가변 밸브 타이밍

3. 타이밍 조정의 효과

피스톤 엔진에서 흡기와 배기 시에 사용되는 포핏 밸브는 캠축에 장착된 캠에 의해 작동하며, 캠은 밸브를 일정 시간 동안 연다. 밸브 개폐 타이밍은 엔진 성능에 큰 영향을 미치는데, 캠축은 타이밍 벨트, 기어, 또는 체인을 통해 크랭크축에 의해 동작한다.^[2]

캠 로브의 형상과 위상각은 특정 엔진 회전대역에 최적화되어 있어, 이 때문에 최저 토크나 최고 출력에 한계가 발생한다. 가변 밸브 타이밍(VVT)는 캠의 형상이나 위상각을 변화시켜 효율과 출력을 높이는 기술이다.^[2]

높은 엔진 회전대역에서는 많은 공기가 필요하지만, 흡기 밸브가 빨리 닫히면 성능이 저하될 수 있다. 반면, 낮은 회전대역에서 밸브가 너무 오래 열려 있으면 연료가 낭비되고 배기가스가 증가한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 VVT 시스템이 개발되었다.^[2]

VVT 시스템은 흡기 및 배기 밸브의 개폐 시기를 조절하여 다양한 효과를 얻을 수 있다. 환경 및 연비 규제가 강화되면서 자동차 제조사들은 VVT 채택을 늘리고 있다. 마즈다의 S-VT와 같은 단순한 VVT 시스템은 밸브 타이밍을 조절하는 기능을 가지지만, 혼다의 VTEC은 특정 엔진 회전대역에서 캠 로브 사이를 변경한다. BMW의 밸브트로닉은 연속 가변 밸브 타이밍(CVVT) 방식을 사용한다.^[2]

4행정 레시프로 엔진에서 효율적인 흡배기를 위해서는 피스톤의 이동 속도(엔진의 회전 속도)와 흡배기의 유속에 맞춰 밸브의 개폐 동작을 제어해야 한다. 흡기 행정에서는 피스톤이 하강하기 시작하기 조금 전에 흡기 밸브를 열기 시작하지만, 가장 효율적인 흡기 유속을 얻기 위한 밸브 타이밍은 피스톤 속도에 따라 변한다. 피스톤에 의한 흡기 행정이 끝나고 압축 행정으로 들어가더라도, 흡기 유속이 충분히 높다면 흡기의 무게에 의한 관성력이 작용하기 때문에, 흡기 밸브를 늦게 닫는 편이 충전 효율이 높아지는 영역도 존재한다.

배기 행정에 대해서도 피스톤이 하강을 끝내기 조금 전에 배기 밸브를 열기 시작하지만, 특히 고회전 영역에서는 연소 압력에 의해 피스톤이 밀려 내려가는 도중에 배기 밸브를 열기 시작하는 편이 배기 행정의 피스톤 상승이나 다음 행정의 흡기를 방해하지 않고 효율이 좋아진다. 또한, 배기 행정이 끝나고 피스톤이 하강하기 시작하여 흡기 행정으로 넘어가더라도, 배기 유속에 따라 배기 밸브를 열어 두는 편이 효율이 좋은 영역도 있다.

기존에는 회전수나 부하에 따라 최적의 밸브 타이밍 및 리프트량이 변하여, 이들을 어떤 일정한 부하 영역에서 최적으로 되도록 고정하고, 그 이외의 영역에서의 효율을 희생할 수밖에 없었다. 가변 밸브 타이밍 기구는 밸브 타이밍 및 리프트량을 가변으로 함으로써, 부하 영역에 따라 항상 밸브 동작이 최적으로 되도록 변화시켜 나간다.

캠의 회전각에 위상을 부여하거나, 형상이 다른 캠을 여러 개 준비하여 전환하거나, 이 둘을 조합하는 방식등이 사용된다. 실린더 비활성화는 캠 전환에 의해 흡배기 밸브(또는 흡기 밸브만)를 닫아 실질적으로 작동하는 실린더의 수를 줄이는 방식으로, 엔진 출력이 떨어지기 때문에 상대적으로 스로틀 개도가 커지고 펌핑 손실이 저감된다. 저속 주행 등 저부하 시의 열효율을 높이는 목적으로 사용된다.

배기량을 변화시킬 수 있고, 출력을 억제함으로써 필요한 출력이 작을 때 연비 측면에서 유리하다는 장점이 있다. 단점은 정지 시의 진동이나 정지 시의 출력 변화 등이 문제로 지적된다.

캐딜락에 처음 채용된 것으로 여겨지며, 일본에서는 1세대 랜서 피오레 등에 채용된 MD 엔진(G12B)이 최초이다.

