따뜻한 우체부

요즘 주류를 이루는 DOHC, 즉 트윈 캠 엔진에 있어 캠 샤프트는 성능에 많은 영향을 미친다. 자연흡기 엔진에 있어 하이 캠 샤프트(이하 하이캠)는 NA 튜닝의 꽃이라 불릴 정도로 성능과 직결되고, 하이캠은 밸브의 열림 시간을 결정하는 듀레이션에 따라서도 다양하게 나뉜다. 또 듀레이션 뿐만 아니라 밸브 리프트와 밸브 타이밍, 그리고 그에 따른 ECU 맵핑까지 목적에 따라 정밀하게 조율해야 만족할 만한 성능을 얻을 수 있다.

엔진, 특히 자연흡기 방식은 일반적으로 회전수에 비례해 출력이 상승된다. F1 머신의 엔진이 19,000rpm을 넘나드는 초고회전을 사용하는 것도 3리터로 제한되어 있는 배기량의 한계를 뛰어넘기 위해서다. 요즘 F1 머신의 V10 엔진은 리터당 300마력을 발휘하는 900마력을 자랑한다.

F1 머신은 단적인 예이지만 동일 배기량에서 더 높은 출력을 얻을 수 있는 방법은 바로 엔진의 회전수를 올리는 것이다. F1에서 볼 수 있듯 기계적인 한계가 버텨준다면 이론적으로는 회전수를 올리는 만큼 출력이 올라간다. 자연흡기 방식의 NA 튜닝에 있어 하이캠은 출력을 올리는 가장 효과적인 방법으로 꼽힌다. 기본적인 흡배기 튜닝으로는 한계가 있기 때문이다.

과급을 제외한 상태에서 배기량을 올리지 않고 엔진의 힘을 늘릴 수 있는 하이캠은 최근 보다 일반화되어 가격도 저렴해지고 데이터도 많이 확보된 상태. 국내외의 다양한 제품이 유통되고 있다. 또 듀레이션 등 제품의 라인업도 다양해져 소비자가 보다 부담없이 접근할 수 있다.

공기 흡입량 늘려주는 하이캠

엔진의 캠 샤프트는 흡·배기 밸브를 열고 닫기 위한 회전축을 뜻한다. 흡·배기 밸브는 크량크샤프트가 2번 도는 사이 1번씩 개페하고, 주철을 사용하지만 내마모성을 좋게 하기 위해 표면을 경화처리 한다. 최근에는 국내에 속이 빈 중공 타입도 선보이고 경량화의 요소까지 도입되고 있다. 흔히 말하는 프로파일은 캠의 단면을 말한다.

엔진의 캠은 바로 이 프로파일의 모양과 크기에 따라 밸브의 개페 타이밍과 속도, 시간 등이 결정되고, 대분류도 일반적으로 프로파일을 통해서 한다. 흔히 말하는 듀레이션은 캠이 밸브를 누르고 열어 지속적으로 열려있도록 하는 행동 반경, 즉 작동 범위를 말한다. 흔히 캠의 각도가 크다라는 말은 이 듀레이션이 크다는 말이다.

예를 들어 270。도 캠의 경우 상사점 전 25。도에서 열려 하사점 후 65。도에서 닫힌다면, 300。도 캠은 이보다 큰 상사점 전 42。도에서 열려 하사점 후 78。도에서 닫히게 된다. 듀레이션이 커질 수록 밸브의 열림 시간이 그만큼 길다는 것을 알 수 있다.

하이캠은 꼭 튜닝에서만 볼 수 있는 것은 아니다. 티뷰론 스페셜과 타입-R은 기존 엔진에 프로파일을 변경한 세미 하이캠을 적용해 출력을 보다 상승시켰고, 이런 예는 흔하게 찾아 볼 수 있다. 동일 배기량에서 캠의 변경, 즉 엔진에 있어 공기 흡입량을 늘리는 것이 가장 효과적이며 기본적인 요소라는 것을 알 수 있다.

알려진 대로 공기 흡입량이 늘어나면 그에 따른 보정이 있어야 한다. 공기의 양이 달라짐에 따라 공연비가 틀려지고 이럴 경우 점화 시기도 그에 맞춰 달라줘야 한다. 일반적으로 240。도 내외의 세미 하이캠은 추가 맵핑이 필요없다는 말도 있으나 소프트웨어를 변경해줘야 보다 확실한 성능을 얻을 수 있다.

듀레이션 이외에도 밸브의 열림각을 나타내는 밸브 리프트도 이론적으로는 클수록 좋다. 하지만 이 리프트가 커지면 고회전에서 밸브의 점프와 서징 같은 현상이 발생하기 쉬워 내구성 저하와 파손의 우려가 있다. 따라서 밸브 스프링으로 강화를 해주어야 한다. 또 밸브 타이밍의 세팅은 오너의 취향과 엔진의 특성에 맞춰야 최적의 성능을 얻을 수 있다. 현재 시판되고 있는 하이캠은 종류와 제조사가 무척이나 다양하다. 각 차종별로 세분화되어 있고 이에 따른 데이터도 충실하다. 또 최근에는 VVT 헤드가 적용된 투스카니용도 선보이고 있다.

