자동차공학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 16. 밸브개폐 기구와 밸브(valve train & valve) 1
16. 밸브개폐 기구와 밸브(valve train & valve) 1
가. 밸브개폐 기구의 개요
밸브개폐 기구는 캠축, 밸브 리프터(태핏), 푸시로드, 로커암 축 어셈블리, 밸브 등
으로 구성되어 있으며, L-헤드형 밸브개폐 기구, I-헤드(OHV)형 밸브개폐 기구, OHC
형 밸브개폐 기구 등이 있으나 여기서는 현재 사용하고 있는 I-헤드형과 OHC형에 대
해 설명하도록 한다.
(1) I-헤드형(OHV : over head valve) 밸브개폐 기구
I-헤드형은 캠축, 밸브 리프터, 푸시로드, 로커암 축 어셈블리, 밸브로 구성되어 있
으며, 흡·배기밸브 모두 실린더헤드에 설치되므로 밸브 리프터와 밸브사이에 푸시로
드와 로커암 축 어셈블리의 두 부품이 더 설치되어 있다.
작동은 크랭크축에 의하여 캠축이 회전운동을 하면 푸시로드가 밸브 리프터에 의하여
상하운동을 하면 로커암이 그 설치 축을 중심으로 하여 요동을 한다. 이에 따라 로커암
의 밸브 쪽 끝이 밸브 스템 끝을 눌러 열리게 하고 또 밸브 스프링의 장력으로 닫힌다.
이 형식은 흡·배기가스의 흐름저항이 적고, 밸브헤드 지름과 양정을 크게 할 수 있
다. 또 연소실 형상도 간단해 높은 압축비를 얻을 수 있고 노크발생도 비교적 적으나 밸
브개폐 기구가 복잡하고 소음과 관성력이 커진다.
(2) OHC(over head cam shaft)형 밸브개폐 기구
OHC형은 캠축을 실린더헤드 위에 설치하고 캠이 직접 로커암을 구동하는 형식이다.
이 형식은 캠축을 구동하는 타이밍 체인이나 벨트장치와 실린더헤드의 구조는 복잡해
지나 밸브개폐 기구의 왕복 운동부분의 관성력이 작아져 밸브 가속도가 커진다. OHC형
에는 1개의 캠축으로 모든 밸브를 개폐시키는 SOHC(single over head cam shaft)와 2
개의 캠축으로 각각의 흡·배기밸브를 구동하는 DOHC(double over head cam shaft)
가 있다.
나. 밸브개폐 기구의 구성 부품과 그 기능
(1) 캠축과 캠(cam shaft & cam)
캠축은 기관의 밸브 수와 같은 수의 캠이 배열된 축으로 I-헤드형 기관에서는 크랭크
축과 평행하게 설치되어 있고, OHC기관에서는 실린더 헤드에 설치되어 있다.
캠축의 주 기능은 흡·배기 밸브개폐이며, 캠축에는 캠 이외에 오일펌프와 배전기 구
동을 위한 헬리컬 기어와 연료펌프 구동용의 편심륜을 설치하기도 한다. 그리고 캠 표
면의 곡선은 매우 조금만 변화되어도 밸브개폐 시기나 밸브 양정이 달라져 기관의 성능
에 크게 영향 한다.
따라서 그 재질은 장시간 사용하여도 캠 표면의 마멸이나 축의 휨이 작은 것이어야
한다. 일반적으로 캠축의 재질은 특수주철, 저탄소강에 침탄 시킨 것, 중탄소강에 화염
경화나 고주파 경화시킨 것을 사용한다.
(가) 캠의 형상
캠의 형상은 밸브개폐 상태, 열림시간, 밸브의 양정은 캠의 형상에 따라 결정되므
로 기관에 따라 다양한 캠이 사용된다. 그러나 어느 형상에서나 로커암(또는 밸브 리
프터)과 캠이 직접 접촉하므로 이 부분과의 마찰과 마모를 감소시키기 위해 접촉면
의 하나는 반드시 원호형으로 하고 있다. 캠의 형상에는 접선 캠, 볼록 캠 및 오목 캠
등이 있다. 그리고 캠에서 기초원(base circle)과 노즈(nose)사이의 거리를 양정(lift)
이라 한다.
(나) 캠축의 구동방식
캠축의 구동장치는 주로 기관의 앞쪽에 설치되며 4행정 사이클 기관에서 캠축은 크
랭크축 회전속도의 1/2로 회전하면서 크랭크축 회전에 대해 흡·배기밸브의 개폐시
기를 바르게 유지시켜야 한다. 캠축의 구동방식에는 기어 구동방식, 체인 구동방식,
벨트 구동방식 등 3가지가 사용되고 있다
(2) 밸브 리프터(밸브 태핏 : valve lifter or valve tappet)
밸브 리프터는 캠축의 회전운동을 상하운동을 변환시켜 푸시로드로 전달하는 것이
며, 실린더블록의 리프터 가이드에 의하여 지지되어 있다. 밸브 리프터에는 기계식과
유압식이 있다.
