기관 12 > 가변 밸브 타이밍 기구

1. 개요

   기관의 흡ㆍ배기 밸브의 개폐(開閉) 시기(timing)는 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 흡기밸브가 열리기 시작하여 상사점을 지나 배기밸브가 닫힐 때까지 흡-배기 밸브가 동시에 열려있도록 만들어 놓았는데 이것을 밸브의 겹침(valve overlap)이라고 한다. 이것은 피스톤이 흡기행정 동안에 최대의 공기를 흡입하여 실린더의 체적효율을 높이기 위함이다.

 밸브 겹침을 증가시키면 고속이나 과부하운전에서 배기의 맥동(脈動, 배기 밸브가 닫히고 열릴 때 배기 흐름의 반사와 흐름의 진행에 의한 진동 현상)에 의한 관성효과(배기의 끝에 갈수록 잔류가스의 방출을 증가시키는 관성력의 발생으로 신기의 흡입량이 증가하는 현상)로 실린더의 충전(充塡)효율이 증가하여 기관의 출력이 높아진다. 그러나 저속운전에서는 이미 흡입한 혼합기가 흡기관으로 역류하여 충전효율을 떨어뜨림으로 겹침의 효과가 없다.

밸브 겹침이 클 경우는 약간의 미연소 신기가 배기 매니폴드(exhaust manifold)로 방출되고 그 결과 HC 가스의 량이 증가한다. 반대로 연소실내의 잔류 배기가스는 부분 부하나 공회전에서 흡기 매니폴드(intake manifold)로 역류하여 실린더로 흡입하는 새로운 혼합기를 희석시키고 오염시킨다. 흡기 밸브가 닫히는 시기를 빨리 하면 저속시의 충전효율이 높아지고, 늦게 하면 고속시의 충전효율이 높아진다. 이와 같이 서로 상충하는 기관의 요구를 해결하기 위하여 충전효율에 가장 큰 영향을 미치는 밸브 타이밍은 흡기 밸브가 닫히는 시기이므로 흡기 밸브 구동 캠 축의 앞쪽 끝에 가변 밸브 타이밍 구동 스프로킷(sprocket)을 설치하고, 그림 같이 흡기 밸브의 열림 각과 닫힘 각을 전진시키거나 후진시킨다.          

이 가변 흡기 밸브의 열림 기구의 특성은 기관의 회전 속도에 따라서 밸브 타이밍을 변경하여 전체 흡입기간은 일정하지만 저속과 고속에서 흡기 밸브의 열리는 시기와 닫히는 시기를 다르게 한다.

밸브의 개ㆍ폐 시기를 변경하는 방법은 이중 오버헤드 캠(DOHC) 기관의 흡기측의 캠 축의 위상을 바꾸는 것과 저속용과 고속용의 2개의 캠의 윤곽곡선(profile)을 바꾸어 흡ㆍ배기 밸브 타이밍과 밸브 양정(lift)을 바꾸는 것이다.

2. 흡기밸브 캠의 위상을 바꾸는 방식

   이 방법은 가변 밸브 타이밍 기구를 내장한 캠 축 타이밍 기어를 흡기측 캠 축의 앞쪽에 설치하여 흡기밸브가 열리는 전체 기간은 일정하게 그대로 두고 그림 과 같이 캠의 위상만을 바꾸는 것이다.

 캠 축과 타이밍 기어는 타이밍 벨트로 구동시키는 부분과 캠 축에 고정시키는 부분으로 나누고, 그 중간에 헬리컬 스플라인(helical spline)을 내ㆍ외주에 두고, 이것을 축 방향으로 이동시키는 타이밍 피스톤을 설치한다.

                       가변 밸브 타이밍 스프로킷 구동                                      가변 밸브구동 캠 축 제어기구

 제어밸브는 그림과 같이 캠 축의 뒤에 설치하여 제어 유닛(unit)으로부터 신호를 받는다. 제어 솔레노이드가 OFF 일 때는 그림과 같이 캠 축 타이밍 기어내의 피스톤에 작용하는 오일을 배출시킨다. 제어 솔레노이드가 ON일 때는 제어밸브의 플런저(plunger)가 유압 통로를 막아 타이밍 피스톤이 오른쪽 방향으로 이동한다. 이때 캠 축 타이밍 기어가 타이밍 벨트에 고정되어 있으므로 타이밍 피스톤의 외측은 피스톤이 이동하는 만큼 외주(外周)의 헬리컬 스프라인의 비틀림에 의하여 캠 축과 함께 기관의 회전 방향으로 이동(회전)한다. 동시에 타이밍 피스톤의 이동(회전)에 의하여 캠 축은 내주(內周)의 헬리컬 스프라인의 비틀림으로 다시 기관의 회전 방향으로 이동(회전)하여 흡기 캠의 위상이 전진 한 것과 같이 된다.

3. 캠의 윤곽곡선(profile)을 바꾸는 방식

   기관이 고속회전 할 때와 저속회전 할 때 모두에서 충분한 충전효율을 얻기위하여 그때마다 윤곽곡선(profile)이 다른 캠에 각각의 밸브를 연결하여 흡ㆍ배기 밸브의 개ㆍ폐 시기와 밸브의 양정(揚程, lift)을 변경하는 방식을 고안하였다. 즉, 기관이 고속회전 할 때는 캠의 윤곽곡선의 양정이 높고 밸브 열림 각을 크게 하는 고속 캠을 선택하고, 저속회전 할 때는 캠의 윤곽곡선의 양정이 낮고 밸브 열림 각을 작게 하는 저속 캠을 선택함으로써 최대의 충전효율을 얻는 방식이다.

 그림 4-22는 로커 암 식 4밸브 DOHC형 기관의 흡기 캠 축에 저속 캠과 고속 캠을 설치한 캠 축이다. 여기에는 2개의 밸브를 동시에 개폐하는 T자형 로커 암과 축이 일체로 된 T레버가 있고, 고속 로커 암이 T자 로커 암과 접하여 축에 삽입되어 있다. T레버 축의 양끝은 실린더 헤드에 지지하는데 이것은 T 자형 로커 암이 요동할 때의 지점이 된다.

 축에는 캠의 윤곽곡선을 바꾸기 위하여 동작하는 피스톤이 내장되어 있는데 기관이 저속과 중속 운전할 때는 제어밸브가 OFF되어 피스톤에 유압이 작용하지 않으므로 고속 로커 암과 T레버는 분리된다. 그러므로 저속 캠이 구동하는 T자형 로커 암에 의하여 저속 캠의 밸브 타이밍과 양정에 의하여 밸브를 개폐한다. 고속 로커 암은 밸브 개폐에 관여하지 않고 고속 캠에 의하여 구동되기만 한다.

                                                                                  캠의 윤곽곡선(profile)을 바꾸는 기구

 고속 때는 제어밸브가 ON되어 피스톤에 유압이 작용함으로 피스톤이 움직여 고속 로커 암과 T레버를 연결한다. 따라서 T자형 로커 암은 밸브 열림 각이 크고 밸브의 양정이 높은 고속 캠에 의하여 구동되며, 고속 캠의 밸브 타이밍과 양정에 의하여 밸브를 개폐한다.