How Car Engines Work 기사를 읽었다면 공기/연료 혼합물을 엔진으로, 배기가스를 엔진 밖으로 내보내는 밸브에 대해 알고 있을 것입니다. 캠축은 로브(캠 ) 캠축이 회전할 때 밸브를 눌러 밸브를 엽니다. 밸브의 스프링은 밸브를 닫힌 위치로 되돌립니다. 이것은 중요한 작업이며 다양한 속도에서 엔진 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이 기사의 다음 페이지에서 성능 캠축과 표준 캠축의 차이점을 실제로 보여주기 위해 만든 애니메이션을 볼 수 있습니다.
이 기사에서는 캠축이 엔진 성능에 어떤 영향을 미치는지 배우게 됩니다. 단일 오버헤드 캠과 같이 다양한 엔진 레이아웃을 보여주는 멋진 애니메이션이 있습니다. (SOHC) 및 더블 오버헤드 캠 (DOHC), 정말 효과가 있습니다. 그런 다음 일부 자동차가 다른 엔진 속도를 보다 효율적으로 처리할 수 있도록 캠축을 조정하는 몇 가지 깔끔한 방법을 살펴보겠습니다.
기본부터 시작하겠습니다.
모든 캠축의 핵심 부분은 로브입니다. . 캠축이 회전함에 따라 로브는 피스톤의 움직임에 따라 흡기 및 배기 밸브를 열고 닫습니다. 캠 로브의 모양과 다양한 속도 범위에서 엔진이 작동하는 방식 사이에는 직접적인 관계가 있는 것으로 나타났습니다.
이것이 사실인 이유를 이해하려면 피스톤이 사이클을 완료하는 데 몇 초가 걸리도록 10 또는 20RPM으로 매우 느리게 엔진을 가동한다고 상상해 보십시오. 정상적인 엔진을 이렇게 천천히 작동시키는 것은 실제로 불가능하지만 가능하다고 상상해 봅시다. 이 느린 속도로 다음과 같은 모양의 캠 로브가 필요합니다.
이 설정은 이 매우 느린 속도로 실행되는 한 엔진에 대해 정말 잘 작동합니다. 하지만 RPM을 높이면 어떻게 될까요? 알아봅시다.
RPM을 올리면 캠샤프트의 10~20RPM 구성이 제대로 작동하지 않습니다. 엔진이 4,000RPM으로 작동 중이면 밸브가 1분에 2,000번 또는 1초에 33번 열리고 닫힙니다. 이 속도에서는 피스톤이 매우 빠르게 움직이므로 실린더로 유입되는 공기/연료 혼합물도 매우 빠르게 움직입니다.
흡기 밸브가 열리고 피스톤이 흡기 행정을 시작하면 흡기 러너의 공기/연료 혼합물이 실린더로 가속되기 시작합니다. 피스톤이 흡기 행정의 바닥에 도달할 때까지 공기/연료는 꽤 빠른 속도로 움직입니다. 흡기 밸브를 닫으면 모든 공기/연료가 멈추고 실린더에 들어가지 않습니다. 흡기 밸브를 조금 더 열어 두면 피스톤이 압축 행정을 시작할 때 빠르게 움직이는 공기/연료의 추진력이 공기/연료를 실린더로 계속 밀어 넣습니다. 따라서 엔진이 더 빨리 움직일수록 공기/연료가 더 빨리 이동하고 흡기 밸브가 더 오래 열려 있기를 원합니다. 우리는 또한 밸브가 더 높은 속도에서 더 넓게 열리기를 원합니다. 이 매개변수를 밸브 리프트라고 합니다. , 캠 로브 프로필에 의해 관리됩니다.
아래 애니메이션은 일반 캠 및 성능 카메라 밸브 타이밍이 다릅니다. 배기(빨간색 원)와 흡기(파란색 원) 주기가 성능 캠에서 훨씬 더 많이 겹칩니다. 이 때문에 이러한 유형의 캠이 장착된 자동차는 공회전 상태에서 매우 거칠게 달리는 경향이 있습니다.
주어진 캠축은 하나의 엔진 속도에서만 완벽합니다. 다른 모든 엔진 속도에서는 엔진이 최대한의 성능을 발휘하지 못합니다. 고정 캠축 따라서 항상 타협입니다. 이것이 자동차 제조업체가 엔진 속도가 변경됨에 따라 캠 프로필을 변경하는 방식을 개발한 이유입니다.
엔진의 캠축에는 여러 가지 다른 배열이 있습니다. 우리는 가장 일반적인 것들에 대해 이야기할 것입니다. 다음과 같은 용어를 들어보셨을 것입니다.
다음 섹션에서는 이러한 각 구성을 살펴보겠습니다.
이 배열은 헤드당 하나의 캠이 있는 엔진을 나타냅니다. . 따라서 인라인 4기통 또는 인라인 6기통 엔진인 경우 캠이 하나 있습니다. V-6 또는 V-8인 경우 두 개의 캠이 있습니다(각 헤드에 하나씩).
캠은 밸브를 눌러 밸브를 여는 로커 암을 작동합니다. 스프링 밸브를 닫힌 위치로 되돌립니다. 이 스프링은 높은 엔진 속도에서 밸브가 매우 빠르게 아래로 내려가고 밸브가 로커 암과 접촉하도록 유지하는 스프링이기 때문에 매우 강해야 합니다. 스프링이 충분히 강하지 않으면 밸브가 로커 암에서 떨어져 나와 스냅될 수 있습니다. 이는 캠과 로커암에 추가 마모를 초래할 수 있는 바람직하지 않은 상황입니다.
