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밸브
밸브(Valve)는 연료의 흡입과 연소 후 배기가스의 배출을 담당하는 장치이다.
개요
밸브는 액체 또는 가스의 흐름을 제어할 목적으로 흐름 통로를 개폐하기 위한 것이다. 혼합 가스를 연소실 안에 흡입하거나 연소된 배기가스를 배출하기 위해 실린더에 설치된 구성 부품으로, 흡기 밸브와 배기 밸브는 피스톤이 1사이클을 작동하는 극히 짧은 시간에 원활히 작동함으로써 체적 효율을 높이고, 두 밸브가 닫혀 있는 압축 및 연소 행정에서는 충분한 기밀을 유지함과 동시에 연소 가스의 고온이나 장시간의 운전에 견디는 등의 어려운 조건을 충족해야 한다.[1] 밸브는 일반적으로 엔진에 장착되며 흡기밸브와 배기밸브로 나누어진다. 밸브 각각의 명칭의 의미처럼 연료의 흡입과 연소 후 배기가스의 배출을 담당한다. 흡배기 밸브는 이처럼 연소에 직접적인 영향을 주는 흡합기(공기와 연료의 혼합)의 유출입을 컨트롤하는 부품이기 때문에 구동방식에 따라 엔진의 연소 효율과 성능에 큰 영향을 준다. 보통 흡배기 밸브를 구성하는 기구 일체를 밸브 시스템이라고 한다. 동변계라고도 불리는 이러한 기구 시스템은 크게 기둥 형태의 밸브 스템과 원형의 밸브 헤드로 구성된다. 그리고 이 밸브 헤드 부분이 연소실과 연결된 공기의 통로인 밸브 포트의 입구에 위치하여 공기의 흐름을 통제하게 된다. 또한 밸브 스템에는 밸브 스프링이 장착되어 밸브가 열리고 닫히는 것을 도와준다. 일반적인 흡배기 밸브 시스템의 경우 캠 샤프트를 통해 움직임이 컨트롤된다. 크랭크축과 캠축을 벨트나 체인 등의 매개체로 연결해 크랭크 축이 캠축을 구동하고 캠축이 밸브 시스템을 움직이게 한다. 피스톤의 직선운동에서 전환된 크랭크 샤프트의 왕복운동은 캠샤프트로 전달되는데 캠샤프트는 회전운동을 다시 한 번 밸브의 상하 직선운동으로 바꾸는 역할을 한다. 기계요소 중 하나인 캠 기구는 단면이 달걀모양인 캠과 캠샤프트로 이루어져 있다. 달걀 모양의 캠은 캠축을 중심으로 돌출된 부분이 있는데, 캠이 회전하다 이 부분이 밸브의 윗면을 누르면 밸브가 열리고 돌툴되지 않는 면이 닿게 되면 밸브가 닫히는 방식으로 작동한다. 연소의 1사이클인 흡기 압축 폭발 배기가 진행되는 동안 크랭크 축은 총 2회의 회전을 한다. 이때 연소실로 흡합기의 흡입과 연소가스의 배출은 각각 한 번씩만 이루어지는데 이는 1사이클을 완성하는 동안 캠축은 1회를 회전하여 각 밸브가 1번씩 개폐되는 것을 의미한다. 따라서 크랭크 축과 캠축의 기어비는 일반적으로 2배가 되게 설계된다. 이러한 캠샤프트와 밸브 시스템은 밸브의 배치, 캠축의 배치, 실린더 당 밸브 수에 따라 분류할 수 있다.[2]
특징
