[[퍼포먼스]] 하이캠에 대해서 몇까지만.....올려봄니다

     하이캠샤프트                                                                                                        

     각도에 따른 변화 

@ 272 도 캠    274 도 캠

   * 여기서 캠의   리프트  양정은 논하지 않겠습니다.
      이유는  양정이 커질수록  엔진 헤드를 가공 하여야 함니다.
    
     272도 듀레이션의 캠은 일반적으로 마일드 캠으로 도로 주행을 많이 하는 유닝카에 사
    용하는 경향이 많습니다.
    이 캠의 경우가 위에서 말한 경우와 같이 듀레이션은 순정품과 거의 동일한데 출력면에서는
    상승의 효과를 얻을 수 있습니다.
    그 이유는 듀레이션이 동일하지만 캠이 더 오랫동안 열려 있을 수 있게 설계되었기 때 문이라고
    할 수 있는데 실제적으로 이런 캠들을 캠 형상은 좀더 급격하게 만들어져 있습니다.

    이런 캠은 하이엔드 파워를 원하는 소비자들에게는 완벽한 만족감을 주지는 못하지만
    다른 부분을 개조하지 않고 쉽게 접할 수 있는 캠이라고 하겠습니다.

    일반적인 각도는 25-65-65-25로 아이들은 물론 연비와 배기가스까지 만족할 만한 수준 임니다. 


@ 280 도 캠

    280도 캠은 그 다음 스텝으로 270도 보다는 훨씬 더 고출력에 가까운 캠으로 주로 4밸브
    4기통 엔진에서 엔진을 튜닝하지 않고 사용할 수 있는 한계라고 할 수 있겠습니다.
    대략 최고 출력은 7,500 RPM 전도에서 나타나는데 이 이상의 캠을 사용할 경우에는 엔진
    자체의 개조가 필요하게 됨니다.

     엔진 형상, 특히 흡기 부분의 변화없이 캠만의 변화로 출력을 상승시키기에는 한계가
     있으며 캠을 바꾼 경우에도 최고 출력이 날 수 있는 연료량의 공급 및 점화시기의 조절도 필수적임니다.

     280 도 캠의 각도는 32-68-68-32 로 아이들은 1,000 RPM정도로 약간 거친 편으로 이이상의
     캠은 경기용으로 사용되는 고출력 캠이라고 분류하면 됨니다. 

@ 290 도 캠

     290도 캠의 각도는 37-73-73-37 로 이런 캠 샤프트를 사용할 경우에는 반드시 다른 기 계부품의
     튜닝이 필요함니다.
     엔진헤드를 가공하여 다른 유량을 늘리고, 밸브와 밸브 스프링, 리테이너들도 교환하는 것이 
     이런 캠을 사용할 때에는 기본이라고 생각해야 할것임니다.
     엔진에서 캠이란 밸브를 열어주는 기계적인 동작장치로 간단히 말하면 수도꼭지라고 
     생각하면 됨니다.
     일정한 시간에서 아무리 많이 수도꼭지를 열어도 수도관에 들어올수 있는 최대량을
     넘어선다면 아무런 효과가 없을것임니다. 

     하이캠을 사용하여 밸브의 열림 시간은 길게 하였지만 흡입되는 공기량은 듀레이션이
     작은 캠과 동일하다고 가정할때 저 RPM 영억에서 출력 손실을 고려한다면 훨씬 더 손
     해가 될 것임니다. 

@ 300 도 캠

     듀레이션 300 도의 캠은 밸브 각도가 42-78-78-42 로 오보랩이 각기 42도씩 되는 아주 큰
     오버랩을 가진 캠 임니다.
     이런 캠의 경우 커진 오버랩 때문에 아이들은 거의 포기 상태이여
     출력 영역 또한 3000 RPM 이상으로 일반 도로 주생은 불가능하다고 하겠습니다.
     대부분의 2밸브 엔진의 한계점이 300도 정도의 캠으로 더 이상 듀레이션이 큰 캠을
     사용한다 하더라도 엔진 자체의 흡기 효율한계 때문에
     더 이상의 출력 상승은 불가능하다고 하겠습니다.
     이럴경우에는 차라리 듀레이션이 더 작은 캠을 사용하는 것이 훨씬 효과적인 경우가 많습니다. 


@ 310도 캠

      캠 각이 50-80-80-50 인 이 캠의 경우 300도 캠에 비해 배기 캠의 각도가 많이 변하지 않는습니다. 

