DOHC
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1. 개요
DOHC는 "Double Overhead Camshaft"의 약자로, 실린더 헤드에 흡기 및 배기 밸브를 각각 제어하는 두 개의 캠축을 사용하는 엔진 형식을 의미한다. DOHC는 SOHC에 비해 실린더 헤드 설계의 자유도가 높고, 고회전 및 고출력 성능을 구현하기 용이하다. 1912년 푸조 레이싱카에 처음 적용되었으며, 이후 레이싱카와 스포츠카에 주로 사용되다가, 1980년대 후반부터는 국내 자동차 제조사들을 포함한 전 세계적으로 양산차에 널리 적용되었다. DOHC는 가변 밸브 타이밍 기술과 결합하여 엔진 효율을 극대화할 수 있으며, 부품 수 증가 및 실린더 헤드 대형화와 같은 단점도 존재한다.
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| DOHC | |
|---|---|
| DOHC | |
| 종류 | 왕복 엔진 |
| 밸브 배치 | 오버헤드 밸브 |
| 구동 방식 | 캠축 |
| 상세 정보 | |
| 구조 | 캠축이 실린더 헤드 위에 2개 있는 구조 |
| 특징 | 밸브를 직접 구동하여 고회전과 고출력에 유리 |
| 사용 분야 | 고성능 자동차, 모터사이클 엔진 |
2. 특징
DOHC(Double OverHead Camshaft)는 실린더 헤드에서 밸브를 구동할 때, 흡기 밸브용 캠축과 배기 밸브용 캠축을 각각 따로 두는 방식이다. 이는 하나의 캠축으로 흡배기 밸브를 모두 구동하는 SOHC 방식과 구별된다.
DOHC 방식은 다음과 같은 주요 특징을 가진다.
- 설계 자유도 증가: 흡기 캠축과 배기 캠축이 분리되어 있어 연소실, 포트(port), 밸브 배치 등 실린더 헤드 설계의 자유도가 SOHC보다 높다. 이는 고성능 엔진 개발에 유리하게 작용한다.[9]
- 고회전 및 고출력 용이성: 로커 암 없이 캠이 밸브를 직접 누르는 직동식 구조를 채택하기 쉬워, 동력 전달계의 관성 질량을 줄이고 고회전 및 고출력화에 유리하다.[9]
- 가변 밸브 타이밍(VVT) 기술과의 높은 호환성: 흡기 캠축과 배기 캠축을 독립적으로 제어할 수 있어, 캠 위상을 조절하여 밸브 타이밍을 변경하는 가변 밸브 타이밍 기술을 적용하기에 용이하다.
하지만 DOHC 방식은 캠축이 2개 필요하고 구조가 복잡해져 부품 수가 늘어나며, 이로 인해 제조 비용이 상승하고 실린더 헤드의 크기와 무게가 증가하는 단점도 있다.
2. 1. 밸브 구동 방식
흡기 밸브와 배기 밸브가 각각 별도의 캠에 의해 개폐된다.]]DOHC는 실린더 헤드에서 밸브를 구동할 때, 흡기 측과 배기 측에 각각 별도의 캠축을 사용하는 방식이다. 이는 SOHC 방식에 비해 캠축 하나당 걸리는 부하가 적고, 동력 전달계의 관성 질량 및 마찰 손실을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 로커 암을 사용하지 않고 캠이 직접 밸브를 누르는 직동식 구조를 채택하기 용이하여 엔진의 고회전 및 고출력화에 유리하다.[9]
DOHC 방식의 가장 큰 장점은 연소실, 포트 등 실린더 헤드 설계의 자유도가 높다는 점이다. 캠축 수가 늘어나는 것 자체만으로 성능이 향상되는 것은 아니지만[10], 설계 자유도가 높아지면서 밸브 레이아웃을 다양하게 구성할 수 있다. 예를 들어 흡기 밸브와 배기 밸브가 실린더의 반원을 경계로 마주보는 크로스 플로우(cross-flow) 형태나, 밸브들을 대각선으로 배치하는 형태[11] 등을 선택할 수 있다. 이러한 설계 자유도는 연소실 형상 설계에도 유리하게 작용하여 고성능 엔진 개발에 많이 채택된다. 참고로 직동식 SOHC 엔진도 존재하지만[10], 실린더 헤드 설계 자유도가 낮아 연소실 형상, 밸브 수, 밸브 협각(valve included angle영어) 등에서 제한이 생긴다. 도요타처럼 상품성 등을 강조하기 위해 DOHC를 적극적으로 채용하는 제조사도 있다.
