좋은 글이 있는데, 원문의 출처를 알수 없어서 일단 퍼온상태입니다.
향후 출처를 알게되면 명시하겠습니다.
원문을 보기 쉽게 살짝 수정을 하였습니다.
모든 사진은 클릭하시면 원본 사이즈로 보실수 있습니다.
가변 밸브 기술은 DOHC만큼이나 엔진의 기본이 돼 가고 있다.
가변 밸브는 단순히 타이밍을 바꾸는 것에서 시작해
연속으로 밸브의 들림 정도를 제어하는 기술까지 발전하고 있다.
엔진의 헤드가 얼마나 지능적으로 움직이느냐에 따라 효율도 천차만별로 달라진다.
출력과 저회전 토크, 연비가 좋아지면서 배기가스를 낮추기 위해서는
가변 밸브 기술이 필수적인 요소라고 할 수 있다.
요즘 자동차의 화두는 ‘가변’이다.
가변 기술은 자동차 전반으로 확산되고 있지만 가장 두드러진 부분은 바로 엔진이다.
혼다의 VTEC으로 시작된 가변 밸브 타이밍은 지속적으로 발전을 해왔고
이제는 없어서는 안 되는 기술로 확실하게 자리를 잡고 있다.
특히 환경 규제가 강화되면서는 더욱 중요해졌다.
최근에 나온 새로운 가변 밸브는 이전처럼 출력 향상이 아니라
배기가스와 연료 소모를 줄이는데 더 큰 목적이 있다 하겠다.
가변 밸브 타이밍 기구로 불리는 VVT(Variable Valve Timing)는
DOHC 이후 엔진의 새로운 ‘기본’으로 인식되고 있다.
초기에는 높은 리터당 출력으로 주목을 받았지만 지금은
VVT 역시 친환경의 주요 해법 중 하나이다.
직분사와 터보가 엔진의 새 트렌드로 떠오르고 있지만
가변 밸브 역시 필수적인 요소로 인정받고 있다.
모두가 아는 대로 밸브는 엔진의 흡배기를 관장하는 부품이다.
흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정에 맞춰 4개의 밸브가 정밀하게 개폐를 반복하며 이 형상과 타이밍에 따라서 성격도 달라진다.
밸브는 캠샤프트에 의해 구동되는데, 캠의 프로파일에 따라 엔진의 성격도 정해진다.
고회전 지향의 엔진이면 캠의 프로파일도 높아진다. 베타 엔진을 예로 든다면
스퀘어 타입인 1.8은 롱스트로크 방식의 2.0 보다 캠의 프로파일이 높다.
이 캠샤프트는 고정된 프로파일이고 따라서 밸브 타이밍도 일정하다.
VVT는 각기 다른 회전수에서 밸브의 개폐 타이밍을 달리하는 것이다.
만약 출력을 늘리고자 한다면 고회전에서 더욱 많은 공기를 받아들이기 위해 흡배기 밸브의 열림 시간이 길어지고 닫히는 것도 늦춰진다.
만약 VVT가 없다면 엔진 개발자들은 보다 제한된 캠 타이밍 세팅을 하게 된다.
레이싱 엔진의 경우 목적이 뚜렷하기 때문에 저회전의 토크는 포기하고 고회전의 출력에만 신경 쓰면 된다.
이는 프로파일이 높은 캠샤프트, 일명 하이캠으로 통하는데 이럴 경우 저회전 토크가 부족해지고 심지어는 아이들링도 불안해진다.
하지만 양산 엔진은 가능한 종합적인 요소를 모두 고려해야 하기 때문에 어떤 면에서는 더욱 세팅이 어렵다.
하지만 VVT는 캠샤프트의 프로파일 변경으로 밸브를 제어해 이론상으로 출력의 큰 희생 없이 저회전의 토크도 얻을 수 있다.
VVT 이후에는 엔진 스피드에 따라 밸브의 들림 정도, 즉 리프트까지 조절하는 기술이 나왔다.
밸브를 빠르게 들고 열림 시간을 길게 가져갈 경우 고회전의 출력에서는 유리하지만 저회전에서는 오히려 효율이 떨어진다.
