쉐보레의 최신형 V8 6.2L LT5 엔진. 직분사에 가변 밸브 타이밍, 슈퍼차저를 적용해, 755마력, 99 kgf·m 토크의 힘을 발휘하며 콜벳 C7 ZR1에 장착된다.
1. 개요
OHV[1] 엔진은 실린더 바로 위에 밸브가 배치되며 이를 캠샤프트와 연결된 푸시로드(pushrod)로 제어하는 방식으로, I형 헤드 엔진에 사용되며 흔히 “푸시로드식 엔진” 등으로 불리기도 한다.2. 상세
일반적으로 캠축이 크랭크축에 기어로 맞물려 있는 형태가 많다. 크랭크축이 2회전을 할 동안 캠축이 1회전하며, 캠축이 푸시로드를 밀어올리고 푸시로드가 로커암을 밀어올려 밸브를 개폐하는 방식이다. 초창기의 비효율적이었던 몇 가지 방식들을 개선하고 대체한 것이 현재 쓰이는 방식의 OHV이며, 초창기 내연기관도 모두 OHV였다. 1910년대 이후에 캠축을 실린더 헤드로 옮긴다는 발상이 나왔고, 이것이 실현된 것이 OHC 엔진이다.OHV 방식이 만들어진 1940년대에는 거의 대부분의 엔진이 흡배기포트가 실린더 측면에 위치하는 형상[2]이었기 때문에 고 압축비 엔진을 만들기 힘들었으나, 1949년 올즈모빌에서 생산한 “로켓 V8” 엔진에서 도입된 I형 헤드 엔진에서 현재까지 이용되는 실린더 위에 밸브가 배치되는 형태가 만들어져, 기존에 비해 높은 압축비의 엔진이 만들어진다. 이후 주로 북미권역에서 생산되며, OHC가 등장한 이후에도 북미쪽에선 지속적으로 생산이 이루어 지고 있다.
2023년 현재까지도 OHV 방식의 엔진을 생산하며 사용하는 자동차 회사는 포드, GM과 FCA 그룹, 폭스바겐 그룹[3]이 있다. 스카니아도 V8엔진 한정으로 OHV 엔진을 사용중이다. 엔진 전문 제조업체 한정으로는 커민스가 유명하다.[4]
대배기량 OHV는 특유의 묵직하면서도 낮은 배기음을 가지고 있다. 흔히 '미국차' 하면 떠올리는 대표적 요소일 정도로 상징적. 보통 차량 관련 영화나 매체에서 거대한 OHV 엔진을 장착한 차량이 등장하면 일단 그 배기음에 압도된다.[5]
전반적으로 많은 장점과 단점이 푸시로드에 관련된 사항이 아니라면 SOHC와 비슷한 편이다.
3. 장점
- 헤드에 밸브구동장치 중 캠축이 빠져있기 때문에 엔진의 무게가 가볍고 크기를 줄이고 높이를 낮출 수 있다. 특히 V형 엔진에 적용될 때 장점이 극대화 되는데, 뱅크 사이에 캠샤프트와 푸시로드를 수납해버리면 그만이기 때문에 더욱더 작게 만들 수 있다. DOHC 경우 헤드가 엔진 블럭만한 것도 모자라서, V형 엔진 이라면 이게 두 개씩이나 사용되어야 한다. 따라서 공간의 제약을 덜받는 편이기도 해서 배기량을 많이 증가 시킬 수 있고, 엔진자체의 무게중심이 낮기 때문에 자연히 차체의 무게중심을 낮출 수가 있다. 쉐보레 콜벳이나 닷지 바이퍼가 아직까지도 OHV형 엔진을 사용하는 이유 중 하나. 크기 차이가 어느정도냐 하면, 5리터 V8 OHV 엔진과 2리터 I4 DOHC 4밸브 엔진의 부피가 비슷해, 일제 2리터 스포츠 세단에 5리터 V8을 박아 넣는 미친짓도 가능 할 정도.[6] 엔진의 사이즈가 작은만큼 알터네이터, 에어컨 컴프레서, 파워스티어링 펌프등의 기자재 배치에도 상대적으로 여유가 있어 정비/교체시에도 주변부를 다 뜯어내야 하는 일은 좀처럼 드물기도 하다.
