(2) 나트륨 밸브

밸브 헤드의 냉각을 돕기 위하여 밸브 스템을 중공(中空)으로 하고, 그 속에 열전도 성능이 좋은 금속 나트륨을 넣은 나트륨(Na) 냉각 밸브도 있다. 이 밸브는 기관 운전 중에 나트륨이 액화되어 밸브 운동에 따라 유동하면서 밸브 헤드의 열을 100℃ 정도 낮출 수 있다.

(3) 밸브 간극(valve clearance)

밸브 간극은 기계식 리프터를 사용하는 기관에서 작동 중 열팽창을 고려하여 I-헤드형과 OHC형은 로커암과 밸브 스템 끝 사이에 두고 있으며, 일반적으로 배기밸브 쪽의 간극을 더 크게 두고 있다. 이것은 배기밸브 쪽 온도가 높아 열팽창이 크기 때문이다.

밸브 간극은 대략 흡입밸브가 0.2 ~0.35mm, 배기밸브가 0.3 ~0.4mm 정도이다. 또 기관이 냉간 된 상태와 온간 된 상태의 간극이 다르다.

 밸브 간극

(4) 밸브 기구

밸브 기구는 캠축의 회전에 따라 밸브를 개폐하는 기구로 밸브의 설치 위치에 따라 오버헤드밸브(OHV)형, 오버헤드 캠축(OHC)형, 사이드밸브(SV(L-헤드형, F-헤드형))형이 있으며 밸브가 서로 반대편에 있는 것을 크로스 플로라 하고 옆으로 배열되어 있는 방식을 턴 플로라 한다.

① SV형 기구 : 캠축→ 밸브 리프트 → 밸브

② O.H.V 기구 : 푸시로드 방식으로 캠축→밸브 리프터→푸시로드→로커암 어셈블리→밸브

③ O.H.C 기구 : 록커암 방식으로 캠축→로커암→밸브(최근에는 직접구동방식으로 캠축→유압 리프터→밸브로 작동하며, OHC는 캠축이 실린더헤드에 설치된 것이다.)

          O.H.V 기구                                                                   O.H.C 기구

(5) DOHC

캠 샤프트가 2개로 1실린더에 4밸브가 설치되어 있다. 이것은 밸브의 면적이 크게 됨과 동시에 관성 모멘트가 작아지며 흡기 효율을 높일 수 있는 장점이 있으나 캠 샤프트가 2개가 되어 벨트와 체인 등의 복잡화 등으로 인하여 엔진 중량의 증가 및 제작비가 비싸지는 단점이 있다.

1.2. 캠축(Cam Shaft)

(1) 캠축의 개요

크랭크축과 평행하게 베어링을 통해 지지되며 캠이 배열되어 있는 축으로 흡기와 배기 밸브를 열고 차량에 따라서 연료펌프, 오일펌프, 배전기 등도 구동한다. 크랭크축과의 회전비는 크랭크축이 2 회전 하면 캠축은 1회전 한다. 캠축의 재질은 일반적으로 내마모성이 큰 주철이 사용되며 캠 표면은 경화처리 되어 있다.

 캠축

(2) 캠축의 구동방식

1) 기어 구동식(Gear Drive)

크랭크축 기어와 캠축 기어가 맞물려 회전하고 타이밍 기어에는 점화 시기 표지가 있으며, 밸브 개폐 시기와 점화시기를 바르게 유지하는 일을 하기 때문에 타이밍 기어라고도 한다. 백래시(서로 물리고 있는 기어와 기어 사이의 틈새)가 심하면 점화시기가 틀려진다.

2) 체인 구동식(Chain Drive)

캠축 구동을 체인으로 하고 텐셔너를 두어 체인의 헐거움을 자동적으로 조정하며, 댐퍼는 체인의 진동을 흡수한다. 캠축 구동에 사용되는 체인은 타이밍 체인이라고 하며, 축간 거리에 관계없는 미끄럼 없이 일정 속도비를 얻을 수 있다.

