SOHC
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1. 개요
SOHC(Single Overhead Camshaft)는 실린더 헤드 위에 하나의 캠축이 위치하여 밸브를 작동시키는 엔진 구조를 의미한다. 1897년 디젤 엔진에 처음 사용되었으며, 1960~70년대 일반 승용차에 보급되었다. OHV 엔진에 비해 고회전에 유리하고, DOHC 엔진보다 구조가 간단하며 연비가 좋다는 장점이 있다. 하지만 DOHC에 비해 밸브 수를 늘리기 어렵고, 고회전 엔진 설계에 제약이 있으며, 밸브 타이밍 조절이 어렵다는 단점도 존재한다. 최근에는 DOHC가 일반화되면서 소수파가 되었지만, 여전히 오토바이 등에서 사용되고 있으며, 기술 발전을 통해 단점을 보완하려는 시도가 이루어지고 있다.
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2. 구조
SOHC 엔진은 실린더 헤드 위에 하나의 캠축이 있고, 이 캠축은 타이밍 벨트, 체인, 기어 등으로 크랭크축과 연결되어 회전한다. 밸브는 연소실 위에 있으며, 캠축이 회전하면서 로커 암을 통해 밸브를 열고 닫는다. 쐐기형(웨지형)이나 배스터브형 연소실 엔진에서는 캠이 직접 밸브를 구동시키기도 한다.[9]
OHV 엔진은 푸시로드가 있어 밸브 구동계의 관성 질량이 크지만, SOHC 엔진은 푸시로드가 없어 고회전에 유리하다. DOHC 엔진은 캠축이 두 개라서 구조가 복잡하고 마찰 저항이 크지만, SOHC 엔진은 캠축이 하나라 구조가 간단하고 마찰 저항이 적어 연비가 좋은 편이다.
2. 1. 흡배기 방식에 따른 분류
SOHC 엔진은 흡기 및 배기 방식에 따라 카운터 플로우(counter flow) 방식과 크로스 플로우(cross flow) 방식으로 나뉜다.[2] 카운터 플로우 방식은 흡기 포트와 배기 포트가 엔진의 같은 쪽에 위치하며, 주로 쐐기형(웨지형) 또는 배스터브형 연소실에 사용된다. 폭스바겐 제 RP형 4기통 SOHC 8밸브 엔진의 실린더 헤드가 대표적인 예시이다.
크로스 플로우 방식은 흡기 포트와 배기 포트가 엔진의 반대쪽에 위치하며, 반구형, 다구형, 펜트루프형 연소실에 사용된다. 혼다제 D15A형 4기통 SOHC 12밸브 엔진의 실린더 헤드가 대표적인 예시이다.
3. 역사
1897년 루돌프 디젤이 개발한 디젤엔진은 OHC였다. 20세기 초부터 고성능 자동차 엔진이나 항공기용 엔진에 사용되었다. 일반 승용차용으로 보급된 것은 1960년대부터 1970년대에 걸쳐서이며, 그 이전까지는 OHV, 더 이전에는 사이드 밸브가 사용되었다.
1960년대부터 1970년대에 걸쳐 일반 승용차용 엔진이 사이드 밸브 (SV)에서 OHV를 거쳐 SOHC가 보급되었다.
그러나 1990년대 이후에는 더욱 엄격해지는 저 배출 가스 규제에 대응하기 위해 DOHC가 일반 승용차에 보급되면서 SOHC는 소수파가 되었다. 한편 원동기 장치 자전거나 소배기량 오토바이에서는 비용 절감을 중시하기 때문에 SOHC가 여전히 채용되는 경우가 많다.
4. 특징
SOHC 엔진은 OHV 엔진보다 밸브 구동계의 관성 질량이 작아 고회전에 유리하며, DOHC 엔진보다 구조가 간단하고 마찰 저항이 적어 연비가 좋고 정비성이 우수하다. 그러나 DOHC 엔진에 비해 밸브 레이아웃의 자유도가 낮아 밸브 협각을 작게 하기 어렵고, 밸브 타이밍을 흡기와 배기 각각 독립적으로 제어하기 어렵다는 단점이 있다.