- 헤드의 밸브 장치가 심플해 신뢰성(내구성)과 정비성이 높다.
- 현시점에선 자동차용 OHV 엔진은 만들어 내는 곳이 미국 메이커뿐인데 설계가 상당히 오래돼서 같은 계열의 블럭이면 신식 부속도 호환이 가능하다.[7] 따라서 이 OHV 엔진을 아직도 애용하는 미대륙과 호주 한정으로 부품수급도 매우 원활하다.[8]
4. 단점
- 결론부터 말하자면, 한계가 명확하다. 부피가 작지만 반대로 엔진 내부에 허용된 공간이 적어 OHC 방식보다 신식 기술이 적용되기 어려우며, 푸시로드 방식의 특성상 대배기량 V형 엔진이라는 극히 제한된 환경에서만 제 효율을 낼 수 있다. 하여 급히 변화하는 시대를 따라잡는 데에 상당한 애로사항이 꽃피는 방식.
- 흡·배기 밸브의 갯수를 늘리기 힘들어 흡/배기 효율이 좋지 않다.[9] 따라서 흡배기 한개씩으로만 소기를 해야하다보니 밸브의 크기가 커질 수 밖에 없고, 그 밸브를 제대로 닫기 위해 밸브스프링을 탄성계수가 매우 높은 것으로 써야 한다. 그 밸브스프링 누르느라 깎아먹는 효율도 무시할 수 없고, 또한 밸브가 닫힐 때 카본찌꺼기 같은 이물질이라도 떨어져나와 밸브시트에 끼어들었다간 강한 밸브스프링 때문에 밸브나 밸브시트가 손상되는 경우도 있다.
- 구조상 제한적인 VVT는 설치가 가능하나 이마저도 캠축이 하나 뿐이라 흡/배기 개폐 타이밍을 독립적으로 제어하지 못한다. 여기까지는 SOHC와 단점이 비슷해 보이나, 캠샤프트가 실린더 헤드에 위치해 있어서 상대적으로 사양변경이나 공간확보가 쉬운 SOHC와는 다르게, 실린더 블럭 내부에 캠샤프트가 위치해 있는 OHV의 경우에는 블럭 내의 공간을 어떻게 늘리거나 확보할 수는 없는 노릇이므로 복잡한 VVL은 설치가 불가능하다.
- 이러한 태생적인 흡/배기 효율 개선의 제약과 그 외의 출력 손실을 유발하는 이런저런 문제들로 인하여 배기량 대비 부피는 작다 할지라도 배기량 대비 출력은 낮다.[10] 그래서 소배기량에서는 높은 성능을 얻기 힘들며, 마찬가지 소배기량으로 만들 수 없다는 말은 갈수록 빡빡해지는 배출가스 규제를 만족을 하지 못할 가능성이 있다는 것이기 때문에 조만간 사장될 수 있다. 실제로 쉐보레 콜벳 C7 또한 출시 전에 나온 8기통 OHV가 아닌 6기통 DOHC 과급기 엔진이 달려 나올 수 있다는 루머가 신빙성 있게 여겨지기도 했을 정도. 사실상 다른 문제들보다도 환경 문제에 대응하기 더 어렵다는 점이 OHC 방식들이 대세가 된 가장 큰 이유이다.
- 구형 두돈반이나 K-711을 운행했던 운전병 내지는 정비병이라면 아주 추운 혹한기에 경험했을 문제인데, 엔진의 예열이 채 끝나지 않은 상태에서 무리하게 회전수를 올리거나 부하를 주면 푸시로드가 그대로 굽거나 휘어버리며 실린더 블록에 박혀버려 미친듯이 갈굼을 당하게 되는 불상사가 생각보다 빈번하게 일어난다. OHV 엔진은 보통 기본적인 내구성이 좋아 뭔 짓을 해도 버티지만 푸시로드만은 재수 없으면 파손될 가능성이 있기 때문에 신경을 써 줘야 한다.
