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4행정

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Academic year: 2022

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(1)

1. 엔진 개요 2. 엔진의 분류

1) 엔진 분류 방법 2) 실린더 배열에 의한 분류 3) 사이클에 의한 분류

3. 엔진의 작동

1) 가솔린 엔진의 작동 2) 디젤 엔진의 작동 3) 실린더 번호와 점화순서

4. 엔진 본체

1) 실린더 블록 2) 실린더 헤드 3) 배기매니폴드 4) 흡기매니폴드 5) 흡기 시스템 6) 크랭크 축

7) 피스톤 8) 피스톤 링 9) 플라이 휠

5. 밸브 및 밸브기구

1) 밸브 트레인 2) OHV 엔진 3)OHC엔진 4) 밸브 타이밍 5) 가변 밸브 타이밍 장치

6) 가변밸브 타이밍과 리프트

1. 자동차 엔진의 종류와 분류방법을 설명할 수 있다.

2. 엔진의 구조와 부품의 기능을 설명할 수 있다.

3. 밸브의 연결 방법 및 작동 방식을 설명할 수 있다.

3 장 자동차용 엔진의 구조와 작동

3장

(2)

가솔린을 미리 기화시켜 압축한 후 점화하여 연소시키면 매우 격렬한 연소가 이루어지고 이때의

폭발 압력을

이용하여 엔진을 회전시킨다

4행정

: 피스톤이 2 왕복하는 사이에 4행정(흡기, 압축, 팽창, 배기행정)이 이루어지며 한 사이클을 완료하여 동력을 발생한다

2행정

: 피스톤이 1 왕복하는 사이에2행정(상승,하강 행정)이 이루어지며 1 사이클을 완료하여 동력을 발생한다

동력 발생 원리

작동 방법

엔진 개요

(3)

엔진 본체 : 혼합기를 폭발 연소시켜 동력을 발생하는 부분 흡기 장치 : 외부의 공기를 실린더 내로 흡입하는 장치 배기 장치 : 실린더 내의 연소가스를 외부로 배출하는 장치

연료 공급 공급 : 연료 탱크로부터 연료를 혼합기로 만들어 실린더 내로 공급하는 장치 윤활 장치 : 엔진 각 운동부분의 마찰면에 윤활유를 공급하는 장치

냉각 장치 : 엔진이 과열되지 않도록 적당한 온도로 냉각시키는 장치

과급 장치 : 엔진의 출력을 증가시키기 위해 공기를 강제로 더 많이 공급하는 장치 점화 장치 : 실린더 내로 공급된 혼합기를 점화시키는 장치

엔진의 부족 장치

(4)

3, 4, 5, 6, 8, 10, 12기통

직열식, V형, 수평 대향식, 방사형

SV (side valve), OHV(over head valve), OHC(over head camshaft), SOHC(single over head camshaft),DOHC(double over head camshaft)

공냉식, 수냉식, 증발냉각식

2행정, 4행정

예혼합 연소, 확산 연소

전기점화, 압축점화, 소구(hot bulb) 점화 점화 방식

실린더의 수

실린더의 배열

밸브 배열방식

냉각방식

행정 수

연료 연소 방식

엔진 분류

(5)

자동차용 엔진의 조건

1) 비출력(출력/배기량) 이 클 것

2) 출력변화에 대한 응답성이 좋을 것 3) 운전상태가 안정할 것

4) 정숙할 것

5) 연료의 경제성이 우수할 것

6) 수명이 길고 보수가 쉬울 것

7) 배출가스가 깨끗할 것

(6)

실린더를 마주보며 수평으 로 배치

두개의 실린더 열이 V 자 형태로 각도를 이루 고 있다.

크랭크 축은 2개의 커 넥팅 로드 저널과 연결 되어 있다.

실린더를 일렬로 배열 한다.

4기통 이하의 소형엔 진에 사용된다.

수평 대향식(horizontally opposed)

V자형(v-type) 직렬식(in-line)

직렬 6 기통 엔진 V-6 엔진 수평 대향 4기통 엔진

실린더 배열에 의한 분류

(7)

수평대향엔진 사진 수평 대향 엔진 단면

수평 대향 4기통 엔진

3기통 엔진 V-6 엔진

(8)

엔진의 제원과 성능

○ 총배기량( cc ) V = Zπ(D²/4)L D: bore 내경

L: stroke Z: cylinder 수

○ 행정 / 지름비 (stroke/bore ratio) : 내경에 대한 행정의 비 long stroke engine : 행정 / 지름비가 1 이상인 엔진

squre engine : 행정 / 지름비가 1 인 엔진

over squre engine : 행정 / 지름비가 1 이하인 엔진

엔진동력 P = 2 π n T

▪ 마력을 높이기 위해 회전수(rpm)를 크게 해야함 → 고속 → piston 속도가 커짐 → 흡입효율(유입유의 관성), 기계효율의 감소

▪ 행정을 작게 함 → piston 속도를 줄임 → over squre engine 사용

(9)