따라서 엔진의 스피드에 맞는 적절한 리프트가 필요하게 된다.
가변 밸브 타이밍 기술을 처음으로 제시했던 메이커는 피아트이다.
피아트는 1960년대 말 지오반니 토라자가 개발한 가변 밸브를 선보였고 1975년 가을에는 GM도 가변 밸브 리프트 기술을 특허로 등록했다.
GM의 가변 밸브 리프트는 흡기를 컨트롤해 배기가스를 줄이는데 효과적이었지만 상용화하기에는 완성도가 모자랐다.
첫 양산 가변 밸브 타이밍은 1980년에 나온 알파로메오의 2리터 엔진이며 차후 알페타 2리터 엔진에도 적용됐다.
혼다는 1983년 내수에서만 팔리던 CBR400F에 VTEC을 처음 선보였다.
닛산도 1986년 VG30DE 엔진에 독자적인 VVT를 NVCS(Nissan Valve-Timing Control System) 이름으로 내놨다.
포드는 트럭 엔진에 가변 밸브 타이밍 기술을 사용한 첫 번째 메이커이기도 하다.
혼다 VTEC(Valve Timing Electronic Control)
잘 알려진 것처럼 VVT를 대중적으로 확산시킨 것은 1989년에 나온 혼다의 VTEC이다.
첫 자동차용 VTEC은 인테그라와 CRX, 시빅 등에 사용된 B16A 엔진이었고 NSX의 C30A에도 얹혔다.
NSX의 C30A는 미국에서 판매된 첫 VTEC이었으며 저배기량의 양산 자연흡기 엔진으로서
리터당 100마력을 발휘하는 것은 혼다만의 장기였다.
혼다의 VTEC은 2개의 캠샤프트로 각기 다른 타이밍과 리프트를 만든다.
일반적으로 4,500 rpm 이하에서는 저속 캠이, 그 이상에서는 고속 캠이 밸브를 구동한다.
요즘처럼 지속적으로 밸브 타이밍이 가변하는 것이 아니라 두 가지 영역으로만 구분되는 것이다.
따라서 초기의 VETC은 고속 캠으로 변환 시 출력 변화가 터보처럼 급작스러워
일반적인 운전자의 입장에서는 위화감이 발생할 수도 있었다.
물론 대중적인 자연흡기 엔진 리터당 100마력을 달성한 것은 높게 평가할 부분이다.
S2000에 쓰인 VTEC은 최대 회전수가 9천 rpm까지도 치솟고
이는 레이싱 엔진에 쓰이는 캠샤프트의 프로필과 필적하는 것이다.
혼다는 얼마 지나지 않아 작동의 세련미가 더해진 2 스테이지 VTEC를 내놓았다.
하나 이상의 캠을 체인징하는 VVT로서는 가장 출력이 높고 이런 방식을 쓰는 엔진은
혼다 VTEC을 비롯해 미쓰비시의 MIVEC, 닛산의 네오 VVL 등이다.
혼다의 3 스테이지 VTEC은 내수용 시빅의 SOHC 엔진에 처음으로 선보였다. 3 스테이지 VTEC은 3개의 캠샤프트를 이용해 3가지의 타이밍과 리프트를 구현한 시스템이다.
3개의 캠은 빠른 타이밍과 높은 리프트의 중속 캠이 추가된 것. 중속 캠은 사이즈도 가장 크다.
헤드 우측에 마련된 캠은 느린 타이밍에 미디움 리프트,
좌측 캠은 느린 타이밍에 낮은 리프트로 세팅이 된다.
즉 전영역에서의 토크 증대를 위한 기술이다.
닛산의 Neo VVL은 혼다와 비슷하지만 좌측과 우측의 캠은 프로필이 동일하다.
저속에서 양 록커 암은 독자적으로 타이밍을 만들고 고속에서는
3개의 록커 암이 연결되면서 빠른 타이밍과 높은 리프트를 만든다.
혼다의 VTEC 이후 다양한 방식의 VVT가 선보였다.