5. 오해
OHC 엔진 대비 고회전이 불가하거나 불리하다는 오해가 가장 많은데, 이는 어디까지나 DOHC 엔진과의 비교이며, 좀더 극단적으로 말하자면 과거 15,000rpm~20,000rpm을 넘나들던 레이스용 엔진이나 혹은 바이크 엔진에나 해당되는 이야기이다. 높아봐야 7000rpm 이내인 양산용 자동차 엔진에 한해서는 DOHC와 비교했을시 여전히 조금은 열세이긴 하나, 또다른 OHC 방식인 SOHC와 비교하면 거의 의미가 없어지는 수준이다. 양산차용 엔진들의 회전한계를 가장 먼저 결정해 버리는건 일차적으론 캠샤프트의 양정과 작동각으로 인한 파워 밴드의 특성이며,[11] 두 번째로는 피스톤 스피드의 영향이 절대다수이기 때문이다. 즉, 현실적으로는 튜닝을 포함해서 피스톤 스피드 때문에 엔진의 더 높은 회전수를 못 만들어 내는 것이지, 밸브트레인의 탓이 절때 아니다. SOHC와 차이점이 있다면, 푸시로드의 유/무 정도의 차이인데,[12] 그나마 푸시로드도 재질과 형상의 개선으로 인해[13] 푸시로드 자체가 관성저항에 영향을 끼치는 건 거의 무의미한 수준이나 마찬가지인 상태다.실제로도 10,000rpm으로 엔진을 돌려대는 NASCAR나, 드래그 레이스에 사용되는 엔진들은 피스톤 스피드가 한계에 가까운 12,000rpm을 예나 지금이나 잘 사용중이며, 고회전 엔진 그 자체인 바이크 역시 마찬가지로 DOHC 방식이 나오기 전 까지는 13,500rpm 까지 돌아가는 OHV 엔진이 꽤나 여럿 존재했었다.
OHV 엔진의 고회전 문제는 가변밸브 기술들의 적용 불가로 인한 좁은 파워밴드와 더불어, 미국제 클래식카들의 변속기 등 엔진 외의 부분에서 나오는 절망적인 파워트레인 동력손실과 그로 인한 엄청난 뻥마력, 장거리 크루징 환경 때문에 일찍부터 적용하기 시작한 다운스피딩, 그리고 다양하게 발달한 레저 문화 및 도로 사정으로 인해 빈번한 견인 등에 적합한 저회전 출력을 중요시 하는 특성의 미국인들의 취향이 어우러저 만들어진 선입견에 가깝다. 전후 1940년대 후반부터 OHV 기술은 이미 고도로 발전했으며, 특히 1980년대 즈음부터 효율적인 유럽, 일본제 차량들이 실권을 쥐자 쉐보레 콜벳 4세대 모델 등의 OHV 스포츠카들을 필두로 기술력이 급상승하여 최근에 와서는 OHC 엔진들에게도 밀리지 않는 기술력을 확보해 냈다. 특히 VVT나 직분사 기술을 적용할 수 있게 된 후로 파워 밴드가 크게 개선되어 기존 미제 OHV 엔진들의 최대 약점이었던 고회전에서 힘이 빠지는 문제는 최소한 2000년대~2010년대를 기점으로 해소되었다. 최근의 OHV 엔진들은 최대 회전수가 SOHC는 물론이요, 왠만한 DOHC 엔진들과 비교해봐도 거의 차이가 없다. 현재 양산되는 LS 베이스 스몰블록이나 3세대 헤미 엔진들은 OHV라고 믿기 어려울정도로 발전된 성능을 보여주고 있다.[14]
특유의 대배기량 엔진 때문에 연비가 매우 나쁘다는 인식도 있지만, 그다지 연비가 나쁘지도 않다. 대부분의 OHV 엔진은 에코 기능의 일환으로 실린더 절반을 운휴시키는 기능을 가지고 있는데[15], 워낙 대배기량 엔진인 덕에 엔진 실린더의 절반을 끄고 달려도 전혀 지장이 없다. 여기에 상술된 직분사, 제한적인 VVT 등의 신식 기술의 적용 또한 성공하면서 오히려 동 출력 내지 배기량의 DOHC 등과 비교해도 연비가 좋은 편이다. 실제로 5.5세대 카마로 RS의 DOHC V6 3.6L LFX엔진과 6세대 카마로 SS의 OHV V8 6.2 LT1엔진을 비교해봐도 실 주행연비는 거의 차이가 없거나 근소하게 OHV쪽이 우세하다. 차량을 최대한으로 경량화시키고 엔진 튜닝 역시 극한의 상태까지 튜닝하는 내구 레이싱에서는 주유 시간을 아끼기 위해 연비 역시 매우 중요한데, 르망 24시에서 타 엔진에 비해 콜벳의 OHV 엔진의 연비가 매우 좋아 지속적으로 좋은 성적을 내자 경쟁사들이 OHV 엔진의 사용 금지를 요구했으나 당연히 기각되었다. 이와는 별개로 배기량 자체가 크다 보니 연비가 아닌 배출가스 문제로 오면 난감한 것은 맞는다. 이를 위해 미국 메이커들은 마쓰다가 반켈 엔진을 이악물고 개선해 냈듯이 계속해서 개발을 지속하며 한계를 뛰어넘고 있다.
