실린더 헤드
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1. 개요
실린더 헤드는 내연기관의 주요 부품으로, 실린더 블록 상단에 장착되어 연소실을 덮는 역할을 한다. 역사적으로 측면 밸브 엔진, 흡기 밸브 상부 배기 밸브 하부 엔진, 오버헤드 밸브 엔진, 오버헤드 캠축 엔진 등 다양한 형태가 존재해왔다. 실린더 헤드는 실린더당 하나 또는 여러 개가 사용될 수 있으며, 엔진 형식에 따라 개수가 달라진다. 디자인은 공기 흐름 통로인 포트, 밸브, 점화 플러그, 냉각수 통로 등을 포함하며, 재질은 주철에서 알루미늄 합금으로 발전했다.
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| 실린더 헤드 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| |
| 정의 및 기능 | |
| 역할 | 엔진의 중요한 구성 요소로, 실린더 블록 위에 위치하여 연소실을 형성하고, 밸브, 점화 플러그 (가솔린 엔진), 인젝터 (디젤 엔진)와 같은 부품을 지지한다. |
| 재료 | 주로 알루미늄 합금 또는 주철로 제작된다. 알루미늄 합금은 가볍고 열전도율이 좋지만, 주철은 더 강하고 내구성이 뛰어나다. |
| 주요 기능 | 연소실 밀폐 밸브 기구 지지 및 작동 냉각 및 윤활 시스템 일부 구성 흡기 및 배기 통로 제공 |
| 구조 | |
| 연소실 | 피스톤과 함께 연소실을 형성하고, 연소 과정에서 발생하는 고온과 압력을 견뎌야 한다. |
| 밸브 포트 | 흡기 및 배기 밸브가 설치되는 곳이며, 연소실로 공기 또는 연료 혼합물이 들어가고 연소 가스가 빠져나가는 통로를 제공한다. |
| 캠샤프트 베어링 | 일부 엔진 (DOHC, OHC)에서는 캠샤프트가 실린더 헤드에 직접 설치된다. |
| 냉각 통로 | 엔진 냉각수가 순환하는 통로가 있어 실린더 헤드의 과열을 방지한다. |
| 오일 통로 | 엔진 오일이 순환하는 통로가 있어 밸브 및 기타 움직이는 부품을 윤활한다. |
| 점화 플러그 구멍 | 가솔린 엔진의 경우, 점화 플러그가 설치되는 구멍이 있다. |
| 인젝터 구멍 | 디젤 엔진의 경우, 연료 인젝터가 설치되는 구멍이 있다. |
| 설계 | |
| 밸브 배치 | OHV: 푸시로드를 이용하여 밸브를 작동 OHC: 캠샤프트가 실린더 헤드에 직접 위치하여 밸브를 작동 DOHC: 두 개의 캠샤프트가 각각 흡기 및 배기 밸브를 작동 |
| 연소실 모양 | 돔형 웨지형 반구형 등 다양한 형태가 있으며, 연소 효율과 배기가스 배출에 영향을 미친다. |
| 추가 정보 | |
| 가변 밸브 타이밍 (VVT) | 일부 실린더 헤드는 가변 밸브 타이밍 시스템을 위한 복잡한 구조를 가지고 있다. |
| 직접 분사 | 일부 최신 엔진에는 연료가 실린더 헤드에 직접 분사되는 직접 분사 시스템이 있다. |
| 제조 공정 | 실린더 헤드는 주조, 단조, 또는 기계 가공을 통해 제작된다. |
2. 역사
실린더 헤드의 역사는 내연 기관의 발전과 함께한다. 초기 내연 기관에서 실린더 헤드는 단순한 금속판 형태였지만, 엔진 성능 향상을 위한 다양한 기술이 적용되면서 점차 복잡한 구조로 발전해 왔다.
