1. 밸브 타이밍
흡배기 밸브의 개폐 시기라는 것을 밸브 타이밍이라고 하고, 각각의 밸브 열림 시작과 닫힘 종료가 언제인지를, 피스톤 상사점 또는 하사점을 기준으로 하여, 크랭크샤프트의 회전 각도로 몇도 지점인지로 표시한다.
흡배기 밸브의 개폐를 극히 간단하게 보면, 배기 밸브는 피스톤이 하사점에 왔을 때 열리고, 연소 가스가 추출되어 상사점에 온 순간에 닫힌다. 이와 동시에 흡기 밸브가 열려 혼합기의 흡입이 시작되고, 피스톤이 하사점에 왔을 때 닫히는 것으로 된다.
그렇지만, 연소 가스 및 혼합기는 눈으로 보이지 않지만, 질량을 갖고 있기 때문에, 실은 이런 식으로 밸브의 개폐가 상사점 및 하사점에 오기 때문은 요행스럽게 아니다. 예를 들면 흡기 밸브를 보아도, 밸브가 전개로 되기 위해서는 시간이 걸리고, 흡기 포트에 있는 혼합기는 일순간에 실린더내에 흘러 들어가는 것은 아니고, 관성에 의해 움직여 나가는데 시간이 걸리기 때문이다.
그래서, 흡기 밸브는 배기 행정에서 피스톤이 상사점에 오기 조금 전에 열리기 시작하는 식으로 한다. 그렇게 되면 피스톤이 내려가기 시작할 때에는 밸브는 이미 약간 열려있게 되고, 혼합기는 즉시 실린더에 들어가기 시작하는 것이 가능한 것이다. 흡기 밸브를 빠르게 열면, 피스톤이 기세 좋게 내려가고 있을 때에 밸브가 충분히 열려 있고, 그만큼 혼합기가 많이 들어간다고 하는 장점도 있다.
또, 흡기 밸브는 하사점을 지나도 닫힘 종료가 안된다. 이것도 흐름을 계속하도록 하는 혼합기가 조금이라도 많게 실린더에 들어가도록 할 목적이다. 피스톤은 하사점을 지나 압축 행정에 들어가 있는 것이 상방향의 움직임은 조금이고, 혼합기가 밸브 주변으로부터 밀어 되돌려지는 만큼, 압력이 높게 되지 않는 것이다.
팽창 행정이 끝날 무렵 배기 밸브는 피스톤이 하사점에 오기 전에 열린다. 이것은 연소 가스의 높은 압력이 남아 있는 동안에 밸브를 열어, 가능한 한 빠르게 가스를 배출시킬 목적이다. 그래서, 흡기 밸브의 경우와 같은 식으로, 피스톤이 상사점을 지나도 조금 열어 두어, 관성을 이용하여 보다 많은 연소 가스를 추출한다는 것이다.
밸브의 개폐 시기를 잘 보면, 배기 밸브는 피스톤이 상사점을 지나고 나서 닫히고, 흡기 밸브는 상사점 전에 열리기 때문에, 양측의 밸브가 동시에 열려 있는 기간이 있다. 이때 연소 가스가 배출되는 세력에 의해, 혼합기가 끌어 당겨지는 효과도 있다. 이런 식으로 흡배기 밸브가 동시에 열려 있는 기간을 밸브 오버랩 이라고 부르고 있다.
2. 가변 밸브 타이밍
흡배기 밸브가 동시에 열려 있는 밸브 오버랩을 둠에 따라, 혼합기의 흡입 효율을 올리는 것이 가능하지만, 그 효과는 배기가 빠르게 배출되는 만큼, 요컨대 엔진이 빠르게 회전하고 있는 만큼 크다. 그러한 것은, 역으로 아이들링時 등과 같이 엔진 회전이 낮을 때에는 가스의 흐름이 늦어져, 그 효과는 작다.