흡배기 밸브의 밸브 사이즈는 밸브 헤드의 직경으로 표시되는데 흡기밸브가 배기밸브보다 일반적 크다. 보통 배기밸브는 흡기밸브의 70~80% 정도의 사이즈 크기를 가진다. 이는 흡기와 배기의 균형을 유지하기 위한 설계로 흡기시에는 실린더 내 부압(음수 압력)에 의해 바깥에서 공기가 들어오는 반면 배기시에는 연소실 내의 높은 압력에 의해 연소가스가 배기밸브를 통해 쉽게 뿜어져 나갈 수 있기 때문에 흡배기 밸브의 수가 같을 경우 배기밸브가 더 작게 만들어지게 된다. 밸브 헤드와 스템 연결부위도 흡배기 밸브 사이에 두께의 차이가 있다. 흡기밸브는 흡기시에 혼합기의 흐름 저항이 작아지도록 얇게 만들고 배기밸브는 내열성과 상대적으로 높은 온도를 가지는 밸기밸브 헤드의 열전도성을 높이기 위해 두껍게 설계된다. 밸브와 실린더헤드가 맞닿는 밸브 페이스와 밸브 시트는 접촉 마찰로 인해 엔진 연소 시 일부 면에 부분적으로 온도가 높아지는 이상 고온 부분이 생기게 된다. 이러한 고온 부분은 밸브를 급속히 마모시키기 때문에 밸브의 개폐시 밸브를 회전시켜 밸브 면에 열원이 생성되는 것을 방지하는 역할을 한다. 밸브 스프링, 중심에서 편재되어 설치된 로커암, 밸브 회전기 등을 이용하여 밸브가 회전할 수 있도록 한다.[2]
구조
일반적인 자동차용 4행정 기관에 사용되는 밸브는 밸브 헤드와 스템으로 구성되어 있다. 밸브 헤드는 연소실과 흡배기 포트를 막는 밸브 끝단으로 밸브 헤드의 밸브 페이스가 실린더 헤드와 접촉, 기밀을 유지하는 역할을 한다. 밸브 시스템은 밸브를 이루는 축(기둥)으로 캐묵으로부터 전달된 에너지를 전달하는 역할을 한다. 이러한 밸브 스템은 실린더헤드의 밸브 가이드에 의해 지지되어 움직임이 컨트롤 된다. 밸브는 캠이 회전 하면서 캠의 돌출부(캠 노즈)에 의해 열리고 밸브 스츠링에 의해 닫히는 구조로 작동된다. 엔진 연소 시 연소실 내 온도는 고출력시 1000도 이상으로 높아진다. 흡배기 밸브는 이러한 고온에 직접적으로 노출되므로 열에 강해야 한다. 또한 행정이 진행되는 동안 밸브가 단단히 닫혀 가스가 새지 않도록 설계되어야 한다. 밸브의 경우 분당 최대 4000번 이상 개폐가 이루어지며 닫힐 때 실런더 헤드와 밸브가 맞닿느느 부분에 지속적인 충격이 가해지기 때문에 높은 내구성이 요구되며 주철, 구리, 주석 합금 도는 크롬, 망간강 소재가 사용된다. 흡배기 밸브 중 특히 열을 많이 받는 부분은 배기밸브다. 흡기밸브의 경우 차가운 외부 공기가 유입되기 때문에 지속적으로 열을 식혀주게 된다. 하지만 배기밸브의 경우에는 계속해서 고온의 열부하와 화학적 부식에 노출이 된다. 따라서 디젤엔진이나 고출력 엔진에는 배기밸브 내부에 나트륨을 채워 열저항을 높인 구조인 중공밸브가 장착되기도 한다.[2]
종류
밸브 기구의 종류[3] 밸브 설치 위치 벨브 수 캠축의 밸치 I헤드 2 벨브 시스템 SV L헤드 3 벨브 시스템 OHV T헤드 4 벨브 시스템 OHC F헤드 5 밸브 시스템 CIH, CIC
흡배기 밸브는 엔진의 효율에 중요한 역할을 하는 장치로 여러 연구와 개발을 통해 흡배기 밸브의 최적의 효율을 이끌어 내는 방식을 찾아왔다. 이러한 밸브기구는 밸브의 배치, 실린더 당 밸브 수 그리고 캠축의 배치에 따라 크게 분류할 수 있다.
