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최근 자동차 기술은 연비를 개선하고 출력을 향상시키기 위해 엔진의 흡배기(Breathing)와 관련, 다밸브(Multi-valve)화에 이어 충진효율(Charging efficiency)을 높이기 위한 기술들이 선보이고 있다. 엔진의 회전영역에 따라 변화하는 공기의 흡입저항에 맞춰 흡기 다기관의 길이나 단면적을 변경하는 가변 흡기 시스템(Variable Induction System: VIS)과 엔진의 회전영역에 따라 밸브의 개폐시기 및 개폐량을 조절해 오버랩 타이밍을 제어, 실린더 충전량과 잔류 가스량에 대한 조절이 가능하도록 하는 가변 밸브 타이밍(Variable Valve Timing: VVT)을 들 수 있다
박창현 「한국특허정보원 조사분석1팀」
VVT 시스템은 연비와 출력을 개선함은 물론 배기가스 저감의 효과도 있어 국내 및 외국의 자동차 메이커 회사들은 이 시스템을 얹은 엔진을 개발 신차에 적용해 출시하고 있다. 국내 현대자동차의 경우 CVVT(Continuously Variable Valve Timing)를 적용한 2.0 VVT 엔진을 2003년형 투스카니와 아반떼XD에 탑재해 출시했고 2004형 뉴 베르나와 뉴 아반떼XD에도 배기량이 낮은 1.5 VVT 엔진을 얹어 출시했다. 일본의 혼다와 도요타는 물론 BMW도 VVT 시스템을 적용한 차량을 다수 출시하고 있는 실정이다.
■ 가변 밸브 타이밍
엔진의 흡배기 타이밍은 캠의 형상과 위상각에 의해 조절되는데 엔진 내의 흡배기를 최적화하기 위해서 엔진은 속도에 따른 상이한 밸브 타이밍이 필요하다. 왜냐하면 엔진 실린더로 공급되는 공기에는 관성이 작용해 흡기행정이 끝나도 흡기관 내 공기는 계속 실린더로 흘러 들어가려 하고, 반면 배기가스는 연소실에서 완전히 배출되지 못하기 때문이다. 그래서 흡기와 배기의 밸브 타이밍을 통해 밸브 오버랩 기간을 조절함으로써 흡배기를 원활히 하는 기술이 필요하게 되었다.
그래서 가변 밸브 타이밍 기술이 있기 전에는 사용 목적에 따라 최적의 밸브 타이밍을 선택해 사용했다. 예들 들어 밴의 경우 저속에서의 출력 이득을 얻기 위해 오버랩을 짧게 했고 경주용 엔진은 고속에서의 출력을 향상시키기 위해 오버랩 기간을 길게 조절했다. 그리고 보통의 세단형에는 저속 운전성과 고속에서의 출력 손실을 감수하고, 중속에서의 밸브 타이밍을 최적화시켰다.
이는 밸브 타이밍을 늦추면 보다 많은 공기를 흡입할 수 있어 체적효율의 향상으로 출력이 증가되어 고속회전 때 성능을 향상시킬 수 있다. 다만 저회전 때는 피스톤이 상승할 때에 실린더 내 흡입한 혼합기를 흡입관으로 역류시켜 토크 저하와 불안정한 회전을 불러일으키는 요인이 된다. 하지만 반대로 밸브 타이밍을 빠르게 하면 저속회전에서는 안정된 회전과 토크 향상을 가져오지만, 고속회전에서는 토크 및 최고출력의 저하를 유발하게 되는 것이다. 이는 특정 운전조건에만 만족할 수 있도록 밸브 타이밍이 고정되었던 것이다.
이와 같은 문제점을 극복하기 위한 시도중의 하나로 개발된 테크놀러지가 밸브타이밍과 밸브 리프트를 가변함으로써 저속 및 고속 영역에서 공히 최대의 효율을 이룩할 수 있게 설계된 것이 가변 밸브 타이밍 시스템이다.
