DOHC SOHC 차이에 대해 궁금하셨나요? 캠샤프트는 무엇이며 SOHC와 DOHC 뜻과 장점 그리고 단점에 대해 알아본 후 SOHC DOHC 차이를 살펴본 후 DOHC 엔진 장점에 대해 자세히 정리해 두었으니 현대에 왜 DOHC 엔진을 대부분 사용하는지 확인해 보시기를 바랍니다.
1. 들어가는 글
자동차를 구매하거나 자동차 제원표를 볼 때 엔진 쪽에서 DOHC나 SOHC라는 단어를 보는 경우가 종종 있는데 이게 어떤 의미인지 몰라 당황했던 경험이 있을 것입니다. 물론 전기차를 구매한다면 상관없을 수 있지만 가솔린이나 디젤 등 내연기관 차량을 구매하면 엔진에서 가장 중요한 역할을 수행하는 것이기 때문에 자세히 알아볼 필요가 있습니다.
밸브가 많으면 무조건 좋은 건지 그리고 최신 엔진에서는 왜 DOHC를 탑재한 것인지 등에 대한 궁금증을 모두 해결해 드릴 것입니다. 따라서 이 글에서는 엔진 헤드의 구조적 차이에 이어 밸브 개수가 주행 성능에 미치는 영향 그리고 정비 용이성 등에 영향을 미치는 내용을 엔지니어링 관점에서 정리하였으니 자세히 알아보시기를 바랍니다.
2. 캠샤프트(Camshaft) 역할
SOHC DOHC 차이를 알아보기 전에 먼저 C에 해당하는 캠샤프트(Camshaft)가 무엇이며 어떤 역할을 하는지에 대해 알아야 합니다.
엔진은 흡입과 압축 그리고 폭발과 배기라는 4행정 사이클을 반복하는데 이때 공기와 연료를 실린더 안으로 넣어주는 문을 흡기 밸브라고 부르며 연소된 가스를 밖으로 내보내는 문을 배기 밸브라고 부릅니다. 따라서 이 밸브들을 정확한 타이밍에 열고 닫을 수 있도록 도와주는 회전축이 캠샤프트입니다.
캠샤프트는 달걀 모양의 캠(Cam)이 붙어 있어서 회전할 때마다 밸브를 밀어서 열어줍니다. 따라서 캠샤프트는 엔진이라는 오케스트라의 지휘자 역할을 한다고 생각하면 되는데 이 지휘자가 한 명(SOHC)인지 아니면 두 명(DOHC)인지에 따라 엔진의 성격이 달라집니다.
그렇다면 엔진이라는 오케스트라에서 한 명의 지휘자가 있는 SOHC에 대해 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
3. SOHC(Single Overhead Camshaft)
SOHC는 하나의 캠샤프트가 실린더 헤드의 윗부분에 위치하여 흡기 밸브와 배기 밸브를 모두 제어하는 역할을 합니다.
SOHC 작동 원리를 살펴보면 캠샤프트가 한 개이기 때문에 밸브를 직접 누르기보다 로커 암(Rocker Arm)이라는 지렛대 부품을 이용하여 밸브를 여닫습니다.
SOHC 밸브 개수를 살펴보면 예전에는 실린더당 흡기 1개와 배기 1개로 이루어져 총 2개의 밸브를 가졌지만 이제는 SOHC 구조에서는 흡기 2개와 배기 1개로 이루어져 총 3개나 4개의 밸브를 이용하는 멀티 밸브 시스템을 이용합니다.
SOHC 장점은 크게 3가지 정도 있는데 구조가 단순하여 가볍고 저회전 토크에 이어 마찰 손실을 줄일 수 있다는 것입니다.
첫 번째 장점은 구조의 단순화 및 경량화로 캠샤프트가 한 개라서 엔진 헤드의 크기가 작고 가볍습니다. 따라서 부품 수가 적기 때문에 생산 단가가 낮고 정비를 쉽게 할 수 있습니다.
두 번째 장점은 저회전 토크로 SOHC 구조적 특징에 의해 흡기 저항이 적으며 유속을 빠르게 유지하기 쉽기 때문에 도심에서 저속으로 주행할 때 힘이 좋고 높은 연비를 낼 수 있습니다.
세 번째 장점은 마찰 손실을 줄일 수 있다는 것으로 구동해야 할 축이 한 개밖에 없기 때문에 엔진에서 발생하는 기계적 마찰이 적습니다.
다만, SOHC에서도 단점이 있는데 고회전 효율이 적고 타이밍 제어라는 한계가 있다는 것입니다.