      배기캠의 열림 시점 BBDC 80도는 배기 밸브의 열림 시간을 늘릴수 있는 한계점이라고 생각하면 됨니다.
      배기 밸브를 이 시점보다 더 빨리 열 경우에는 엔진출력이 떨어지게
      되는데 그 이유는 80도에 배기 밸브가 열린다는 것은 크랭크 위치에서 보면 폭발후
      100정도로 엔진의 폭발력이 남아있는 기간이기 때문임니다.

      다시 말하자면 엔진의 폭발력이 남아있는데 배기 밸브를 열게되므로 엔진의 출력이 떨어지게 됨니다.

      듀레이션이 맞지않아 출력이 저하되는 경우로 흔히 볼 수 있는 것이 데이터 상으로는
      최고 출력이 나오는 캠을 일반주행용 차량에 장착하였는데 도로 주행이 힘들 정도로
      출력이 떨어진 것 같은 경우가 있습니다.

      이런 레이스용 캠은 최고 RPM에서 출력은 높게 나오지만 4,500RPM 이하에서는
      토크가 약하기 때문에 일반 주행이 힘든 경우임니다.

      양산차량 중에서 이런 특성을 나타내는 차량이 있는데 대부분의 유럽차종
      특히 BMW의 4기통 엔진이 대표적인 경우임니다. 구형 M3의 경우 시내 주행시 
      4,000RPM 이하에서는 상당히 답답함을 느끼고 특히 에어컨이라도 켠 경우에는
      시내 운전을 포기하는게 좋을 정도였습니다.
      물론 5,000 RPM 이상 고속 주행시에는 경기용 차량과 흡사할 전도의 가속성능을 보여 줌니다. 

@ 310도 이상의 캠

      300 도 이상의 캠을 일반 차량에 장착하는 경우는 절대 없다고 보면됨니다.
      예를 들면 324도 캠의 경우 58-86-86-58 정도의 밸브 타이밍을 가지고 있는데
      최고 회전수는 대략 10,000 RPM 이상으로 출력대역이 5,000 ~ 6,000 RPM 부터 시작됨다.

      이런 캠을 장착하는 경기용 차량은 우리가 흔히 알고있는 미국 나즈카(NASCA) 레이스의 경우
      9,000 RPM 인티카의 경우 대략 16,000 정도 되는데 이런 엔진이 장착되는 캠이 300도이상의 캠임니다. 

      캠에서 가장 중점을 두어야 하는 부분은 데이터상의 최고 출력이 레이싱에서 우승을 
      가져다 줄 수 없다는 것임니다. 

      최고 RPM 도 높고 최고 출력도 더 높지만 실제 레이스에서는 불리한 경우의 예로 랠리에서
      많이 쓰이는 엔진으로 포드 시에라 코스워스 (FORD SIERRA COSWORTH)  엔진의 경우
      레이스에서 최고 회전수를 대략  8,500 ~ 9,000 RPM 정도 사용하였는데, 이 엔진에
      DAI 캠을 사용하면 밸브 타이밍은 61-86-86-61 으로 최고 출력이 9,000  RPM  대역에서 발생한다.
      이에 비해 L1 캠을 사용할 경우 밸브 타이밍이 47-79-79-47으로 5,000 ~ 8,000 RPM 에서
      토크가 좀 더 높지만 최고 출력은 8,500 RPM 에서 DAI 보다 낮게 나온담니다.
      이두가지 캠의 경우 실제 레이스에서는 최고 출력이 나오는 DAI 보다 L1을 더 선호함니다.


      *** 발췌는 엔진튜닝 이론에서 퍼왔습니다.***

차량의 밸브를 작동시키는 캠을 바꾸는 것으로 성능을 향상시킨다는 뜻인데 이것은 캠을 바꿈으로서 밸브의 리프트
차량의 밸브가 열리고 닫히는 타이밍, 밸브의 오버랩등을 바꿈으로서 성능의 향상을 도모하는것을 말합니다
즉 일반적으로 하이캠이라는 것은 일반적인 양산차량의 캠보다 리프트양이나 오버랩이 커지는 것을 말합니다 
 
다만 , 하이캠샤프트로 캠샤프트를 바꿀때 SOHC차량은 어려움이 있습니다
DOHC차량의 경우 흡기캠과 배기캠이 별개로 되어있기 때문에 흡배기캠을 조절해서 여러가지 제어가 가능하지만 SOHC의 경우는 하나의 캠샤프트에 흡배기 캠이 합쳐져 있기 때문에 밸브 타이밍등을 제어할 수 없는 문제가 있습니다
물론 샤프트를 새롭게 제작한다면 가능하지만 이또한 DOHC에 비해 여러가지 문제가 있고 성능향상에도 한계가 있기 때문에 SOHC에서는 하이캠튜닝을 하지 않는것이 보통입니다
더구나 하이캠 샤프트를 사용해서 고속엔진으로 튜닝을 할 경우 SOHC는 고속에서의 캠새프트의 비틀림이 일어나 흡배기밸브의 타이밍이 잘 맞아들어가지 않는 문제가 있습니다
이때문에 양산차량의 경우도 SOHC와 DOHC는 후자쪽이 좀더 고성능이며 고회전에 적합한 성격을 가지고 있습니다