가장 두드러진 것은 캠 페이징 방식의 VVT이다.
즉, 혼다의 VTEC처럼 여러 개의 캠으로 타이밍을 바꾸는 것이 아니라
하나의 캠 샤프트를 가변 구동하는 것,이 방식은 구조가 간단하고 코스트도 적게 드는 장점이 있다.
기본 원리는 캠샤프트의 앵글 변화로 다른 밸브 타이밍을 구현하는 것이다.
예를 들어 고회전에서는 캠의 프로파일이 30도 높아지면서 흡기 밸브가 열리는 타이밍이 빨라진다.
이는 엔진 회전수에 따라 EMS가 결정을 하며 구동은 유압 밸브 기어가 맡는다.
캠페이징 VVT는 밸브의 열림 정도만을 조절하는 것이 아니라 오픈 시기도 조절한다.
캠 체인징 방식 보다 밸브 리프트가 다양하지는 않지만 VVT 중에서는 구조가 간단하다는 장점이 있다.
각 캠샤프트를 하나의 유압 액츄에이터가 구동하기 때문이다.
단순한 캠 페이징 VVT는 고정된 2, 3개의 앵글을 갖고 있다.
움직임의 폭은 엔진 회전수에 따라 0~30도 사이이다.
VTEC처럼 고회전의 파워가 급격히 증가하지는 않지만 토크 상승이 보다 부드럽다.
캠 페이징 방식은 거의 대부분의 메이커가 채용하고 있다.
BMW가 자랑하는 더블 바노스 역시 캠 페이징 방식이다. [좌측 사진]
더블 바노스는 흡배기 밸브 모두에 적용되며 흡기와 배기 밸브가 동시에 열리는 오버랩 시간을
더욱 길게 가져갈 수 있어 높은 효율을 자랑한다.
BMW의 자연흡기 엔진이 동급에서 가장 높은 리터당 출력을 달성한 이유 중 하나이다.
E46 M3에 적용된 더블 바노스 시스템은 흡기 캠은 최대 40도,
배기 캠은 최대 25도까지 프로파일이 상승한다.
토요타 VVT-i
토요타는 야리스 같은 소형차부터 6기통 이상의 모델에까지
VVT-i(Variable Valve Timing-Intelligent)를 적용하고 있다.
VVT-i는 연속으로 가변하는 디자인으로 엔진의 회전수뿐만 아니라
오르막과 내리막에 따라서 타이밍이 변화된다.
방식은 캠 체인징과 페이징을 혼용하는 방식이다.
토크 밴드를 넓게 펼칠 수 있지만 불가피하게 구조가 복잡해지고 비싸진다는 단점이 있다.
이런 방식은 토요타와 포르쉐만 채택하고 있다.
차후에 선보인 VVTL-i는 VVT 중에서는 가장 진보된 방식 중 하나이다.
토요타의 VVTL-i는 연속적으로 밸브의 타이밍을 다르게 가져가면서 밸브가 열려있는 동안에
리프트를 2스테이지로 조절할 수 있다. 그리고 흡기와 배기 밸브 모두에 적용된다.
이 시스템은 기존의 VVT-i와 혼다 VETC을 혼합한 기술이다.
가변 밸브 타이밍은 VVT-i처럼 캠 샤프트의 앵글에 따라 변화한다.
정교한 EMS는 엔진의 스피드와 가속, 오르막, 내리막 같은 다양한 변수에 맞춰
타이밍을 결정하고 캠 샤프트의 페이징 각은 최대 60도까지 변화할 수 있다.
VVTL-i의 L은 밸브의 리프트를 뜻한다.
VVTL-i은 혼다의 VTEC처럼 프로필이 각기 다른 2개의 캠 샤프트가 밸브 타이밍을 만든다.
하나의 고속, 또 다른 하나는 저속으로 이 캠에 따라 밸브의 오픈 시간이 달라진다.
가변 밸브 오프닝은 2스테이지 디자인이다. 하지만 캠 페이징까지 적용돼서 리프트를 다양하게 할 수 있다.