특히 고회전에서 이 효과를 얻을 목적으로 밸브 오버랩을 크게 한 엔진은, 회전이 낮을 때에는 연소 가스가 많이 남은 만큼 흡기 밸브가 열려 있음에 따라, 연소 가스가 흡기 포트에 불기 시작하고 나가는 식의 현상이 발생하여 연소가 불안정하게 되는 것이 있다. 특히 4밸브 엔진은, 밸브 오버랩이 크면 아이들링이 불안정해지기 쉽기 때문에, 오버랩 시간을 극히 조금 하고 있는 엔진이 많고, 그 가운데에는 오버랩 제로, 요컨대 배기 밸브가 닫힘에 따라 흡기 밸브를 연 엔진도 있다.
요컨대, 엔진 회전이 높은 것과 낮은 것은 최적의 밸브 타이밍이 달라, 흡기 밸브는 엔진 회전이 낮은 것이 늦고, 고회전에서는 빠르게 열리는 것이 바람직하다. 그래서 흡기측의 캠스프로켓에 유압으로 작동하는 스위치를 두어, 엔진 회전이 어느 속도 이상으로 되면 캠샤프트를 조금 회전하여, 캠이 흡기 밸브를 빠르게 누르도록 하는 것이 생각되었다. 이것이 가변 밸브 타이밍 시스템이다.
캠의 형상이 변한다는 뜻은 아니므로, 밸브를 빨리 열게 되면 그만큼 빨리 닫는 것이 되지만, 밸브를 빨리 닫으면, 이번에는 실린더에 계속 들어가도록 하는 혼합기를 중지하는 것이 된다. 이 때문에, 어느 밸브 타이밍을 사용하는 쪽이 좋은지는 단순하게 엔진 회전수만이 아니고, 부하 등도 계산한 상태에서 결정된다.
이런 방법을 한층 일진보시키면, 흡기 밸브를 구동하는 캠을 저속용과 고속용의 2종류로서, 엔진의 운전 상태에 대응하는 캠을 구분하여 사용하는 시스템이 생각된다. 캠이 저속, 고속 각각의 전용이 된다면, 저회전용의 캠은 밸브가 늦게 열리고 빨리 닫히고, 리프트를 작게 함에 따라 흡입되는 혼합기를 적게 하여, 연비를 좋게 하는 것이 가능하다.
고회전용은 역으로 밸브를 빨리 열고 늦게 닫아, 리프트를 크게 하여 충분히 공기를 들임에 의해 엔진 출력을 크게 하는 것이 가능하다. 이 시스템은 가변 밸브 리프트, 또는 캠 절환 컨트롤 등으로 불리고, 혼다 및 미쓰비시의 엔진에서 볼 수 있다.
3. 5밸브 엔진
실린더에 가능한 한 많은 공기를 들이기 위해서는 밸브가 열려 있는 부분 면적 (유효 흡기 밸브 면적)을 크게 하는 것이 바람직하다. 그래서 현재 주류로 되어 있는 4밸브 엔진의 흡기 밸브수를 1개 증가시켜 3개로 한 5밸브 엔진이 나타난 것은 앞에서 소개하였지만, 이 5밸브 엔진에 대해서는 조금 더 자세히 살펴보도록 하자.
카롤라/스프린터 의 GT에 탑재되고 있는 5밸브 1.6ℓ 4A-GE 엔진은, 동일 배기량에서 4밸브의 4A-FE 실린더 헤드만을 교환하여 총합 성능을 업시킨 엔진이다. 보아×스트로크는 81×77 mm 로 같지만, 연소실이 컴팩트하게 되어 압축비는 9.5로부터 10.5로 크게 되어 있다.
실린더 헤드의 단면을 비교하여 보면, 4밸브 쪽이 흡기 밸브와 배기 밸브가 대략 좌우 대칭으로 되어 있는 것에 대해, 5밸브는 흡기 밸브가 수직에 가까운 각도로 서 있고, 이것과 함께 된 인테이크 포트도 보다 스트레이트로 되어 있어 흡기 저항이 작게 되어 있는 것을 알 수 있다. 배기 밸브는 흡기 밸브가 서 있도록 하기 위해 적게 누인 각도로 되어 있지만, 이그조스트 포트 각도는 거의 변화하지 않는다.
