밸브 트레인

1. 개요

밸브 트레인은 피스톤 엔진에서 크랭크축의 회전 운동을 흡기 및 배기 밸브의 개폐 운동으로 전달하는 모든 구성 요소를 의미한다. 밸브 트레인의 배치는 캠축의 위치에 따라 플랫헤드, 오버헤드 밸브(OHV), 오버헤드 캠축(OHC), 캠리스 엔진 등으로 구분된다. 주요 구성 요소로는 캠축, 푸시로드, 로커 암/핑거/버킷 태핏, 밸브 등이 있으며, 캠축은 크랭크축의 회전을 받아 밸브의 개폐 시점을 제어하고, 밸브는 연소실을 개폐하여 흡입과 배기 역할을 수행한다.

2. 배치

밸브 트레인의 배치는 캠축의 위치에 크게 의존한다. 피스톤 엔진에서 일반적인 밸브 기구의 구성은 다음과 같다.

* 플랫헤드 엔진: 캠축과 밸브는 실린더 블록 내 연소실 아래에 위치한다. 초기 자동차 엔진에 많이 사용되었으나, 현재는 거의 사용되지 않는다.
* 오버헤드 밸브 엔진: 캠축이 엔진 블록 내에 위치하고 밸브는 실린더 헤드, 연소실 위에 위치하는 방식이다. 푸시로드를 통해 캠축의 움직임을 밸브에 전달하기 때문에 "푸시로드 엔진"이라고도 불린다. 대한민국에서는 과거 현대 포니, 기아 브리사 등 초창기 자동차 모델에 주로 사용되었다.
* 오버헤드 캠축 엔진: 오버헤드 캠축(OHC) 엔진에서 밸브와 캠축은 모두 연소실 위에 있는 실린더 헤드에 위치한다. 캠축이 밸브를 직접 구동하는 방식으로, 오버헤드 밸브 엔진(OHV)보다 고성능, 고효율을 낼 수 있다. 대한민국에서는 1980년대 후반부터 현대 쏘나타, 기아 콩코드 등에 OHC 엔진이 본격적으로 적용되기 시작하여 현재 대부분의 자동차 엔진에 사용되고 있다.
* 캠리스/Camless piston engine^영어 : 캠리스 방식은 캠축을 전혀 사용하지 않는다. 솔레노이드와 같은 기술을 이용하여 밸브를 개별적으로 작동시킨다. 아직 상용화 단계는 아니지만, 밸브 제어의 자유도가 높아 엔진 효율을 극대화할 수 있는 미래 기술로 주목받고 있다.

2.1. 플랫헤드 엔진

플랫헤드 엔진에서 캠축과 밸브는 모두 실린더 블록 내 연소실 아래에 위치한다. 초기 자동차 엔진에 많이 사용되었으나, 현재는 거의 사용되지 않는다.

2.2. 오버헤드 밸브 엔진 (OHV)

캠축이 엔진 블록 내에 위치하고 밸브는 실린더 헤드, 연소실 위에 위치하는 방식이다. 푸시로드를 통해 캠축의 움직임을 밸브에 전달하기 때문에 "푸시로드 엔진"이라고도 불린다. 대한민국에서는 과거 현대 포니, 기아 브리사 등 초창기 자동차 모델에 주로 사용되었다.

2.3. 오버헤드 캠축 엔진 (OHC)

오버헤드 캠축(OHC) 엔진에서 밸브와 캠축은 모두 연소실 위에 있는 실린더 헤드에 위치한다. 캠축이 밸브를 직접 구동하는 방식으로, 오버헤드 밸브 엔진(OHV)보다 고성능, 고효율을 낼 수 있다. 대한민국에서는 1980년대 후반부터 현대 쏘나타, 기아 콩코드 등에 OHC 엔진이 본격적으로 적용되기 시작하여 현재 대부분의 자동차 엔진에 사용되고 있다.