Vt : total volume (전체적) Vs : stroke volume (행정체적)

Vc : clearence volume(간극체적) 연소실

○ 압축비 (Compression ratio )

ε Vt

Vc

= Vc + Vs Vc

= 1 +

Vc Vs

bore

stroke 상사점

TDC

하사점 BDC

Vs

Vc

(Vc + Vs)

압축비 ε 를 크게 하면 전반적인 효율이 향상됨

( 축 토크 향상, 연료 소비율 감소, 열효율 증가) *그림 3.3참조 가솔린 → ε = 7 ~ 10

▪ 고옥탄가 연료를 사용하는 경우 ε = 17 까지 가능 (첨가제 4에틸연 Pb(C

2

H

5

)

4

)

디젤 → ε = 17 ~ 22

(10)

○ 공연비 ( A/F : Air fuel ratio )

A / F = mf/ma

▪ 이론공연비 : 연료 1g이 완전 연소되는데 필요한 이론공기질량 (가솔린 이론공연비 : A / F = 14.8)

▪ 최대출력 공연비 : 출력이 최대가 되는 공연비 (A / F = 12.5 ~ 13)

▪ 최량연비 공연비 : 연료소비율이 가장 양호한 공연비(A / F = 15.)

12.5 14.8

이론 공연비

18 5

T

연비

A/F

희박하한계 농후상한계

Torque

연료소비율

Lean 희박 Rich농후 연소불가

연소불가 가연한계

운전조건 → (WOT:Wide open throttle valve)

(11)

○ 체적효율 ( Volumetric efficiency )

○ 충진효율 ( Charging efficiency )

η

V

(P,T) 하에서 실제 실린더에 흡입된 공기의 질량 (P,T) 하에서 실린더 체적(V)을 차지하는 흡기의 질량

η

c

(P,T) 하에서 실제 실린더에 흡입된 공기의 질량

(P=760mmHg,T= 15 C) 일 때 실린더 체적(V)을 차지하는 흡기의 질량

체적효율은 엔진구조나 운전조건에 대한 엔진자체의 공기 흡입능력이다

(12)

Torque 와 Power

▪ F(kg)의 힘으로 L m을 움직였을 때 일 W 은 W(kg • m) = 힘

거리 = F • L

▪ F(kg)의 힘으로 r m의 반경을 돌리려고 할 때의 토오크 T 는 T(kg • m) = 힘

거리 = F

r

W(kg • m) = 2 π r n = 2 π n T T r

▪ F 의 힘으로 n 회전시킬 때 일 W 는

L회전반지름 r m 이라 하면 원호의 길이 L = 2 π r

▪ 일의 효율(마력 N

b

) 은 시간당 일 W 의 양

N

b

(PS) =

60

75

2 π n T

(13)

○ 제동마력 (brake power)과 도시마력 (indicated power)

▪ 축 마력,제동마력 (brake power) Nb : 크랭크 축의 마력

▪ 도시마력 (indicated power) Ni : 혼합기체의 연소에 의한 연소실 내의 일에 의한 마력

▪ 마찰마력 (friction power) N

f :

기계적 운동시 마찰에 의해 소비되는 마력

N

b =

N

i

- N

f

(14)

엔진의 성능곡선

축 Torque

연료소비율 축마력

축마력 (PS)

축 토크 (kg/m)

연비 (g/ps.h) 50

105

12 14 16

300 200

5000 3000

2000 4000

1000 rpm

▪ Torque 곡선 : 연소압력에 의한 팽창행정 시 피스톤이 하강하는 힘 → 커넥팅 로드에 의해 크랭크축의 회전력이 됨 연소압력, 체적효율( η

V )

이 증가할수록 Torque는 증가한다

▪ 축 출력곡선 : 회전수의 증가에 따라 마력이 증가하며 최고마력 후에 마찰에 의해 출력이 감소한다 N

b=

2 π n T

고속엔진 : 경량 고출력, 회전수에 의해 마력을 얻음, 밸브타이밍의 열린CA를 크게 하여 유동의 관성효과를 극대화

저속엔진 : 저속토크가 큰 엔진

스로틀 밸브 전개 상태

(WOT: Wide open throttle valve)

(15)

피스톤의 직선 운동과 크랭크 축의 회전운동

왕복 피스톤 엔진의 작동원리

피스톤 - 엔진 구조 (piston - engine construction)

(16)

2행정이 한 사이클을 이루는 엔진

팽창

소기 압축

상승 행정

하강 행정 크랭크실로 흡입

혼합기 흡입 되고 피스톤 위의 혼합기 가 압축됨

흡기포트와 소기포트가 막히고 압축 시작

점화플러그의 점화 로 연소에 의한 팽 창

피스톤이 하강 하며 크랭크실 의 혼합기 압축 소기포트로 혼합기가 들어오고 배기포트로 배기가스 나감

(17)