첫 번째 단점은 고회전 효율 저하로 로커 암을 사용하기 때문에 높은 회전을 할 때는 밸브가 정확한 타이밍에 작동하기 힘들어 밸브 서징(Valve Surging) 현상이 발생할 수 있습니다.
두 번째 단점은 타이밍 제어의 한계로 흡기와 밸브가 한 개의 축으로 묶여있기 때문에 가변 밸브 타이밍 기술을 흡기와 배기 밸브에 정교하게 사용하기 어렵습니다. 그렇기 때문에 배출가스 규제에 대응하기 어렵다는 단점이 있습니다.
지금까지 한 개의 캠샤프트가 있는 SOHC에 대해 알아보았는데 그렇다면 두 개의 캠샤프트로 구성된 DOHC는 무엇인지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
4. DOHC(Double Overhead Camshaft)
DOHC는 실린더 헤드 상단에 두 개의 캠샤프트가 장착되며 한 개는 흡기 밸브 전용이고 다른 한 개는 배기 밸브 전용입니다.
DOHC는 직타 방식을 사용하는데 캠이 밸브를 직접 누르거나 리프터를 통해 누르는 등 직타 방식을 주로 사용하기 때문에 로커 암이 필요하지 않거나 그 필요성이 최소화될 수 있는 특징이 있습니다. 또한 DOHC에서는 두 캠샤프트 사이의 공간을 활용하여 스파크 플러그를 연소실 중앙에 수직으로 꽂을 수 있는데 그로 인해 화염 전파를 고르게 하여 연소 효율을 높일 수 있습니다.
DOHC 장점은 흡기와 배기의 효율을 높일 수 있으며 독립적인 가변 밸브 타이밍을 이용할 수 있고 고회전 성능이 뛰어나다는 장점이 있습니다.
첫 번째 장점은 흡기와 배기의 효율을 높일 수 있다는 것으로 실린더당 4개 이상 밸브를 설치하기 쉽기 때문에 공기 흐름을 원활하게 만들 수 있어 고회전 시 출력을 쉽게 높일 수 있습니다.
두 번째 장점은 독립적인 가변 밸브 타이밍으로 흡기 캠과 배기 캠을 따로 제어할 수 있습니다. 따라서 상황에 따라 밸브를 여닫는 타이밍을 자유롭게 조절할 수 있는데 저회전에서는 연비를 높일 수 있고 고회전에서는 출력을 높일 수 있습니다.
세 번째 장점은 고회전 성능으로 밸브 계통의 관성 질량이 적어서 높은 회전에서도 밸브 제어를 정확하게 할 수 있습니다.
다만, DOHC 단점은 구조가 복잡하며 무겁고 수리 비용이 비싸다는 단점이 있습니다.
DOHC는 부품 수가 많아지며 엔진 헤드가 커지고 무거워진다는 단점이 있습니다. 또한 부품 수가 많은 만큼 제조 원가가 올라가며 수리하기 어려워서 수리 비용이 비싸진다는 단점이 있습니다.
5. DOHC SOHC 차이
DOHC SOHC 차이는 성능과 연비 그리고 정숙성 측면에서 바라볼 수 있습니다.
성능의 경우 출력과 토크로 나누어 볼 수 있습니다. 출력에서는 DOHC가 더 좋은데 고회전으로 가면 갈수록 공기 흡입량이 중요한데 DOHC에서는 밸브 면적 확보와 타이밍 제어에 있어 더 좋기 때문입니다. 토크에서도 DOHC가 더 좋은데 예전에는 SOHC가 저속 토크에서 더 유리하다는 말이 있었지만 요즘에는 DOHC 엔진에 가변 밸브 리프팅과 가변 밸브 타이밍 그리고 터보차저 작동 원리 등이 적용되면서 모든 부분에서 DOHC가 더 뛰어난 결과를 냈습니다.
연비의 경우 이론적으로는 마찰이 적은 SOHC가 더 유리할 수 있지만 DOHC는 정밀 연소 제어가 가능하기 때문에 실제로 주행할 때 연비와 배출가스 저감 능력이 더 좋습니다. 희박 연소나 앳킨슨 사이클을 구현하기 DOHC에서 더 쉽기 때문입니다. 만약 앳킨슨 사이클 엔진 원리가 궁금하다면 해당 링크를 통해 자세히 알아보시기를 바랍니다.
정숙성에서는 SOHC가 부품이 더 적어서 기계적 소음이 더 적게 나는 편이었지만 현대에 들어서 DOHC 엔진의 정밀 가공 기술과 유압식 래시어저스터 등의 발달로 인해 소음 차이를 크게 느끼기 어려운 상황입니다.