■ 가변밸브 타이밍 시스템의 장점
가변 밸브 타이밍 시스템을 이용할 때 엔진상태에 따른 최적의 오버랩을 설정함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
① 엔진출력의 향상
엔진출력 향상은 전 영역에서 밸브 타이밍을 최적화해 최대토크 및 최대출력을 높일 수 있다.
② 배기가스의 저감
부분부하 상태에서의 오버랩 확대에 따라 배기가스의 일부를 다시 흡입하는 내부 EGR에 의해서 질소산화물을 저감시킬 수 있다.
③ 연비의 향상
흡기관 부압이 완화되어 펌핑 로스가 저감되고 아이들 설정 회전수를 낮게 해 아이들 연비를 향상시킬 수 있다.
■ 종류
가변 밸브 타이밍 시스템은 개발사에 따라 그 이름이 CVVT, VTEC, VANOS, VVTL, VVT-i 등 다양하다. 가변 밸브 타이밍 기구를 그 작동원리에 따라 몇 가지로 구분해 보자.
1. Cam-Changing VVT
혼다가 1980년대 말 처음으로 VTEC(Valve Timing Electronic Control) 시스템이라는 이름으로 Civic, CRX, NS-X 모델에 적용했고, 현재 대부분의 차종에 이 시스템을 갖춘 엔진을 장착하고 있다. 처음에는 서로 다른 타이밍과 리프트를 갖는 2조의 캠을 구비해 한 개조는 4,500rpm 이하의 보통속도에서 작동을 하고 다른 조는 고속에서 작동된다. 이후 2단 VTEC을 개선한 3단 VTEC를 개발했다.
장점 - 최대 출력이 크다
단점 - 2단 또는 3단으로 연속적이지 못하고 다른 시스템에 비해 토크의 개선성이 약하며 구조가 복잡하다
적용엔진 - 혼다 VTEC, 미쓰비시 MIVEC, 닛산 Neo VVL
(1) 혼다 VTEC
주요특징은 일반 DOHC 캠 샤프트에서와는 달리 저속용으로 설계된 캠 프로파일을 가진 캠 2개와 고속용으로 튜닝된 캠 프로파일을 가진 캠 1개 등 1실린더 당 3개의 흡배기 캠으로 구성되어 있다. 또한 캠에 의해 밸브를 구동하는 로커 암도 마찬가지로 3조로 이루어져 있다.
저속용 캠과 고속용 캠은 엔진조건에 따라 최적의 흡기효율을 갖도록 서로 변환되면서 밸브를 구동함으로 전 영역에서 최적의 효율을 이끌어 낸다. 캠의 변환은 3조의 로커암 내의 유압 피스톤에 의해 단속되며 엔진 제어모듈이 엔진부하, 엔진회전수, 차속 등 엔진상태에 따라 유압 피스톤에 오일의 공급 및 정지를 명령함으로써 로커 암에 의한 캠의 변환을 밸브에 전달하게 된다.
일반적으로 고속용으로 튜닝된 엔진의 경우 밸브 리프트가 크고 흡배기 타이밍이 길게 설정되어 있어 고속영역에 우수한 성능을 발휘하는 반면 저속역에서의 아이들 안정성 및 저속 토크가 불리하다. 또한 저속용으로 튜닝을 하면 아이들 안정성 및 저속에서의 토크가 우수한 반면 고속에서의 출력성능에는 한계가 있다. 그러나 고속역과 저속역에 각각 알맞은 밸브 타이밍과 리프트를 가변함으로써 저속·고속에서의 이점을 동시에 취하게 된 것이다.
저속역에서는 유압 피스톤이 작동하지 않아 프라이머리 및 세컨더리 로커 암과 센터로커 암이 서로 분리되어 있다. 따라서 캠의 작동은 기존의 DOHC 엔진처럼 양단의 두개 로커 암만이 작동되며 센터로커 암은 로스트모션 스프링에 의해 자유로 구동을 하게 된다. 결과적으로 밸브는 저속용 캠(A·B)에 의해 구동을 하게 된다.