4. 1. 장점
OHV 엔진에 비해 밸브 회전의 관성질량을 줄이기 쉬워, 밸브 타이밍 관리가 용이하다. DOHC만큼은 아니지만 고회전·고출력을 얻기 쉽다. 혼다 비트처럼 일반적인 DOHC 이상의 고회전 엔진을 탑재한 예도 있다.[9]부품 수가 OHV나 DOHC보다 적기 때문에 크기가 작고 가벼우며, 제조 비용이 저렴하고 정비성도 좋다. DOHC와 비교하면 캠 샤프트가 하나 적기 때문에 구동 저항이 적어 연비가 좋은 엔진을 만들기 쉽다. 또한, 사이드 밸브나 OHV처럼 엔진의 무게 중심을 낮게 할 수 있다.
자동차 배출 가스 규제가 점점 강화되면서, SOHC는 OHV에 비해 연비가 좋고 배출 가스 규제 대응에 유리하다는 장점이 있다.
개인적인 튜닝에서는 로커 암의 길이(로커 암 비율)를 변경하여 캠축을 변경하지 않고도 밸브 리프트 량을 늘릴 수 있다.
SOHC는 DOHC보다 성능이 떨어진다는 인식이 있지만, 반드시 그렇지는 않다. NASCAR에서 규제 조치로 배제된 포드 427 SOHC "Cammer" 엔진처럼 SOHC 엔진으로 고출력화를 시도한 사례도 있다. 캠축의 수보다는 연소실의 형상, 캠의 모양과 크기 등이 성능을 결정하는 데 더 큰 영향을 미치며, DOHC는 이러한 요소들의 자유도를 높이기 위한 수단일 뿐, 반드시 고회전·고출력 엔진을 위한 것은 아니다.
터보 장착 시 흡·배기 특성 개선을 위해 DOHC를 채택하는 경우가 많지만, 일본 경차의 터보 엔진 출력 경쟁이 치열했던 시기에 슈퍼차저를 채용한 스바루 렉스는 모델 소멸 시까지 SOHC 엔진을 유지했다.[3]
스즈키는 20년 이상 사용해 온 F형 엔진에서 연소실 형상을 하트형에 가깝게 만들어 연소 효율을 높였다. F형 엔진에는 4밸브 DOHC, 4밸브 SOHC, 3밸브 SOHC[4] 등 다양한 종류가 있지만, 밸브 배치 관계 때문에 이 설계는 일부 변경되었다.
실린더당 밸브 수는 흡기×1, 배기×1의 2밸브가 기본이었지만, 흡·배기 효율을 높이기 위해 흡기×2, 배기×1의 3밸브나 흡기×2, 배기×2의 4밸브 멀티 밸브 엔진도 등장했다. 또한, 캠축 간섭 때문에 이상적인 센터 플러그 배치가 어렵다는 약점을 보완하기 위해 트윈 플러그 방식을 SOHC 엔진에 적용하기도 한다.[5]
최근에는 플러그를 기울여 캠축을 회피하는 형태로 센터에 배치하는 것이 일반적이지만, 플러그 홀이 경사지게 헤드를 관통하기 때문에 포트 형상이나 냉각 유로 설계에 제약이 따르기도 한다.
캠축을 오프셋하여 플러그의 기울기를 억제하면서 센터에 배치하는 방법[6], 좁은 밸브 협각을 위해 흡기 밸브를 직동, 배기 밸브를 로커 암으로 구동하는 혼다의 유니캠[7] 등의 기술도 개발되었다.
