요즘 가솔린 엔진들에서 DOHC는 이제 평준화가 되었습니다. 그만큼 엔진만들기 기술도 발전하게 되었고, 소비자들 또한 고출력엔진들을 필요로 하게 된것이지요. DOHC란 매우 쉽게 접할수 있는 명칭으로, 누구나 알고있는 Double OverHead Camshaft 의 약자이지요.
이 엔진의 주요기술은 흡기밸브를 구동하는 캠과 배기밸브를 구동하는 캠이 독립되어있는것입니다. 부수적으로 밸브의 갯수가 실린더당 4개, 5개 등으로 구분지어지게 되는것이지요. DOHC 라해서 실린더에 밸브갯수가 꼭 4개인것만은 아닙니다. 2개, 4개, 5개로 다양하지요.
그리고 SOHC라 할지라도 역시 밸브갯수가 꼭 2개이어야 한다는 법도 없지요. 2, 3, 4개까지 다양하게 있습니다. DOHC 최대의 장점은 역시 고회전 토크의 향상입니다. 다른것은 전혀 없지요. 오직 고회전에서 토크가 SOHC에 비해서 높게 나옵니다. "엔진마력수 = 비례상수 * 토크 * 회전수"라는 공식에서 얻어지게 되는데, 마력수를 올리기 위해서는 회전수를 높게 유지하거나, 토크를 높게하면 자연스럽게 마력수는 높아지게 됩니다.
따라서, SOHC에 비해서 DOHC는 상대적으로 높은 토크가 나오기때문에, 위의 공식에 의해서 자연스럽게 엔진의 최대출력이 커지게 됩니다. 즉 DOHC는 고출력의 상징이 되었습니다. 다시 본론으로 들어와서, SOHC 엔진은 크랭크축과 헤드의 밸브를 구동하는 캠이 한개뿐입니다. 즉 캠스프라켓도 한개만 있지요.
따라서 엔진의 타이밍을 맞추기가 매우쉽고, 헤드가 구조적으로 간단한 구조를 가지게 됩니다. 이것은 정비성이 좋아지게 되고, 생산단가도 떨어지게 됩니다.
반면에, DOHC는 SOHC에 비해서 캠축이 하나 더있고, 부수적으로 멀티밸브를 사용하는 경우가 많기때문에 밸브구동장치 및 헤드의 면적이 커지게되어 엔진의 덩치가 커지게 되고, 이것은 약간의 무게증가와 정비성이 떨어지게 되는 단점이 발생하게 됩니다. 물론 구성품들이 많아지게되어, 저회전에서는 기계의 마찰에 의한 저항이 크고, 소음도 많이 발생하게 됩니다.
하지만, 이러한 소음문제는 최근에 여러가지 기술과 방음기술이 향상되므로 인해서, 상당부분 억제되어 이제 더이상 DOHC는 시끄러운 엔진이 아니게 된것이지요. SOHC 엔진은 구조적으로 한개의 캠으로 흡기/배기밸브를 구동해야 하기때문에 밸브위치에 제약을 받게 됩니다. 엔진을 세로로 봤을때 흡기밸브와 배기밸브가 이루는 각을 협각이라 하며, 이 협각을 어떻게 설계하느냐에 따라서, 고회전에서 흡입되는 신선한 혼합기와 배기가스의 흐름이 좋아지게 되어, 실린더 내부에 스월(swirl)이 더강하게 발생하는등 잇점이 대단히 큽니다.
하지만 실린더의 정중앙으로 캠이 지나가고 양쪽으로 흡기와 배기밸브가 위치하기 때문에, 무작정 흡기밸브와 배기밸브를 멀리위치하면 로커암의 길이가 길어지게되고, 결국은 길어진만큼 관성이 작용하여 오히려 고회전에서 효율이 떨어지게 됩니다. 그래서 협각을 크게하면서 얻어지는 잇점과 로커암의 길이에 따라서 떨어지는 효율을 놓고 서로 협상하게 되므로, 구조적으로 불리하게 됩니다.
반면에 DOHC는 흡기밸브 바로 윗편에 흡기캠이 지나가고, 배기밸브 바로 윗편에 배기캠이 지나가므로, 협각의 설계에 대해서 제약조건이 전혀없습니다. 협각을 넓게하려면 흡기캠과 배기캠을 멀게하면 그만이거든요. 게다가 로커암도 필요가없어, 캠이 직접 밸브를 개폐할수도 있습니다.