따라서 DOHC SOHC 차이를 살펴보면 성능은 압도적으로 DOHC가 더 좋으며 연비도 요즘에는 DOHC가 더 좋고 정숙성마저 큰 차이를 느끼기 어려울 정도입니다.
그렇다면 도대체 왜 SOHC보다 DOHC가 더 좋고 대부분의 차에서 DOHC를 사용하게 되었는지 그 이유에 대해 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
6. DOHC 엔진 장점
요즘 출시되는 현대나 기아 그리고 BMW와 벤츠 등 대부분의 내연기관 및 하이브리드 차량에서는 DOHC를 사용하는데 그 이유를 크게 3가지 DOHC 엔진 장점으로 나누어 볼 수 있습니다.
첫 번째 이유는 환경 규제와 효율성 때문입니다. 유로 7 등 강화된 환경 규제를 충족하기 위해서는 엔진의 모든 행정을 컴퓨터가 정밀하게 통제해야 합니다. 따라서 흡기와 배기를 따로 제어할 수 없는 SOHC에서는 촉매 예열이나 배기가스 재순환 그리고 실린더 비활성화 등을 구현하는 데 있어 한계가 있기 때문에 DOHC를 사용하고 있습니다.
두 번째 이유는 터보차저의 보편화 때문입니다. 다운사이징 트렌드로 인해 작은 배기량에 터보차저를 장착하는 것이 요즘 트렌드입니다. 따라서 터보 엔진에서는 배기가스의 흐름을 제어하는 것이 중요한데 그로 인해 DOHC의 듀얼 가변 타이밍 기술이 필요합니다.
세 번째 이유는 하이브리드 시스템과의 조화 때문입니다. 하이브리드 차량은 엔진이 켜지고 꺼지는 것을 계속해서 반복하는데 이때 진동을 제어하며 효율적으로 충전하기 위해 RPM을 잘 제어해야 하는데 DOHC 시스템이 큰 도움이 될 수 있습니다.
7. 자주 묻는 질문
1) SOHC 엔진은 이제 안 사용하나요?
아쉽게도 승용차에서는 SOHC 엔진을 잘 사용하지 않습니다.
하지만 구조가 간단하면서 가벼운 특징으로 인해 소형 오토바이나 스쿠터는 물론 일부 산업용 엔진에서는 여전히 SOHC 엔진이 사용되고 있습니다.
2) 하이브리드 차량에는 모두 DOHC를 사용하나요?
대부분의 하이브리드 차량에서는 DOHC 엔진을 사용합니다.
도요타의 THS나 현대, 기아의 TMED 등 대부분의 하이브리드 시스템에서 사용하는 가솔린 엔진은 효율을 극대화한 DOHC 앳킨슨 사이클이나 미러 사이클 엔진이 사용됩니다.
3) DOHC 엔진 오일 교환 주기가 더 짧나요?
DOHC 엔진 오일 교환 주기는 구조적 차이보다는 엔진의 가혹한 환경이나 조건 등에 따라 달라집니다.
물론 DOHC는 상대적으로 고회전을 많이 사용하며 밸브 기구가 복잡하기 때문에 제조사에서 권장하고 있는 오일 등급이나 교환 주기를 잘 지키는 것이 중요합니다.
특히 가변 밸브 타이밍 기구는 오일 압력으로 작동하기 때문에 더 깐깐한 오일 관리가 필요합니다.
8. 나가는 글
지금까지 캠샤프트 역할과 SOHC 그리고 DOHC 뜻과 장점 및 단점을 살펴본 후 DOHC SOHC 차이에 이어 DOHC 엔진 장점에 대해 자세히 알아보았습니다.
SOHC는 경제성과 실용성을 중요시하였으며 DOHC는 성능과 정밀함을 중요시했습니다.
하지만 요즘에는 DOHC 단점인 비용과 무게를 극복하고 제어가 자유롭다는 장점을 극대화하는 방향으로 발전하고 있습니다. 따라서 요즘 타는 자동차에 대부분 DOHC 엔진을 사용하는 이유는 단순히 출력이 높아서라기보다 적은 연료로 힘을 효율적으로 낼 수 있기 때문입니다.
다만, 간혹 중고차에 장착된 SOHC 엔진을 만날 수도 있는데 너무 당황하지 않으셔도 괜찮습니다. 단순한 구조로 인해 잔고장이 적으며 관리하기 편리하고 주행할 때 경쾌하게 운전할 수 있기 때문입니다.