굴삭기 운전 기능사 필기 요약 3 - 내연기관을 구성하는 주요 부품

  굴삭기 운전 기능사 필기 공부를 위한 포스팅 세번째입니다. 

  지난 포스팅에서 주요하게 다루었던 것은 슬라이더 크랭크 메카니즘으로서 왕복운동을 회전운동으로 바꾸어 주는 시스템에 대한 설명과 4행정 사이클에 대해서 살펴보았습니다. 실린더, 피스톤, 커넥팅로드, 크랭크축 이 네가지가 바로 동력을 만들어 낼 수 있는 기계시스템입니다.

  위 네가지 부품이 하나의 실린더를 구성하는데 대중적인 차량용 엔진이 주로 4기통, 6기통으로서 실린더가 4개 또는 6개가 있는 것입니다. 각 실린더는 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정을 거치는데 크랭크 축에 동력을 직접 만들어 내는 행정은 폭발 행정입니다. 따라서 이때 힘을 내어 크랭크 축을 회전시키기 때문에 4기통엔진의 경우 엇갈려 가면서 지그재그로 폭발 행정이 이루어지도록 합니다. 그 순서는 다음과 같습니다.

  실린더를 1부터 4번까지 순서대로 번호를 매긴다면 1-3-4-2 또는 1-2-4-3 의 순서로 행정이 돌아간다고 보시면 되겠습니다. 그리고 6기통의 경우에는 1-5-3-6-2-4(우수식), 1-4-2-6-3-5(좌수식) 입니다. 이 순서를 암기해야 하는데 외우는 방법을 간단히 말씀드리면 (3,4,2)와 (5,3,6,2,4)를 외우면 됩니다.

  그리고 숫자 1은 항상 맨 앞자리에 두고 (3,4,2) 를 거꾸로 해서 (2,4,3) 을 쓰면 됩니다. 그리고 (5,3,6,2,4) 도 거꾸로 해서 (4,2,6,3,5) 를 쓰면 네가지를 모두 만들어 낼 수 있습니다. 조금 더 간단하지요?

1. 캠과 캠 샤프트

  이번에는 캠 샤프트에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 그 전에 앞서 설명한 피스톤에 커넥팅로드로 연결되어 회전운동하는 크랭크 축에는 어떠한 부품들이 연동되어 움직이는지 알아보겠습니다. 크랭크축은 실린더 블록에 의해 지지되어 회전하며, 발전기, 워터펌프, 그리고 캠 샤프트를 구동할 수 있도록 연동되어 있습니다. 발전기와 워터펌프에 대해서는 추후에 자세히 살펴보고 직접적으로 엔진을 구동하는데 필요한 캠 샤프트에 대해서 자세히 알아보겟습니다.

  캠이라는 단어가 익숙하지 않으실 수도 있는데, 캠은 중심으로부터 거리가 다른 점들이 모여서 이루어진 타원과 비슷한 곡선을 따라 만들어진 부품입니다. 캠은 회전운동을 다시 왕복운동으로 바꾸어 주는 역할을 하는데 다음 페이지에 가서 그림으로 한번 보시면 이해가 빠를 것입니다.

  http://www.crankshaftcoalition.com/wiki/How_to_choose_a_camshaft

 캠은 그 형상에 따라, 즉 중심으로부터 제일 짧은 반경과 제일 긴 반경의 차이에 따라 왕복운동의 깊이가 정해집니다. 또한 그 형상에 따라 왕복 운동의 속도도 정해집니다. 그런데 엔진에서 왕복운동이 필요한 이유는 무엇일까요?

2. 밸브와 밸브 간극

  흡기 밸브와 배기 밸브는 엔진에서 중요한 역할을 하는 부품입니다. 특히 흡기와 배기가 이루어지는 시점이 어느 행정에 있느냐에 따라 정해지기 때문에 그에 맞게 흡기와 배기 밸브가 열리는 것이 중요합니다. 그래서 크랭크 축과 연동되어 캠 샤프트를 구동시키고 여기에 부착된 캠이 흡기와 배기 밸브를 열거나 닫는 역할을 수행합니다. 또한 모든 행정을 거치면서 흡기 밸브와 배기 밸브는 정확한 시기에 열리고 닫혀야 합니다. 예를 들어 배기 행정을 위해 피스톤이 상사점을 향해 올라오는데 배기 밸브가 늦게 열리게 된다면 연소된 배기가스가 빠져나갈 수 없으니 효율이 낮아질 것입니다.