6. 기타
할리 데이비슨의 대부분의 바이크들도 OHV 방식이다[16] 할리 데이비슨 엔진의 상징 중 하나인지라[17] 아마도 할리의 바이크에선 사라지진 않을 듯. 기통당 4밸브의 OHV 엔진을 공개하기도 했다.쉐보레 콜벳 C7이 나올 때까지만 해도 OHV 엔진의 미래는 매우 불투명했으나, 2020년대에 들어서면서 OHV 방식은 최소한 수 년간은 생명을 유지할 것이 보장되었다. 미국 브랜드들이 OHV 엔진을 유지하거나 부활시키기까지 하고 있기 때문인데, 최근 기술적 과도기가 끝날 조짐이 보이고 또 최근의 스포츠카에 있어 차별화를 위해선 헤리티지 요소가 정말 장난 아니게 중요해졌기 때문에 미국 브랜드들은 당분간은 OHV를 쉽사리 놓지 않을 것으로 보인다.
포드는 2020년 24년만에 V8 OHV 엔진을 부활시켰다. '고질라' 엔진이 트럭용으로 먼저 출시되며, 2022년엔 '메가질라' 크레이트 엔진도 공개되었다. 배기량은 무려 최대 7.3리터로 현재 판매중인 V8 엔진 중에서는 배기량이 가장 클 전망이다. 이 엔진은 픽업트럭에도 쓰이며 머스탱에까지 장착할 것을 염두에 두고 있다고 한다.
7. 관련 문서
[1] Overhead Valve를 의미한다.[2] 보통 Side Valve라는 의미의 SV라고 부르거나 Flat Head Engine이라고도 한다.[3] 벤틀리의 기함인 뮬산의 엔진이 아직도 OHV 방식의 L시리즈 V8이다. 뮬산의 엔진은 원래 벤틀리가 롤스로이스 자회사 시절 1959년부터 지금까지 롤스로이스와 함께 쓰던 엔진이었지만, 롤스로이스가 BMW에 팔려가서 BMW V12 엔진을 쓰기 시작한 이후 오리지날 L410 엔진은 전통계승을 위해 벤틀리에서 사용한다. 이 롤스로이스-벤틀리 L410 엔진도 시대변화를 버티지 못하고 2020년 단종.[4] 커민스 디젤엔진 같은 경우 OHV임에도 불구하고 공간이 넓은 덕택에 3~4밸브 형식을 띠고 있다.[5] 이 배기음을 극대화한 자동차가 바로 닷지 바이퍼인데 푸시로드 특유의 말발굽 소리가 거의 디젤엔진과 맞먹는 사운드를 자랑한다.[6] 미국에선 마쯔다 RX-7이 로터리 엔진이 퍼지면 OHV V8을 넣기도 한다. 엔진특성을 떠나 구형 르네시스 엔진은 마일리지가 길지도 않고 관리가 여타 엔진에 비해 까다로우며 엔진의 가격이나 수리비를 고려했을 때 스왑킷까지 나와있는 스몰블록으로 눈을 돌리게 되는 것.[7] 현재까지도 미국 자동차 회사에서는 머슬카 튜닝이나 올드카의 리스토어를 위해서, 지금까지 출시했었던 거의 모든 종류의 V8 OHV 엔진들을 계속해서 신품으로 생산하고 있다. 놀라운 점은, 그당시 출시되었던 사양 그대로가 아니라, 현재까지도 거의 모든 생산품목에 계속적인 개량을 가해준다는 점이다. GM은 쉐보레 퍼포먼스에서 판매하고, 포드 그룹의 경우에는 포드 퍼포먼스 파츠에서 판매하며, FCA 그룹의 경우엔 모파 퍼포먼스 파츠에서 판매중에 있다.