또한, DOHC 방식은 캠의 위상을 변화시켜 밸브 개폐 시점을 조절하는 가변 밸브 타이밍(VVT) 기술과 궁합이 좋다. SOHC는 흡기 밸브와 배기 밸브가 하나의 캠축으로 작동하기 때문에 캠 위상을 변경하면 흡기와 배기 양쪽의 타이밍이 함께 변하여 원하는 효과를 얻기 어렵다. 반면 DOHC는 흡기 캠축과 배기 캠축이 분리되어 있어 각각 독립적으로 밸브 타이밍을 조절할 수 있으므로, 가변 밸브 타이밍 기구를 채용할 경우 일부 예외[12]를 제외하고는 대부분 DOHC 방식을 사용한다. 개인적인 튜닝 관점에서도 흡기 밸브와 배기 밸브의 타이밍을 각각 독립적으로 조절할 수 있다는 높은 자유도가 특징이다.
하지만 단점도 존재한다. 부품 수가 증가하고 구조가 복잡해져 생산 비용이 높아진다. 또한 캠축이 2개가 되면서 실린더 헤드의 크기가 커지고 무거워져 엔진 전체의 무게 중심이 높아진다.
2. 2. 설계 자유도
DOHC 방식의 가장 큰 장점은 연소실과 포트(port) 등 실린더 헤드 설계의 자유도가 높다는 점이다. 단순히 캠축이 두 개로 늘어나는 것만으로 성능이 향상되는 것은 아니지만, 설계 자유도가 높아지면서 엔진 성능을 최적화하기 유리해진다. 예를 들어, 로커 암을 사용하지 않고 캠이 직접 밸브를 누르는 직동식 구조를 만들기 쉬워 고회전 및 고출력 엔진 설계에 유리하다.[9] 반면, 직동식 SOHC 엔진도 존재하지만[10], 이는 실린더 헤드 설계 자유도가 낮아 연소실 형상, 밸브 수, 밸브 간 각도(valve included angle영어) 등에 제한이 생긴다.
DOHC는 밸브 레이아웃 설계에서도 자유도가 높다. 흡기 밸브와 배기 밸브가 실린더 중심을 기준으로 서로 마주보는 크로스 플로우(cross-flow) 형태나, 흡기 밸브와 배기 밸브를 대각선으로 배치하는 형태[11] 등 다양한 구조를 선택할 수 있다. 또한 연소실 형상을 최적화하기 쉬워 고성능 엔진에 많이 채용된다.
설계 자유도가 높다는 특징은 다른 장점으로도 이어진다. 밸브 타이밍을 흡기 측과 배기 측에서 각각 독립적으로 조절할 수 있어 튜닝의 자유도가 높다. 또한, 최근 널리 사용되는 가변 밸브 타이밍 기구와의 궁합이 좋다. SOHC 방식은 하나의 캠축으로 흡기 밸브와 배기 밸브를 모두 구동하기 때문에 캠의 위상을 바꾸면 흡기와 배기 타이밍이 같이 변해버려 원하는 효과를 얻기 어렵다. 이 때문에 캠 위상 변화를 이용하는 가변 밸브 타이밍 기구는 일부 예외[12]를 제외하면 대부분 DOHC 방식을 기반으로 한다.
종합적으로 DOHC는 다음과 같은 설계상 이점을 가진다.
- 캠축 배치 자유도 향상
- 포트 형상 및 밸브 배치 설계 자유도 향상
- 연소실 형상 설계 자유도 향상
- 동력 전달계의 관성 질량 및 마찰 손실 경감 (SV, OHV, SOHC 대비)
이러한 장점 덕분에 고회전·고출력, 저공해·저연비 등 다양한 요구 조건에 맞춰 엔진을 설계하기 용이하며, 각종 가변 밸브 기구를 도입하기도 비교적 수월하다.
하지만 단점도 존재한다. 부품 수가 늘어나고 구조가 복잡해져 생산 비용이 증가하며, 캠축이 2개가 되면서 실린더 헤드의 크기가 커지고 엔진의 무게 중심이 높아지는 경향이 있다.