3) 벨트 구동식(Belt Drive)

벨트로 캠축을 구동하며 타이밍 벨트식이라고도 한다. 벨트의 탄성에 의한 진동 소음이 적고 스프로킷과 접하는 부분은 돌기가 있으며, 오일이 묻을 때에는 벨트의 수명이 단축된다.

           기어 구동식                              체인 구동식                           벨트 구동식

캠축 구동방식

(3) 캠

캠의 형상은 접선 캠, 볼록 캠, 오목 캠이 있으며 캠 샤프트의 회전에 의해 로커암 또는 밸브 리프터를 통해 밸브를 개폐하는 작동을 한다.

 접선 캠               볼록 캠           오목 캠

캠

(4) 양정

캠에서 기초원과 노즈(nose)사이의 거리를 양정(lift)이라 한다.

1.3. 밸브 리프터(Valve Lifter)

캠의 회전운동을 상하 운동으로 변환시켜 밸브나 푸시로드에 전달하며, 밸브 리프터는 기계식과 유압식이 있다. 유압식(Hydraulic Lifter)은 엔진 오일에 작동되며 오일은 캠의 움직임과 내부의 코일 스프링에 의해 자동적으로 체크 밸브를 조절하는 구조로 온도 변화에 관계없이 밸브 간극을 항상 "0 " 으로 유지할 수 있어 밸브 오토래시 어저스터라고도 하며, 밸브 개폐 시기가 정확하고 충격을 흡수하여 작동이 조용하며 밸브 기구의 내구성이 양호하다. 그러나 구조가 복잡 하고 유압회로 고장 시에는 작동이 불량하다. 

1.4. 푸시 로드(Push Rod)

OHV 기구의 리프터와 로커암을 이어주는 강제의 긴 막대로 근래에는 별로 사용하지 않는다.

1.5. 로커암 어셈블리(rocker arm assembly)

로커암, 스프링, 로커암축, 밸브간극조정 볼트 등으로 구성되어 있으며 실린더 헤드에 설치된다. 푸시로드나 캠에 의해 밀어 올려지면 밸브 스템 끝을 눌러 밸브를 열게 한다. 밸브 리프터가 기계식인 경우는 밸브 간극을 조정하기 위한 조정 나사가 설치되어 있다. 밸브 간극의 변화는 밸브 개폐시기에 큰 영향을 준다. 간극이 크면 소음의 발생과 각부에 충격을 주고, 작으면 밸브 밀착이 좋지 않아 실화 등이 발생하여 출력이 저하된다.

 로커암 어셈블리

1.6. 밸브 가이드(Valve Guide)

흡기와 배기 밸브의 밀착을 좋게 하기 위하여 밸브 스템을 안내한다.

1.7. 밸브 스프링(Valve Spring)

밸브 스프링은 엔진이 작동 중에 밸브가 캠의 형상에 따라서 정확하게 작동이 되도록 하며, 밸브가 닫혀 있는 동안 밸브 시트와 밸브 페이스를 밀착시켜 기밀을 유지하는 역할을 한다. 밸브 스프링의 장력이 약하면 밀착 불량으로 압축가스가 샌다.

1.8 . 밸브 서징현상

밸브 스프링 서징현상이란 고속으로 운전될 때 밸브스프링의 신축이 심하여 밸브 스프링의 고유 진동수와 캠 회전속도 공명에 의하여 스프링이 퉁기는 현상이다. 서징현상이 발생하면 밸브개폐가 불량하여 흡?배기작용이 불충분해진다. 서징 현상 방지방법은 2 중 스프링, 부등 피치 스프링, 원뿔형 스프링 등을 사용한다. 정해진 양정 내에서 충분한 스프링 정수를 얻도록 한다. 밸브 스프링 장력은 규정 값의 15% 이내, 직각도는 자유 높이 100mm당 3mm 이내, 자유 높이는 규정 값의 3% 이내이어야 한다.

