How Car Engines Work 기사를 읽었다면 공기/연료 혼합물을 엔진으로, 배기가스를 엔진 밖으로 내보내는 밸브에 대해 알고 있을 것입니다. 캠 축은 캠축이 회전할 때 밸브를 열기 위해 밸브를 밀어내는 로브( 캠 이라고 함 )를 사용 합니다. 밸브의 스프링은 밸브를 닫힌 위치로 되돌립니다. 이것은 중요한 작업이며 다양한 속도에서 엔진 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이 기사의 다음 페이지에서 성능 캠축과 표준 캠축의 차이점을 실제로 보여주기 위해 만든 애니메이션을 볼 수 있습니다.
이 기사에서는 캠축이 엔진 성능에 어떤 영향을 미치는지 배우게 됩니다. 단일 오버헤드 캠 (SOHC) 및 이중 오버헤드 캠 (DOHC) 과 같은 다양한 엔진 레이아웃이 실제로 작동 하는 방식을 보여주는 멋진 애니메이션 이 있습니다. 그런 다음 일부 자동차가 다른 엔진 속도를 보다 효율적으로 처리할 수 있도록 캠축을 조정하는 몇 가지 깔끔한 방법을 살펴보겠습니다.
기본부터 시작하겠습니다.
캠축 기본 사항
모든 캠축의 핵심 부품은 로브 입니다. 캠축이 회전함에 따라 로브는 피스톤의 움직임에 따라 흡기 및 배기 밸브를 열고 닫습니다. 캠 로브의 모양과 다양한 속도 범위에서 엔진이 작동하는 방식 사이에는 직접적인 관계가 있음이 밝혀졌습니다.
이것이 사실인 이유를 이해하려면 피스톤이 사이클을 완료하는 데 몇 초가 걸리도록 엔진을 매우 천천히(분당 회전수(RPM) 10~20회) 가동한다고 상상해 보십시오. 정상적인 엔진을 이렇게 천천히 작동시키는 것은 실제로 불가능하지만 가능하다고 상상해 봅시다. 이 느린 속도에서는 다음과 같은 모양의 캠 로브가 필요합니다.
- 피스톤이 흡기 행정에서 아래쪽으로 움직이기 시작하는 것처럼( 상사점 또는 TDC 라고 함 ) 흡기 밸브가 열립니다. 흡기 밸브는 피스톤이 바닥에 닿으면 바로 닫힙니다.
- 배기 밸브는 연소 행정이 끝날 때 피스톤이 바닥을 향할 때 바로 열리고( 하사점 또는 BDC 라고 함 ) 피스톤이 배기 행정을 완료하면 닫힙니다.
이 설정은 매우 느린 속도로 실행되는 한 엔진에 정말 잘 작동합니다. 하지만 RPM을 높이면 어떻게 될까요? 알아 보자.
RPM을 올리면 캠샤프트에 대한 10~20RPM 구성이 제대로 작동하지 않습니다. 엔진이 4,000RPM으로 작동 중이면 밸브가 1분에 2,000번 또는 초당 33번 열리고 닫힙니다. 이 속도에서 피스톤은 매우 빠르게 움직이므로 실린더로 유입되는 공기/연료 혼합물도 매우 빠르게 움직입니다.
흡기 밸브가 열리고 피스톤이 흡기 행정을 시작하면 흡기 러너의 공기/연료 혼합물이 실린더로 가속되기 시작합니다. 피스톤이 흡기 행정의 바닥에 도달할 때까지 공기/연료는 꽤 빠른 속도로 움직입니다. 흡기 밸브를 닫으면 모든 공기/연료가 멈추고 실린더에 들어가지 않습니다. 흡기 밸브를 조금 더 오래 열어 두면 피스톤이 압축 행정을 시작할 때 빠르게 움직이는 공기/연료의 운동량이 공기/연료를 실린더로 계속 밀어 넣습니다. 따라서 엔진이 빠를수록 공기/연료가 더 빨리 이동하고 흡기 밸브가 더 오래 열려 있기를 원합니다. 우리는 또한 밸브가 더 높은 속도에서 더 넓게 열리기를 원합니다. 밸브 리프트 라고 하는 이 매개변수 는 캠 로브 프로파일에 의해 제어됩니다.