[8] 엔진 부속값도 생각보다 엄청 싼데다가, 안파는 곳이 거의 없다. 심지어 간단한 소모품류들은 대형마트 자동차 코너에 어렵지 않게 찾아볼 수 있을 정도다.[9] 물론 튜닝이나 레이싱용으로 제작된 3밸브나 4밸브의 고성능 실린더 헤드도 구하기가 어려워서 그렇지 입수가 불가능한 건 아니다. 그러나 정비성과 부피에서 큰 손해를 볼 수 밖에 없다. 즉, OHV의 장점이 사라져 버리기 쉽다. 그리고 뭣보다 2밸브만으로도 이미 충분히 강력하기 때문에 굳이 멀티밸브화를 시킬 필요가 없는 관계로 정작 양산차 메이커에서는 OHV의 멀티밸브 실린더 헤드를 만들지 않는다. 상용 디젤 엔진의 경우에는 워낙 배기량이 커서 엔진이 거대한 관계로 멀티밸브화를 해놓아도 부피의 손해는 별도 없는 편이기에 OHV임에도 4밸브 사양이 생각보다 많기는 하다. 또 최근 할리 데이비슨에서는 바이크 엔진을 4밸브화해 출시하기도 했다.[10] DOHC 스포츠카들이 리터당 100마력 이상을 뽑아내는 지금도 슈퍼차저를 장착하거나 레이스용 버전이 아닌 이상 OHV 스포츠카의 자존심이라는 쉐보레 콜벳마저도 무지막지한 배기량에 비하면 상당히 초라한 출력을 낸다.[11] 내연기관 엔진은 처음부터 끝까지 최고출력을 발휘하는 것이 아니고 엔진의 회전수와 토크에 따라 일정 지점까지 출력이 점진적으로 올라갔다가 어느 지점을 지나면 또 점진적으로 내려간다. 이 회전수에 따라 올라갔다 내려갔다 하는 출력 그래프를 파워 밴드라고 한다. 기본적으로 이 최고출력이 발휘되는 지점은 생각보다 좁기 때문에 이 지점을 고회전 영역에 두느냐 저회전 영역에 두느냐에 대한 양자택일을 해야만 한다. 보통 이러한 부분들은 엔진의 컨셉트 및 과급 여부, 배기량과 거기서 나오는 압축비 등에 따라 결정된다. 최근엔 VVT, VVL, 또 전자적으로 제어되는 연료 분사 시스템 및 터보차저의 기술력 증진 덕에 토크 밴드를 거의 자유자재로 다룰 수 있게 되었다.[12] 과거 DOHC 엔진들은 직동식 밸브리프트 방식을 선택 했었으나, 현재는 가변밸브 리프트로 인해서 DOHC 방식도 로커암이 죄다 장착된다. SOHC는 OHV와 마찬가지로 로커암이 없는 방식의 엔진은 하나도 없다.[13] 크로몰리나 알루미늄 단조 재질도 있으며, 레이스용은 샤프트 부분을 티타늄으로 만들고, 헤드부분을 카본으로 제작한 제품들이 있다.[14] 과거에는 구조상 고회전에 취약해 회전제한이 훨씬 낮았으나, 현 시점에서 나오는 LS 스몰 블록이나 헤미 엔진 등의 회전수는 다른 OHC 엔진들 만큼이나 뛰어올랐으며 고사양인 LS7은 이미 출고시점에서 왠만한 DOHC 뺨치는 수준인 7000rpm까지 돌아간다.[15] 즉 ,V8 6.2 엔진이면 절반을 꺼 V4 3.1L 엔진으로 달린다는 것이다.[16] 이 때문에 나이트로드에 반발감을 느끼는 오너도 있는 듯.[17] 다른 상징은 공랭, 45도 협각 2기통 정도.