밸브 타이밍과 점화

밸브가 TDC와 BDC에서 정확히 열리고 닫히는, 네 개의 깔끔한 180° 행정 그림은 단순화한 것입니다. 실제 엔진에서는 공기와 연소된 기체에 관성이 있기 때문에 밸브가 수십 도 정도 일찍 또는 늦게 열리고 닫힙니다. 공기와 기체는 한 번 움직이기 시작하면 계속 움직이므로, 피스톤이 움직일 때까지 밸브가 기다리면 그 흐름을 낭비하게 됩니다.

아래 목록은 일반적인 휘발유 엔진의 전형적인 공칭값을 사용합니다. 실제 엔진의 값은 매우 다양하며, 스포츠형 엔진은 더 극단적인 타이밍을 사용합니다.

• 흡기 밸브 열림(IVO): TDC보다 약 10° 전
• 흡기 밸브 닫힘(IVC): BDC보다 약 40° 후
• 배기 밸브 열림(EVO): BDC보다 약 40° 전
• 배기 밸브 닫힘(EVC): TDC보다 약 10° 후

여기서 두 가지를 알 수 있습니다. 첫째, 각 밸브는 180°가 아니라 약 230° 동안 열려 있습니다. 둘째, 배기 행정의 끝과 흡기 행정의 시작에 해당하는 TDC 주변에서는 두 밸브가 동시에 열려 있습니다. 이 예에서는 약 20° 동안 그렇습니다. 이것을 밸브 오버랩이라고 합니다. 속력이 높을 때는 빠르게 움직이는 배기 기체가 신선한 공기를 뒤에서 끌어들이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 공회전할 때는 오버랩 때문에 일부 배기 기체가 흡기로 다시 들어오므로, 매우 "울퉁불퉁한" 공회전은 오버랩이 큰 경우에 나타납니다.

피스톤이 이미 올라가기 시작했는데 흡기 밸브가 BDC 후에 닫히는 것은 이상해 보입니다. 하지만 중간 속력과 높은 속력에서는 들어오는 공기가 너무 빠르게 움직이기 때문에 피스톤이 방향을 바꾼 뒤에도 한동안 실린더를 계속 채웁니다. 배기 밸브가 BDC 전에 열리는 이유는 동력 행정 끝에도 기체의 압력이 여전히 높기 때문입니다. 기체를 일찍 내보내면 올라가는 피스톤이 밀어내야 하는 압력이 줄어듭니다.

현대 엔진은 속력과 부하에 따라 이러한 각도를 바꾸는 가변 밸브 타이밍을 자주 사용합니다. 고정된 타이밍은 낮은 속력에서의 부드러운 작동과 높은 속력에서의 출력을 절충한 것입니다.

이제 점화 불꽃을 살펴보자. 흔히 정확히 TDC에서 불꽃이 튄다고 생각하지만, 그렇지 않아. 속력과 부하에 따라 보통 약 10°에서 40° BTDC 사이인 점화 진각만큼 TDC보다 앞서 불꽃이 튀어.

연소는 즉시 일어나지 않기 때문이야. 불꽃이 튄 뒤 불꽃이 혼합기 전체로 퍼지는 데 몇 밀리초가 걸려. 압력 최댓값이 TDC보다 조금 뒤, 일반적으로 10°에서 15° ATDC 부근에 올 때 가장 좋은 결과가 나와. 그러면 피스톤이 내려가기 시작하는 순간부터 피스톤을 밀기 시작할 수 있어. 만약 TDC에서 불꽃이 튄다면, 피스톤이 이미 많이 내려간 뒤에 압력 최댓값이 생겨 일이 낭비될 거야.

지연은 각도가 아니라 시간이므로, 더 빠른 엔진일수록 더 큰 진각이 필요해. 6 000 rpm에서는 크랭크축이 초당 36 000° 회전하므로, 1밀리초당 36°야. 1 ms의 지연은 크랭크축의 36°에 해당해. 1 500 rpm에서는 같은 1밀리초가 9°에 불과해.