초기에는 측면밸브(사이드밸브) 방식(플랫헤드 엔진)이 사용되었는데, 밸브가 실린더 블록 측면에 위치하였다. 이 방식은 구조가 단순하고 정비가 쉬웠지만, 연소실이 커지고 열효율과 압축비가 낮다는 단점이 있었다. 또한 흡배기 효율을 높이기 어려워 고출력, 고효율 엔진에는 부적합했다.
이후 흡기 밸브는 실린더 헤드에, 배기 밸브는 실린더 블록에 위치하는 흡기 배기 상방(IOE) 엔진이 개발되었다. IOE 엔진은 측면 밸브 엔진보다 효율적이지만, 더 복잡하고 크며 제조 비용이 더 많이 들었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 오버헤드 밸브(OHV) 방식이 등장했다. OHV 엔진은 캠축이 엔진 블록에 위치하고, 푸시로드와 로커암을 통해 실린더 헤드 상부에 위치한 밸브를 구동하는 방식이다. 흡기 밸브와 배기 밸브 모두 헤드에 위치하여 흡배기 효율을 높였다.
오버헤드 캠축(OHC) 방식은 캠축이 실린더 헤드에 위치하여 밸브를 직접 구동한다. OHC 엔진은 푸시로드가 없어 밸브트레인 관성이 줄어들고, 포트 설계를 최적화할 공간이 확보되어 고회전, 고출력에 유리하다.[2] OHC 방식에는 싱글 오버헤드 캠축(SOHC)과 더블 오버헤드 캠축(DOHC) 두 가지 주요 형식이 있다.
초기에는 주철로 만들어졌지만, 현재는 알루미늄 합금으로 제작되는 경우가 많다. 알루미늄 합금은 방열성이 높지만 열팽창이 크다는 단점이 있다.
2. 1. 측면밸브 (사이드밸브) 엔진
측면밸브 엔진은 밸브가 실린더 블록 측면에 위치하는 방식으로, '플랫헤드 엔진'이라고도 불린다. 모든 밸브 트레인 부품이 엔진 블록 내에 포함되어 있어, 실린더 헤드는 엔진 블록 상단에 볼트로 고정된 단순한 금속판 형태를 띤다.| 엔진 형식 | 캠축 위치 | 흡기 밸브 위치 | 배기 밸브 위치 |
|---|---|---|---|
| 측면밸브 엔진 (플랫헤드) | 블록 | 블록 | 블록 |
이러한 구조는 초기 자동차나 잔디깎이 같은 소형 엔진 기기의 대량 생산에 기여하였다. 플랫헤드와 포핏 밸브를 조합한 엔진은 슬리브 밸브 엔진을 대체하고 자동차 및 오토바이 엔진의 주류가 되었다. 당시 실린더 헤드에는 이미 연소실과 점화 플러그가 포함되어 있었다.
하지만 측면밸브 및 플랫헤드는 구조가 단순하고 정비가 쉽지만, 밸브가 측면으로 배치되어 연소실이 커지고 열효율이 낮으며 압축비도 제한적이다. 흡배기 경로가 복잡해지는 턴플로우 레이아웃을 채택할 수밖에 없으며, 일부 엔진은 크로스플로우 레이아웃(T-head 엔진)을 채택했지만 구조가 복잡해지는 것에 비해 높은 성능을 얻지 못했다. 결국 측면밸브는 고출력, 고효율 요구에 따라 최고 회전수에 한계가 있어, 소형 엔진을 제외하고는 오버헤드 밸브(OHV)나 OHC 방식으로 대체되었다.