4행정이 한 사이클을 이루는 엔진

흡입과정 압축과정 팽창과정 배기과정

흡기밸브 열림 배기밸브 닫힘

흡기밸브와 배기밸브 닫힘

흡기밸브와 배기밸브 닫힘

흡기밸브 열림 배기밸브 닫힘

상승행정

하강행정 하강행정상승행정

(18)

4행정 엔진과 2행정 엔진의 비교

1. 2행정엔진은 4행정에 비해 폭발 회수가 2배이므로 이론상 2배의 출력이어야 하나 실제는 1.3~1.5배의 출력이 나옴

2. 2행정 엔진은 소기기 불완전하고 잔류가스가 남아 다음의 연소를 저해하고 흡입기 압축에 마력을 소모하여 실제 출력이 저하된다

3. 2행정엔진은 폭발횟수가 많아 토오크 변동이 적어 플라이휠의 크기가 적다 4. 밸브기구가 없고 구조가 간단하며 중량이 가볍고 제작비가 저렴하다

5. 혼합기의 흡입과 연소가스 배출이 동시에 이루어져 혼합기의 일수가 바로 배출되어 연료소비량이 증가하고 배기가스 중 공해물질이 증가한다

(19)

가솔린 엔진( gasoline engine) 의 작동

피스톤이 BDC에 접근 하면 배기 밸브가 열림 피스톤이 BDC를 통과 후 피스톤이 다시 상승 연소된 가스는 열린 배 기 포트를 통해 배출 압축 행정 말기 피스톤이

TDC 부근에 도달하면 플 러그에서 전기 불꽃발생 불꽃의 열이 압축된 혼합 기를 점화

혼합기는 급속하게 연소되 어 높은 온도와압력을 발 생

커넥팅 로드는 이 힘으로 크랭크 축을 회전한다.

피스톤이 BDC 통과 후, 피스톤은 상승 시작 양 밸브가 모두 닫힘.

피스톤의 상부와 실린 더 헤드 사이에 생성되 는 연소실에서 혼합기 를 압축

피스톤은 아래로 하강 흡기밸브는 열린 상태 흡기포트를 통해서

혼합기가 실린더로 유입.

배기행정 (exhaust stroke) 팽창행정

(power stroke) 압축행정

(compression stroke) 흡입행정

(intake stroke)

(20)

디젤 엔진 (Diesel engine) 의 작동

팽창행정으로 밀려 내 려가는 피스톤이 하사 점에 도달하면 배기밸 브가 열림

피스톤이 상승하면서 연소가스를 외부로 배 출

압축행정이 끝날 무렵, 고압, 고온상태의 공기 중으로 연료를 분사 자연 착화시켜 연소압력 으로 피스톤을 아래로 밀 어내려 회전력을 발생 분사펌프의 분사압력은 10,000-12,000kPa의 고압으로 분사

흡기ㆍ배기의 두 밸 브가 모두 닫힌 상태 피스톤이 상승하여 흡입한 공기를 압축 (압축비 15-22) 이때의 압력은 3000- 5000 kPa 온도는 약 500- 700˚C

피스톤이 하강함 에 따라 흡기밸브 가 열림

실린더 내로 공기 만을 흡입

배기행정 (exhaust stroke) 팽창행정

(power stroke) 압축행정

(compression stroke) 흡입행정

(intake stroke)

(21)

실린더 블록은 엔진의 기반 이다. 다른 모든 엔진 부품들은 실린더 블록에 부착되거나, 내부에 존재하고 있다.

대부분의 블록은 회주철로 주조되고, 그 중 일부 블록은 알루미늄 합금 으로 주조된다.

실린더 블록(cylinder block)

주철 슬리브 (cast iron Sleeves)

알미늄 합금 블럭 (aluminum alloy Block)

실린더 (clinder)

실린더블럭(3기통)

(22)

1. 실린더 번호 : 출력 축에서 제일 멀리 있는 실린더를 1번으로 하여 그 다음 번호는 연결 순서대로 번호를 정한다.

2. 점화 순서 : 점화 플러그가 점화하여 팽창 행정을 발생 시키는 순

3. 자동차 엔진의 회전 방향 : 전면에서 시계 방향, 출력 축인 플라이휠에서 반시계 방향

실린더 번호(cylinder numbering)와 점화순서(firing order)

1 2 3 4

1 2 4 3 1 3 4 2 4 실린더

점화 순서 1

2 3 4 5 6

6 실린더 점화 순서 1 3 2 6 4 5 1 3 5 6 4 2 1 4 2 6 3 5 1 5 4 6 2 3

2 4 6

1 3 5 1

V 6 실린더 점화 순서

1 6 5 4 3 2

(23)

실린더 헤드는 주철이나 알루미늄 합금으로 주조되고, 실린더 헤드에 장착되는 다양한 부 품들이 조립할 수 있도록 기계적으로 가공된다. 실린더 헤드는 연소실의 상부면을 구성되 고 있으며, 피스톤과 링은 연소실의 하단부를 구성하고 있다.