고속역에서는 유압에 의해 유압 피스톤이 밀려지며 따라서 세개의 로커 암은 일체형으로 묶여지게 된다. 따라서 캠 3개에 의해 로커 암 1개가 작동되는 구조이며 결과적으로 밸브 리프트가 큰 센터의 고속용 캠에 의해 로커 암은 작동되고 또한 밸브가 작동하는 구조로 된다. 유압 피스톤의 제어는 ECU에 의해 이루어지며 엔진부하, 엔진회전수 및 차속 등 엔진 상태에 따라 유압의 단속이 이루어지게 된다. 그래서 저속역의 저속토크가 필요한 시점에는 저속용으로 튜닝된 캠이 작동되도록 하며, 고속출력이 필요한 부위에서는 ECU에 의한 유압이 작동, 고속용으로 튜닝된 밸브 타이밍 및 리프트로 구동을 하게 함으로써 저속 고속역 모두에 공히 최대한의 효율을 얻을 수 있게 설계된 것이다. 현재 VTEC는 혼다의 다수의 엔진에 채용 양산하고 있다.
2. Cam-Phasing VVT
캠 위상 변환식 가변 밸브 타이밍 시스템은 구조가 비교적 간단하고 제작비도 저렴해 가장 일반적으로 사용되는 메커니즘이다.
이는 캠 샤프트의 위상각을 변화시킴으로써 밸브 타이밍을 변화시키는 것이다. 예를 들어 고속에서는 흡입 캠 샤프트가 30°가량 진각되어 흡기를 빠르게 실시하는 것으로 이러한 움직임은 엔진상태에 따라 유압 밸브 기어 등의 작동수단을 통해 헬리컬식 또는 베인식의 가변수단을 변화시킴으로써 이루어진다.
하지만 캠 위상 변환식 VVT는 Cam-Changing VVT처럼 밸브의 오프닝 기간을 변화시키는 것이나 밸브 리프트를 변화시키는 것이 아니라 단지 밸브 오프닝을 진각(advanced) 혹은 지각(retarded)시키는 것이다. 그러나 Cam-Phasing VVT는 밸브 각각이 아닌 캠 샤프트에 하나의 유압 작동기구만을 설치하므로 구조가 간편하고 저비용이라는 장점을 가지고 있다. 간단한 구조의 Cam-Phasing VVT의 경우는 0∼30 사이에서 2∼3개의 고정된 적정 변환각을 세팅해 이용하고, 좀 더 개선된 시스템의 경우 엔진상태에 따라 연속적으로 적정한 밸브 타이밍을 유연하게 조절할 수 있는 장점이 있다. 또한 BMW의 더블 바노스(Double VANOS) 시스템과 같이 흡기측 캠 샤프트뿐만 아니라 배기측 캠 샤프트에도 Cam-Phasing을 적용해 오버랩을 증가시켜 더 높은 효율을 얻을 수 있도록 했다.
장점 - 가격이 저렴하고 구조가 간단하다. 연속 VVT는 전rpm영역에서 토크 전달성을 향상시킨다
단점 - 가변 리프트 형식과 가변 밸브 오프닝 형식이 아니므로 최대출력이 Cam-Changing VVT보다 적다
적용엔진 - 아우디 3.0 V6: continous inlet, 2-stage exhaust
·BMW Double Vanos: inlet and exhaust, continuous
·페라리 360 Modena: exhaust, 2-stage discrete
·피아트(Alfa) SUPER FIRE: inlet, 2-stage discrete
·포드 Puma 1.7 Zetec SE: inlet, 2-stage discrete
·포드 Falcon XR6's VCT: inlet, 2-stage discrete
·재규어 AJ-V6 and updated AJ-V8: inlet, continuous
·람보르기니 Diablo V12 since SV: inlet, 2-stage discrete
·마쓰다 MX-5's S-VT: continous inlet
·Mercedes V6 and V8: inlet, 2-stage
·닛산 QR four-pot and V8: continuous inlet
·닛산 VQ V6 since Skyline V35: inlet, electromagnetic
·포르쉐 Variocam: inlet, 3-stage discrete
·PSA/Renault 3.0 V6: inlet, 2-stage
·Renault 2.0ℓ: inlet, 2-stage discrete
·도요타 VVT-i: continuous, mostly inlet but some also exhaust
·볼보 4/5/6-cylinder modular engines: inlet, continuous
·폭스바겐 VR6: inlet, continuous
·현대: 2.0 CVVT/1.5 CVVT 등
(1) Continuos VVT 작동방법
캠의 위상각을 변화시키는 VVT 장치는 크게 캠 샤프트 일측에 설치되어 실질적인 가변동작을 하는 VVT 액츄에이터와 엔진에 시동이 걸리면 오일팬에 고여 있는 오일을 공급하는 오일펌프 및 액츄에이터로 오일을 단속헤 진각 혹은 지각측으로 오일을 공급하는 오일 플로 컨트롤 밸브(OCV)로 구성된다. 이와 같은 장치를 통해 엔진 ECU는 엔진의 부하에 따라 목표 밸브 타이밍을 찾아 제어하도록 되어 있다.