셀리카 또는 로터스에 올라가는 190마력의 1.8리터 엔진이 바로 VVTL-i가 적용된 엔진이다.
토요타는 어느 때부터 리터당 토크도 10.0kg.m을 넘기 시작했는데 그 비결 중 하나가 바로 VVTL-i인 셈이다.
포르쉐 바리오캠 플러스(Variocam Plus)
포르쉐의 가변 밸브 타이밍은 1991년 968에 선보인 바리오캠이 시작이다.
바리오캠은 캠의 앵글 변화를 타이밍 체인으로 구동했으며 밸브 타이밍은 3스테이지로 구분된다.
바리오캠은 포르쉐의 특허이기도 했지만 유압 액츄에이터를 사용하는 다른 메이커의 시스템 보다는
페이징 앵글이 다양하지 못했고, 신형 911 터보에서는 바리오캠 플러스로 진화하는데
기존의 바리오캠과는
부품 공유가 전혀 없다고 할 정도로 완전히 새로운 기술이다.
바리오캠 플러스는 체인 대신 다른 메이커들처럼 유압 액츄에이터로 변경된다.
바리오캠과 가장 크게 달라진 것은 밸브의 리프트가 가변된다는 것이다.
가변 밸브 리프트는 유압 태핏으로 구동되고 각 밸브는 3개의 캠 로브에 연결된다.
중앙에 위치한 캠은 리프트가 3.6mm로 제한되는 저속용,
바깥쪽 2개의 캠은 빠른 타이밍과 높은 리프트(10mm)이다.
이 가변 리프트는 구조가 단순하지도 않을뿐더러 공간에서 불리하다.
거기다 가변 태핏은 일반 태핏 보다 무게도 많이 나간다.
따라서 바리오캠 플러스는 흡기 밸브에만 한정적으로 쓰이고 있다.
혼다 i-VTEC
혼다의 i-VTEC은 토요타의 VVTL-i처럼 성능을 개선한 버전이다. i-VTEC은 출력 향상의 의미도 물론 있지만 강화되는 배기가스 기준과 연비 개선을 위한 목적이 더 크다고 할 수 있다. 처음으로 적용된 모델은 내수에서 판매되는 스트림이다.
i-VTEC은 기본적으로 VTEC의 기능에 2스테이지 리프트와 타이밍 기능을 더한 것이다. 밸브 타이밍은 연속으로 가변되며 토요타와는 달리 흡기에만 적용된다. 밸브 타이밍은 캠샤프트의 끝에 위치한 유압 액츄에이터에 의해 구동되고 엔진의 상황에 따라 앵글이 결정된다.
아우디 밸브리프트(Valvelift)
밸브리프트는 아우디의 가변 리프트 기술을 뜻한다.
V6 2.8리터 가솔린에 첫 선을 보였으며 다른 엔진에게까지 확산될 예정이다.
밸브리프트는 다른 메이커들처럼 캠 체인징 방식의 VVT에 가변 리프트 기능을 더한 것이다.
밸브리프트는 혼다의 i-VTEC, 토요타의 VVTL-i과 비교할 때 구조가 단순한 것이 장점이다.
가변 리프트를 구현하는데 있어 유압으로 작동하는 로커 암 등의 부품이 사라져
무게와 공간 면에서
이점이 있는 것은 물론 마찰 저항도 줄어든다.
이는 캠의 일부가 세로 방향으로
미끄러지면서 듀레이션을 바꾸기 때문이다.
각 흡기 밸브의 리프트는 고속 캠일 때 11mm, 저속 캠일 때는 5.7mm이다.
매우 낮은 회전에서는 리프트가 2mm로 제한되면서 최적의 공연비를 구현한다.
이론적으로 밸브리프트는 높은 리터당 출력이 가능하지만 그보다는 연비 개선에 더 초점이 맞춰져 있다.
앞으로 나올 아우디의 엔진에서는 더욱 높은 출력이 기대되고 있다.
BMW 밸브트로닉(Valvetronic)
밸브의 리프트를 연속적으로 가변하는 CVVL(Continous Variable Valve Lift)은
내연기관 엔진의 또 다른 발전이다.