1.9 . 밸브 회전기구 필요성

밸브 회전기구의 종류에는 밸브가 열렸을 때 기관의 진동으로 회전하는 릴리즈 형식(release type；자유 회전방식)과 밸브 회전기구를 별도로 설치하고 강제로 회전시키는 포지티브 형식(positive type；강제 회전방식)이 있으며 밸브 회전기구 필요성은 다음과 같다.

① 밸브 면과 시트 사이, 스템과 가이드 사이에 쌓이는 카본을 제거한다.

② 밸브 면과 시트, 스템과 가이드의 편 마멸을 방지한다.

③ 밸브 헤드 부분의 온도를 균일하게 할 수 있다.

1.10. 밸브 시트(valve seat)

밸브 시트는 밸브 면과 밀착되어 연소실의 기밀유지 작용과 밸브 헤드의 냉각작용을 한다. 시트는 밸브 면과 연속적인 충격 접촉을 하므로 이에 손상되지 않을 정도의 경도가 있어야 한다. 시트의 각도는 60°, 45°, 30° 가 있고 시트의 폭은 1.5~2.0mm이며, 폭이 넓으면 밸브의 냉각효과는 크지만 압력이 분산되어 기밀유지가 불량하다.

반대로 폭이 좁으면 밀착 압력이 커 기밀유지는 잘되나 냉각효과가 감소한다. 또 어떤 기관에서는 작동 중 열팽창을 고려하여 밸브 면과 시트 사이에 1/4 ~1° 정도의 간섭각을 둔다.

밸브 시트의 구조와 절삭 각도

1.11. 밸브 면(valve face)

밸브 면은 시트(seat)에 밀착되어 연소실 내의 기밀유지 작용을 한다. 이에 따라 밸브 면의 양부는 실린더 내의 압축압력과 밀접한 관계가 있으며 기관의 출력에 큰 영향을 미친다. 밸브 면은 기관작동 중 고온?고압상태에서 밸브시트와 충격적으로 접촉하고 이 접촉에서 밸브 헤드의 열을 시트로 전달한다. 따라서 마멸이 쉬우며 밀착 불량으로 손상되기 쉬워 밸브 면은 표면경화하고 있다. 밸브 면과 수평선이 이루는 각을 밸브 면 각도라 하며 60°, 45°, 30° 의 것이 있으며 주로 45°를 가장 많이 사용한다.

1.12. 밸브 스템(valve stem)

밸브 스템은 그 일부가 밸브 가이드에 끼워져 밸브운동을 바르게 유지하고, 밸브 헤드의 열을 가이드를 통하여 실린더헤드로 전달한다.

1.13. 밸브스프링 리테이너 록 홈과 리테이너 록

밸브스프링 리테이너 록 홈(retainer lock groove)은 스프링 리테이너를 밸브 스템에 고정시키기 위한 록(키)을 끼우기 위한 홈이며, 밸브스프링은 실린더 헤드와 리테이너 사이에 끼워지고 리테이너 록에 의하여 밸브 스템에 고정된다.

 리테이너 록

1.14. 가변 밸브 타이밍 기구(Variable Valve Timing Train)

흡기와 배기 밸브용 캠의 형상을 엔진의 저속과 고속 상태에 맞추어 바꿀 수 있기 때문에, 저속 및 중속에서의 회전력 향상과 고속에서의 출력을 크게 할 수 있도록 제작된 기구이다. 캠 형상을 엔진의 회전상태에 알맞게 변화시켜 밸브 개폐시기와 열림량이 변화하므로 캠 형상 변화기구는 가변 밸브 타이밍 리프트 기구라고도 부른다. 저속 운전시 에는 고속 캠이 붙어 있는 쪽의 로커암은 무부하 상태이기 때문에 밸브는 저속 캠으로 구동되고 고속 운전시 에는 고속 측의 로커암이 유압으로 고정되기 때문에 밸브는 리프트가 큰 고속 캠으로 구동된다.