2. 3. 가변 밸브 타이밍 (VVT)
DOHC 방식은 최근 널리 보급된 가변 밸브 타이밍(VVT) 기술과 잘 맞는다는 장점이 있다.[9] VVT는 엔진의 회전 속도나 부하에 따라 캠의 위상을 변화시켜 흡기 및 배기 밸브의 개폐 시기를 조절하는 기술로, 이를 통해 엔진 효율을 높일 수 있다.SOHC 방식에서는 흡기 밸브와 배기 밸브가 하나의 캠으로 구동되기 때문에, 캠의 위상을 변화시키면 흡기 밸브와 배기 밸브의 타이밍이 동시에 똑같이 변하게 된다. 이러한 구조적 한계로 인해 SOHC 방식은 VVT 기술의 효과를 제대로 얻기 어렵다.
따라서 캠 위상을 변화시키는 가변 밸브 타이밍 기구를 채용할 경우, 일부 예외적인 경우[12]를 제외하고는 기본적으로 DOHC 방식을 사용한다. DOHC는 흡기 캠축과 배기 캠축이 분리되어 있어 각각의 밸브 타이밍을 독립적으로 조절할 수 있으므로, VVT 기술을 효과적으로 적용하여 엔진 성능과 효율을 최적화하는 데 유리하다.
2. 4. 단점
DOHC 방식은 여러 장점에도 불구하고 다음과 같은 단점을 가진다.- 부품 수가 SOHC 방식에 비해 많아지고 기구가 복잡해져 제조 비용이 많이 든다.
- 캠축이 실린더 헤드 당 2개 필요하므로 실린더 헤드가 커지고 무거워져 엔진 전체의 무게 중심이 높아지는 경향이 있다.
3. 역사
DOHC 엔진은 1912년 스위스 출신 기술자 에르네스트 헨리(Ernest Henry)가 프랑스 푸조의 레이싱 카용으로 개발한 것이 시초로 알려져 있다.[1] 다만, 스페인 이스파노 수이자의 설계자 마크 비르킥트(Marc Birkigt)의 아이디어를 차용했다는 설도 존재한다. 초기 DOHC 엔진은 부품 수가 많고 구조가 복잡하여 1950년대 이전까지는 주로 고성능 레이싱 카나 일부 고급 스포츠 카에만 제한적으로 사용되었다.
제2차 세계 대전 이후, 이탈리아의 알파 로메오가 양산 모델에 DOHC 엔진을 적용하기 시작하면서 대중화의 가능성을 열었다. 이후 유럽과 일본의 자동차 제조사들은 기존 엔진을 개량하여 DOHC 방식을 채택한 고성능 엔진을 개발하고 스포츠 모델에 탑재했다. 특히 일본의 혼다 기연공업, 닛산 자동차, 도요타 자동차 등은 DOHC 기술 발전에 기여했다. 1963년 혼다 T360은 일본 최초로 DOHC 엔진을 탑재한 시판 4륜 자동차였다.[1]
초기에는 고성능 스포츠 모델의 전유물로 여겨졌으나, 토요타 자동차는 연비 향상과 배기가스 저감을 위해 실용적인 보급형 DOHC 엔진(하이 메카 트윈 캠)을 개발하여 1986년부터 자사 승용차에 널리 적용했다.[3][4] 이러한 흐름 속에서 DOHC 엔진은 전 세계 자동차 제조사들에게 보편적으로 채택되었으며, 경차는 물론이고 효율성과 친환경성이 중시되는 디젤 엔진에도 널리 사용되고 있다.[5]
3. 1. 초기 역사
1912년 스위스 출신 기술자 에르네스트 헨리(Ernest Henry)가 프랑스 푸조의 레이싱 카용으로 개발한 것이 최초로 알려져 있다. 한편, 스페인의 이스파노 수이자(Hispano Suiza)사 설계자 마크 비르킥트(Marc Birkigt)의 아이디어를 표절했다는 설도 존재한다.DOHC 방식은 부품 수가 많고 구조가 복잡했기 때문에 1950년대 이전까지는 주로 레이싱 카나 일부 고급 스포츠 카에만 제한적으로 사용되는 기술이었다.