① 최대 지각 모드
최대 지각 상태로 제어하는 경우는 시동이 안 걸렸을 때, 시동 때, 저온 시동 때, 아이들 상태에서 작동하는 모드이다. 이 최대지각 상태는 핀 스토퍼에 의해 CVVT 하우징에 고정되는데 이때가 바로 ATDC 11이 되어 밸브 오버랩 구간이 가장 적은 경우이다.
② 홀드 모드
홀드 모드라는 것은 어떤 밸브 타이밍을 요구할 때 타이밍을 계속 유지할 수 있게 하는 모드이다. 일부 오일 유출에 의한 타이밍 변화가 있어도 캠 포지션의 신호와 크랭크 포지션의 신호를 분석해 그 상태를 계속 유지할 수 있도록 제어하는 모드이다.
③ 최대 진각 모드
최대 진각 모드에서는 ECU에서 오일 플로 컨트롤 밸브를 진각 포트가 열리도록 제어해 진각실로 오일을 공급, 최대 진각 상태인 BTDC 29까지 흡기측 밸브 타이밍을 변경해 밸브 오버랩 구간을 크게 하는 제어 모드이다.
(2) BMW의 바노스(Vanos)
캠 샤프트의 일측 끝에 기어 치형을 형성하고 캠 샤프트의 전후로 이동 가능한 캡과 맞물리게 한다. 형성된 기어 치형이 캠 샤프트의 축과 평행하지 않기 때문에 캡의 축상의 왕복운동이 캠 샤프트의 위상각을 변화시키는 원리이다. 캡의 전후진은 얇은 캡과 강성적으로 연결된 피스톤으로 2개의 챔버로 분리한 후에 상기 챔버에 공급되는 유압을 제어함으로써 캡이 전후진(녹색, 노란색)을 하게 되어 캠 위상각을 조절한다. 엔진의 속도에 따라 캡의 적절한 위치를 선정함으로써 연속적인 가변 타이밍을 선정할 수 있게 된다.
(3) 도요타 VVT-i
도요타의 VVT-i(Variable Valve Timing-Intelligent)는 BMW의 바노스와 유사한 메커니즘을 가지고 있는 연속 가변 장치이다. 하지만 ‘인텔리전트’에서 강조하듯이 우수한 제어 프로그램을 가지고 있다. 엔진 스피트에 따른 가변 타이밍은 물론 등판 때나 내리막길을 내려갈 때의 가감속 상태에 따라서도 제어할 수 있다.
3. Cam-Changing과 Cam-Phasing을 조합한 VVT
Cam-Changing과 Cam-Phasing 방식이 갖는 각각의 장점을 조합한 장치로 최대출력과 전 회전영역에 걸쳐 유연성을 만족하는 시스템이다.
(1) 도요타 VVTL- i
도요타의 VVTL-i는 가장 정교한 가변 밸브 타이밍 시스템이라고 할 수 있다.
연속 캠 위상 가변식 밸브 타이밍 장치이고, 2단의 가변 밸브 리프트와 밸브 오프닝 기간을 갖고, 흡기와 배기쪽 모두에 적용했다.