2001년에 선보인 BMW의 밸브트로닉은 밸브 리프트를 연속적으로 가변하는 최초의 기술이었고
지금도 혁신적인 시스템으로 평가받고 있다.
밸브트로닉은 4기통을 시작으로 12기통까지 BMW의 모든 엔진에 적용되고 있다.
밸브트로닉은 가속 페달의 입력에 따라 밸브의 들림 정도를 연속적으로 가변한다.
따라서 기존의 스로틀 버터플라이가 사라지고 펌핑 로스도 줄어들게 된다.
BMW에 따르면 밸브트로닉 적용으로 인한 연비 개선은 10%나 된다.
기존 엔진과 다른 것은 밸브트로닉에는 전기 모터와 편심축 샤프트,
그리고 각 흡기 밸브에는 록커 암이 추가된다.
만약 가속 페달이 깊게 눌릴 경우 전기 모터는
편심축 샤프트를 구동하면서 밸브의 들림 시간이 늘어나게 된다.
이런 일련의 과정들은 초당 40메가헤르츠를 처리할 수 있는
고성능 32비트 컴퓨터가 더해져 정밀한 컨트롤을 가능케 한다.
출력과 연비에서는 분명 강점을 갖고 있지만 부품이 추가되는데
따른 저항의 증가로 고회전의 사용에는 제한이 걸린다.
현재까지 밸브트로닉의 한계 회전수는 6,500rpm 정도인 것으로 알려졌다.
또 실린더 헤드 상단의 높이도 소폭 상승한다.
따라서 높은 회전수에서 출력을 뽑아내는
M 엔진에는 밸브트로닉이 적용되지 않는다.
닛산 VVEL(Variable Valve Event and Lift)
닛산은 2007년 VVEL을 선보였다.
VVEL은 BMW의 밸브트로닉에 이은 2번째 CVVL 시스템으로
인피니티 G37의 VQ37HR에 처음으로 장착됐다.
밸브트로닉과 비교할 경우 닛산의 VVEL은 컴팩트하고 부품의 수도 적다.
따라서 고회전에서도 보다 유리하다.
밸브트로닉 보다 부품의 수가 적다고는 했지만 VVEL 역시 구조가 복잡하다.
VVEL은 기존의 흡기 캠샤프트를 사용하지 않고 각 밸브는 선회하는 캠에 의해 구동된다.
기존의 캠이 캠샤프트에 따라 회전한다면 VVEL는 상하로 움직인다.
VVEL은 캠의 스윙 앵글에 따라 리프트의 양을 결정한다.
닛산에 따르면 VVEL은 기존 VQ 엔진 대비 연비가 10% 좋아진다.
밸브트로닉과 달리 스로틀 버터플라이가 완전히 제거되지 않고
역할 자체가 줄어드는 것이 특징이다.
VVEL이 적용된 VQ37HR은 VQ35HR 대비 출력이 8% 상승했다.
늘어난 출력은 거의 고회전에 집중돼 있어 마찰 저항이 줄어들은 효과를 보고 있다.
VVEL 역시 많은 장점을 수반하지만 제작 단가가 비싸고 구조가 복잡하다는 단점이 있다.
토요타 밸브매틱(Valvematic)
토요타의 밸브매틱은 가장 최근에 나온 CVVL답게 BMW의 밸브트로닉,
닛산의 VVEL 보다 구조가 간단하다. 구조가 간단하기 때문에 실린더 헤드의 높이에도
크게 영향을 미치지 않고 각 부품의 마찰 저항도 상대적으로 적은 편이다.
토요타에 따르면 밸브매틱 적용으로 인해 출력은 10% 높아지고 연비는 5~10% 개선된다.
밸브매틱은 별도의 샤프트가 연속적으로 밸브의 리프트 양을 조절한다.
각 액츄에이팅 멤버는 2개의 얇은 롤러에 의해 움직이고 샤프트의 끝에는 전기 모터가 위치해 있다.
샤프트가 회전할 경우 롤러 멤버는 반대 방향으로 움직인다.