3. 2. 발전과 보급
제2차 세계 대전 이전까지 DOHC 엔진은 부품 수가 많고 구조가 복잡하여 주로 레이싱 카나 고급 스포츠 카에 한정적으로 사용되는 기술이었다.전쟁 이후, 이전부터 DOHC 엔진 개발에 적극적이었던 이탈리아의 알파 로메오가 양산을 시작하면서 대중화의 길을 열었다. 이후 유럽과 일본의 주요 자동차 제조사들은 기존 양산 엔진의 헤드 부분을 DOHC 방식으로 개량한 고성능 엔진을 개발하여 스포츠 모델에 탑재하기 시작했다. 일본에서는 혼다 기연공업, 닛산 자동차, 도요타 자동차 등이 이러한 흐름을 주도했다.
일본에서 DOHC 엔진을 처음으로 탑재한 시판 4륜 자동차는 1963년에 발표된 경트럭인 혼다 T360이다. 이 차량은 고속 주행 성능을 확보하기 위해 DOHC 엔진을 채택했으며, 이후 개발된 스포츠 360에는 T360 엔진을 튜닝한 버전이 탑재되었다.[1] DOHC 기술은 자동차뿐만 아니라 오토바이에도 널리 적용되었다. 1965년 혼다 CB450, 1972년 가와사키의 수출용 모델인 Z1[2] 등이 대표적인 예이다.
본래 스포츠 모델을 위한 기술로 여겨졌던 DOHC는 토요타 자동차에 의해 새로운 가능성을 보여주었다. 토요타는 흡배기 효율을 높이고 이상적인 연소실 형상 설계의 자유도가 높다는 점에 주목하여, 연비 절감 및 배기가스 저감을 위한 실용차용 보급형 DOHC 엔진(하이 메카 트윈 캠)을 개발했다. 1986년 8월부터 토요타는 자사의 가솔린 엔진 승용차 대부분에 이 엔진을 채용하기 시작했다.[3][4]
이후 양산형 DOHC 엔진은 전 세계 자동차 제조사들에게 널리 보급되었다. 경차 시장에서도 1990년대부터 DOHC화가 진행되었으며, 2021년 혼다 액티 트럭의 단종을 끝으로 일본 내수 시장의 모든 경차는 DOHC 엔진을 탑재하게 되었다. 또한, 강화되는 배기가스 규제에 대응하고 연료 분사 효율을 높이기 위해 디젤 엔진에서도 DOHC 방식이 널리 채택되고 있다.[5]
3. 3. 대한민국에서의 DOHC
(내용 없음 - 주어진 원본 소스에는 '대한민국에서의 DOHC'에 해당하는 내용이 포함되어 있지 않습니다.)4. 명칭
DOHC는 "'''더블''' 오버헤드 캠샤프트"(Double OverHead Camshaft)의 약자로, '2개의 오버헤드 캠샤프트'를 의미하는 경우가 많다. 하지만 다음과 같은 이유로 맨 앞의 'D'를 'Dual'(복합)로 보는 것이 기구의 개념상 더 정확하다고 할 수 있다.
- V형 엔진이나 수평대향 엔진과 같이 실린더 헤드가 2열인 엔진은 SOHC 방식이라도 이미 캠샤프트가 2개 존재한다.
- 최근 가변 밸브 타이밍 기구의 도입으로 실린더 열당 캠샤프트가 3개 이상인 경우도 있지만, 이를 "TOHC"(Triple Overhead Camshaft)나 "QOHC"(Quad Overhead Camshaft) 등으로 부르지는 않는다.[6]
반대로, 각 V뱅크 위에 캠샤프트를 하나씩 가지면서도 각각 흡기 또는 배기 전용 캠 열을 가져, SOHC이면서도 실린더 쪽에서 보면 DOHC와 유사한 캠샤프트 배치를 가지는 협각 V형 엔진 같은 경우도 있다.
"'''트윈 캠'''(TWIN CAM)"이라고 불리는 경우도 있다. 자동차 분야에서는 토요타[7], 닛산[8], 스즈키, 다이하츠가, 이륜차 분야에서는 가와사키가 이 명칭을 사용한다.
다만, 'Twin'은 명확히 '2조'를 의미하기 때문에, 토요타는 V형 엔진 등에는 "'''FOUR CAM'''"이라는 명칭을 구분하여 사용하기도 했다.
예외적으로 할리데이비슨은 캠샤프트가 2개인 자사의 V형 2기통 OHV 엔진을 'TWINCAM'이라고 칭하는데, 이는 기존의 캠샤프트 1개짜리 엔진과 구별하기 위함이다.