(가) 기계식 밸브 리프터
기계식 밸브 리프터는 I-헤드형은 원통형이며 그 내부에 푸시로드를 받는 오목 면
이 있고, 리프터 밑면에는 편마멸 방지하기 위해 리프터 중심과 캠 중심을 오프셋
(off-set)시키고 있다.
(나) 유압식 밸브 리프터
유압식 밸브 리프터는 윤활유의 비압축성과 윤활 장치의 윤활유 순환압력을 이용
하여 작용케 한 것이며, 기관의 작동온도 변화에 관계없이 밸브간극을 항상 0으로 유
지시키도록 한 방식이다. 유압식 밸브 리프터는 기관 성능향상, 연료 소비율 감소, 경
량화와 더불어 진동 및 소음감소, 기관의 무정비화를 목적으로 개발된 것이다.
● 유압식 밸브 리프터의 특징
① 밸브간극을 점검·조정하지 않아도 된다.
② 밸브개폐 시기가 정확하고 작동이 조용하다.
③ 윤활유가 완충작용을 하므로 밸브개폐 기구의 내구성이 향상된다.
④ 밸브개폐 기구의 구조가 복잡해지고 윤활장치가 고장이 나면 기관 작동이 정지된
다.
(3) 흡·배기밸브(valve)
흡·배기밸브는 연소실에 설치된 흡·배기구멍을 각각 개폐하고 혼합가스(또는 공
기)를 흡입하고, 연소가스를 내보내는 일을 하며, 압축과 폭발행정에서는 밸브시트에
밀착되어 연소실 내의 가스가 누출되지 않도록 한다. 자동차용 기관의 흡·배기밸브는
포핏밸브(poppet valve)가 사용된다.
(가) 밸브의 구비조건
① 고온에서 견딜 것
② 밸브헤드 부분의 열전도율이 클 것
③ 높은 온도에서 밸브 스프링의 장력과 충격에 대한 저항력이 클 것
④ 높은 온도의 가스에 부식되지 않을 것
⑤ 가열이 반복되어도 물리적 성질이 변화하지 않을 것
⑥ 관성력을 작게 하기 위해 무게가 가볍고, 내구성이 클 것
⑦ 흡·배기가스 통과에 대한 저항이 적은 통로를 만들 것
(나) 밸브의 재질
밸브는 페라이트(ferrite)계열 또는 오스테나이트(austenite)계열의 내열강을 사용
하며, 제작 방법은 금속조직의 흐름이 끊어지지 않도록 업셋(up-set)단조를 사용한 다. 최근에는 밸브 헤드는 오스테나이트 계열을, 스템은 페라이트 계열을 사용하여
전기용접하고 밸브 스템 끝은 스텔라이트를 녹여 붙이기도 한다.
(다) 밸브 주요부분의 기능
1 ) 밸브헤드(valve head)
밸브헤드는 고온·고압의 가스에 노출되는 부분으로 배기 밸브는 열 부하가 매
우 크다. 그리고 헤드부분의 지름은 흡입효율을 증대시키기 위해 흡입밸브를 크게
한다. 헤드의 형상에는 플랫형(flat type), 튤립형(tulip type), 반 튤립형(semitulip type), 버섯형(mushroom type) 등이 있다.
밸브헤드의 구비조건은 다음과 같다.
① 열전도율이 큰 단면이어야 하며, 내구성이 클 것
② 흡·배기가스의 유동저항이 적은 통로를 형성할 수 있을 것
③ 큰 하중에 견디고 변형 발생이 없을 것
④ 무게가 가벼울 것
또 밸브 헤드의 지름과 밸브 양정은 다음과 같이 결정한다.
가) 밸브헤드 지름
기관의 출력을 증가시키려면 밸브헤드의 지름을 크게 하는 것이 좋다. 밸브헤
드의 지름을 크게 하면 냉각은 곤란하나 밸브 양정이 적어도 되며, 체적효율을 증
대시킬 수 있다. 매분(每分)실린더로 들어오는 가스의 양과 밸브를 통과하는 가스
의 양은 같으므로 밸브헤드의 지름은 다음과 같이 산출한다.
공식(1) = 공식(2) 즉 V=V 이어야 하므로 위 두 공식에서 밸브헤드의 평균지름 d
는 다음과 같이 된다.
d : 밸브헤드의 지름(mm)
D : 실린더 지름(mm)
S : 피스톤 평균속도(m/min)
v : 밸브구멍을 통과하는 가스의 흐름속도(m/min)
V : 매분 실린더로 들어오는 가스의 량(mm3)
V : 밸브를 통과하는 가스의 량(mm3)
나) 밸브 양정
밸브 헤드의 지름 d인 밸브가 h만큼 상승하였을 때 밸브 시트의 환산 간격 πdh
는 밸브 구멍의 넓이 와 같으므로