이러한 구조적인 잇점때문에 대부분 DOHC는 멀티밸브를 사용하게 됩니다. 가장 대표적인것이 4기통의 16V 인데요. 이것은 16밸브를 의미합니다. 1개의 기통당 흡기밸브 2개, 배기밸브 2개씩 해서 4기통이라면 16개의 밸브를 가지는 엔진을 의미하지요. 멀티밸브를 사용하게 되면 실린더에 들어오는 혼합기량과 배기가스량을 크게할수있어서 토크를 크게할수가 있습니다.
반드시 DOHC가 멀티밸브를 사용한것은 아니지요. 그만큼 구조적으로 멀티밸브를 구현하기가 쉽기때문에 자연스럽게 사용된것입니다. SOHC로도 얼마든지 응용만하면 멀티밸브를 구현할수가 있지만, 그럴바에는 DOHC로 설계하는것이 오히려 더 편해서 SOHC 멀티밸브 엔진들은 그리 많지 않습니다.
또한가지 DOHC의 잇점은 바로 실린더의 정중앙에 아무런 기계장치가 존재하지 않아서, 그곳에 점화플러그가 장착된다는것입니다. 실린더의 정중앙에 장착된 점화플러그는 실린더내부에서 화염전파속도가 일정하기 매우 쉬운구조로 되어있습니다. 따라서 좋은 연소효율때문에 이또한 출력이 상승하게 되는 효과가 있지요.
반면에 SOHC은 실린더의 정중앙에 캠축이 지나가므로 점화플러그가 정중앙에 장착되지 못하고, 대부분 배기밸브 옆쪽에 즉 실린더의 옆쪽에 장착되게 됩니다. 피스톤의 정중앙에서 보면 화염전파가 정중앙부터 부분까지 고르게 퍼지는 구조가 아닌, 옆부분에서부터 전파되는 구조대문에 화염전파속도가 차이를 지는 단점이 발생하게 되지요.
이러한 구조적인 설계의 잇점때문에 최근에는 DOHC 엔진들은 표준이 되었습니다. 그렇다면, 흔히들 말하는 SOHC는 시내주행에서 유리하고, DOHC는 고속주행에서 유리하다는 말을 해석을 해보면, 그말이 맞기는 하지만 또 다른면에서는 틀린말일수도 있습니다.
예를들면, 동일한 배기량을 가진 SOHC 엔진과 DOHC 엔진으로 비교를 해본다면, 소나타 2, 3에 사용된 시리우스 엔진이 가장 좋은 예가 되겠네요. (그 이후버젼들은 SOHC 엔진이 없으므로...)
시리우스 2.0 SOHC 8밸브 엔진의 최고출력은 110마력/5500rpm 최대토크는 18.5 kgm/3000rpm 입니다.
시리우스 2.0 DOHC 16밸브 엔진의 최고출력은 137마력/6000rpm 최대토크는 19.1 kgm/4500rpm 이지요.
(약간씩 다를수도 있습니다.)
두 엔진의 배기량은 1998cc로 보어*스트로크는 동일하며, 동일한 실린더 블럭에, 헤드만 다른것으로 조립된 엔진이지요. (물론 세세하게 따져보면 다른곳도 있고, 매니지먼트 시스템에도 많이 다릅니다)
왜 SOHC 엔진이 시내주행에서 유리하냐~ 라는 말이 나오게 되었는지를 보면, 최대토크란 말때문에 나오게 된것입니다. 최대토크의 절대크기는 전혀 고려하지 않고, 그 엔진에서 낼수있는 최대토크점을 기준으로 운전을 한다고 했을때 SOHC 엔진은 3000rpm 정도면 그 엔진의 최대토크가 나와버립니다. 반대로 DOHC는 그보다 1500rpm을 더 돌려야만 최대토크가 나오게 되지요.
따라서, 최대토크에서 운전한다는 가정하에 SOHC 엔진이 낮은 회전수에서 최대토크가 나오기때문에, 운전이 쉽다는 표현을 한것입니다. 하지만 이말의 뒷편에는 "절대적인 수치는 무시함"이라는 단서가 붙어있습니다.