  캠은 밸브 리프터를 밀어주는 역할을 하는데, 4행정을 모두 거치는 동안 크랭크 축은 2회전을 하지만 밸브는 한번씩만 열리고 닫히면 되기 때문에 캠샤프트는 1번만 회전하면 됩니다. 엔진이 구동되면서 피스톤이 움직이는 모습과 같이 생각해서 흡기 밸브와 배기 밸브가 구동되는 모습을 상상해 보시기 바랍니다.

  밸브 리프터는 유압식이 있는데 엔진오일의 압력을 이용해서 밸브 간극을 일정하게 0이 되도록 조절해 주는 역할을 합니다. 이는 밸브가 열리고 닫히는 시점을 정확하게 조절해 주는 역할을 하는데, 내구성이 우수하고, 정숙하게 작동되는 장점이 있습니다.

  밸브는 실린더 연소실에 직접 닿아 있기 때문에 고온에 잘 견디고, 폭발에 의한 충격에 강해야 합니다. 또한 열전도를 잘 해야 하고, 열팽창률이 적어야 합니다. 고온의 가스에 견디고 부식에도 잘 견뎌야 하는 재질로 만들어 집니다. 이런 밸브는 실린더마다 2~4개 정도가 설치되고, 밸브 스프링이 달려 있어서 평상시에는 이 스프링에 의해 밸브가 닫혀 있게 됩니다. 그리고 열릴때는 캠에 의해 밀려서 열리게 되는 구조입니다.

  밸브 간극이라는 것은 밸브 스템엔드와 로커암사이의 간극을 말합니다. 이 밸브 간극에 대해서 이해하려면 밸브 스템엔드와 로커암이 어떤 역할을 하는 부품인지 알아야 하는데 다음 그림을 보시는 것이 도움이 될 것 같습니다.

  노란색 원을 그려놓은 부분이 캠이고, 빨간색 원을 그린 부분이 로커암입니다. 캠의 장반경 길이에 의해서 로커암 부분이 눌리게 되는데, 파란색 선으로 그린 부분에서 밸브와 맞닿게 되면 그때부터 밸브가 열리게 되는 구조입니다. 이때 밸브 끝단을 밸브 스템 엔드라고 합니다. 밸브가 닫혀 있는 경우에는 로커암이 일정 간격을 두고 밸브 스템엔드와 떨어져 있는데, 이 간격이 밸브 간극입니다.  검은색 화살표로 표시해 둔 부분은 밸브가 열려있는 상태이며, 이때는 로커암과 밸브스템엔드가 맞닿아 있어야 합니다. 이해를 위해 표시를 해둔 것이지만, 정확히 말하면, 밸브가 닫혀 있을 때의 간극을 표시하는 것이 맞을 듯 합니다. 

  엔진이 정상적으로 구동되고 있을 때는 열을 받고 있는 상태이기 때문에 열팽창을 고려하여 이 밸브 간극을 두는 것입니다. 이 간극이 너무 크면 밸브를 완전히 열수가 없어서, 출력이 떨어지고 소음이 발생합니다. 그리고 간극이 너무 작으면 밸브가 완전히 닫히지 않기 때문에 압축 행정시 공기가 빠져나갈 수 있으므로 출력이 저하되고, 이상 연소가 발생하게 됩니다. 이는 머리 속에서 밸브 간극이 넓거나 좁을 때를 상상해서 생각해 보시면 쉬울 것 같습니다.

  캠 샤프트와 캠이 조립되어 있는 실린더 헤드 부분이 아래 그림에 표현되어 있습니다. 캠샤프트가 크랭크축과 연동되어 회전하고 이에 따라 연동되는 많은 밸브들을 열고 닫을 수 있도록 조절합니다. 전체적인 엔진의 구동 모습이 유투브 동영상에서 보는 것처럼 상상이 가시죠?

<출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-valve>

  여기까지 해서 내연기관을 구동시키는데 필요한 주요 부품인, 밸브와 캠 샤프트에 대해서 중점적으로 다루어 보았습니다. 방문해 주신 분들 좋은 하루 보내세요!