실린더 헤드 (cylinder head )

캠 축(cam shaft) 스프로 캣

(sprocket)

실린더 헤드( cylinder head) 실린더 헤드 커버

(cylinder head cover)

로커 암

(rocker arm) 로커 암 축

(rocker arm shaft)

흡기밸브(intake valve)

배기밸브(exhaust valve) 가스캣

(gasket)

(24)

연소실 형상

쐐기형 ( wedge ) : 연소혼합물의 난류를 강화시키나 유해가스가 발생한다 반구형 (hemispheric ) : 연소속도가 느림

컵형 (bowl ): 피스톤 상부에 컵 또는 볼형 홈이 있어 난류를 증가시키는 역할 디젤이나 터보 차저 엔진에 쓰임

초승달형( crescent ) : 압축비가 크고 난류를 증가시킴

(25)

크랭크 케이스(crank case)

크랭크 케이스는 엔진의 회전축인 크랭크축을 지지하고 하부 오일 팬에는 엔진오일을 저장한다

오일펌프와 오일 스트레이터가 있다.

(26)

배기 매니폴드는 여러 관들의 집합체이며, 배기 가스를 실린더 헤드로부터 대기 중으로 배출 하는 작용을 한다. 매니폴드는 헤드 상에 설치된 배기 포트가 관의 개구부 위치와 일치하도록 헤드에 부착되어 있다.

배기 매니폴드 (exhaust manifold)

배기 메니폴드 (exhaust manifold) 가스캣

(gasket) 실린더 헤드 (cylinder head)

밸브(valve) 푸시 로드

(push rod) 가스캣

(gasket)

밸브 스프링 (valve spring)

(27)

클릭하세요!

공기청정기(air cleaner)

기화기

(carburetor))

흡기메니폴드 (intake manifold) 흡기밸브

(intake valve)

스로틀 밸브 (throttle valve)

흡기 매니폴드 (intake manifold)

흡기 매니폴드는 여러 관들의 집합체이며, 이러한 관들은 공기 혹은 공기와 연료의 혼합물을 스로틀 밸브로부터 실린더 헤드 내의 흡기포트로 유동시킨다.

기화기가 장착된 흡기 매니폴드

(28)

클릭하세요!

연료 인젝터 (fuel injector)

스로틀 바디 (throttle body) 스로틀 밸브

(throttle valve)

흡기포트 (intake port)

연료분사 장치가 장착된 흡기 매니폴드

(29)

버터플라이 밸브 (butterfly valve)

흡기 메니폴드 (intake manifold)

스로틀 바디 (throttle body) 공기 챔버

(air chamber) 흡기 변동시스템(variable induction system)

연료분사 시스템에서 엔진의 속도에 따라 버터 플라이 밸 브를 작동시켜 흡기 유로의 길이를 변화시킴

(30)

평행추(counter-weight): 크랭크 핀의 서로 맞은 편에 위치되어 크랭크축의 균형을 잡아 준다.

플라이휠(fly wheel) 크랭크 축의 출력 축 끝단에 구동 판이 부착되어 있고 동력을 클러치에 전달 구동기어, 스프로킷, 구동 벨트 풀리 : 앞쪽 끝단에 있으며 캠 축과 연결되어 캠축을 구동한다

흡진기(vibration damper) : 비틀림 진동을 흡수하는 데 사용됨

크랭크 축은 크랭크 케이스 내에 설치된 메인 베어링에 의해 지지 되며 각 실린더의 팽창행정에서 얻어진 피스톤의 왕복직선운동을 커넥팅 로드와 함께 회전운동으로 바꾸어주는 중심 축이다. 크랭크 축은 한 개의 주조물이며, 열처리 된 합금 금속이다.

크랭크 축의 작동

크랭크 축의 구조

크랭크 축 (crank shaft)

(31)

크랭크 축 (crank shaft)

(32)

크랭크 축 (crank shaft)

4) 축의 회전 시 평행추에 의해 평형을 유지한다.

3) 크랭크 핀에 커넥팅 로드와 연결된다

2) 커넥팅 로드의 대단부와 연결되어 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 바꾼다.

1) 크랭크 케이스 내 지지되는 부분이며 크랭크 축의 하중을 지지한다.

