자동차 엔진 흡기 밸브와 배기 밸브란 무엇일의까?
자동차 엔진에는 흡기 밸브와 배기 밸브라는 부품이 있습니다. 이 부품들은 엔진 실린더에 공기와 연료를 넣고 배출하는 역할을 하는데요. 공기와 연료의 혼합비와 타이밍이 정확하게 맞아야 엔진의 성능과 연비가 좋아지고 배출가스가 줄어듭니다. 반대로 흡기 밸브와 배기 밸브가 제대로 작동하지 않으면 엔진의 손상이나 과열, 연소 불완전 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
그렇다면 흡기 밸브와 배기 밸브는 어떤 구조로 되어 있고, 어떻게 작동하는지, 어떤 종류가 있는지, 어떤 고장이 나고 어떻게 점검하고 교체하는지 등에 대해 자세히 알아보겠습니다.
흡기 밸브와 배기 밸브의 정의와 기능
흡기 밸브와 배기 밸브는 엔진의 실린더 헤드에 장착되는 부품으로, 실린더와 연결된 흡기 포트와 배기 포트를 열고 닫는 역할을 합니다. 흡기 포트는 외부의 공기와 연료를 실린더로 유입시키는 통로이고, 배기 포트는 실린더에서 연소된 가스를 배출시키는 통로입니다.
흡기 밸브와 배기 밸브는 엔진의 작동 주기에 따라 열리고 닫힙니다. 일반적인 4행정 엔진의 경우, 흡입-압축-폭발-배기라는 4개의 행정을 거치면서 크랭크 축이 2회전을 합니다. 이때 흡입 행정에서는 흡기 밸브가 열리고 배기 밸브가 닫혀서 공기와 연료가 실린더로 들어오고, 배기 행정에서는 흡기 밸브가 닫히고 배기 밸브가 열려서 연소 가스가 실린더에서 나갑니다. 압축 행정과 폭발 행정에서는 두 밸브 모두 닫혀서 실린더 내부의 압력을 유지합니다.
따라서 흡기 밸브와 배기 밸브는 엔진의 성능과 연비, 배출가스 등에 영향을 미치는 중요한 부품입니다. 흡기 밸브와 배기 밸브의 크기, 개수, 개폐 시간, 각도 등은 엔진의 구조와 목적에 따라 다르게 설계됩니다.
흡기 밸브와 배기 밸브의 구조와 작동 원리
흡기 밸브와 배기 밸브는 기본적으로 같은 구조로 되어 있습니다. 각각은 원형의 밸브 헤드와 기둥 형태의 밸브 스템으로 구성되어 있습니다. 밸브 헤드는 실린더와 접촉하는 부분으로, 밸브가 열리면 공간이 생겨서 공기와 연료 또는 연소 가스가 드나들 수 있습니다. 반대로 밸브가 닫히면 실린더를 완전히 막아서 가스가 새지 않게 합니다. 밸브 스템은 캠축으로부터 전달되는 에너지를 받아서 밸브를 열고 닫게 하는 부분입니다.
밸브 스템은 실린더 헤드에 있는 밸브 가이드라는 구멍에 끼워져 있습니다. 밸브 가이드는 밸브 스템을 안정적으로 지탱하는 역할을 합니다.
밸브 스템에는 밸브 스프링이 감겨 있습니다. 밸브 스프링은 밸브를 닫힌 상태로 유지하고, 캠축의 힘을 받아 밸브를 열게 합니다. 밸브 스프링은 강한 탄성력과 내열성을 가진 강철로 만들어지며, 보통 나선형이나 원추형으로 되어 있습니다.
밸브 스프링의 상단에는 밸브 스프링 리테이너가 있습니다. 밸브 스프링 리테이너는 밸브 스템의 그루브에 끼워진 밸브 스프링 리테이너록과 함께 밸브 스프링을 고정시킵니다. 밸브 스프링 리테이너는 경량화와 내구성을 위해 알루미늄이나 티타늄 등의 재료로 제작됩니다.
밸브 스템의 하단에는 밸브 리프터가 있습니다. 밸브 리프터는 캠축의 돌출부분인 캠로부터 전달되는 힘을 받아 밸브를 열게 하는 부품입니다. 밸브 리프터는 캠과 직접 접촉하는 솔리드 타입과, 캠과 유압식 피스톤으로 연결되는 하이드로릭 타입으로 나뉩니다. 솔리드 타입은 간단하고 내구성이 좋지만, 소음이 크고 정기적인 갭 조정이 필요합니다. 하이드로릭 타입은 자동으로 갭을 조절하고 소음을 줄여주지만, 유압 오일의 온도와 압력에 민감하고 복잡한 구조입니다.
