■ 밸브시스템의 기본적인 작동

[연소실과 밸브기구의 단면도]

밸브의 형상은 「버섯」모양인데 일반적으로 스프링의 힘에 의해 흡기구와 배기구를 막고 있다가 엔진의 작동에 따라(크랭크샤프트에 연결된 캠샤프트의 움직임에 따라) 밸브가 여닫히면서 흡·배기가스의 교환이 이루어진다.

흡·배기 밸브가 닫히는 것은 「스프링의 힘」이라고 했는데 그러면 밸브를 여는 것은 무엇일까?

밸브는 아무때나 작동하는 것이 아니고 흡기밸브는 피스톤이 내려가면서 실린더 내부로 혼합기를 빨아들이고자 할 때 열려야 하며, 피스톤이 올라가면서 혼합기를 압축할 때는 닫혀야 한다.

배기밸브도 마찬가지로 피스톤의 올라가면서 압축할 때는 닫혀야 하지만 폭발 후 다시 상승할 때는 배기가스를 배출하기 위해 배기밸브를 열어주어야 한다. 이러한 일련의 작동을 「밸브타이밍」이라고 하는데 이것을 가능케 하는 것이 바로 「캠샤프트」이다.

캠샤프트는 크랭크샤프트의 작동에 따라(즉, 피스톤의 움직임에 따라) 체인 또는 밸트로 연결되어 회전하면서 밸브를 여닫게 된다. 단, 엔진의 작동중 밸브가 열리는 시기는 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정 중에서 흡입과 배기의 2행정 뿐이므로 캠샤프트는 크랭크샤프트가 1회전할 때 1/2회전만 해야한다(상세설명은 별도).

■ 밸브의 구성부품


밸브가 실린더 헤드에 고정되어 작동하기 위해서는 다음과 같은 부품들이 필요하다.

밸브는 연소실쪽에서 실린더 헤드로 삽입한 후 스프링과 스템씰 등을 조립한 후 리테이너와 코터로 고정한다.

여기에서 「밸브스템실」이란 것은 일종의 「오일씰」로서 밸브의 작동부위에 오일을 공급하며 또한 헤드의 오일이 연소실로 들어가지 못하게 막는 작용을 한다. 이 스템실이 손상되면 머플러에서 흰연기가 많이 나오게 된다.


■ 밸브시스템의 형식

밸브시스템의 형식은 밸브의 위치와 캠샤프트의 위치 그리고 갯수에 따라 분류되는데 이륜차의 밸브형식은 OHC가 주류이나 드물게 OHV도 있다.

OHC란 Over Head Camshaft(오버 헤드 캠샤프트)의 약자로 말그대로 캠샤프트가 실린더 헤드 위에 있다는 뜻이다. OHC의 종류에는 DOHC와 SOHC로 나뉘는데 D는 Double(더블), S는 Single(싱글)의 약칭으로 캠샤프트가 1개인지 2개인지를 말한다. 따라서 DOHC는 캠샤프트 2개가, SOHC는 캠샤프트 1개가 실린더 헤드 위쪽에 배치되어 있는 타입이다. 통상적으로 OHC라고 하는 것은 SOHC를 말하는 것이다. 그럼 OHV는 무엇인가?

돌아가는 분위기로 봐서 밸브가 실린더 헤드 위쪽에 설치되어 있다는 얘기인가? 맞다. Over Head Valve(오버 헤드 밸브)의 약칭이다. OHV는 DOHV, SOHV 따위의 말을 사용하지 않는다. 그렇다면 캠샤프트는 어디에 있을까?

캠샤프트는 실린더의 측면에 설치되어 있으며, 밸브는 푸쉬로드라고 하는 막대를 통해 작동하게 된다. OHC, OHV로 발전하기 전에는 SV라는 시스템이 주로 사용되었는데 구조는 간단하지만 연소실이 평탄한 모양으로 연소효율이 매우 낮았다. SV는 Side Valve(사이드 밸브)의 약칭.

■ OHC는 무엇이 좋은가?
캠샤프트가 실린더 헤드(정확하게는 연소실) 위쪽에 있다는 것은 도대체 어떤 잇점이 있을까?
그것은 먼저 OHV에 있는 푸쉬로드(Push road)가 없다는 점, 그리고 캠샤프트가 직접 로커암(Rocker Arm)을 작동시킨다는 것을 들 수 있다.

이 2가지 점으로 인해 고속회전시 밸브타이밍의 어긋남이 없이 정확한 밸브작동으로 보다 높은 출력을 낼 수 있는 것이다.

그러나 캠샤프트가 실린더 헤드 위에 위치하고 있기 때문에 크랭크샤프트와의 거리가 멀어 체인이나 벨트로 이용하여 밸브타이밍을 조절한다. 체인은 엔진이 고회전시 진동 또는 소음 등이 발생할 소지가 많기 때문에 중간부분에 캠체인 텐셔너(Tensioner)를 설치하여 체인의 늘어남이라든가 진동, 소음 등을 예방한다.

■ 밸브수는 몇개가 좋은가?

밸브는 2개, 3개, 4개 등 여러개를 설치할 수 있으나 몇개를 설치하는 것이 가장 좋을까? 또 어떤 필연성에 따라 밸브숫자를 결정해야 하는 것일까?

밸브의 역할이 혼합가스의 교환인만큼 엔진이 고속화되면 될수록 가스의 유속은 빨라지므로 밸브의 경(徑)은 보다 큰것이 요구된다.

그러나 배기량에 따라 연소실 단면적의 한계가 있으므로 무한정 밸브경을 크게할 수 없다. 따라서 주어진 단면적에서 가장 혼합기의 흡입량을 많게 하기 위해 여러가지 아이디어가 나오게 된다.

흡입효율을 높이기 위해 최근 5밸브시스템까지 개발되었다. 그리고 혼다에서는 타원형 피스톤을 사용하여 보다 많은 밸브를 설치한 제품도 있음.