SOHC는 DOHC보다 열등하지 않고 실용적인 장점도 많지만, 일부 제조사를 제외하면 SOHC로 회귀하는 경우는 드물다. 이는 시장의 요구와 더불어, 최근 일반화된 위상 변화형 가변 밸브 기구가 SOHC에서는 효과를 얻기 어렵다는 점이 크게 작용한다. SOHC는 단일 캠축으로 흡기 밸브와 배기 밸브를 작동시키기 때문에 캠의 위상을 변화시키면 흡기와 배기 타이밍이 동시에 변화하여 오버랩 영역의 변화를 얻을 수 없다. 하지만 SOHC에서도 부하 및 회전수에 따라 최적의 밸브 타이밍 제어를 통해 일정한 효과를 얻을 수 있으므로, 대배기량 SOHC 엔진(en:Ford Modular engine 등)에서는 채택되기도 한다.
국내에서는 미쓰비시 자동차의 신MIVEC 엔진(4J10형, 및 4J11형, 4J12형 엔진)이 연속 가변 리프트 기구와 협조하여 SOHC이면서 캠축의 위상 변화를 구현했다.[8]
단일 캠축으로 흡·배기의 위상을 독립적으로 변화시켜 오버랩량을 변화시키는 방법으로는, 흡기와 배기의 캠 로브가 독립적으로 움직이는 이중 구조의 캠축을 사용하는 방법이 있다. 이는 이미 일부 미국의 대배기량급 V형 8기통 OHV 엔진에서 채용되고 있으며, SOHC에서도 사용할 수 있다.
4. 2. 단점
DOHC와 비교하면, 하나의 캠 샤프트로 로커 암을 통해 밸브를 구동하는 구조이기 때문에 흡·배기 밸브의 수를 늘리기 어려워 고회전형 엔진을 만들기 어렵다.[9] 같은 이유로, 고출력화를 위해 큰 밸브 등을 사용하면 밸브 1개당 관성 무게가 DOHC보다 커지기 쉽다. 또한, 하나의 캠 샤프트로 흡·배기 밸브를 모두 열고 닫기 때문에 밸브 협각 등 밸브 배치(레이아웃)의 자유도가 낮다. 조정식 캠 스프로켓으로 밸브 타이밍을 조정할 때, DOHC처럼 흡기와 배기를 각각 미세 조정하는 것이 불가능하며, 흡기와 배기 조건을 동시에 만족시키려면 매번 캠 샤프트를 새로 제작해야 한다.[9]로커 암이 밸브를 여닫는 힘에 의해 탄성 변형되므로, 고회전이 될수록 밸브 개폐의 정밀도가 떨어지고, 밸브 점프나 밸브 서징이 발생한다.[9]
개인적인 튜닝에서는 로커 암의 길이(로커 암 비율)를 변경하는 것만으로 캠 샤프트를 변경하지 않고 밸브 리프트 량의 증대를 꾀할 수 있는 경우도 있지만, 크로스 플로우 연소실에서 캠 샤프트를 사이에 두고 좌우로 로커 암이 분산되어 있는 경우에는 비율 변경에 의해 흡기 측과 배기 측의 밸브 타이밍이 반대 방향으로 엇갈리므로(즉, ''밸브 오버랩''이 직접 변화한다), 캠 샤프트도 동시에 변경해야 성능이 저하되는 경우도 있다.[9]
일반적으로 SOHC는 DOHC보다 성능이 떨어진다고 생각하기 쉽지만, 반드시 그렇지는 않다. 캠 샤프트의 수보다 연소실의 형상이나 캠의 모양, 크기(캠 프로필)와 같은 것이 성능을 결정할 때 비중이 더 크며, SOHC가 아닌 DOHC로 하는 이유는 그 자유도를 높이기 위한 수단이지, 반드시 고회전·고출력 엔진을 만들기 위한 것은 아니다.[9]
최근 일반화된 위상 변화형 가변 밸브 기구는 SOHC에서는 효과를 얻기 어렵다는 점에서 장점이 작다. SOHC는 단일 캠 샤프트로 흡기 밸브와 배기 밸브를 작동시키는 구조상, 캠의 위상을 변화시키면 흡기와 배기 타이밍이 동시에 변화해 오버랩 영역의 변화를 얻을 수 없다. 다만, SOHC에서도 부하 및 회전수에 대해 최적의 밸브 타이밍 제어를 함으로써, 오버랩의 변화는 없더라도 일정한 효과는 얻을 수 있으므로, 대배기량 SOHC 엔진(예: :en:Ford Modular engine) 등에서는 채용되고 있다.[9]
5. 기술 발전
SOHC 엔진은 흡기 및 배기 효율을 높이기 위해 멀티 밸브 엔진이 등장했는데, 이는 흡기 2개, 배기 1개의 3밸브 방식이나, 흡기 2개, 배기 2개의 4밸브 방식이다.[5]
SOHC 엔진은 캠축 때문에 센터 플러그 배치가 어렵다는 단점이 있지만,[5] 플러그를 기울이거나 캠축을 오프셋하여 센터에 배치하는 것이 일반적이다.[6] 혼다 D형 엔진은 흡·배기 밸브의 로커 암을 다르게 하고, 스즈키 G형은 흡기 밸브를 스윙 암식, 배기 밸브를 시소식 로커 암으로 하는 방식을 사용한다. 트라이엄프의 Slant-Four Engine과 유니캠은 흡기 밸브를 직동, 배기 밸브를 로커 암으로 구동한다.