2. 2. 흡기밸브 상부 배기밸브 하부 (IOE) 엔진
흡기 배기 상방(IOE) 엔진은 흡기 밸브는 실린더 헤드에, 배기 밸브는 실린더 블록에 위치하는 방식으로, 측면밸브 방식과 오버헤드 밸브 방식의 요소를 결합한 것이다. 1900년대 초 미국 오토바이에 광범위하게 사용되었으며, 1990년대까지 소량 생산되었다. IOE 엔진은 측면 밸브 엔진보다 효율적이지만, 더 복잡하고 크며 제조 비용도 더 많이 든다.2. 3. 오버헤드 밸브 (OHV) 엔진
캠축이 엔진 블록에 위치하고, 푸시로드와 로커암을 통해 실린더 헤드 상부에 위치한 밸브를 구동하는 방식이다. 흡기 밸브와 배기 밸브 모두 헤드에 위치한다.OHV 엔진은 오버헤드 캠축 엔진(OHC)에 비해 구조가 간단하고 부품 수가 적어 생산 비용이 저렴하며, 크기가 작다는 장점이 있다. 하지만, OHC 방식이 널리 사용되면서 현재는 일부 미국 V8 엔진을 제외하고는 대부분 OHC 엔진으로 대체되었다.
과거 측면밸브(플랫헤드) 시대에는 밸브 트레인 부품이 모두 실린더 블록 내부에 있어, 실린더 헤드는 금속제 접시에 불과했다. 하지만, 측면밸브는 연소실이 커지고 열효율이 낮으며 압축비가 제한되는 단점이 있었다. 또한, 흡배기 효율을 높이기 어려워 고출력, 고효율 엔진에는 부적합했다. 이러한 이유로 밸브가 헤드 위에 위치하는 OHV, OHC 방식으로 발전하게 되었다.
OHV 엔진은 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드가 같은 쪽에 연결되어 흡배기 통로(포트)가 나란히 배치된 턴플로우(turn-flow) 레이아웃과 웨지 연소실을 갖는 경우가 많았다. 현대적인 OHV 엔진은 연소실 디자인과 밸브 배치를 개선하여 성능을 향상시켰다.
2. 4. 오버헤드 캠축 (OHC) 엔진
오버헤드 캠축 엔진(OHC)은 캠축이 실린더 헤드에 위치하여 밸브를 직접 구동하는 방식이다. 오버헤드 밸브 엔진(OHV) 방식과 비교하면, OHC 엔진은 푸시로드가 없어 밸브트레인 관성이 줄어들고, 포트 설계를 최적화할 공간이 확보되어 고회전, 고출력에 유리하다.[2]OHC 방식에는 싱글 오버헤드 캠축(SOHC)과 더블 오버헤드 캠축(DOHC) 두 가지 주요 형식이 있다.
- '''싱글 오버헤드 캠축(SOHC)''' 엔진은 캠축이 밸브열 사이에 중앙에 위치하거나 단일 밸브열 바로 위에 위치한다. 1960년대부터 1990년대까지 널리 사용되었다.
- '''더블 오버헤드 캠축(DOHC)''' 엔진은 각각의 오프셋 밸브열(흡기 밸브는 안쪽, 배기 밸브는 바깥쪽) 바로 위에 캠축을 배치한다. DOHC 설계는 최적의 크로스플로우 밸브 배치를 가능하게 하여 더 높은 RPM 작동을 제공한다. 1990년대 이후 자동차 엔진에서 널리 사용되고 있다.
OHC 방식에서는 흡배기 방식도 혼합기가 실린더 헤드의 한쪽 면에서 흡입되고 배기가스가 반대쪽 면으로 흐르는 크로스플로우 레이아웃이 주류가 되었다. 연소실 형상도 Hemispherical combustion chamber|반구형영어이나 펜트루프형이 되어 연소 효율과 최고 출력, 최고 회전수가 크게 상승하였다.
초기에는 주철이 사용되었지만, 알루미늄 합금으로 바뀌었다. 알루미늄 합금은 방열성이 높지만 열팽창이 크다는 단점이 있어, 초기에는 헤드 가스켓이 터지는 문제가 발생하기도 했다.
