가변 밸브 타이밍 제어 - VVT, Variable valve timing control

보통의 엔진은 특정한 회전영역에서 최대출력을 얻을 수 있도록 밸브 개폐 시기 및 개폐량이 정해져 있다. 저속에서는 밸브 오버랩이 길면 체적효율이 저하되고 HC의 배출이 증가하며 잔류가스에 의한 엔진의 부조현상이 나타난다. 반대로 고속에서는 흡기밸브의 개방지속기간이 길어야 출력이 증가한다. 즉 고속에서는 밸브 오버랩이 길어야 한다. 

 

 

 밸브 타이밍 및 개폐량을 저속에 맞추면 고속에서는 출력이 떨어지고, 고속에 맞추면 저속에서 효율이 떨어진다. 그러므로 광범위한 회전속도 범위에 걸쳐 체적효율을 개선시키고 적절한 토크특성과 저연비를 실현하기 위해서 엔진의 회전속도와 부하에 따라 캠축 및 밸브의 양정을 제어하는 것을 가변 밸브 타이밍 제어(Variable valve timing control)라고 한다.

 

 가변 밸브 제어 방식은 여러가지가 있으나 크게 위상, 개변기간, 양정 등의 요소를 제어하여 밸브 개폐시기 및 개폐량을 제어하며 아래와 같이 구분할 수 있다.  

 

① 가변밸브타이밍 제어 : 위상 제어 - 밸브의 개폐시기만 제어 (VVT, CVVT)

② 가변밸브타이밍 및 양정 제어 : 위상, 양정, 개변기간 제어 (VTEC, MIVEC, VVL, VVLT)

③ 가변밸브작동간 제어 : 개변기간 제어 (VVC)

 

 가변 밸브 제어의 장점은 다음과 같다.

 

① 아이들 운전 품질의 개선.

② 연비 및 유해 배출가스 저감. 

③ 넓은 엔진 회전속도 범위에 걸쳐 토크특성의 개선.

 

 

1) 가변밸브타이밍 제어 - Variable valve timing control

 

 VVT(Variable valve timing) 또는 CVVT(Continuous variable valve timing)가 여기에 해당된다. VVT는 엔진 회전영역에 따라 2단계 또는 3단계로 제어하지만 CVVT는 전 회전영역에 걸쳐 연속적으로 가변밸브타이밍을 제어한다. 이 제어방식은 밸브의 개방기간과 양정량은 그대로 둔채 개폐시기만 변화시킨다. 배기캠축을 기준으로 단순히 흡기캠축의 위치를 변경하거나 또는 흡기캠축과 배기캠축을 동시에 제어하면 밸브의 개폐시기가 변경된다.

 

 

 위 그림은 엔진 회전속도와 엔진 부하에 따른 운전조건을 크게 4가지로 분류한 것이고, 아래는 각 운전조건에 따라 가변밸브타이밍 제어를 실현하여 나타난 밸브오버랩의 변화이다. 

 

(1) 저부하 저회전 영역 - 아이들	(2) 부분부하 영역
(3) 고부하 저회전 영역	(4) 고부하 고회전 영역

(출처 : www.hemanual.com)

 

(1) 저부하 저회전 영역

 

(2) 부분부하 영역

 

(3) 고부하 저회전 영역

 

(4) 고부하 고회전 영역

 

 

 아래 동영상은 CVVT의 작동에 대한 애니메이션이다.

 

 

 

 

2. 가변밸브타이밍 및 양정 제어 - Variable valve timing and lift control

 

 캠축의 위상, 양정, 개변기간 등을 모두 가변제어하는 시스템으로 일반적으로 캠을 저속 제어용과 고속 제어용 2종류로 설정하고 저속영역과 고속영역에서 쉽게 이를 절환 할 수 있는 구조로 되어 있다. 대표적으로 혼다의 VTEC(Variable valve timing and lift electronic control system), 미쓰비시의 MIVEC(Mitsubish innovative valve timing and lift electronic control system), 닛산의 VVL(Variable valve lift), BMW의 Valvetronic 등이 있다.

 

 VTEC의 경우는 저속에서는 양정이 작은 캠이, 고속에서는 양정이 큰 캠이 흡배기를 개폐하는 방식으로 밸브오버랩, 밸브 개방지속기간, 개방속도 등을 변화 시킬 수 있다.

 

(출처 : http://hdabob.com/the-vehicle/engine/what-makes-the-engine-tick/)

 

 ① 저회전 영역 : 양정이 작은 캠을 사용하여 저속에서 연비 저감과 아이들 품질이 향상 됨.

 ② 캠 절환 : 고속용 로커암(Mid rocker arm)과 저속용 로커암(Primary rocker arm)을 일체형으로 만

                  들기 위해 푸쉬로드가 밀려 들어감.

 ③ 고회전 영역 : 양정이 큰 캠이 로커암을 구동하여 고속에서 출력이 향상 됨.

 

 아래 동영상은 혼다 VTEC의 작동을 설명한 애니메이션이다.