크랭크 핀 크랭크 암

평형추

(33)

진동 댐퍼 (vibration damper)

O 팽창행정에서 크랭크축은 충격 비틀림 하중을 받음 O 팽창행정 시 크랭크 핀에 18,000N의 힘이 가해짐 O 간헐적 충격에 크랭크 축은 비틀림이 발생

O 팽창 시마다 비틀림 진동이 발생

O 진동 댐퍼가 비틀림 진동을 흡수하는 데 사용됨

(34)

베어링 (engine bearing )

O 엔진 부품 중 회전 운동하는 곳에 설치됨 O 회전 축 주변을 둘러싼 슬리브 베어링

O 크랭크 축 베어링, 커넥팅 로드 베어링이 있음

O 두 부분으로 분리되며 재질은 청동이나 동합금이 사용됨

엔진 베어링 (engine bearing )

O 엔진 크랭크 축 끝단에 설치된다 O 크랭크 축 전후의 움직임을 제한한다

스러스트 베어링 (thrust bearing )

(35)

베어링 재료

1 화이트메탈 : 재질이 연하고 가공이 쉽고 결합성과 흡착성이 양호함

O 주석계 화이트메탈 : 주석이 주성분으로 안티몬(3~15%)과 구리 (3~10%) 가 함유한 금속 O 연계 화이트메탈 : 납이 주성분으로 주석 (5~20%) 안티몬 (10~20%) 이 함유된 금속 2 동합금 : 베어링 메탈로 강도가 크다

O 켈밋 메탈 : 구리에 납 (20~40%) 을 첨가,고속 고하중 베어링메탈로 적합

O 청동 : 구리에 주석 (5~10%)을 첨가, 내마모성 경도와 강도가 커서 피스톤 핀 부시로 사용 O 연청동 :구리에 주석 (5~10%)과 납(5~10%) 을 첨가, 윤활능력이 좋다

(36)

플라이 휠이 왜 필요한가?

O 4행정사이클 엔진에서는 속도와 회전력이 크랭크 축의 각도에 따라 반복적으로 변동 하기 때문에 이러한 현상을 방지하기 위하여 설치한다

O 크랭크 축에 적당한 질량의 원판을 부착하여 관성에 의해 회전속도를 고르게 한다.

플라이 휠 (flywheel)

승용차 둉 플라이 휠

(37)

주 플라이휠

(primary flywheel) 부 플라이휠

(secondary flywheel)

링기어 (ring grar)

크랭크 축 (crank shaft) O 주 플라이휠(primary flywheel)과 부 플라이휠(secondary flywheel)로 구성된다

O 주 플라이휠은 크랭크 축 플랜지(flange)에 부착되어 있으며, 크랭크 축이 회전하게 되면 엔진 출력이 비틀림 스프링(torsional spring)을 통하여 주 플라이휠로부터 부플 라이휠로 전달된다.

O 스프링이 엔진 폭발의 충격력에 의한 크랭크 축의 비틀림 진동(torsional vibration)을 흡수한다.

이중질량 플라이 휠 (dual flywheel)

(38)

피스톤의 작동

O 피스톤과 피스톤 링들은 팽창 행정 동안에 18,000N의 힘 이

초당 30~40번 정도

피스톤 헤드에 가해진다

O 피스톤 헤드 상부의 온도는 2204℃ 이상에 도달한다.

O 피스톤은 응력들을 충분히 견딜 수 있어야 하며, 관성 하중 을 줄이기 위해서 무게가 가벼워야 한다.

피스톤 (piston )

피스톤의 온도분포

(39)

피스톤 헤드 (piston head)

랜드 (land) 압축링 홈

(compression Ring groove) 오일링 홈

( oil ring Groove)

핀 구멍 (pin hole) 스커트 (skirt) 핀보스

(pin boss)

피스톤 헤드

연소실의 일부가 되는 부분이며 안쪽에 리브(rib)를 설치하여 피 스톤 보강과 열전도 역할을 한다.

링 홈 피스톤 링을 설치하는 홈이다. 오일링이 삽입되는 마지막 홈에는 오일이 통과하는 작은 구멍이 뚫어져 있다.

랜드 홈과 홈 사이를 말한다.

스커트 부 피스톤이 왕복운동을 할 때 측압을 받는 부분이다.

보스 부 커넥팅 로드의 소단부를 피스톤에 설치하기 위해 피스톤 핀이 끼 워지는 부분이다.

피스톤 구조

(40)

피스톤 (piston )

피스톤 간극이 클 때 나타나는 현상

a.블로우 바이 가스에 의해 압축압력이 낮아진다.

b. 피스톤 링의 기능이 떨어져 오일이 연소실로 유입되어 오일 소비가 많아진다.

피스톤 간극이 적을 때 나타나는 현상

a. 피스톤과 실린더 벽 사이의 틈새가 적어져 유막이 파괴되고 마찰에 의한 마모가 심해진다.

b. 마찰열에 의해 소착되기 쉽다.

피스톤 간극 clearance) 피스톤 링의

필요성 블로우 바이 (blow by)

피스톤이 실린더 직경보다 작으므로 그들 사이에는 틈새인 피스톤 간극이 생긴다.

피스톤 링은 틈새를 밀폐하기 위해 압축 링이 필요하다.

피스톤 간극 틈새를 밀폐하지 못하면 혼합기의 일부가 피스톤을 지나 크랭크케이스로 누설된다. 이것을 블로우 바이 라고 한다.