주요 제조사별 표기는 다음과 같다.
| 제조사 | 엔진 형식 | 표기 |
|---|---|---|
| 토요타 | 4밸브 6기통 | TWINCAM24 |
| 토요타 | 4밸브 4기통 | TWINCAM16 |
| 토요타 | 5밸브 4기통 | TWINCAM20 |
| 닛산 | 4밸브 6기통 | TWINCAM 24VALVE |
| 닛산 | 4밸브 4기통 | TWINCAM 16VALVE |
| 다이하츠 | 4밸브 4기통 | TWINCAM-16V |
| 다이하츠 | 4밸브 3기통 | TWINCAM-12V |
또한 별명으로는 주로 직렬 엔진을 TWIN CAM, V형 엔진 및 수평대향 엔진을 FOUR CAM 등으로 부르기도 한다.
5. 멀티 밸브
4행정 엔진에서 한 개의 실린더에 3개 이상의 밸브를 갖는 것을 멀티 밸브라고 하며, 이런 엔진을 멀티 밸브 엔진이라고 부른다. 일부 SOHC나 OHV(오토바이 또는 산업용, 농업 기계 용을 비롯한 일부 디젤 엔진) 방식의 멀티 밸브 엔진도 존재하지만, DOHC 방식이 멀티 밸브 엔진에서 더 일반적이다. 실제로 푸조가 만든 최초의 DOHC 엔진은 동시에 최초의 멀티 밸브 엔진이기도 했다. 이처럼 DOHC와 멀티 밸브 기술은 서로 밀접한 관계를 맺고 있다.
6. 기타 밸브 구동 방식
DOHC 외에도 엔진의 밸브를 구동하는 방식에는 여러 가지가 있다. 대표적인 방식으로는 실린더 옆에 밸브가 위치하는 사이드 밸브(SV), 캠샤프트가 실린더 블록에 위치하고 푸시로드와 로커암으로 밸브를 여닫는 OHV(Overhead Valve), 실린더 헤드 위에 하나의 캠샤프트만 두는 SOHC(Single Overhead Camshaft), 그리고 회전하는 밸브를 사용하는 로터리 밸브 등이 있다. 각 방식은 구조와 성능 특성에서 차이를 보인다.
6. 1. 사이드 밸브 (Side Valve, SV)
사이드 밸브 (SV)는 실린더 옆에 흡기 밸브와 배기 밸브가 위치하는 방식이다. 구조가 간단하여 초기 내연기관에 많이 사용되었으나, 연소실 형상이 복잡해지고 압축비를 높이기 어려워 고성능을 내기에는 불리하다는 단점이 있다.6. 2. OHV (Overhead Valve)
OHV(Overhead Valve)는 밸브가 실린더 헤드 위에 위치하는 엔진 형식이다. 하지만 캠샤프트는 실린더 블록 내부에 위치하며, 긴 푸시로드pushrodeng와 로커암rocker armeng을 이용하여 밸브를 개폐한다. 이는 캠샤프트가 실린더 헤드 위에 직접 위치하여 밸브를 구동하는 OHC 방식(SOHC 및 DOHC)과는 구별된다. 구조가 상대적으로 간단하고 엔진의 전체 높이를 낮출 수 있다는 장점이 있지만, 밸브 개폐 기구가 복잡하고 무거워 고회전에는 불리한 특성을 가진다.6. 3. SOHC (Single Overhead Camshaft)
실린더 헤드 위에 하나의 캠샤프트가 위치하여 흡기 및 배기 밸브를 모두 구동하는 방식이다.6. 4. 로터리 밸브 (Rotary Valve)
로터리 밸브는 회전하는 밸브를 사용하여 흡기 및 배기 통로를 개폐하는 방식이다.참조
[1]
문서
혼다 S360과 S500
[2]
문서
가와사키 750RS
[3]
문서
점화 플러그의 장점
[4]
문서
토요타 엔진 탑재 차량
[5]
웹사이트
「왜 디젤에 DOHC가 필요할까요?」
https://www.webcg.ne[...]
2001-03-29
[6]
문서
스즈키의 "TOHC" 엔진 개발
[7]
문서
토요타 2T-G 계열 엔진
[8]
문서
닛산 FJ20 계열 엔진
[9]
문서
직동식과 로커암식 비교
[10]
문서
SOHC 엔진 예시
[11]
문서
디젤 엔진 레이아웃
[12]
문서
미쓰비시 MIVEC 및 OHV 엔진
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