또 DOHC라고 해도 밸브를 여닫는 방식이 직동식이냐 로커암식이냐에 따라 튜닝의 방향이 달라지는데 우리가 흔히 튜닝을 하는 현대 알파나 베타엔진의 경우 직동식을 사용하기 때문에 좀더 하이캠 튜닝을 하기에 적합한 구조를 가지고 있습니다 
이에반해 대우차량과 같은 경우 대부분이 로커암식이 채용되어있어서 하이캠 튜닝에 있어서 효율성이 떨어지는 부분이 있습니다
특히 로커암식의 경우 밸브를 밀때와 리턴할때의 양이 틀려서 캠의 모양도 특이한 형상을 가지게 되고 면압도 증가하며 밸브타이밍에서도 불리한 구조라고 할 수 있습니다 또한 고회전에 로커암식이 가지는 구조적 문제 때문에 직동식에 비해 밸브리프트량도 크게 하지 못하는 단점이 있습니다

직동식은 밸브리프터를 캠이 직접 밀기 때문에 DOHC방식에 가장 잘 어울리고 고성능이라고 볼 수 있습니다 로커암 방식에 비해 구조도 간단하고 밸브부분의 경량화가 가능하며 공간도 적게 차지해서 헤드전체적으로도 경량화가 가능합니다 물론 간단한 구조와 더불어 가벼운 무게는 강성에서도 더욱 유리합니다 구조가 간단하다는 것은 마찰손실도 줄어든다는 뜻이 됩니다 

전에 컬럼에 썼던 내용중에 롤러로커암에 대한 이야기가 있는데 롤러로커암은 로커암에 비해 마찰손실이 적지만 직동식에 비할바는 못됩니다

직동식에서는 캠과 밸브리프터 사이에 간극이 일정하게 유지되어야 하는데 베타엔진이나 알파엔진의 경우 HLA방식과 MLA방식의 2가지가 사용되었습니다
이중 HLA방식은 간극을 별도로 저정할 필요가 없고 유압에 의해 간극을 조절하는 방식이지만 엔진오일이 헤드에 원할하게 공급되지 못하면 고장을 유발할 수 있고 캠이 밸브리프터를 치는 소리 (보통 밸브치는 소리라고들 합니다)를 듣게 됩니다
MLA방식은 간극을 주기적으로 조정해 주어야 하는 단점이 있어서 잘 쓰이지 않다가 최근에는 재질의 내마모성 증가로 다시 MLA를 채용하는 추세가 되고 있습니다
MLA방식은 HLA방식에 비해 오일순환이 필요없기 때문에 약간의 성능향상과 연비향상에도 도움을 줄 수 있습니다
하지만 하이캠의 경우 밸브가속도가 높아서 MLA방식의 경우 쉽게 간극이 벌어져서 자주 간극을 조정해 주어야 하는 불편함도 있습니다

밸브 간극이 너무 커지면 밸브치는 소리가 심하게 나게 되고 마모가 가속화됩니다
반대로 간극이 너무 작게 조정되면 밸브가 완전히 닫히지 않게 되어 압축이 잘 이루어지지 않고 세게 됩니다 물론 아이들링도 불안해 지겠지요 

하이캠 튜닝을 할떄 보통은 캠샤프트를 바꾸는 것만을 생각하시는 분들이 많은데 캠은 밸브를 여는 역할을 하지만 닫는 역할은 캠새프트가 아닌 밸브 스프링이 하게됩니다
그런데 문제는 하이캠을 사용하게 되면 밸브가속도가 증가하여 기존의 밸브스프링으로는 증가된 밸브가속도에 맞는 리턴을 감당하지 못한다는 점입니다
이렇게 되면 빠른속도로 열린 밸브가 빠르게 닫히지 못하거나 서징혹은 바운싱이 일어나서 피스톤과 밸브가 간섭하거나 압축이 센다거나 밸브타이밍이 잘 맞지 않게 되는 문제가 일어납니다