연소실 단면을 비교하면, 같은 PENT ROOF 형이지만, 압축비가 높은 5밸브 쪽이 작게 되어 있는 것으로, 凹凸이 많은 복잡한 형태로 되어 S/V비가 크게 되어, 열효율 상으로는 약간 손해를 보고 있는 것을 살필 수 있다.
성능 곡선을 보면 최고 출력, 최대 토크 공히 5밸브 엔진이 압도적으로 크게 되어 있다. 이것은, 흡기 밸브를 증가시켜서 고회전, 고출력으로 한 효과가 얻어지고 있는 때문이다. 단, 축 출력 차가 나타나는 것은 4000rpm 이상의 고회전이어서, 보통 주행시에 사용하는 회전역은 이 이하인 것이 많은 것, 게다가 2000rpm으로부터 4000rpm의 축 토크가 거의 같은 것을 생각하면, 실용적인 엔진 회전 영역에서는 흡기 밸브를 3개로 한 효과는 그다지 없는 것으로, 4밸브 엔진에서 같은 식으로 주행이 가능한 것으로 생각된다.
그러나 엔진을 FULL로 회전시킨 스포츠 주행이라는 것이 되면, 고속 회전역에서의 흡기 효율이 틀린 점이 크게 나타나, 5밸브 엔진 쪽이 1400rpm 더 높은 회전수로 회전되어, 최고 출력이 45PS 더 크게 되어, 그 위력을 유감없이 발휘하는 것으로 된다.
연료소비율은 흡입되는 혼합기가 증가되고 있기 때문에 당연한 것이지만, 5밸브보다도 4밸브 쪽이 작게 되어 있다.
4. 밸브의 이상 작동
캠에 의해 열린 밸브는, 밸브 스프링에 의해 닫힌다. 무엇보다도 스프링에 의해 밸브 시트에 눌러 붙여져 있는 상태의 밸브를, 캠 노즈로 눌러 연다고 하는 것이 올바르다. 이때 캠샤프트를 회전시키는 힘은 작은 쪽이 좋으므로, 스프링은 부드러운 쪽이 바람직하지마, 엔진을 고성능으로 할 목적으로 밸브를 크게 한다든지, 리프트를 크게 하기 위해서는 딱딱한 스프링이 필요하여, 그 균형이 문제이다.
평상시의 운전에서 일어나는 것은 아니지만, 엔진을 허용회전 이상까지 회전했을 때에, 이 스프링의 딱딱함에 밸브 중량과 강성이 얽혀서, 밸브가 점프, 바운스, 서지 등의 이상한 작동을 하는 것이 있다.
점프는 캠샤프트가 고속으로 회전하고 있는 상태에서 캠이 밸브를 눌렀을 때, 밸브의 관성력이 커서 스프링의 누름이 효과없이, 밸브가 캠 노즈로부터 떨어져 버리고 마는 것을 말한다. 밸브는 스프링에 눌러져 곧 되돌아 오지만, 이때 캠, 로커암, 밸브 리프터 등 동변계 부품이 서로 격돌하여 심할 때에는 파괴되어 버리고 마는 것도 있다.
바운스는 스프링에 눌러져 밸브가 닫힌 때에, 밸브 페이스 (傘 앞부분) 가 밸브 시트 (연소실의 밸브가 맞닥뜨리는 부분) 에 밀착하지 않고 뛰어서 되돌아 오는 현상으로, 같은 식으로 동변계가 손상을 입는다. 엔진의 회전을 올려 갔을 때, 밸브에 이러한 이상 작동이 일어나기 시작하는 회전수를 크러쉬 속도라고 하고, 이 속도가 엔진을 회전시키는 한계이다.