싱글 및 더블 오버헤드 캠 엔진에서 캠은 타이밍 벨트라고 하는 벨트 또는 체인을 통해 크랭크축에 의해 구동됩니다. 또는 타이밍 체인 . 이러한 벨트와 체인은 정기적으로 교체하거나 조정해야 합니다. 타이밍 벨트가 끊어지면 캠이 회전을 멈추고 피스톤이 열린 밸브에 부딪힐 수 있습니다.
이중 오버헤드 캠 엔진에는 헤드당 2개의 캠이 있습니다. . 따라서 인라인 엔진에는 2개의 캠이 있고 V 엔진에는 4개의 캠이 있습니다. 일반적으로 더블 오버헤드 캠은 실린더당 4개 이상의 밸브가 있는 엔진에 사용됩니다. 단일 캠샤프트는 이러한 모든 밸브를 작동시키기에 충분한 캠 로브에 맞지 않습니다.
더블 오버헤드 캠을 사용하는 주된 이유는 더 많은 흡기 및 배기 밸브를 허용하기 위해서입니다. 밸브가 많을수록 흡입 및 배기 가스가 더 많이 흐를 수 있기 때문에 더 자유롭게 흐를 수 있습니다. 이것은 엔진의 힘을 증가시킵니다.
이 기사에서 다룰 최종 구성은 푸시로드 엔진입니다.
SOHC 및 DOHC 엔진과 마찬가지로 푸시로드 엔진의 밸브는 실린더 위의 헤드에 있습니다. 주요 차이점은 푸시로드 엔진의 캠축이 엔진 블록 내부에 있다는 것입니다 , 머리보다는.
캠은 블록을 통과하여 헤드로 올라가 로커를 움직이는 긴 막대를 작동시킵니다. 이 긴 막대는 시스템에 질량을 추가하여 밸브 스프링의 부하를 증가시킵니다. 이것은 푸시로드 엔진의 속도를 제한할 수 있습니다. 시스템에서 푸시로드를 제거한 오버헤드 캠샤프트는 더 높은 엔진 속도를 가능하게 한 엔진 기술 중 하나입니다.
푸시로드 엔진의 캠축은 종종 기어 또는 짧은 체인으로 구동됩니다. 기어 드라이브는 일반적으로 오버헤드 캠 엔진에서 흔히 볼 수 있는 벨트 드라이브보다 파손될 가능성이 적습니다.
캠축 시스템을 설계할 때 가장 중요한 것은 각 밸브의 타이밍을 변경하는 것입니다. 다음 섹션에서 밸브 타이밍을 살펴보겠습니다.
자동차 제조업체가 밸브 타이밍을 변경하는 몇 가지 새로운 방법이 있습니다. 일부 Honda 엔진에 사용되는 시스템은 VTEC입니다. .
VTEC(가변 밸브 타이밍 및 리프트 전자 제어)는 엔진이 여러 캠축을 가질 수 있도록 하는 일부 Honda 엔진의 전자 및 기계 시스템입니다. VTEC 엔진에는 자체 로커가 있는 추가 흡기 캠이 있습니다. , 이 캠을 따릅니다. 이 캠의 프로필은 다른 캠 프로필보다 흡기 밸브를 더 오래 열어 둡니다. 낮은 엔진 속도에서 이 로커는 밸브에 연결되지 않습니다. 높은 엔진 속도에서 피스톤은 2개의 흡기 밸브를 제어하는 2개의 로커에 추가 로커를 잠급니다.
일부 자동차는 밸브 타이밍을 앞당길 수 있는 장치를 사용합니다. . 이것은 밸브를 더 오래 열어 두지 않습니다. 대신 나중에 열고 나중에 닫습니다. 이것은 캠축을 몇 도 앞으로 회전시켜 이루어집니다. 흡기 밸브가 상사점(TDC) 전 10도에서 정상적으로 열리고 TDC 이후 190도에서 닫히면 총 지속 시간은 200도입니다. 회전하면서 캠을 약간 앞으로 회전시키는 메커니즘을 사용하여 개폐 시간을 변경할 수 있습니다. 따라서 밸브는 TDC 이후 10도에서 열리고 TDC 이후 210도에서 닫힐 수 있습니다. 밸브를 20도 후에 닫는 것도 좋지만 흡기 밸브가 열리는 시간을 늘릴 수 있으면 더 좋습니다.
페라리 이 작업을 수행하는 정말 깔끔한 방법이 있습니다. 일부 Ferrari 엔진의 캠축은 3차원 프로파일로 절단됩니다. 캠 로브의 길이에 따라 다릅니다. 캠 로브의 한쪽 끝은 가장 덜 공격적인 캠 프로필이고 다른 쪽 끝은 가장 공격적인 것입니다. 캠의 모양은 이 두 프로파일을 매끄럽게 혼합합니다. 밸브가 캠의 다른 부분과 맞물리도록 메커니즘이 전체 캠축을 측면으로 슬라이드할 수 있습니다. 샤프트는 여전히 일반 캠샤프트처럼 회전하지만 엔진 속도와 부하가 증가함에 따라 캠샤프트를 점차 측면으로 밀어 밸브 타이밍을 최적화할 수 있습니다.
여러 엔진 제조업체는 밸브 타이밍의 무한한 가변성을 허용하는 시스템을 실험하고 있습니다. 예를 들어, 각 밸브에 캠축에 의존하지 않고 컴퓨터 제어를 사용하여 밸브를 열고 닫을 수 있는 솔레노이드가 있다고 상상해 보십시오. 이러한 유형의 시스템을 사용하면 모든 RPM에서 최대 엔진 성능을 얻을 수 있습니다. 앞으로 기대되는 부분...
캠축, 밸브 타이밍 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 아래 링크를 확인하십시오.
최초 발행일:2000년 12월 13일