이문제를 해결하기 위해서는 밸브스프링의 강화가 필요한데 여기에 더불어 밸브의 경량화가 이루어 진다면 더욱 유리합니다
밸브가 경량화 되면 밸브가속도에 의한 관성의 영향이 줄어들고 서징이나 바운싱도 줄어들게 됩니다 물론 강화된 스프링도 중요하지만 기본적으로 관성을 줄여주는 것이 밸브의 정확한 작동에 있어서 큰 도움을 줍니다
기존의 스프링을 사용하더라도 주기적으로 스프링 레이트가 떨어지기 전에 밸브스프링을 점검하고 교환하는 작업을 소홀히 해서는 안되겠습니다
물론 밸브가 경량화 되면 밸브의 강성도 증가하게 되는데 이때 무리하게 경량화를 하게되면 오히려 강성이 떨어지게 됩니다

하이캠에서 우리가 흔히 얘기하는 256도라든가 272도 라고 부르는 것은 캠의작동각을 애기하는 것입니다
물론 캠의 성격은 캠작동각만으로 비교할 수는 없습니다
같은 캠작동각을 가진 캠이라고 하더라도 리프트양이나 밸브타이밍, 베이스 서클의 크기 등에 따라 다양한 성격을 가지고 있습니다 

일단 캠작동각이라는 것은 베이스 서클에서 캠이 밸브를 밀기 시작하는 싯점에서 부터 캠노즈 (캠의 가장 끝단)까지의 각도를 얘기하는데 이 각도가 클수록 밸브가속도는 커지게 됩니다
또 리프트양은 캠노즈의 높이로 알 수 있는데 너무 커지게 되면 캠이 헤드안에서 간섭을 일으키거나 밸브가 피스톤에 간섭하는등의 문제가 일어날 수 있습니다

즉 리프트나 캠작동각이 커지면 고출력 고회전형이 되지만 문제는 밸브가속도가 커지게 되기 때문에 밸브의 강성이나 스프링의 레이트에 따라 제한적이게 됩니다
따라서 높은 캠작동각과 리프트를 가진 캠을 사용하려고 할 경우 반드시 밸브의 강성을 높이고 밸브스프링의 레이트를 높이는 등 여건을 갖추는 것이 필요합니다

리프트를 증가시키지 않고 캠작동각을 높이고자 할때는 베이스 서클을 크게 하면 되는데 이때는 반드시 밸브리프터를 더 큰 사이즈로 바꾸어 면압이 증가하는 것을 예방해야 합니다


지금까지 대력적으로 하이캠에 대한 개력적인 하드웨어적인 내용을 다루어 보았습니다 마지막으로 하이캠 튜닝이라는 것을 간단하게 설명하자면

양산차량의 캠이 가지는 밸브컨트롤은 기본적으로 연비 , 성능, 정숙성, 배출가스의 저감등 다양한 요구를 만족시키는 프로파일을 가지고 있습니다

그러나 하이캠을 사용함으로서 양산상태의 프로파일에 비해 배기가스의 유해물질이 증가한다거나
정숙성이 떨어지고 연비도 일반적으로 떨어지게 됩니다 그리고 얻는것은 높은 출력입니다

하이캠의 프로파일은 기본적으로 흡입되는 혼합기의 양을 늘리고 고회전에서 고출력을 내기위한 체적효율을 증가시키는데 목적이 있기때문에 반대로 중저속회전영역에서는 상대적으로 효율이 떨어질 수 있고 트깋 아이들링시에는 증가된 오버랩(흡배기밸브가 동시에 열려있는 순간을 오버랩이라고 합니다) 타임으로 인해 효율성이 저하되어 시동성이 나빠지고 정숙성도 떨어지며 배기가스 유해물질도 증가하게 됩니다

최근에 널리 사용되고 있는 가변밸브타이밍기구는 이러한 단점을 극복하면서도 높은 성능을 내기 위해 엔진회전수에 따라 적절한 밸브타이밍을 제어함으로서 저속에서는 오버랩을 줄이고 고속에서는 오버랩을 증가시켜 모든 요구를 만족시키기 위한 시스템입니다

가변밸브타이밍기구는 혼다의 v-tec과 같이 여러개의 캠을 상황에 따라 바꾸어가며 밸브의 리프트를 변화시키는 방식과 그외 여러자동차 회사에서 채택하고 있는 타이밍을 제어하는 방식의 2가지로 나뉘어있습니다

하이캠 튜닝을 할때는 위에 설명한 캠의 시스템적 요소와 하이캠을 사용할때 성능향상외에 잃게되는 점등을 고려하여

캠을 바꾸는데 따른 밸브기구등의 적절한 튜닝을 한다거나 캠을 선택할때 캠샤프트의 정확한 리프트나 캠작동각및 베이스 써클의제원등을 숙지하고 적절한 매칭이 이루어지는지 혹은 오너가 원하는 성격의 프로파일을 가지고 있는지등을 분석하여 선택하는것이 중요합니다