아래의 애니메이션은 일반 캠 과 고성능 캠의 밸브 타이밍이 어떻게 다른지 보여줍니다 . 배기(빨간색 원)와 흡기(파란색 원) 주기가 성능 캠에서 훨씬 더 많이 겹칩니다. 이 때문에 이러한 유형의 캠이 장착된 자동차는 공회전 상태에서 매우 거칠게 달리는 경향이 있습니다.
이 콘텐츠는 이 기기에서 호환되지 않습니다.
두 가지 다른 캠 프로필: 재생 버튼 아래에 있는 버튼을 클릭하여 캠 간에 전환합니다. 원은 밸브가 열린 상태를 유지하는 시간, 파란색은 흡기, 빨간색은 배기를 나타냅니다. 밸브 겹침(흡기 및 배기 밸브가 동시에 열려 있는 경우)은 각 애니메이션의 시작 부분에서 강조 표시됩니다.
주어진 캠축은 하나의 엔진 속도에서만 완벽합니다. 다른 모든 엔진 속도에서는 엔진이 최대한의 성능을 발휘하지 못합니다. 따라서 고정 캠샤프트 는 항상 타협입니다. 이것이 자동차 제조업체가 엔진 속도가 변경됨에 따라 캠 프로파일을 변경하는 방식을 개발한 이유입니다.
엔진의 캠축에는 여러 가지 다른 배열이 있습니다. 우리는 가장 일반적인 것들에 대해 이야기할 것입니다. 다음과 같은 용어를 들어보셨을 것입니다.
- 싱글 오버헤드 캠 (SOHC)
- 더블 오버헤드 캠 (DOHC)
- 푸시로드
다음 섹션에서는 이러한 각 구성을 살펴보겠습니다.
캠축 구성
싱글 오버헤드 캠
이 배열은 헤드당 하나의 캠이 있는 엔진을 나타냅니다 . 따라서 인라인 4기통 또는 인라인 6기통 엔진인 경우 캠이 하나 있습니다. V-6 또는 V-8인 경우 두 개의 캠(각 헤드에 하나씩)이 있습니다.
캠은 밸브를 눌러 밸브를 여는 로커 암을 작동합니다. 스프링 은 밸브를 닫힌 위치로 되돌립니다. 이 스프링은 높은 엔진 속도에서 밸브가 매우 빠르게 아래로 내려가고 밸브가 로커 암과 접촉하도록 유지하는 스프링이기 때문에 매우 강해야 합니다. 스프링이 충분히 강하지 않으면 밸브가 로커 암에서 떨어져 나와 뒤로 빠질 수 있습니다. 이는 캠과 로커 암에 추가 마모를 초래하는 바람직하지 않은 상황입니다.
이 콘텐츠는 이 기기에서 호환되지 않습니다.
단일 오버헤드 캠
단일 및 이중 오버헤드 캠 엔진에서 캠은 타이밍 벨트 또는 타이밍 체인 이라고 하는 벨트 또는 체인을 통해 크랭크축에 의해 구동됩니다 . 이러한 벨트와 체인은 정기적으로 교체하거나 조정해야 합니다. 타이밍 벨트가 끊어지면 캠이 회전을 멈추고 피스톤이 열린 밸브에 부딪힐 수 있습니다.
위의 그림은 피스톤이 열린 밸브에 부딪힐 때 일어날 수 있는 일을 보여줍니다.
더블 오버 헤드 캠
더블 오버헤드 캠 엔진에는 헤드당 2개의 캠이 있습니다. 따라서 인라인 엔진에는 2개의 캠이 있고 V 엔진에는 4개의 캠이 있습니다. 일반적으로 이중 오버헤드 캠은 실린더당 4개 이상의 밸브가 있는 엔진에 사용됩니다. 단일 캠축은 이러한 모든 밸브를 작동시키기에 충분한 캠 로브에 맞지 않습니다.
더블 오버헤드 캠을 사용하는 주된 이유는 더 많은 흡기 및 배기 밸브를 허용하기 위해서입니다. 밸브가 많을수록 흡입 및 배기 가스가 더 많이 흐를 수 있기 때문에 더 자유롭게 흐를 수 있습니다. 이것은 엔진의 힘을 증가시킵니다.
이 기사에서 다룰 최종 구성은 푸시로드 엔진입니다.
푸시로드 엔진
SOHC 및 DOHC 엔진과 마찬가지로 푸시로드 엔진의 밸브는 실린더 위의 헤드에 있습니다. 주요 차이점은 푸시로드 엔진의 캠축 이 헤드가 아니라 엔진 블록 내부 에 있다는 것입니다.