이 시스템은 앞서 설명한 VVT-i와 혼다의 VTEC의 조합한 메커니즘이라 볼 수 있다. VVT-i와 같이 캠 샤프트 일측에 부착된 유압장치에 의해 캠 샤프트가 전진 혹은 후진하면서 위상각을 변화시키고, 그 타이밍은 엔진의 스피드와 가속상태 등판, 강판 상태 등 여러 인자에 의해서 제어되는 한편 위상각의 변화량도 60에 이른다. 그리고 밸브의 리프트도 가변시킬 수 있다.
2개의 흡입(배기) 밸브를 작동시키는 하나의 로커 암 팔로워를 설치하고 로커 암 팔로워에 따라 움직이는 캠 로브를 긴 밸브 오프닝 기간을 갖는 고속용 프로파일과 짧은 밸브 오프닝 기간을 갖는 저속용 프로파일로 다르게 형성한다. 예를 들어 저속상태에서는 저속 캠이 로커 암 팔로워에 작동되고 고속 캠은 유압식 태핏 하부에 충분한 공간이 생겨 로커 암 팔로워의 동작에 영향을 받지 않는 것이다.
캠의 위상각 변화뿐만 아니라 가변 리프트 시스템을 적용함으로써 고속에서의 출력을 증대시키고 저속과 중속에서 토크 안정성을 확보할 수 있는 최상의 시스템이라 하겠다.
(2) 포르쉐 배리오 캠 플러스(Variocam Plus)
포르쉐의 배리오 캠 플러스는 996 카레라와 복스터에 적용되었던 배리오 캠을 개량한 것으로 기존의 타이밍 체인에 의한 캠 샤프트의 위상 변환 액츄에이터를 유압식으로 바꾼 것이 큰 특징이다. 거기에 가변 유압식 태핏과 3개의 캠 로브를 이용, 밸브 리프트를 변화시킬 수 있는 시스템이다. 이 시스템은 저속과 중속에서 토크 전달성이 우수하고 가변 리프트를 사용해 최대출력이 크다는 장점을 가지고 있다. 포르쉐는 이 시스템을 911 터보와 911 카레라 3.6에 적용하고 있다.
(3) 혼다 i-VTEC
혼다의 i-VTEC은 도요타의 VVTL-i와 유사한 메커니즘으로 2단의 가변 리프트와 타이밍을 수행하기 위해 다른 형상의 캠 로브를 가진 VTEC의 캠 샤프트에 추가적으로 유압식 액츄에이터를 설치해 위상을 변화시키도록 한 시스템이다.
■ 특허동향
가변 밸브 타이밍 시스템의 특허정보를 분석해 기술의 발달 추이와 국가별 출원 현황을 파악해보자.
본 특허동향 조사는 한국특허정보원 내의 조사도구를 활용해 주요국(한미일)의 특허정보를 분석한 결과다. 이번 분석에서 조사대상의 특허 문헌은 출원일을 기준으로 국내 경우는 공개된 특허와 실용신안, 일본은 공개된 특허, 미국은 등록된 특허를 참고로 했다.
한편, 가변 밸브 타이밍 시스템과 관련된 기술을 국제특허분류(IPC) 상의 F01L1/34로 한정하지 않고 이와 관련된 제어와 주변기술도 포함해 분석대상으로 삼았다. 조사결과 국내 경우 196건, 일본은 864건, 미국은 328건이 최종 분석대상으로 조사되었다. 조사결과를 국가별로 분석해 보기로 한다.
1. 국내의 특허동향
(1) 국내 VVT 기술의 연도별 출원 동향
1980년대 중반부터 가변 밸브 타이밍에 관한 특허출원이 있었으나 전체적인 출원추이를 살펴보기 위해 1990년도부터의 출원 건을 대상으로 살펴보면 엔진에 VVT 기술이 적용되기 시작하던 1990년대 초반부터 꾸준한 증가세를 보이면서 IMF를 겪으며 감소했지만 그 후 급격한 출원건수 증가를 보이고 있다. 이는 1990년대 초반부터 기술개발이 이루어지고 1990년대 후반부터 실차에 VVT 기술이 적용되면서 그에 따른 출원이 급증하게 된 것으로 판단된다.