- 밸브 설치 위치
밸브는 밸브 설치 위치에 따라서 크게 I형, L형, F형, T형 타입으로 구분할 수 있다. 각각의 타입은 흡배기 밸브가 실린더 헤드 또는 블록에 부착된 모양에 따라 이름이 불린다. I형은 흡배기 밸브가 실런더 헤드에 모두 위치한 형태로 오늘날 자동차에 사용되는 밸브 배치 방식의 가장 대표적인 형태다. L형과 T형은 흡배기 밸브가 I형과 달리 실린더 블록에 설치되는 바익으로 캠샤프트도 엔젠의 측면 또는 하부에 장착된다. F형은 흡기밸브는 실린더 헤드에 배기밸브는 실런더 블록에 나누어 배치되는 형태를 가진다. 3가지 타입 모두 현재는 거의 사용되지 않고 있는 방식이다.[3]
- 밸브 수
일반적인 4행정 기관의 각 실린더에는 흡배기 밸브가 각각 최소 1개씩 설치되느넫 이러한 흡배기 밸브의 수에 따라 밸브 시스템을 분류할 수 있다. 2밸브, 3밸브, 4밸브, 5밸브 시스템이 대표적이며 3밸브 이상을 멀티 밸브라고 부르기도 한다. 밸브 수가 많아질수록 실린더 내 밸브 면적이 넓어져 흡배기 시 혼합기와 배기가스 유출입의 효율이 좋으며 밸브가 소형화되어 좀 더 부드럽고 세밀하게 동작한다. 이 때문에 반응이 좋은 고출력 엔진의 경우 흡배기 밸브가 각각 2개씩 있는 4밸브 엔진이 주류를 이룬다. 한때 3밸브 엔진이 주목받은 시기도 있었지만 점화 플러그 위치나 배기밸브의 크기가 커진다는 단점 등 여러 기술적인 문제와 비용적으로 4밸드 엔진과 크게 차이가 없었기 때문에 많이 사용되지 않는 방식이다. 3밸브 엔진의 또 다른 특징은 스파크 플러그를 연소실 중앙에 장착하기 힘든 경우 2개를 설치하기도 한다. 이와 달리 4밸브나 5밸브의 경우 스파크 플러그를 중앙에 설치하기 용이하며 이로 인해 연소 효율을 노일 수 있다. 5밸브의 경우 흡배기 통로의 연소실 내 단면적을 극대화할 수 있지만 구조가 복잡해져 비용이 높다는 단점이 있다.[3]
- 캠축의 배치
- SV(Side Valve): 먼저 SV방식은 실린더의 양쪽 또는 한쪽에 밸브를 평행하게 설치하는 방식이다. 캠축과 실린더를 가깝게 배치하여 엔진의 크기를 줄이기 용이하고 구조가 단순하다는 장점이 있다. 주로 대형차량에 쓰였지만 최근에는 열효율 등의 이유로 거의 사용하지 않는 방식이다.
- OHV(Over Head Valve): SV 다음으로 나온 형태가 OHV 방식이다. Over Head Valve의 약자로 기존에 사이드에 위치하던 밸브를 실린더 헤드로 옮긴 형태다. 캠샤프트에 연결된 밸브 리프트를 이용해 푸시로드와 로커암을 밀어주며 밸브를 개폐하는 방식으로 캠은 실린더의 옆쪽에 일반적으로 위치한다. 연료 효율이 좋고 비교적 높은 출력을 낼 수 있어 OHC방식 이전에 보편적으로 사용되던 방식이다. 노킹이 잘 일어나지 않고 고압축비를 내기 용이하지만 고회전시 푸시로드와 로커암의 관선모멘트가 커져 흡배기 개폐가 정확하게 이루어지지 않아 흡배기 효율이 떨어지는 단점이 있다. 이로 인해 과거에는 많이 사용되었으나 현재는 비주류 방식의 엔진 타입이다.