(41)

피스톤에는 피스톤 링이 끼워져 있으며, 압축 링과 오일 링이라 불리는 두 종류의 피스톤 링이 있다.

오일 링의 형태

피스톤 링 (piston ring)

연소실 내에서 발생하는 압축 압력과 연소 압력이 새어 나가는 것을 막아준다.

압축 링

(compressio n ring)

실린더 내벽과 피스톤 사이의 오일량을 제어하고 유막을 형성시켜 윤활을 돕는다.

오일 링 (oil ring)

(42)

피스톤 링 (piston ring)

(43)

압축링 (compression ring) 의 작동

압축링은 비틀림 형상과 곡면 형상이 있음

비틀림 형상은 정방향 비틀림 링과 역방향 비틀림 링이 있음

팽창 행정 시 피스톤 상부의 연소압력에 의해 하부면에서 아래방향으로 밀릴 때 비틀림 링은 링 홈에 접촉하여 밀폐하게 된다

배기 흡입

팽창 압축

(44)

피스톤 핀의 고정 방법

고정식(press fit in rod)

피스톤 핀을 커넥팅 로드 소단부에 압입하여 고 정하고 피스톤 핀 보스에서 움직이게 한 방법

부동식(free froating)

피스톤 핀을 피스톤 보스나 커넥팅 로드 소단부 에도 고정하지 않고 자유롭게 움직이고 피스톤 양끝에 스냅링() 을 끼워 실린더 벽쪽으로 밀려 나오지 않게 한 방법

(45)

SV(side valve) 실린더 옆에 밸브를 설치함

OHV(over head valve) 밸브를 실린더 헤드에 설치함

OHC(over head cam) 밸브와 캠축이 실린더 헤드에 설치함

SOHC(single over head cam) 캠축이 하나로 흡배기 밸브가 하나씩 2개임

DOHC(double over head cam) 캠축이 두개로 흡배기 밸브가 두개씩 1실린더 당 4개임 밸브 트레인(valve train) :

밸브가 실린더 헤드 또는 실린더 블럭 내에서 여러 가지 방법으로 배열되는 형식

밸브 트레인 (valve train)

:

(46)

OHV(Over Head Valve) 엔진

1.오버헤드 밸브 엔진에 있어서 밸브는 실린더 헤드 안에 위치한다.

2. 오버헤드 밸브 엔진은 높은 압축비를 가진다.

피스톤 상부에 바로 밸브를 배치함으로써 연 소실 체적 (clearance volume)을 좀더 작게 할 수 있다.

3. 혼합기가 좀더 작은 공간에서 압축될 때, 압축비는 더욱 높아진다.

이것은 더욱 높은 토크와 마력을 발생시킨다.

크랭크 축 타이밍 기어-> 캠축 타이밍 기어 -> 캠 -> 푸시로드 -> 로커암 -> 밸브

OHV(Over Head Valve) 엔진의 특징

OHV 엔진의 동력 전달 과정

(47)

밸브 열림 밸브 닫힘 볼 피벗

(ball pivot) 밸브 스프링 (valve spring)

밸브 (valve

캠 로브 (cam love) 점화 플러그 (spark plug)

유압 밸브 리프 터

(hydraulic valve lifter)

로커 암

(rocker arm)

캠축

(cam shaft)

타이밍 기어 (timing gear) 푸시로드

(push rod)

OHV(Over Head Valve) 엔진

(48)

유압식 리프터 롤러 리프터

기계적 리프터

Am 14-24

Am 14-25 강체 또는 중공의 원통으로

캠위에서 캠돌출부의 회전운 동이 직선운동이 된다.

캠위에서 롤러가 회 전함으로 접촉 마찰 을 줄인다.

마모에 의한 미소한 밸브 트레인 내 의 푸시 로드 간극을 자동으로 조절 하기 위하여 유압을 사용한다. (태 핏 소음과 마모를 줄임)

유압식 밸브 리프터의 작동방법

로브 (love) 캠 축

camshaft)

캠 (cam)

밸브 리프터 ( valve lifter)

캠축의 회전 리프터의 상하운동

캠 축

camshaft) 로브

(love)

롤러 (roller)

오일갤러리 (oil gallery) 플런저

(plunger) 디스크

밸브(disk Valve) 챔버

(chamber)

푸시로드 (push rod)

캠 (cam)

밸브 리프터(태핏)

밸브 리프터(valve lifter) 또는 태핏(tapeet)은 엔진에서 캠 돌출부의 운동을 푸시 로드에 전달하여 밸브를 개폐시키는 부품

(49)

흡기 밸브와 배기 밸브 및 이를 구동하기 위한 캠 축이 실린더 헤드에 설치된 형태로 SOHC(Single Over Head Cam) 형과 DOHC(Double Over Head Cam)형이 있다.