OHC 엔진의 캠축은 '''캠홀더'''라는 부품으로 지지된다. 혼다 슈퍼커브와 같은 소형 오토바이 엔진에는 볼 베어링을 사용하기도 하지만, 대부분의 자동차 엔진은 캠홀더 자체가 미끄럼 베어링으로 제작된다.
3. 실린더 헤드 개수
피스톤 엔진은 일반적으로 실린더 블록당 하나의 실린더 헤드를 가진다.
오늘날 대부분의 직렬 엔진은 모든 실린더에 사용되는 단일 실린더 헤드를 사용한다. V형 엔진 또는 수평대향 엔진은 일반적으로 두 개의 실린더 헤드(실린더 블록당 하나씩)를 사용하지만, 소수의 협각 V형 엔진(예: 폭스바겐 VR5 및 VR6 엔진)은 두 블록에 걸쳐 단일 실린더 헤드를 사용한다.
대부분의 항공기용 성형 엔진은 실린더당 하나의 헤드를 가지지만, 이는 일반적으로 헤드가 실린더의 일체형 부분으로 제작되는 모노블록 형태이다. 이는 오토바이에도 일반적이며, 이러한 헤드/실린더 부품을 '배럴'이라고 한다.
산업 기계, 기관차, 선박 등에 사용되는 대배기량 디젤 엔진이나, 레시프로 항공기에 사용되었던 성형 엔진에서는 실린더의 개수만큼 실린더 헤드가 존재하는 경우가 있다. 이러한 형식은 부품 수가 증가한다는 단점이 있지만, 하나의 실린더 헤드가 고장난 경우에도 해당 헤드만 교체하면 수리가 완료되므로, 결과적으로 유지비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다. 또한 엔진 제조업체는 실린더 헤드의 설계를 변경하지 않고 기통수를 늘리거나 줄이는 등의 개량이 용이해진다.
4. 디자인
오버헤드 밸브(OHV) 또는 오버헤드 캠샤프트(OHC) 엔진에서 실린더 헤드는 ''포트''라고 하는 여러 개의 공기 흐름 통로를 포함한다. 흡기 포트는 연료와 공기 혼합기를 흡기 매니폴드에서 연소실로 전달하고, 배기 포트는 연소된 가스를 연소실에서 배기 매니폴드로 배출한다. 밸브는 포트를 열고 닫으며, 흡기구는 배기구에서 앞뒤로 오프셋된다. 헤드에는 또한 점화 플러그와 수냉식 엔진의 경우 냉각수 통로가 포함되어 있다.[1]
OHC는 실린더 헤드 상반부에 팝펫밸브와 캠샤프트가 수납되고, 크랭크샤프트로부터의 회전을 캠샤프트에 전달하기 위한 타이밍 체인이나 타이밍 벨트의 일부가 포함되어 있다. OHC 이전에 주류였던 OHV 방식에서는 캠샤프트가 실린더 블록 내에 수납되고, 팝펫밸브는 헤드 내의 로커암과 푸시로드를 경유하여 구동되었다. 그 외에 사이드 밸브의 흡기 밸브만을 OHV화한 IOE 엔진(F헤드)도 존재하며, 상당히 사용되었다.[1]
OHV의 실린더 헤드에는 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드가 동일한 면에 연결되어, 혼합기나 배기가스가 출입하는 '''포트'''라고 불리는 출입구가 나란히 배치된 턴플로우 레이아웃과 웨지 연소실이 많이 보였다. OHC 방식에서는 흡배기 방식도 혼합기가 실린더 헤드의 한쪽 면에서 흡입되고 배기가스가 반대쪽 면으로 흐르는 크로스플로우 레이아웃이 주류가 되고, 연소실의 형상도 Hemispherical combustion chamber|반구형영어이나 펜트루프형이 되어 연소 효율과 최고 출력, 최고 회전수가 크게 상승하여 현재에 이르고 있다. 참고로 위의 레이아웃은 어디까지나 주류이며, 크로스플로우의 OHV나 턴플로우의 OHC도 존재한다.[1]