(2) 국내 VVT 기술의 출원인별 출원동향
국내의 VVT 기술은 현대자동차가 주도적인 역할을 하고 있다. 서론에 언급했듯이 현대자동차는 연속 가변밸브 타이밍 기술을 국내의 자동차 회사로는 처음으로 실차에 적용했으며 그 시기와 맞물려 2000년대 초반에 급격한 출원 증가로 이어졌다. 한편 국외의 미쓰비시와 도요타 등도 관련 기술을 국내에 출원하고 있다.
2. 일본의 특허동향
(1) 일본 VVT 기술의 연도별 출원동향
일본에서의 연도별 출원동향에서 가장 특징적인 것은 출원건수가 1990년부터 급격하게 증가했다는 것이다. 혼다와 도요타가 VTEC과 VVT-i 시스템을 개발해 관련기술을 실차에 적용하면서 출원수가 급증한 것으로 사료된다. 그리고 그 이후에도 특허 출원건수는 점증적으로 증가하는 추세이다.
(2) 일본 VVT 기술의 출원인별 출원동향
일본의 출원인별 특허 출원 추이를 살펴보면 도요타 자동차가 VVT 시스템에 관한 특허출원이 월등히 많고 이 밖에도 마쓰다, 미쓰비시, 닛산, 혼다 등 자동차 메이커 회사들의 출원이 많다. 앞서 본론에서 설명했듯이 도요타가 개발한 VVTL-i 시스템은 그 성능상 다른 VVT 시스템보다 성능이 뛰어나 도요티에서도 기술 개발에 중점을 두고 있는 듯 하다. 그리고 국내와는 다르게 덴소, 유니시아 젝스와 같은 자동차 부품 회사들도 다출원하고 있다.
3. 미국의 특허동향
(1) 미국 VVT 기술의 연도별 출원동향
미국의 연도별 출원건수는 1980년대 초반부터 2000년도까지 계속적인 상승곡선을 그리고 있다. 엄밀하게 말하며 미국의 데이터는 출원일을 기준해 등록된 자료만을 분석했기 때문에 실질적인 VVT 관련 기술 개발이 점증적으로 이루어짐을 알 수 있다.
(2) 미국 VVT 기술의 출원인별 출원 동향
미국 내 출원인별 특허분석은 상위 출원 15개사를 추출했으며 분석 대상 출원인은 대부분 일본계 자동차 관련 회사들이 차지했다. 도요타를 선두로 일본에서 기술 개발이 활발히 이루어지고 있음을 알 수 있다.
■ 결론
최근 엔진에 관한 기술개발의 추세는 정밀한 엔진제어를 통한 성능향상은 물론이고 배기가스 저감에 관한 기술과 연비 개선 승차감 및 안정성에 중점을 두고 개발되고 있다. 본 보고서에서 다룬 가변 밸브 타이밍 시스템 역시 엔진의 숨쉬기를 정밀하게 제어헤 토크 안정성이나 최대출력을 저하시키지 않고 엔진의 상태에 따라 흡배기의 양과 시기를 조절, 연비를 향상시키고 배기가스를 저감하기 위한 신기술이라 하겠다. 이 기술에 관한 특허 동향에서 살펴보았듯이 특허출원 건수는 꾸준히 증가하고 있다. 또 현재 서술한 기술을 적용한 자동차가 국내외적으로 다수 출시되고 있는 상황이다. 현대 자동차를 비롯한 국내 자동차 관련 회사들도 VVT의 기술적 가치를 인정하고 있는 만큼 핵심기술에 대한 활발한 연구개발과 투자가 필요한 분야라고 생각한다.
일전에 가변 밸브 타이밍 시스템에 대한 기술 자료를 살짝 본적이 있는데 가장 앞선 기술은 BMW의 바이-배노스 시스템이랑 혼다의 V-TEC시스템이라고 하더군요. :) BMW의 바이-배노스 시스템의 경우는 흡, 배기 밸브를 모두 가변적으로 조절하며, 캠이 아닌 밸브로 조절하기 때문에(밸브 트로닉) 효율면에서 앞선다고 하더군요. 성능면에서는 V-TEC가 최고라고 하더군요. |