2리터 엔진에 적용된 밸브매틱의 경우 리프트는 0.97~11mm 사이이다.
출력은 158마력으로 듀얼 VVT-i의 143마력 보다 15마력 높다.
피아트 멀티에어
지금까지 나온 CVVL 기술은 연속적으로 캠을 페이징할 뿐만 아니라
밸브의 리프트까지도 연속적으로 조절한다.
가변 밸브 타이밍 중에서는 가장 진보된 기술 중 하나인 것이다.
하지만 밸브의 리프트를 언제라도 자유롭게 바꾸고 무한대에 가까울 정도로
유연하게 하는 것은 아직까지 힘들다.
많은 메이커들과 부품 회사들이 전자석 밸브기어를 연구하고 있지만 쉽지 않은 일이다.
이는 기술적으로도 힘들지만 사이즈와 무게, 코스트까지 고려해야 하기 때문이다.
가장 최근에 선보인 피아트의 멀티에어는 CVVL 이상의 밸브 컨트롤이 가능하다.
멀티에어는 1.4 파이어 엔진과 신형 900cc 2기통 엔진에 첫 선을 보이고
차후 다른 엔진에도 적용될 예정이다.
멀티에어의 흡기 밸브에는 최소 5가지 타입의 프로그램이 적용되고
리프트의 높낮이와 개폐 시간이 자유롭게 조절된다.
그리고 흡기 행정에서는 복합적인 밸브 리프트도 가능하다.
이 시스템은 우선적으로 SOHC 4밸브 방식에만 적용된다.
이는 별도의 부품이 기존 흡기 캠샤프트에 위치하기 때문이다.
멀티에어 시스템은 캠샤프트와 밸브 사이에 유압식 챔버가 위치해 있으며
솔레노이드 밸브가 구동을 맡게 된다.
솔레노이드 밸브가 닫혔을 경우 유압 챔버의 오일이 캠샤프트를 움직여 흡기 밸브를 들어올린다.
반대로 솔레노이드 밸브가 열렸을 때는 유압 챔버와 캠샤프트는 연결이 해제돼
흡기 밸브도 닫힌 상태가 된다.
밸브가 닫히는 단계에서는 별도의 유압 브레이크가 작동한다.
최대 출력이 필요할 경우 솔레노이드 밸브는 항상 닫혀 있고
밸브의 열림 시간을 최대한 길게 끌고 간다.
반면 저회전의 토크가 중시될 때는 솔레노이드 밸브가 열리면서 흡기 밸브가 일찍 닫히게 조정한다.
피아트는 이 과정에서 매니폴드로 역류하는 공기의 흐름도 없앴다고 밝혔다.
부분적인 부하에서는 밸브를 빠르게 열어 실린더로 흡입되는 공기의 흐름을 빠르게 하고
실린더 내부에 발생하는 소용돌이 현상도 더 높여준다.
이 상황은 동일한 인테이크 스트로크에서 가능하며 일명 멀티리프트 모드로 불린다
피아트에 따르면 멀티에어는 출력과 저회전 토크가 각각 10%, 15% 높아지는 한편 연비도 10% 개선된다.
거기다 냉간 시동 시 발생하는 HC/CO와 NOx의 배출량은 40%, 60%씩 감소한다.
피아트에 따르면 멀티에어는 스로틀의 조작 없이도 엔진에 흡입되는 공기의 양을 조절할 수 있고
이 때문에 터보와 자연흡기 모두 10% 이상의 연비 개선이 가능하다.
다운사이징 터보의 경우 비슷한 출력의 자연흡기 보다 25%나 연비가 좋아진다는 피아트의 설명이다.
천연가스 버전의 경우 CO2 배출량은 80g/km 이하가 될 것으로 전망하고 있다.
거기다 디젤 엔진에도 동일 시스템을 적용할 수 있어 코스트 절감이라는 측면에서도 장점을 갖고 있다.
하지만 복잡한 정밀함을 요하는 부품들 때문에 고회전 엔진에 적합하지 않다는 것과 DOHC에 적용하기 힘들다는 게 단점으로 지적되고 있다.
