절할 수 없고, 밸브의 열리고 닫히는 시기만 빨리 혹은 늦게 조절할 수 있다. 그러나 밸브 구동게의 구조 변경이 비교적 간단하기 때문에 많은 메이커들이 이 방법을 쓰고 있다. 간단한 캠 페이징 방식 VVT는 2단계난 3단계의 고정된 각도로 캠샤프트의 작동각도를 바꾸게 되어 있다. 그러나 최근에는 회전수에 맞게 필요한 각도를 유연하게 조절할 수 있는 연속 가변 밸브 타이밍(CVVT : Continuously Variable Valve Timing)기술을 쓰는 엔진이 늘어나고 있다. BMW의 바노스(VANOS), 포르쉐의 바리오캠(VarioCam), 토요타의 VVT-i, 닛산의 N-VCT, 현대의 CVVT등이 캠 페이징 방식의 VVT이다. 캠 체인징 방식은 많이 쓰이는 회전수 영역에 맞춰 단면 모양을 다르게 만든 캠을 2개 이상 마련하고, 회전수 변하에 따라 각기 다른 캠을 쓰도록 만든 것이다. 대부분 밸브마다 낮은 엔진회전수에 적합한 것고 높은 엔진회전수에 적합한 것으로 캠을 2개 마련하고, 유압에 의해 캠의 작동을 조절하도록 되어 있다. 캠 체인징 방식은 밸브의 작동시기뿐 아니라 밸브의 열림량과 열려 있는 시간도 조절할 수 있어 캠 페이징 방식에 비해 높은 효율과 성능을 얻을 수 있다. 그러나 캠마다 개별적으로 유압 조절장치를 달아야 하기 때문에 구조가 복잡하고, 작동되는 캠이 바뀔 때 엔진의 작동특성이 급격하게 변하는 단점이 있다. 포르쉐의 바리오캠 플러스, 혼다의 VTEC, 닛산의 VVI, 토요타의 VVTL-i 등이 캠 체인징 방식의 VVT다. 최근에는 엔진회전수에 관계없이 최적의 효율과 성능을 얻기 위해 캠 페이징과 캠 체인징 방식을 혼합한 방식도 나오고 있는데 BMW 밸브트로닉이 대표적이다. 또하 캠을 아예 없애고 전자석(솔레노이드)을 이용해 밸브를 여닫는 기술도 실용화를 위해 개발 중이다. 이 기술은 캠샤프트가 필요 없기 때문에 엔진의 크리와 무게, 소음과 진동을 줄일 수 있을 뿐 아니라 우수한 연비와 배기 가스 특성 및 높은 성능을 기대할 수 있지만 아직 실용화된 경우는 없다.

 

 

 

 

 

 

 

 

출처 : 카라이프