O 푸시 로드와 로커 암의 관성은 밸브의 빠른 운동을 방해하고, 고속회전 시 푸시로드 의 굽힘이 증가하여 밸브 작동 지연을 증가시킨다.

O 엔진의 최고속도를 제한하게 된다.

O 실린더 헤드 위에 캠을 설치하여 바로 태핏 또는 로커 암을 작동시켜 밸브 지연을 방지할 수 있기 때문이다.

OHC 형태로 변화된 이유

OHC(Over Head Cam) 엔진

(50)

연료 레일 (fuel rail)

연료 인젝터 (fuel injector)

로커 암

(rocker arm)

점화 플러그 (spark plug)

흡기 밸브 (intake valve)

배기 밸브

(exhaust valvea0 밸브 리프터 (valve lifter)

캠축

(cam shaft)

로커암 축

(Rocker arm shaft) 흡기 포트

(intake port)

크랭크 축의 스프로 킷 -> 체인(타이밍 밸브) -> 캠 축의 스프로 킷 -> 캠 축 -> 캠 -> 로커 암 -> 밸브 SOHC 엔진의 동력 전달 과정

O 실린더 헤드 위에 캠을 설치 O 캠이 직접 로커 암을 작동시킴 O 흡기밸브와 배기밸브의 개폐 작용

SOHC(Single Over Head Cam) 엔진

(51)

캠 축

(cam shaft) 로커 암

(rocker arm)

흡기 밸브 (intake valve)

배기 밸브

(exhaust valve)

흡기포트 (intake port) 배기 포트

(exhaust port) 실린더 헤드

(cylinder head)

SOHC(Single Over Head Cam) 엔진

(52)

4실린더 SOHC 가솔린 엔진

체인 (chain) 스프로캣

(sprocket) 배기밸브

(exhaust valve)

크랭크축 (crankshaft )

로커 암

(rocker arm) 로커암 축

(Rocker arm shaft)

(53)

1. 흡기밸브와 배기밸브의 수를 증가시켜 체적효율을 증가시킴 -> 많은 양의 혼합기를 공급함으로써 출력을 증가시킴

2. 밸브의 작동지연을 최소화한다.

3. 두개의 캠축이 있으며 캠축위의 캠이 직접 뱁브 위에 있는 버킷 태핏을 구동하여 흡기 밸브와 배기밸브를 개폐시킨다.

DOHC의 장점

DOHC(Double Over Head Cam) 엔진

태팻(tappet)

밸브 스프링 (Valve spring) 캠축

(cam shaft)

점화 플러그 (spark plug) 밸브

(valve) 피스톤 (Piston)

밸브 열림 밸브 닫힘

(54)

스프로캣 (sprocket)

흡입 캠축

(intake camshaft)

배기캠축 (exhaust camshaft) 체인

(chain)

크랭크축 (crankshaft )

태팻(tappet)

배기밸브

(exhaust valve) 흡입밸브

(intake valve)

4 실린더 DOHC 엔진

(55)

크랭크 축의 회전력으로 캠 축이 구동될 수 있는 3개의 기본적인 방법이 있다.

크랭크 축의타이밍 기어와 캠 축의 타이밍 기어가 맞물려 회전하며 캠축의 타이밍 기어 잇수가 크랭크 축의 타이밍 기어 잇수의 비는 2:1이다.

크랭크 축 (crank shaft) 캠 축 camshaft)

타이밍 기어 (timing gear) 타이밍기어PSD

캠 축의 구동

타이밍 기어 (timing gear

)

(56)

흡입 캠축

(intake camshaft)

체인 텐션너 (chain tentioner)

체인 (chain)

배기캠축

(exhaust camshaft)

타팻 (tappet)

흡입밸브

(intake valve) 배기밸브

(exhaust valve) 스프로캣

(sprocket)

체인 슬리퍼 (Chain slipper)

캠축 스프로캣 (camshaft Sprocket)

밸트 텐션너 (belt tensioner) 물펌프

(water pump) 크랭크축 스프로캣 (crankshaft sprocket)

타이밍 체인(timing chain

)

타이밍 벨트(timing belt)

(57)

흡기 밸브는 일반적으로 배기 밸브보다 크다.

밸브 스템의 온도가 가장 낮으며, 스템과 밸브면 사이 영역의 온도가 가장 높다.

밸브 스템은 스템이 냉각을 돕기 위하여 밸브 가이드로 열을 방출시키며,

밸브면은 밸브가 닫히는 순간에 밸브 시트로 열을 전달시키고 밸브면의 냉각을 도와준다.

대기압에 의해 혼합기를 실린더 내로 유입

실린더내의 높은 압력에 의해 실린더 밖으로 배출 흡기 밸브

배기 밸브

팁 (tip)

스탬 (stem) 페이싱 (face)

마진 (margin)

밸브의 작동( valve action)

(58)

밸브 시트는 밸브가 닫힐 때 밸브면이 놓이게 되는 가공면이다.

