■ 밸브

밸브직경은 보통 흡기측이 배기측보다 커서, 양자의 비는 8:7 정도가 된다. (즉, 흡기가 32mm라면 배기는 28mm) 이 직경 차이는 흡기와 배기의 균형을 고려한 것으로 흡기는 피스톤 하강시 생기는 부압에 의해 공기를 빨아들이는데 비해, 배기는 블로우다운(Blow Down)의 높은 압력으로 밀려나가므로 직경이 다소 작아도 괜찮은 것이다.

밸브는 캠샤프트의 리프트 커브를 정확하게 따라가야 하므로 당연히 가벼워야하지만, 너무 가벼우면 포핏부의 강성이 부족하여 바운스(Bounce)를 일으키고, 강도부족으로 포핏부가 변형되거나 스템부가 구부러져서 기밀불량이 생긴다.

□ 포핏부

밸브 포핏부의 설계는 스템에서 포핏으로의 R 형상, 포핏두께, 시트 접촉폭 같은 것이 중요하다. 스템에서 포핏으로의 연결은 공기를 스무드하게 흐르게 해야 하는데, 이 부분의 R이 클수록 흐름이 스무드해질 것 같지만, 통로 단면적이 작아지기 때문에, 너무 크게 하면 안되며, R10-15정도가 최적이다.

또, 포핏 윗면 기울기는 15°가 보통이며 R을 크게 하거나, 포핏 상면을 크게 하면 밸브의 중량이 무거워 진다.

포핏의 두께는 강성과 강도에 영향을 주며 밸브경이 커지면, 강성과 강도를 확보하기 위해 포핏부의 두께도 두꺼워질 필요가 있다.
강성이 부족하면 포핏부가 스프링과 같이 작용하여 밸브 착좌시 기밀불량이 생기고 강도가 부족하지 않아도 연소압력과 열에 의해 포핏부가 변형되어(우산이 뒤집어지는 것처럼) 밸브간극이 작아지므로 아이들불안정 등의 문제가 생긴다.

□ 스템부

밸브 스템경은 축의 굽힘 강도와 배기 밸브의 경우 포핏부의 온도에 영향을 받는데, 밸브의 가공성을 고려할 때는 포핏경과 스템경은 너무 큰 차이는 둘 수는 없다.

예를 들어, 스템경이 6mm라면 포핏경은 35mm 정도가 한계이며 스템경과 포핏경의 한계는 굽힘 강도적으로도 포핏경이 크면 굽힘력이 커지므로 제한될 수밖에 없다.

배기밸브에는 연소시 발생한 열이 포핏에 전달되고, 스템을 통하여 열이 밸브가이드→실린더헤드→냉각수로 전달된다. 이때 포핏에 전달된 열은 스템부에 모이기 때문에 내열한계를 초과하면 밸브가 소손(折損)되어 버린다.

스템경은 가늘게 하면서 절손도 방지하는 방법으로 포핏에 연결되는 부분만 약간 두껍게하는것이 일반적이다. 한편, 흡기밸브는 열적인 문제는 없고 다만 흡기저항을 작게 해야 하므로, 반대로 포핏과 연결되는 부분을 가늘게 하기도 한다.

고성능엔진에서는 배기밸브에 나트륨을 봉입한것을 사용하는 경우가 많은데 이는 스템에 구멍을 뚫고 나트륨을 봉입한 것으로 밸브온도 저감에는 유리하지만 축경은 최소 7mm로서, 4VALVE 엔진의 통상치 6mm 보다는 두꺼워진다.

스템 끝단은 로커아암이나 밸브리프터에 의해 강하게 눌려지므로, 마모되지 않도록 열처리를 하여 경도를 높일 필요가 있으며, 밸브가이드의 길이는 밸브의 휨을 생각하면 길수록 유리하지마 시트부가 마모되거나, 이물이 분쇄될 때에는 반대로 자유도가 적어서 큰 응력을 받게되므로 절손되기 도 쉽다.

밸브시트부의 설계는 가스시일을 확실히 하고 다소의 퇴적물이나 이물이 개입되어도 잘 분쇄하도록 해야 한다. 종래에는 가스시일性과 시트의 내마모성을 위해 시트의 접촉 폭을 비교적 크게(1-1.5mm) 했었으나 접촉폭이 커지면 퇴적물이나 이물 분쇄성능이 나빠지기 때문에, 최근에는 폭을 작게 설계한다.

이는 재료의 개량으로 내마모성이 대폭적으로 향상되었기 때문에 가능한 것이다.

■ 밸브 스프링

밸브스프링은 캠샤프트의 캠노즈(Cam Nose)를 따라서 충실히 밸브를 움직이도록 반력을 주는 역할을 하지만 이 반력은 캠샤프트를 구동하는 마찰력이 되므로 스프링상수는 가급적 약한 것이 좋다.

일반적으로 밸브가 무겁고 캠작동각이 작으며 리프트가 클 수록, 또한 최고회전수가 높을수록 밸브스프링은 강해져야 한다.

따라서, 고성능엔진은 밸브스프링이 강해야하며 이것이 지나치면 마찰손실 증가로 엔진에서 어렵게 발생시킨 토오크를 상쇄시켜 버리므로 무리하게 고회전화 되지 않도록 해야 한다.

반대로 밸브가 가볍고 최고회전수가 낮으면 스프링도 약해도 되지만, 여기에도 한계가 있다. 즉, 너무 스프링상수가 약하면 사용회전수내에서 공진회전이 생기게 되어 정확한 작동을 할 수 없게되며 스프링 절손의 위험도 있다.

밸브스프링은 밸브의 관성중량, 스프링외경, 세트길이, 캠리프트, 캠각속도 곡선 등을 종합적으로 고려하여 설계해야 하며 다음과 같은 조건들을 만족해야 한다.

□ 밸브착좌시에 바운스(착좌불량)가 일어나지 않을 것(세트하중)
□ 리프트시에 관성중량을 견딜수 있는 스프링 반력을 가질 것(최대하중)
□ 최대리프트시에 스프링이 밀착되지 않을 것
□ 최대리프트시에 스프링 응력이 허용치 이내일 것
□ 사용회전 범위 내에 공진회전이 없을 것

또, 밸브스프링에는 제품공차와 열화가 발생하므로, 이것을 감안하여 통상 500rpm 정도의 여유를 두고 설계한다.

밸브스프링은 종래는 이중으로 하는 경우도 많았으나 최근에는 다음과 같은 이유로 싱글 스프링을 많이 사용한다.

□ 4밸브엔진으로 밸브자체가 가벼워졌다.
□ 실리콘크롬강 등 고응력재료가 실용화되었다.
□ 스프링제조 공정중 불량률이 거의 없어 졌다.
스프링 자체도 밸브 관성중량의 일부(스프링중량의 1/3정도)이고, 경량화는 스프링의 스프링상수를 내리는데 깊은 관계가 있다.

최근에는 실린더헤드의 소형화로 밸브스프링의 세트길이가 짧을 것이 요구되지만, 한편 작동 각이 좁아지고 리프트는 크게 해야하기 때문에, 스프링상수는 높아져야하는 모순된 요구를 만족해야 한다.

그래서, 밀착길이는 짧고, 스프링 단면적은 큰 계란형단면의 밸브스프링이 실용화 되고있다.