재질로는 처음에는 주철이 사용되었지만, 비교적 초기 단계에서 방열성이 높은 알루미늄 합금으로 바뀌었다. 그러나 알루미늄 합금은 방열성이 높은 반면 열팽창이 크다는 단점도 있어, 초기 알루미늄제 실린더 헤드에서는 헤드 가스켓이 헤드 접합면의 열팽창에 따라가지 못하고 터지는 문제가 빈번하게 발생했기 때문에, 실린더 헤드의 재료 개량과 동시에 헤드 가스켓의 재료 개량도 함께 진행되었다.[1]
OHC에 의한 두정밸브식 헤드에는, '''캠홀더'''라고 불리는 부품에 의해 캠샤프트가 지지되고 있다. 혼다 슈퍼커브를 비롯한 소배기량의 오토바이에서는 볼 베어링을 통해 캠샤프트를 지지하는 경우가 많지만, 250cc를 초과하는 배기량의 오토바이용 엔진이나 오늘날 거의 모든 자동차용 엔진은 베어링의 내구성 측면에서 캠홀더 자체가 일종의 미끄럼 베어링으로 제작된다. 이러한 구조를 가진 실린더 헤드는 캠홀더 자체가 실린더 헤드와 일체 가공되어 높은 원형도가 유지되기 때문에, 캠홀더의 장착 위치와 장착 방향이 양각 등으로 엄격하게 지정되어 있는 경우가 대부분이며, 순서나 방향을 바꿔 장착하거나 다른 실린더 헤드에 장착되어 있는 캠홀더를 사용하는 것은 실린더 벽이 손상되는 원인이 되기 때문에 금지되어 있다. 만약 분해 정비 시에 캠홀더를 분실하거나 파손한 경우, 그 실린더 헤드 자체가 사용 불가능하게 될 위험성이 높아지므로, 취급에는 세심한 주의가 필요하다.[1]
5. 재질
처음에는 주철이 주로 사용되었지만, 비교적 초기 단계에서 방열성이 높은 알루미늄 합금으로 바뀌었다. 그러나 알루미늄 합금은 방열성이 높은 반면 열팽창이 크다는 단점도 있어, 초기 알루미늄제 실린더 헤드에서는 헤드 가스켓이 헤드 접합면의 열팽창에 따라가지 못하고 터지는 문제가 빈번하게 발생했다. 따라서 실린더 헤드의 재료 개량과 동시에 헤드 가스켓의 재료 개량도 함께 진행되었다.
6. 캠 홀더 (OHC 엔진)
OHC 엔진에서 캠샤프트는 '''캠 홀더'''라는 부품으로 지지된다.[2] 혼다 슈퍼커브 같은 소배기량 오토바이 엔진에서는 볼 베어링으로 캠샤프트를 지지하는 경우가 많지만, 250cc를 초과하는 오토바이 엔진이나 오늘날 대부분의 자동차 엔진은 캠 홀더 자체가 일종의 미끄럼 베어링 역할을 한다.
캠 홀더는 실린더 헤드와 일체로 가공되어 정밀도가 매우 높다. 따라서 캠 홀더의 장착 위치와 방향은 대부분 엄격하게 지정되어 있으며, 순서나 방향을 바꿔 장착하거나 다른 실린더 헤드의 캠 홀더를 사용하면 실린더 벽이 손상될 수 있어 금지된다. 분해 정비 시 캠 홀더를 분실하거나 파손하면 실린더 헤드 자체를 사용할 수 없게 될 수 있으므로 주의해야 한다.
7. 갤러리
참조
[1]
서적
Fundamentals of Medium/Heavy Duty Diesel Engines
https://books.google[...]
Jones & Bartlett Learning
2020-11-07
[2]
웹사이트
FORD DuraTec Engine 3D Simulation(18) - Dailymotion Video
https://www.dailymot[...]
2022-03-27
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