삽입 밸브 시트라 부르며 열저항 합금이 일부의 주철 실린더 헤드와 알루미늄 합금의 실린더 헤드에 압착된다. 파손된 밸브시트는 교환될 수 있다.

일체형 (integral) 밸브 시트

실린더 헤드에 있는 밸브 포트의 끝부분이 연소실내로 둥글게 가공된다. 일체형 배기 밸 브 시트는 마모를 감소시키기 위하여 유도강화 (induction hardening)라고 불리는 전 기 가열과정에 의하여 강화된다.

교체형 (replaceable) 밸브 시트

밸브와 밸브 시트 각도 일체형 밸브시트

밸브 패이스

유도강화 밸브시트

스텔라이트 밸브 패이스

밸브 시트( valve seat)

밸브 시트 각도 밸브 각도

밸브 시트 각도 밸브 각도

(59)

밸브 로터 배기밸브

스프링 로크

밸브 회전의 필요성

O 밸브가 닫힐 때 접착물의 부착에 의하여 부분적으로 열리는 현상이 생긴다.

O 밸브 시트의 일부 부품은 다른 부품들보다 온도가 높으므로 밸브 면에 고온 부분이 생기 게 된다.

O 고온 부분이 밸브를 급속히 마모시키게 되므로 밸브의 회전은 밸브면에 열원이 생성되 는 것을 방지하는 역할을 한다.

밸브 회전 방법

1 밸브 스템과 접촉되어 있는 로커암은 밸브의 중심 선으로부터 약간 편재된 위치에 장착되어 있다.

2. 중심에서 편제된 푸시는 밸브를 약간씩 회전시킨다.

3. 밸브 회전기를 사용하여 밸브가 열릴 때마다 조금 씩 회전시킨다.

밸브 회전(valve rotation)

(60)

밸브 오버랩(valve overlap)란?

흡기밸브와 배기 밸브가 동시에 열려 있 는 상태에서의 크랭크 축의 회전각

bTDC 12˚

aBDC 56˚

흡기행정

bBDC 47˚

aTDC 21˚

배기행정

BDC TDC

47 ˚ 21 ˚

12 ˚ 56 ˚

흡기밸브 열림

TDC

배기밸브 닫힘

흡기밸브 닫힘

밸브 타이밍 (valve timing)

BDC

배기밸브 열림

배기밸브 열린 기간

흡기밸브 열린 기간 밸브 오버랩

(61)

O 자동차의 고속 주행 영역에서 엔진은 체적효율이 낮아진다.

O 흡기밸브의 열림 시간이 매우 짧아서 혼합기가 실린더 내로 들어오는 시간이 적어짐 O 고속에서 흡기밸브가 좀더 빨리 열리면, 혼합기의 흡입이 빨라져 더 많은 양이 흡입됨.

가변 타이밍 캠축의 작동 방법

가변 밸브 타이밍 장치(variable valve timing system)

가변 밸브 타이밍의 필요성

O 전자 제어 모듈 (ECM)이 솔레노이드에 조절밸브를 조절하여 유압에 의해 피스톤이 전진 O 피스톤이 움직임에 따라 피스톤 내부의 이는 헬리켈 구동기어의 경사진 면를 따라 이동 O 캠축을 전진시키고 캠축 타이밍 을 약 10도정도 진각시켜 흡기 밸브를 일찍 열게 만듬

(62)

캠 (cam) 캠축 스프로켓

(cam shaft sprocket)

캠축

(cam shaft)

피스톤 (piston)

솔레노이드 (solenoid)

스프링 (spring)

헤리컬 구동기어 (helical drive gear) ECM으로 조절하는 가변 밸브 타이밍 장치 O 캠축 스프로킷과 캠축 각을 변화시킬 수 있는 연결부를 가지고 있음

O 유압에 의해서 작동되는 유압 피스톤과 오일 조절 밸브를 작동하는 솔레노이드로 구성됨

가변 타이밍 캠축의 구조

(63)

O 밸브 타이밍과 벨브 개폐기간 모두를 변화시킬 수 있는 시스템이다 O 캠축은 흡기 밸브와 배기밸브에 대하여 3개의 돌출부 를 가지고 있다.

O 로커암은 내장된 유압 피스톤을 가지고 있으며, 캠 돌출부의 형상이 서로 달라 개폐기간의 차이가 생김 O 중앙 캠 돌출부는 고 회전을 위한 것이고, 첫번째와 두번째의 캠 돌출부는 저 회전 을 위한 것임

가변 밸브 타이밍 (variable valve timing )

캠축

(cam shaft) 캠

(cam)

점화 플러그 (spark plug) 배기밸브

(exhaust valve)

흡입밸브

(intake valve) 중간 로커암

(mild rocker arm) 첫번째 로커암

(primary rocker arm)

첫번째 로커암

(secondary rocker arm)

유압 피스톤

(hydraulic piston)

참조

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