SOHC 엔진의 최대토크는 18.5 인반면에, DOHC 엔진의 최대토크는 19.1 이거든요. 최대토크의 절대적인 수치가 DOHC이 높습니다. 실제로 최대토크점에서 운전해보면 DOHC는 정말 시원시원하게 가속이 되는반면에, SOHC는 상대적으로 가속이 시원스럽지 못하게 되지요.
두 엔진을 좀더 자세히 비교를 해보겠습니다.
SOHC 엔진은 2000rpm 부근부터 높은 토크를 내면서 엔진의 회전수가 올라가면 올라갈수록 토크가 커지게 되어 3000rpm에서 엔진이 낼수있는 최대토크를 내고 3000rpm을 넘어서면 토크가 점차 낮아지게 되어, 5000rpm이되면 약 15kgm 정도의 토크밖에 내질 못합니다.
DOHC 엔진은 2000rpm 부근부터 높은 토크를 내면서 상대적으로는 SOHC 엔진과 비슷하거나, 0.1~0.2kgm 정도 낮은 토크를 보입니다. 3000rpm이 되어서도 토크는 18kgm 이상의 힘을 내고있고, 여기서 회전수를 더올려도 토크가 떨어지지 않고 오히려 더 상승하게 되어 4000rpm 근방에서는 19kgm에 육박한 토크를 보이다가 4500rpm에서 최대토크를 내고 그 이후부터 토크가 낮아지게 되어 5000rpm이 되면 18.Xkgm 정도의 토크를 내고있지요.
따라서, 같은 배기량이라 할지라도 엔진의 형식에 따라서 고회전에서 토크의 차이가 대단히 크게 벌어지게 되는것이고, SOHC 엔진을 기준으로 3000rpm 이하의 영역을 보게되면, 비슷한 수치의 토크를 보이고 있습니다. 따라서 저회전에서 SOHC 엔진이 운전하기 편하다면, DOHC 엔진또한 동일하게 운전하기 편합니다. -_-;;
이것은 최대토크의 절대수치를 무시하고 최대토크 회전수에만 시선을두고 내린 결론이 되는것이지요. 마력수는 회전수 * 토크수치로서.... 회전수가 상승하는데 비해서 토크곡선에 급격히 감소하고있다면 그 회전수상승대비 마력수 증가는 매우 적습니다.
하지만, 토크곡선이 플랫하게 유지되거나, 감소폭이 적다면 회전수상승대비 마력수 증가가 매우 크지요. 위에서 설명한것처럼 5000rpm을 기준으로 SOHC 엔진이 15.XX kgm의 토크를 보이는 반면에 DOHC 엔진이 18.xx kgm의 토크를 보인다면 이때 얻어지는 마력수는 DOHC 엔진이 훨씬 크게되며, 그 커진 토크만큼 운전자에게 시원한 가속을 선사하게 되는것이지요.
그렇다고 해서 SOHC 엔진이 못쓸엔진이냐... 그것도 아닙니다. 엔진을 어떤식으로 설계하느냐에 따라서 SOHC으로도 고회전에서 토크하강을 막을수있고, 고출력을 낼수도 있습니다. 그 가장 좋은예가 골프 GTI에 사용되는 VR6 2.8리터 엔진과, 아카디아의 3.2리터 엔진이 그 고정관념을 깬 아주 좋은 엔진이지요.
싱글캠이지만, 엔진각부의 회전밸런스와 메인터넌스 시스템을 개량하여 실제로 VR6 엔진은 6500rpm까지도 토크하강폭이 매우적어 저회전보다 고회전에서 더 큰힘을 냅니다. 물론, 혼다의 3.2리터 엔진 또한 싱글캠 방식으로 멀티밸브를 구현하여 그랜져 3.5 DOHC보다 우수한 엔진출력을 내지요.
다만, DOHC 엔진은 많은 부분에 세밀한 신경을 쓰지않고서도, 출력을 기본적으로 쉽게 올릴수 있는 바탕이기에 지금 DOHC 엔진은 표준이 된것입니다. 물론 대중성을 고려한 중저가형 모델에서는 SOHC 엔진으로 설계하기도 합니다. 알파 12밸브 엔진등등..... |