- OHC(Over Head Camshaft): OHV의 단덤을 보완하기 위해 등장한 것이 바로 OHC이다. Over Head Camshaft의 약자로 OHV 방식에 비해 푸시로드가 생략되어 캠이 직접 로커암이나 밸브를 움직이게 만든 형태다. 이로 인해 엔진의 고회전시에도 밸브를 정확하게 개폐할 수 있다. OHV 방식에는 캠샤프트 수와 흡배기 밸브 작동 방식에 따라 DOHC와 SOHC로 구분한다. SOHC(Single Over Head Camshaft)는 실린더헤드 위에 달린 캠 하나로 흡기 및 배기밸브를 여닫는 방식이다. 반면 DOHC(Double Over Head Camshaft)는 캠축이 2개인 방식이다. 흡기밸브와 배기밸브를 캠축이 각각 컨트롤하는 만큼 안정적인 흡기와 배기가 가능하다. 각각의 단위시간마다 더 많은 공기를 흡입하려고 엔진의 허용 최고 회전수와 흡입 회전율을 크게 하여 출려을 높인 것이 특징이다. SOHC의 경우 OHV 방식에 비해 고회전, 고출력을 얻기 쉽고, 소음이 적으며 모든 구간에서 고른 토크를 가진다. 부품 수가 OHC와 DOHC보다 적기 때문에 작고 가벼워 저렴하고 정비성도 좋다. 그러나 하나의 캠축이 흡배기 밸브를 모두 담당해야 하기 때문에 밸브 수를 늘리기 어려워 상대적으로 고회전형 엔진을 만들기 어렵다. 또한 밸브 타이밍을 조정할 때, 흡배기 밸브를 별도로 미세 조정할 수 없다는 단점이 있다. DOHC는 SOHC에 비해 흡배기 밸브를 캠샤프트가 나누어 담당하기 때문에 각 캠에 걸리는 부하가 적고, 고회전 및 높은 출력에 용이하다. 또한 다수의 밸브를 적용할 수 있으며 밸브의 배치를 자유롭게 할 수 있다. 이외에도 따로 조정 가능한 밸브 타이밍, 연소실 형상 등 설계 자유도가 높아 고성능 엔진에 많이 채용되고 있으며 오늘날에는 보편화되어 일반 승용차에도 장착한다. 하지만 부품 수가 늘어나며 축이 2개가 되기 때문에 실린더 헤드가 커져 공간을 많이 차지한다. 또한 배기량에 따른 연료소비량이 많으며, 소음이 비교적 클 수 있다는 단점이 잇다. 현재 세계 대부분의 메이커는 SOHC 엔진을 채택하지 않는다. 국내에서도 기아 1세대 모닝을 마지막으로 사라졌다. 9녀대까지만 해도 흔히 볼 수 있었던 SOHC 엔진은 2000년대 들어 고배기량의 중, 대형차부터 점차 사라져 현재에는 거의 볼 수 없다.[3]
전망
엔진은 회전수가 많아지면 공기와 연료를 더 많이 공급해야 한다. 이를 위해 밸브 수를 늘리는 DOHC 기술은 이미 일반화됐다. 최근에는 여기에 엔진이 저회전과 고회전일 때에 맞춰 밸브의 깊이를 늘이고 타이밍을 조절하는 기술이 등장했다. 이 새로운 기술을 가변밸브 타이밍(Variable Valve-Timing)이라고 한다. 헨진의 흡배기밸브를 제어함으로써 출려과 연비는 높이고, 배기가스는 줄일 수 있다. 방식으로는 흡기 캠축의 위상을 고속과 저속에서 변환하는 캠 위상방식과 고속용, 저속용 각각 전용의 캠을 설치하여 운전 상태에 따라 캠을 교체하는 가변 밸브 리프트(Variable Valve Lift)이 있다. 가변밸브 기술의 시작은 혼다라고 한다. 1989년 처음 선보인 VTEC는 회전수를 올려 최고출력 160마력을 냈다. 이후, 도요타 CCT, BMW의 밸브트로닉 및 바노스, 포르쉐 바리오캠 등 이름은 다르지만 밸브를 여닫는 깊이를 조절하고 캠샤프트의 위상을 바구어 타이밍을 조절하는 시스템들이 속속 등장했다. 가까운 미래에는 크랭크축과 연결되어 구동되는 타이밍벨트나 캠축이 사라지고, 빠르고 작은 전기모터 등이 달려 밸브를 자유롭게 컨트롤하게 될지도 모른다. 같은 배기량의 엔진에서도 효율을 높여 출력이 올라가고 연비는 높아지며 배기가스는 덜 배출하는 이상적인 엔진은 모든 자동차 메이커의 목표이다.[3]