밸브 서지는 스프링의 이상한 진동으로, 스프링이 갖고 있는 고유 진동수와 캠에 의한 신축 타이밍이 일치하여, 스프링이 자려진동을 일으켜 날뛰는 현상을 말한다. 엔진을 무리하게 회전시켰을 때에 쟈∼ㅅ 라는 음이 나오는 것이 있는 것이 그것으로, 심할 때에는 스프링이 파괴되어 버린다.
이러한 밸브의 이상 작동은 밸브가 무겁고, 리프트가 큰 만큼 발생하기 쉽고, 예전부터 2밸브의 OHC 엔진이 많았을 때에는 話題가 잘 되었지만, DOHC 4밸브 엔진이 주류로 되면서부터는 그다지 틀리지 않게 되었다. 2밸브를 4밸브로 함에 따라 밸브 면적이 증가하여 흡배기가 보다 SMOOTH하게 되어, 리프트를 무리하게 크게 하지 않아도 좋은 식으로 된 것 및 밸브가 가볍게 된 것에 의해 엔진 최고 회전수를 높게 하여도 스프링을 그만큼 강하게 할 필요가 없게 되었기 때문이다.
5. 오버런과 레드존
엔진의 회전계 (타코메터) 에는 적색으로 칠한 회전수 부분이 있고, 이 부분은 레드존이라고 불리고 있다. 메터에 따라서는, 레드존에 가까운 회전수 부분에, 황색으로 칠해진 옐로우존을 표시하고 있는 것도 있다.
레드존이 시작되는 회전수는 엔진이 허용되는 최고 회전수 (허용 최고 회전수) 이고, 엔진의 출력이 최고로 되는 회전수 이상으로 엔진을 회전시켰을 때의 밸브 및 밸브 스프링 등 동변계 부품 및 피스톤, 콘로드 등의 주운동계 부품의 특성 및 내구성에 따라 결정되고 있다.
엔진을 허용 최고 회전수 이상의 회전수로 회전시키는 것을 오버런(과회전) 또는 오버레보 라고 한다. 레보는 회전을 의미하는 REVOLUTION을 略한 것이지만, 이 현상은 고속 주행중에 잘못하여 저단기어에 시프트 다운했을 때에 일어나는 것이 있다. 엔진을 공회전시켜 무리하게 회전을 올리면 물론 오버런이 된다.
엔진을 오버런시켰을 때에, 일어나기 쉬운 것이 밸브의 이상 운동으로, 밸브 서지 및 점프라든지 바운스가 발생한다. 이 현상에 의해 밸브 및 스프링이 파손되는 것도 있지만, 경우에 따라서는 피스톤의 머리 부분과 밸브가 부딪쳐서 피스톤을 파괴하는 것도 있다. 피스톤과 밸브가 부딪치지 않도록, 피스톤에 리세스가 주어져 있지만, 그 이상으로 밸브가 뛰어 오르면 간섭하여 버리고 마는 것이다.
오버런에 의해 피스톤의 평균 속도가 이상하게 빠르게 되면, 피스톤 링과 실린더의 간격 및 피스톤 핀과 크랭크샤프트 등의 베어링 유막이 끊겨, 온도가 급상승하여 마모한다든지 소착을 일으키는 것이 있다. 엔진이 고회전하고 있을 때에는 연소실 내의 화염 속도도 빠르고, 연소실 주변의 온도가 높게 되어 있어, 이러한 현상이 일어나기 쉬운 상태로 되고 있으므로, 특히 요주의할 필요가 있다.
또 오버런에 의해 엔진 운동 부분의 관성력이 크게 되어, 이상한 진동이 발생하여 부품 강도 한계를 초월하여, 균열이 생긴다든지 파손되어 버리고 마는 것도 있다.
엔진의 허용 최고 회전수는 최고 출력 회전수보다 300∼1300rpm 정도 높은 것으로 설정되어 있는 것이 보통으로, 엔진에 따라서는 레드존에 들어가면 연료를 CUT 하는 장치가 작동하여, 그 이상 엔진 회전이 올라가지 않도록 하여 오버런에 따른 트러블을 방지하고 있는 예도 있다.