피아트·알파 로메오의 멀티 에어(트윈 에어)는 배기 밸브는 캠축으로, 흡기 밸브는 유압을 거친 가변 밸브 기구로 구동하여 센터 플러그 배치와 밸브 협각의 협각화를 실현하고 있다.
SOHC 엔진은 DOHC 엔진과 달리 흡기 및 배기 밸브 타이밍을 독립적으로 제어하기 어렵지만,[8] 부하 및 회전수에 따라 최적의 밸브 타이밍 제어를 통해 일정한 효과를 얻을 수 있다.
미쓰비시 자동차는 연속 가변 리프트 기구와 협조 작용하는 형태로 SOHC이면서 캠축의 위상 변화를 수행하는 신 MIVEC 엔진(4J10형, 및 4J11형, 4J12형 엔진)을 개발했다.[8]
스즈키는 F형에서 연소실 형상을 하트형에 가깝게 만들어 연소 효율을 높였다. 트라이엄프는 Slant-Four Engine에서 흡기 밸브는 직동식, 배기 밸브는 로커 암으로 구동하여 센터 플러그 배치와 밸브 협각의 소형화를 구현했다. 알파 로메오 V6 엔진은 흡기 밸브는 직동식, 배기 밸브는 푸시 로드와 로커 암을 통해 구동하여 DOHC와 유사한 센터 플러그 배치를 실현했다.
5. 1. 멀티 밸브
SOHC 엔진의 흡기 및 배기 효율을 높이기 위해, 흡기 2개, 배기 1개의 3밸브 방식이나, 흡기 2개, 배기 2개의 4밸브 방식 멀티 밸브 엔진도 등장했다.[5]5. 2. 센터 플러그 배치
SOHC 엔진은 캠축의 간섭 때문에 이상적인 센터 플러그 배치가 어렵다는 단점이 있다.[5] 그러나 플러그를 기울여 캠축을 피하는 방식으로 센터에 배치하는 것이 일반적이다.[6] 이 경우, 플러그 홀이 헤드를 비스듬히 관통하기 때문에 포트 형상이나 냉각 유로 설계에 제약이 있을 수 있다.캠축을 오프셋하여 플러그의 기울기를 줄이면서 센터에 배치하여 콤팩트한 레이아웃을 구현하기도 한다.[6] 예를 들어, 흡·배기 밸브의 로커 암을 다르게 하거나, 흡기 밸브를 스윙 암식, 배기 밸브를 시소식 로커 암으로 하는 방식 등이 있다. 혼다 D형 엔진 SOHC 4밸브는 흡·배기 밸브의 로커 암을 등 부등장으로 하는 예이고, 스즈키 G형의 일부를 제외한 SOHC는 흡기 밸브를 스윙 암식, 배기 밸브를 시소식 로커 암으로 하는 예이다. 트라이엄프의 Slant-Four Engine과 유니캠은 흡기 밸브를 직동, 배기 밸브를 로커 암으로 하는 예이다.