캠은 로커를 움직이기 위해 블록을 통해 헤드로 올라가는 긴 막대를 작동시킵니다. 이 긴 막대는 시스템에 질량을 추가하여 밸브 스프링의 부하를 증가시킵니다. 이것은 푸시로드 엔진의 속도를 제한할 수 있습니다. 시스템에서 푸시로드를 제거한 오버헤드 캠샤프트는 더 높은 엔진 속도를 가능하게 한 엔진 기술 중 하나입니다.
이 콘텐츠는 이 기기에서 호환되지 않습니다.
푸시로드 엔진
푸시로드 엔진의 캠축은 종종 기어 또는 짧은 체인으로 구동됩니다 . 기어 드라이브는 일반적으로 오버헤드 캠 엔진에서 흔히 볼 수 있는 벨트 드라이브보다 파손되기 쉽습니다.
캠축 시스템을 설계할 때 가장 중요한 것은 각 밸브의 타이밍을 변경하는 것입니다. 밸브 타이밍에 대해서는 다음 섹션에서 살펴보겠습니다.
가변 밸브 타이밍
자동차 제조업체가 밸브 타이밍을 변경하는 몇 가지 새로운 방법이 있습니다. 일부 Honda 엔진에 사용되는 시스템 중 하나는 VTEC 입니다.
VTEC(가변 밸브 타이밍 및 리프트 전자 제어)는 엔진이 여러 캠축을 가질 수 있도록 하는 일부 Honda 엔진의 전자 및 기계 시스템입니다. VTEC 엔진에는 이 캠을 따르는 자체 로커 가 있는 추가 흡기 캠 이 있습니다. 이 캠의 프로필은 다른 캠 프로필보다 흡기 밸브를 더 오래 열어 둡니다. 낮은 엔진 속도에서 이 로커는 밸브에 연결되지 않습니다. 높은 엔진 속도에서 피스톤은 두 개의 흡기 밸브를 제어하는 두 개의 로커에 추가 로커를 잠급니다.
일부 자동차 는 밸브 타이밍을 앞당길 수 있는 장치를 사용합니다 . 이것은 밸브를 더 오래 열어 두지 않습니다. 대신 나중에 열고 나중에 닫습니다. 이것은 캠축을 몇 도 앞으로 회전시켜 이루어집니다. 흡기 밸브가 상사점(TDC) 전 10도에서 정상적으로 열리고 TDC 이후 190도에서 닫히면 총 지속 시간은 200도입니다. 캠이 회전하면서 약간 앞으로 회전하는 메커니즘을 사용하여 개폐 시간을 변경할 수 있습니다. 따라서 밸브는 TDC 이후 10도에서 열리고 TDC 이후 210도에서 닫힐 수 있습니다. 밸브를 20도 후에 닫는 것도 좋지만 흡기 밸브가 열리는 시간을 늘릴 수 있으면 더 좋을 것입니다.
페라리 는 이것을 하는 정말 깔끔한 방법을 가지고 있습니다. 일부 페라리 엔진의 캠축은 캠 로브의 길이를 따라 변하는 3차원 프로파일 로 절단됩니다 . 캠 로브의 한쪽 끝은 가장 덜 공격적인 캠 프로필이고 다른 쪽 끝은 가장 공격적인 것입니다. 캠의 모양은 이 두 프로파일을 매끄럽게 혼합합니다. 밸브가 캠의 다른 부분과 맞물리도록 메커니즘이 전체 캠축을 측면으로 슬라이드할 수 있습니다. 샤프트는 여전히 일반 캠샤프트처럼 회전하지만 엔진 속도와 부하가 증가함에 따라 캠샤프트를 점차 측면으로 밀어 밸브 타이밍을 최적화할 수 있습니다.
여러 엔진 제조업체는 밸브 타이밍의 무한한 가변성을 허용하는 시스템을 실험하고 있습니다. 예를 들어, 각 밸브에 캠축에 의존하지 않고 컴퓨터 제어를 사용하여 밸브를 열고 닫을 수 있는 솔레노이드가 있다고 상상해 보십시오. 이러한 유형의 시스템을 사용하면 모든 RPM에서 최대 엔진 성능을 얻을 수 있습니다. 앞으로 기대되는 일이...
캠축, 밸브 타이밍 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.
최초 발행일: 2000년 12월 13일