흡기 밸브와 배기 밸브의 분류
흡기 밸브와 배기 밸브는 엔진의 구조와 목적에 따라 다양한 종류가 있습니다. 여기서는 흡기 밸브와 배기 밸브의 개수와 캠축의 개수에 따른 분류를 알아보겠습니다.
먼저, 흡기 밸브와 배기 밸브의 개수는 실린더 당 몇 개씩 있는지에 따라 구분됩니다. 일반적으로 실린더 당 흡기 밸브와 배기 밸브가 각각 1개씩 있는 경우를 2-밸브 엔진이라고 하고, 각각 2개씩 있는 경우를 4-밸브 엔진이라고 합니다. 4-밸브 엔진은 2-밸브 엔진보다 흡배기 유량이 더 크고, 연소실의 형태가 더 이상적이므로 성능과 연비가 더 좋습니다. 그러나 구조가 복잡하고 비용이 더 듭니다.
다음으로, 캠축의 개수는 실린더 헤드에 흡기 밸브와 배기 밸브를 제어하는 캠축이 몇 개인지에 따라 구분됩니다. 캠축은 밸브 리프터를 통해 밸브를 열고 닫게 하는 부품으로, 크랭크 축과 연결된 타이밍 벨트나 체인에 의해 회전합니다. 캠축은 흡기 밸브와 배기 밸브를 각각 제어하는 경우를 DOHC(Double Over Head Camshaft) 엔진이라고 하고, 흡기 밸브와 배기 밸브를 동시에 제어하는 경우를 SOHC(Single Over Head Camshaft) 엔진이라고 합니다. DOHC 엔진은 SOHC 엔진보다 밸브의 개폐 시간과 각도를 더 정밀하게 조절할 수 있으므로 성능과 연비가 더 좋습니다. 그러나 구조가 복잡하고 비용이 더 듭니다.
흡기 밸브와 배기 밸브의 고장 원인과 증상
흡기 밸브와 배기 밸브는 엔진의 중요한 부품이므로 고장이 나면 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. 흡기 밸브와 배기 밸브의 고장 원인과 증상은 다음과 같습니다.
- 밸브가 휘어지거나 깨지는 경우: 이는 주로 엔진의 과열이나 타이밍 벨트나 체인의 파손, 외부 물질의 유입 등으로 인해 발생합니다. 이때는 엔진의 시동이 안 걸리거나 걸려도 바로 꺼지거나, 심한 소음이나 진동이 나거나, 연료 소비량이 증가하거나, 배출 가스가 검게 나오는 등의 증상이 나타납니다.
- 밸브가 마모되거나 손상되는 경우: 이는 주로 오일 부족이나 오일의 저질, 오일 필터의 막힘, 오일 펌프의 고장 등으로 인해 발생합니다. 이때는 엔진의 압축력이 감소하거나, 소음이나 진동이 나거나, 연료 소비량이 증가하거나, 배출 가스가 파랗게 나오는 등의 증상이 나타납니다.
- 밸브가 탄화되거나 부식되는 경우: 이는 주로 연료의 저질이나 불완전 연소, 오일의 과다 유입 등으로 인해 발생합니다. 이때는 엔진의 성능이 저하되거나, 소음이나 진동이 나거나, 연료 소비량이 증가하거나, 배출 가스가 흰색으로 나오는 등의 증상이 나타납니다.
흡기 밸브와 배기 밸브의 점검
흡기 밸브와 배기 밸브는 정기적으로 점검하고 필요한 경우에 교체해야 합니다. 흡기 밸브와 배기 밸브의 점검 및 교체 방법은 다음과 같습니다.
- 점검 방법: 점검할 때는 실린더 헤드를 탈착하고, 밸브 스프링 리테이너록을 제거하여 밸브를 분리합니다.그리고 밸브 헤드나 스템의 휘어짐은 밸브 시트와 밀착되지 않아 기밀성이 떨어지는 고장 원인입니다. 이 경우에는 엔진의 성능이 저하되고, 배기 가스가 흰색이나 파란색으로 나오는 등의 증상이 나타납니다. 밸브 헤드나 스템이 휘어진 것은 눈으로 확인하기 어렵기 때문에, 다이얼 게이지를 이용하여 측정해야 합니다. 만약 휘어짐이 정비한계를 초과하면 새로운 밸브로 교환해야 합니다.