또한, 피아트·알파 로메오의 가변 밸브 기구인 멀티 에어(트윈 에어)는 배기 밸브를 캠축으로 직접 또는 스윙 암으로 구동하고, 흡기 밸브는 유압을 거친 가변 밸브 기구로 구동하여 센터 플러그 배치와 밸브 협각의 협각화를 실현하고 있다.
5. 3. 가변 밸브 기구
SOHC 엔진은 DOHC 엔진과 달리 흡기 및 배기 밸브 타이밍을 독립적으로 제어하기 어렵기 때문에, 위상 변화형 가변 밸브 기구의 효과가 제한적이다. SOHC는 단일 캠축으로 흡기 밸브와 배기 밸브를 작동시키는 구조상, 캠의 위상을 변화시키면 흡기와 배기 타이밍이 동시에 변화하여 오버랩 영역의 변화를 얻을 수 없다.[8] 하지만, SOHC에서도 부하 및 회전수에 따라 최적의 밸브 타이밍 제어를 함으로써, 오버랩의 변화는 없더라도 일정한 효과를 얻을 수 있다. 대배기량 SOHC 엔진(포드 모듈러 엔진) 등에서는 이러한 방식이 채택되기도 한다.미쓰비시 자동차는 흡기 밸브 리프트량 변화와 위상 변화가 연동되는 연속 가변 리프트 기구를 채용한 신 MIVEC 엔진(4J10형, 및 4J11형, 4J12형 엔진)을 개발했다. 이 엔진은 연속 가변 리프트 기구와 협조 작용하는 형태로 SOHC이면서 캠축의 위상 변화를 수행한다.[8]
단일 캠축으로 흡·배기의 위상을 독립적으로 변화시켜 오버랩량을 변화시키는 방법으로는, 흡기와 배기의 캠 로브가 독립적으로 움직이는 이중 구조의 캠축을 사용하는 방법이 있다. 이 방식은 이미 일부 미국의 대배기량급 V형 8기통 OHV 엔진에서 채용되고 있으며, SOHC에서도 이용 가능하다.
5. 4. 기타 기술
스즈키는 F형에서 연소실 형상을 하트형에 가깝게 만들어 연소 효율을 높였다. F형 엔진에는 4밸브 DOHC와 4밸브 SOHC, 3밸브 SOHC[4]도 존재하지만, 밸브 배치 관계 때문에 이 설계는 적용되지 않았다.트라이엄프는 Slant-Four Engine에서 흡기 밸브는 직동식으로, 배기 밸브는 로커 암으로 구동하는 방식을 통해 센터 플러그 배치와 밸브 협각의 소형화를 구현했다.
알파 로메오 V6 엔진은 흡기 밸브는 직동식으로, 배기 밸브는 푸시 로드와 로커 암을 통해 구동하여 DOHC와 유사한 센터 플러그 배치를 실현했다.
피아트와 알파 로메오는 멀티 에어(트윈 에어)라는 가변 밸브 기구를 통해 배기 밸브는 캠축으로 직접 또는 스윙 암으로 구동하고, 흡기 밸브는 유압을 거친 가변 밸브 기구로 구동하여 센터 플러그 배치와 밸브 협각의 소형화를 이루어냈다.
참조
[1]
문서
[2]
문서
[3]
문서
[4]
문서
[5]
문서
[6]
웹사이트
ホンダ プレスインフォメーション(FACT BOOK) CITY 1986.10
http://www.honda.co.[...]
ホンダ
[7]
웹사이트
ホンダ プレスインフォメーション(FACT BOOK) CRF250R ユニカムバルブトレイン
http://www.honda.co.[...]
ホンダ
[8]
웹사이트
連続可変バルブリフトMIVEC - MITSUBISHI MOTORS
http://www.mitsubish[...]
MITSUBISHI MOTORS
[9]
문서
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