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흡배기
흡배기는 흡기와 배기를 아울러 이르는 말이다. 흡배기 과정에서 각 행정 전후의 압력차와 밸브 열린 정도에 따라 가스의 흐름이 급속히 변하므로 이런 것들에 의해 입력 변화가 파동이 되어서 소음이 발생한다. 흡기 측의 소음은 출력 저하를 일으킨다.[1]
흡배기 밸브
흡배기 밸브는 연소에 직접적인 영향을 주는 혼합기의 유출입을 컨트롤하는 부품이다. 일반적으로 엔진에 장착되는 밸브는 흡기밸브와 배기밸브로 나누어진다. 밸브 각각은 명칭의 의미처럼 연료의 흡입과 연소 후 배기가스의 배출을 담당한다. 보통 흡배기 밸브를 구성하는 기구 일체를 밸브 시스템이라고 한다. 동반계라고도 불리는 이러한 기구 시스템은 크게 기둥 형태의 밸브 시스템과 원형의 밸브 헤드로 구성된다. 그리고 이 밸브 헤드 부분이 연소실과 연결된 공기의 통로인 밸브 포트의 입구에 위치하여 공기의 흐름을 통제하게 된다. 또한 밸브 시스템에는 밸브 스프링이 장착되어 밸브가 열리고 닫히는 것을 도와준다. 일반적인 흡배기 밸브 시스템의 경우 캠샤프트를 통해 움직임이 컨트롤 된다. 크랭크축과 캠축을 벨트나 체인 등의 매개체로 연결해 크랭크축이 캠축을 구동하고 캠축이 밸브 시스템을 움직이게 한다. 피스톤의 직선운동에서 전환된 크랭크샤프트의 왕복운동은 캠샤프트로 전달되는데 캠샤프는 회전운동을 다시 한번 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 돌출되지 않는 면이 닿게 되면 밸브가 닫히는 방식으로 작동한다.[2]
구조
실린더 헤드에는 혼합기를 실린더에 보내는 흡기 포트와 연소가스가 배출되는 배기 포트가 있는데 여기에 설치되는 밸브가 흡기밸브와 배기밸브이다. 이 작은 모양에 의해 포핏 밸브 또는 버섯 밸브라 불린다. 접시와 같은 형상의 부분을 헤드, 이 우산에 연결된 보을 밸브 스템이라 부르며, 스템은 밸브 가이드에 의해 지지가 되어 있고 밸브는 캠 노즈에 의해 눌려서 열리며, 밸브 스프링의 힘으로 닫히는 구조로 이루어져 있다.[3] 밸브 헤드는 연소실과 흡배기 포트를 막는 밸브 끝단으로 밸브 헤드의 밸브 페이스가 실린더 헤드와 접촉, 기밀을 유지하는 역할을 한다. 밸브 스템은 실린더 헤드의 밸브 가이드에 의해 지지가 되어 움직임이 컨트롤 된다. 엔진 연소 시 연소실 내 온도는 고출력시 1,000도 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 4,000번 이상 개폐가 이루어지며 닫힐 때 실린더 헤드와 밸브가 맞닿는 부분에 지속적인 충격이 가해지기 때문에 높은 내구성이 요구되며 주철, 구리-주석 합금 또는 크롬-망간강 소재가 사용된다.[2]
특징
흡배기 밸브의 밸브 사이즈는 밸브 헤드의 직경으로 표시되는데 흡기밸브가 배기밸브보다 일반적으로 크다. 보통 배기밸브는 흡기밸브의 70~80% 정도의 사이즈 크기를 가진다. 이는 흡기와 배기의 균형을 유지하기 위한 설계로 흡기 시에는 실린더 내부압에 의해 바깥에서 공기가 들어오는 반면 배기 시에는 연소실 내의 높은 압력에 의해 연소가스가 배기밸브를 통해 쉽게 뿜어져 나갈 수 있어서 흡배기 밸브의 수가 같으면 배기밸브가 더 작게 만들어지게 된다. 밸브 헤드와 스템 연결부위도 흡배기 밸브 사이에 두께의 차이가 있다. 흡기밸브는 흡기 시에 혼합기의 흐름 저항이 작아지도록 얇게 만들고 배기밸브는 내열성과 상대적으로 높은 온도를 가지는 배기밸브 헤드의 열 전도성을 높이기 위해 두껍게 설계된다. 밸브와 실린더 헤드가 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 개폐 시 밸브를 회전 시켜 밸브 면에 열원이 생성되는 것을 방지하는 역할을 한다. 밸브 스프링, 중심에서 편재되어 설치된 로커암, 밸브 회전기 등을 이용하여 밸브가 회전할 수 있도록 한다.[2]
종류