시비전에서 최근 선보인 투스카니 VVT용 스트리트 270 CVVT의 경우 모든 회전수에서 밸브의 개페 타이밍을 최적화하여 듀레이션이 높은 하이캠의 단점인 저회전의 토크 저하를 최소화 한 제품이다. 베타 2.0 CVVT 엔진을 얹은 투스카니와 아반떼 XD, 세라토 등에 적용이 가능하며, 6,000rpm에서 163마력, 4,500rpm에서 20.5kg·m의 최대 토크를 발휘해 순정보다 출력이 높아졌음에도 출력과 토크가 나오는 회전수가 동일하다. 흡·배기를 모두 할 경우 1.8 피스톤 등 추가적으로 들어가는 파츠가 있고, 최근에는 패키지화 되어 선보이고 있다.

이외에도 ITL과 국스 오토 등에서 다양한 스펙의 제품이 출시되고 있으니 하이캠을 고려하는 오너라면 내 차의 컨셉트와 운전 스타일, 가격을 고려한 성능 향상을 충분히 알아볼 필요가 있다.

하이캠은 입문자용으로 흡기만 할 수도 있으나 최적화된 성능을 얻고자 한다면 배기까지 같이 장착하는 것이 바람직하고 중복 투자도 막을 수 있다. 또 하이캠은 제품의 질도 중요하지만 장착의 경우도 많은 노하우가 필요하므로 믿을만한 전문 업체에 의뢰하는 것이 좋다.

'공연비와 연료량 보정 필수, 밸런스 맞춰야'

하이캠의 장단점

하이캠은 기존의 레드라인보다 더 높은 고회전 영역에서 보다 높은 토크와 마력을 얻을 수 있는 메리트를 제공하지만, 듀레이션이 높은 스포츠, 레이싱 캠의 경우 중저속에서의 토크가 순정보다도 떨어질 수 있다는 단점도 동시에 갖고 있다. 또 듀레이션이 높은 캠은 오버랩이 커져 아이들링이 불안정해질 수도 있다.

아이들링의 불안정 문제는 흡·배기 밸브가 동시에 열려있는 오버랩 때 밸브의 열고 닫히는 맥동이 증가해 엔진에 공급되는 공기량이 일정하지 않고 배기 가스 잔류량이 많아 발생한다. 이럴 경우 아이들링을 조금 높이는 방법으로 해결할 수 있다. 270。도 정도 하이캠의 경우 아이들링 1,000rpm 정도로 순정보다 약 250rpm 높아진다.

캠 타이밍을 변경시켜 출력 향상을 원할 때에는 반드시 공연비와 점화시기를 그에 맞게 조절해야 한다. 세미 하이캠 이상의 높은 듀레이션을 가진 하이캠을 장착하고 연료량과 점화시기를 조정하지 않을 경우 토크 밴드는 좁아지고 낮은 회전수에서의 출력 감소가 두드러질 수 있다. 일반적으로 256。도 정도의 세미 하이캠은 별도의 ECU 리맵핑을 하지 않아도 큰 문제는 없다고 알려져 있다. 270。도 이상의 높은 듀레이션 하이캠을 원한다면 연료 압력 레귤레이터와 인젝터, 연료 펌프, 단조 피스톤, 리맵핑이 따라붙어야 안정적인 출력과 성능을 얻을 수 있다.

또 S-AFC나 AFR과 같은 별도의 공연비 조절 장치를 사용하는 것도 권장 사항이다. 리맵핑을 실력좋은 튜너에게 맡길 경우 하이캠을 사용하면서도 낮은 회전수에서의 토크 저하를 최소화 하는 것도 가능하다. 하이캠 적용시 고회전 영역에서의 효율 극대화를 위해 적정 배압의 배기 튜닝을 하는 것도 필요하다.

캠의 종류

엔진의 캠샤프트는 듀레이션에 따라 크게 4가지로 분류된다. 228。도(티뷰론용)을 노멀 캠, 256。도 이하를 세미 하이캠, 280。도 부근은 스포츠 캠, 300。도 이상은 본격적인 레이싱 캠으로 분류된다. 몇년전부터 소개되었던 가변식 하이캠은 별도로 가변 캠 스프로킷을 조절해 흡·배기 밸브가 작동되는 타이밍을 조절하는 식이다. 가변식 하이캠에는 캠 풀리를 이용하는 방식과 헤드 내부의 캠 스프로킷을 조절하는 방식이 있다.