흡기 밸브와 배기 밸브의 교체 방법
흡기 밸브와 배기 밸브는 정비 시에 다음과 같은 점검 및 교체 방법을 따릅니다.
- 밸브 스템과 밸브 가이드의 마모 정도: 다이얼 게이지를 이용하여 간극을 측정하거나, 흡기 또는 배기통로에 브레이크 크리너를 뿌려 넣어서 누유가 발생하는지 확인합니다. 간극이나 누유가 정비한계를 초과하면 밸브 가이드를 교환하거나 리바이트(reboring)하여 새로운 밸브 가이드를 압입합니다.
- 밸브 시트와 밸브 페이스의 밀착 상태: 탈착한 실린더 헤드에 압축 공기를 넣어서 누유가 발생하는지 확인하거나, 탈착한 밸브에 파란색 염료를 바르고 실린더 헤드에 장착하여 회전시킨 후 염료가 얼마나 벗겨졌는지 확인합니다. 만약 누유가 발생하거나 염료가 고르게 벗겨지지 않으면 밸브 시트와 밸브 페이스를 연삭하여 기밀을 회복합니다.
- 밸브 마진의 크기: 탈착한 밸브에 미터링 게이지를 이용하여 폭을 측정합니다. 만약 폭이 정비한계보다 작으면 새로운 밸브로 교환합니다.
- 밸브 헤드나 스템의 휘어짐: 다이얼 게이지를 이용하여 측정합니다. 만약 휘어짐이 정비한계를 초과하면 새로운 밸브로 교환합니다.
흡기 밸브와 배기 밸브의 차이점
흡기 밸브와 배기 밸브는 엔진의 구조와 목적에 따라 다음과 같은 차이점을 가집니다.
- 크기: 흡기 밸브는 배기 밸브보다 크기가 큽니다. 이는 흡기 밸브가 공기를 흡입할 때 유동 저항을 줄이고, 배기 밸브가 가스를 배출할 때 유동 속도를 높이기 위한 것입니다. 일반적으로 흡기 밸브의 직경은 배기 밸브의 직경보다 약 1.2~1.5배 정도 큽니다.
- 재료: 흡기 밸브와 배기 밸브는 열 부하와 부식에 대응하기 위해 다른 재료로 제작됩니다. 흡기 밸브는 흡기에 의해 계속적으로 냉각되지만 약 500℃ 정도까지 가열되므로, 주로 크롬실리콘강의 단일금속으로 제작됩니다. 배기 밸브는 헤드부가 대략 900℃까지 가열되고, 연소 생성물에 의한 화학적 부식에도 노출되므로, 보통 두 가지 재료로 제작됩니다. 헤드부분은 내열성과 내부식성, 스케일 형성에 대한 저항성이 강한 크롬망간강을 사용하고, 스템부분은 경화가 가능한 크롬실리콘강을 사용합니다.
- 구조: 흡기 밸브와 배기 밸브는 열 전달과 무게 절감을 위해 다른 구조를 가집니다. 흡기 밸브는 일반적으로 솔리드 타입으로 되어 있습니다. 솔리드 타입은 스템의 내부가 꽉 차 있는 구조로, 간단하고 내구성이 좋습니다. 배기 밸브는 일반적으로 중공 타입으로 되어 있습니다. 중공 타입은 스템의 내부를 비우고 그 체적의 약 60% 정도를 나트륨으로 채운 구조로, 나트륨이 액화하여 열전도성이 우수합니다. 이렇게 하면 밸브헤드에 축적된 열이 빠른 속도로 밸브스템에 전달되므로 밸브헤드의 온도가 약 80~150℃ 정도 내려가고, 또 밸브의 무게를 가볍게 하는 효과도 있습니다.
마치며
이번 글에서는 흡기 밸브와 배기 밸브의 기능과 구조, 분류, 고장 원인과 증상, 점검 및 교체 방법, 그리고 차이점에 대해 알아보았습니다. 흡기 밸브와 배기 밸브는 엔진의 중요한 부품으로서 연소실의 기밀성과 유량을 조절하며, 열 부하와 부식에 견딜 수 있는 재료와 구조로 제작됩니다. 정비 시에는 마모나 손상, 휘어짐 등을 점검하고, 필요한 경우에 연삭하거나 교환하여야 합니다. 흡기 밸브와 배기 밸브의 상태가 엔진의 성능과 수명에 영향을 미치므로, 주기적인 점검과 관리가 필요합니다.
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