 

 

 

 

흡배기 밸브 제어 기술, VVT와 VVL (CVVT, CVVL) 

 

 

 

내연기관에서 공기의 흡입과 연소가스의 배출은 흡기밸브와 배기밸브에 의해 이루어진다. 

 

흡기밸브와 배기밸브는 캠샤프트의 회전을 통해 기계적으로 개폐된다. 

 

<캠샤프트>

 

<캠샤프트의 회전에 의한 밸브 개폐 작동원리> 

 

 

밸브 개폐시기와 개폐량은 캠샤프트의 형상에 따라 정해지기 때문에, 

 

rpm의 높고 낮음에 상관없이 개폐시기와 개폐량은 항상 일정하다. 

 

따라서, rpm이 아주 낮거나 아주 높을 때는 흡기와 배기의 효율이 떨어질 수 있다. 

 

흡기량이나 배기량을 늘리는 방법은 밸브를 더 깊숙히 누르거나, 더 오래 누르면 흡배기량을 늘릴 수 있다. 

 

 

자연흡기(NA) 차량 튜닝의 꽃이라고 하는 하이캠은 위에서 보는 캠샤프트의 튀어나온 부분을 더 크게 만들어, 

 

흡기밸브가 더 깊숙히 눌림으로써, 흡기량을 늘리는 튜닝이다. 

 

이런 하이캠은 고rpm에서는 매우 큰 출력상승으로 효과를 볼 수 있지만, 

 

저rpm에서는 오히려 효율이 떨어지는 단점이 있다. 

 

 

이것을 보완하기 위하여 rpm에 대응하여 밸브의 개폐시기와 개폐량을 변화시킬 수 있는 기술이 등장하는데, 

 

하나는 가변밸브타이밍(VVT : Variable Valve Timing) 기술이고, 

 

다른 하나는 가변밸브리프트(VVL : Variable Valve Lift) 기술이다. 

 

밸브에 주는 변화가 continuously하면 CVVT, CVVL이라 부른다.  

 

 

VVT는 캠축의 위상각에 변화를 줌으로써 밸브 개폐 타이밍을 조절하는 기술이다. 

 

rpm상황에 따라 캠축을 진각 혹은 지각시킴으로써 밸브 개폐 시기를 조절한다. 

 

대표적인 것이 TOYOTA의 VVT, BMW의 VANOS, 현대의 CVVT 등이 있다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

VVL은 캠의 크기에 변화를 줌으로써 밸브의 개폐량을 조절하는 기술이다. 

 

대표적인 것이 바로 혼다의 VTEC 이다.  

 

VTEC이 2단인데 반해, 현대의 CVVL은 rpm변화에 따라 개폐량을 continuously하게 조절한다고 한다. 

 

BMW의 밸브트로닉, 토요타 밸브매틱, 닛산 VVEL 등이 VVL 기술의 일종이다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

지금까지 VVL 기술을 보면, 

 

캠을 low, high 2개 설치하고 rpm이 높아지게 되면 하이캠과 sync시킴으로써 밸프개폐량을 크게 하는 VVL이 대부분이다. 

 

이것은 low캠, high캠 두가지로만 작동하고 continuously하지 않기 때문에, CVVL이라 부르기 힘들다. 

 

CVVL은 각종 원리 동영상을 봐도 구현하기가 그리 녹녹치 않아 보이는데, 현대가 CVVL을 개발하여 상용화하고 있다. 

 

누우엔진을 소개한 현대의 동영상에 CVVT와 CVVL이 잠깐 언급되고 있다. 

 

 

 

밸브 제어 기술은 상당한 고난이도의 기술이다. 

 

특히 밸브 개폐량을 2가지가 아닌, 연속적으로 다양하게 변화를 줄 수 있는 기술이라면 이것은 굉장한 기술이라 생각된다. 

 

아직 현대의 CVVL에 관한 자세한 자료를 접하지 못하여, 그 작동 원리가 몹시 궁금하다. 

 

 

BMW의 e46이 vanos가 고질병이라는 이야기에서 시작하여, vanos가 뭔지 궁금하여 찾아보기 시작하다보니, 

 

밸브 제어 기술을 전반적으로 살펴보게 되었다. 

 

 

CVVL이라... 현대의 엔진 기술력은 정말 비약적으로 발전했고, 현재 진행형인것 같다. 

 

 

결국, 현존하는 기술로 가솔린 엔진의 끝장을 본다면, 

 

직분사 + VGT터보차저 + CVVT + CVVL 가 아닐까 싶다. 

 

 

이렇게 보면, 현대의 잠재력이 엄청나다고 생각되어 앞으로 현대의 엔진 기술의 발전은 엄청날 것으로 예상된다. 

 

 

"직분사 + VGT터보차저 + CVVT + CVVL"에 독립스로틀까지 더하면......  

 

꿀꺽~! 

[출처] 흡배기 밸브 제어 기술, VVT와 VVL(CVVT, CVVL)|작성자 사냥꾼

[출처] 가변 밸브 타이밍 제어 - VVT, Variable valve timing control|작성자 사실요것만고치면돼요