흡배기 밸브는 엔진의 효율에 중요한 역할을 하는 장치로 여러 연구와 개발을 통해 흡배기 밸브의 최적 효율을 끌어내는 방식을 찾아왔다. 이러한 밸브 기구는 밸브의 배치, 실린더당 밸브 수 그리고 캠축의 배치에 따라 크게 분류할 수 있다. 먼저 밸브 설치 위치에 따른 분류를 살펴보면 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 실린더 헤드에 모두 위치한 형태로 오늘날 자동차에 사용되는 밸브 배치 방식의 가장 대표적인 형태이다. L형과 T형은 흡배기 밸브가 I형과 달리 실린더 블록에 설치되는 방식으로 캠샤프트도 엔진의 측면 또는 하부에 장착된다. F형은 흡기밸브는 실린더 헤드에 배기밸브는 실린더 블록에 나누어 배치되는 형태를 가진다. 3가지 타입 모두 현재는 거의 사용되지 않고 있는 방식이다. 밸브 수의 따른 분류는 총 4가지가 있다. 일반적인 4행정 기관의 각 실린더에는 흡배기 밸브가 각각 최소 1개씩 설치되는데 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 높으며 밸브가 소형화되어 좀 더 부드럽고 세밀하게 동작한다. 이 때문에 반응이 좋은 고출력 엔진의 경우 흡배기 밸브가 각각 2개씩 있는 4밸브 엔진이 주류를 이룬다. 한 때 3밸브 엔진이 주목받은 시기도 있었지만, 점화 플러그 위치나 배기밸브의 크기가 커진다는 단점 등 여러 기술적인 문제와 비용적으로도 4밸브 엔진과 크게 차이가 없었기 때문에 많이 사용되지 않는 방식이다. 마지막으로 흡배기 밸브는 캠축의 배치 방식에 따라 나눌 수 있다. 대표적으로 SV(Side Valve), OHV(Over Head Valve), OHC(Over Head Cam) 의 3가지 타입이 있다. SV(Side Valve) 방식은 실린더의 양쪽 또는 한쪽에 밸브를 평행하게 설치하는 방식이다. 캠축과 실린더를 가깝게 배치하여 엔진의 크기를 줄이기 용이하고 구조가 단순하다는 장점이 있다. 주로 대형차에 쓰였지만, 최근에는 열효율 등의 이유로 거의 사용하지 않는 방식이다. SV의 다음으로 나온 형태가 0HV 방식이다. Over Head Valve의 약자로 기존에 사이드에 위치하던 밸브를 실린더 헤드로 옮긴 형태다. 캠샤프트에 연결된 밸브 리프트를 이용해 푸시로드와 로커암을 밀어주어 밸브를 개폐하는 방식으로 캠은 실린더의 옆쪽에 일반적으로 위치한다. 연료 효율이 높고 비교적 높은 출력을 낼 수 있어 OHC 방식 이전에 보편적으로 사용되던 방식이다. 노킹이 잘 일어나지 않고 고압축비를 내기 용이하지만 고회전 시 푸시로드와 로커암의 관성 모멘트가 커져 흡배기 개폐가 정확하게 이루어지지 않아 흡배기 효율이 떨어지는 단점이 있다. 이로 인해 과거에는 많이 사용되었으나 현재는 비주류 방식의 엔진 타입이다. OHV의 단점을 보완하기 위해 등장한 것이 바로 OHC이다. Over Head Camshaft의 약자로 OHV 방식보다 푸시로드가 생략되어 캠이 직접 로커암이나 밸브를 움직이게 만든 형태다. 이로 인해 엔진의 고회전 시에도 밸브를 정확하게 개폐할 수 있다.[4]
각주
- ↑ 〈흡배기소음〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 2.0 2.1 2.2 휠라이프, 〈"흡배기 밸브" -자동차상식 엔진편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-06-29
- ↑ 〈흡·배기 밸브〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 휠라이프, 〈"흡배기 밸브의 종류" -자동차상식 엔진편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-07-06
참고자료
- 〈흡배기소음〉, 《네이버 지식백과》
- 〈흡·배기 밸브〉, 《네이버 지식백과》
- 휠라이프, 〈"흡배기 밸브" -자동차상식 엔진편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-06-29
- 휠라이프, 〈"흡배기 밸브의 종류" -자동차상식 엔진편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-07-06
같이 보기
