밸브 시스템 구조 및 작동 원리

자동차 엔진의 흡배기 밸브를 열고 닫는 것은 밸브 시스템에 의해 작동된다. 이 밸브 시스템은 동변계라고도 부르는데, 밸브 시스템은 밸브 시스템의 가장 위쪽과 맞닿아 있는 캠 기구에 의해 작동된다.

 

1. 구조

 

밸브 시스템은 밸브 스템(valve stem)이라는 막대 모양의 부분과 밸브 헤드(valve head)라는 원형 부분으로 이루어진 밸브(valve)와 밸브 위쪽에 장착되어 있는 밸브 스프링(valve spring), 그리고 밸브를 열고 닫는 캠 기구(cam mechanism)로 구성되어 있다. 이 중에서 밸브 헤드라는 밸브의 원형 부분이 연소실의 흡배기 포트의 개구부에 끼워져 있고, 밸브 스프링은 밸브가 연소실의 흡배기 포트를 닫고 있는 상태를 유지시켜 준다.

<그림 1. 밸브 시스템에서 캠의 작동 원리>

 

2. 작동 원리

 

밸브 스프링 힘에 의해 닫혀 있던 밸브는 캠 기구(cam mechanism)의 작동에 의해 열리게 된다. 밸브 시스템에 적용되는 캠의 단면 형태는 달걀 모양으로, 달걀 모양의 캠은 회전 중심에서 바깥 둘레까지의 거리가 동일하지 않아서 돌출 부분이 생기게 된다. 이 돌출된 부분이 밸브의 뒤쪽 끝을 누르면 밸브가 열리게 되고, 누른 상태에서 캠이 더 회전하게 되면 더 이상 캠이 밸브를 누르지 않게 되면서 밸브는 스프링에 의해 다시 닫히게 된다. 이와 같이 캠이 밸브를 직접 누르는 방식을 직동식이라고 하는데, 캠의 구동 방식에는 직동식 외에도 지렛대 원리에 의해 암이 밸브를 누르는 스윙암식(swing arm type)과 로커암식(rocker arm type)도 있다.

 

<그림 2. 밸브 시스템에서 캠의 구동 방식>

 

3. 캠축의 구조 및 종류

 

1. 구조

 

자동차 엔진에 실제로 사용되는 밸브 시스템에서는 축 하나에 다수 개의 캠을 한 번에 연결시킨 캠축이 사용된다. 그리고 크랭크축에 장착된 크랭크축 풀리(crankshaft pulley)의 회전이 타이밍 벨트(timing belt)를 통해 캠축에 부착된 캠축 풀리(camshaft pulley)에 전달된다.

 

2. 종류

 

현재 대부분의 밸브 시스템은 캠축이 상부에 위치한 오버헤드 캠축식(Over Head Camshaft, OHC)을 채택하고 있으며 이 OHC 방식은 캠축이 한 개인 싱글 오버헤드 캠축식(Single Over Head Camshaft, SOHC)과 캠축이 두 개인 더블 오버헤드 캠축식(Double Over Head Camshaft, DOCH)으로 나뉜다.

 

① SOHC

 

SOHC는 흡배기 밸브의 양측이 직동식과 암 식으로 구동되는 방식이 있는가 하면, 양측 모두 암 식으로 구동되는 방식이 있다. SOHC 식은 설계의 자유도가 낮아서 점화 플러그의 전극을 비스듬하게 돌출시켜야 하는 경우가 많다.

<그림 3. SOHC 식>

 

② DOHC

 

DOHC의 경우 암이 사용되는 경우도 있으나, 관성력의 영향으로 암의 작동이 불량할 때도 많아서 주로 직동식이 많이 사용된다. DOHC는 설계의 자유도가 높아서 점화 플러그의 전극을 수직으로 돌출시킬 수 있다. 

<그림 4. DOCH 식>