2.4. 캠리스 엔진

캠리스 방식은 캠축을 전혀 사용하지 않는다. 솔레노이드와 같은 기술을 이용하여 밸브를 개별적으로 작동시킨다. 아직 상용화 단계는 아니지만, 밸브 제어의 자유도가 높아 엔진 효율을 극대화할 수 있는 미래 기술로 주목받고 있다.

3. 구성 요소

밸브 트레인은 크랭크축의 회전 운동을 흡기 및 배기 밸브의 개폐로 전달하는 모든 구성 요소를 포함한다. 크랭크축에서 밸브까지의 일반적인 구성 요소는 다음과 같다.

* 캠축

캠축은 회전하는 축에 정교하게 성형된 캠 로브(둥글게 튀어나온 부분)를 가지고 밸브 개폐 시점과 리프트 프로파일(양정 곡선)을 제어한다. 캠축은 크랭크축에 의해 구동되며, 4행정 엔진의 경우 크랭크축의 절반 속도로 회전한다.

크랭크축에서 캠축으로의 운동은 일반적으로 고무 타이밍 벨트, 금속 타이밍 체인 또는 기어 세트를 통해 전달된다.

* 푸시로드

푸시로드는 OHV 엔진에서 캠축(엔진 블록에 위치)에서 밸브(실린더 헤드에 위치)로 움직임을 전달하는 데 사용되는 길고 가느다란 금속 막대이다. 푸시로드의 하단에는 리프터가 장착되어 있으며, 캠축이 접촉한다. 캠축 로브가 리프터를 위로 움직여 푸시로드를 움직인다. 푸시로드의 상단은 로커 암을 밀어 밸브를 연다.

* 로커 암 / 핑거 / 버킷 태핏

밸브는 엔진 설계에 따라 로커 암, 핑거, 또는 버킷 태핏에 의해 작동된다. 오버헤드 밸브 엔진은 로커 암을 사용하는데, 이는 캠 로브에 의해 (푸시로드를 통해) 간접적으로 아래에서 작동된다. 오버헤드 캠샤프트 엔진은 핑거 또는 버킷 태핏을 사용하며, 캠 로브에 의해 직접적으로 위에서 작동된다. 로커 암은 푸시 로드에 의해 작동하고, 밸브를 작동시키기 위해 샤프트 또는 개별 볼 스터드 위에서 회전한다.

* 밸브

3.1. 캠축

캠축은 회전하는 축에 정교하게 성형된 캠 로브(둥글게 튀어나온 부분)를 가지고 밸브 개폐 시점과 리프트 프로파일(양정 곡선)을 제어한다. 캠축은 크랭크축에 의해 구동되며, 4행정 엔진의 경우 크랭크축의 절반 속도로 회전한다.

크랭크축에서 캠축으로의 운동은 일반적으로 고무 타이밍 벨트, 금속 타이밍 체인 또는 기어 세트를 통해 전달된다.

3.2. 푸시로드

푸시로드는 OHV 엔진에서 캠축(엔진 블록에 위치)에서 밸브(실린더 헤드에 위치)로 움직임을 전달하는 데 사용되는 길고 가느다란 금속 막대이다. 푸시로드의 하단에는 리프터가 장착되어 있으며, 캠축이 접촉한다. 캠축 로브가 리프터를 위로 움직여 푸시로드를 움직인다. 푸시로드의 상단은 로커 암을 밀어 밸브를 연다.

3.3. 로커 암 / 핑거 / 버킷 태핏

밸브는 엔진 설계에 따라 로커 암, 핑거, 또는 버킷 태핏에 의해 작동된다. 오버헤드 밸브 엔진은 로커 암을 사용하는데, 이는 캠 로브에 의해 (푸시로드를 통해) 간접적으로 아래에서 작동된다. 오버헤드 캠샤프트 엔진은 핑거 또는 버킷 태핏을 사용하며, 캠 로브에 의해 직접적으로 위에서 작동된다. 로커 암은 푸시 로드에 의해 작동하고, 밸브를 작동시키기 위해 샤프트 또는 개별 볼 스터드 위에서 회전한다.

3.4. 밸브