3. 1. 흡기 밸브 늦게 닫기 (LIVC)

3. 2. 흡기 밸브 일찍 닫기 (EIVC)

3. 3. 흡기 밸브 일찍 열기 (EIVO)

3. 4. 배기 밸브 일찍/늦게 닫기 (EEVC/LEVC)

4. 역사

가변 밸브 개방 시간을 제어하는 방법에 대한 연구는 증기 기관 시대까지 거슬러 올라가며, 당시에는 "증기 차단"으로 불렸다. 초기 증기 기관차에 사용된 스티븐슨 밸브 기어는 가변 차단을 지원하여, 동력 행정 중 실린더로 증기가 유입되는 시점을 변경할 수 있었다.^[4] 세르폴레 증기 자동차는 슬라이딩 캠축 메커니즘을 사용하여 유입 밸브 차단을 변화시키고 엔진을 역전시킬 수 있었다.^[5]

1920년대에 엔진의 회전 속도에 맞춰 밸브 개방 시간을 가변적으로 조절하는 것이 바람직하다는 것이 명확해졌고, 가변 밸브 타이밍에 대한 최초의 특허가 등장하기 시작했다.

피아트(Fiat)는 1960년대 후반 조반니 토라자(Giovanni Torazza)가 개발한 유압식 가변 밸브 리프트 시스템을 특허받았다.^[9] 알파 로메오(Alfa Romeo)는 1980년형 알파 로메오 스파이더(Alfa Romeo Spider) 2000에 기계식 VVT 시스템을 적용하여 양산차 최초로 VVT 시스템을 사용했다.^[10]

1989년 혼다(Honda)는 VTEC 시스템을 출시했다.^[13] VTEC은 높은 엔진 속도에서 별도의 캠 프로필로 전환하여 최대 출력을 향상시키는 기술로, B16A 엔진에 처음 적용되었다.

1992년 포르쉐는 바리오캠(VarioCam)을 출시하여 흡입 밸브의 타이밍을 연속적으로 조정하는 기능을 제공했다.

5. 대한민국 자동차 산업에서의 VVT

현대자동차와 기아자동차는 엔진 성능과 연비를 향상시키고 환경 규제를 준수하기 위해 CVVT 기술을 사용하고 있다. 현대자동차의 알파 엔진(1.5/1.6), 베타 엔진(1.8/2.0), 감마 엔진(1.6), 쎄타 엔진(2.0/2.4) 등에 VVT 기술이 적용되었다. 최근에는 밸브 리프트까지 연속적으로 조절하는 CVVL (Continuously Variable Valve Lift) 기술을 개발했다.

6. 자동차 제조사별 VVT 명칭

여러 자동차 제조사들이 가변 밸브 타이밍(VVT) 기술을 채택하면서 각기 다른 명칭을 사용하고 있다. 혼다는 VTEC, 현대자동차는 CVVT, 도요타는 VVT-i, 닛산은 NVCS, BMW는 VANOS, 포르쉐는 바리오캠 등의 명칭을 사용한다.

6. 1. 현대/기아

6. 2. 기타 제조사

참조

_[1] 웹사이트 Regulations for Greenhouse Gas Emissions from Passenger Cars and Trucks https://www.epa.gov/[...] US EPA, OAR 2022-07-12
_[2] 논문 A simulation-based approach for developing optimal calibrations for engines with variable valve actuation
_[3] 논문 Review and analysis of variable valve timing strategies - eight ways to approach https://citeseerx.is[...] 2022-04-29
_[4] 웹사이트 Variable Valve Timing - 1886 - Practical Machinist http://www.practical[...] Practical Machinist 2010-04-04
_[5] 특허 Improvements in Valve Gear for Single-Acting Steam Engines https://worldwide.es[...] 1901-03-02
_[6] 간행물 REPORT No. 272: THE RELATIVE PERFORMANCE OBTAINED WITH SEVERAL METHODS OF CONTROL OF AN OVERCOMPRESSED ENGINE USING GASOLINE http://naca.central.[...] Langley Aeronautical Laboratory 1927-02-25
_[7] 웹사이트 The Forgotten Story Of Cadillac's Brass Era VTEC https://jalopnik.com[...] G/O media 2021-01-12
_[8] 서적 Vauxhall: Britain's Oldest Car Maker Fonthill Media 2017-12-05
_[9] 웹사이트 VALVE-ACTUATING MECHANISM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE http://www.freepaten[...] 2011-01-12
_[10] 웹사이트 Timing variator for the timing system of a reciprocating internal combustion engine http://www.freepaten[...] 2011-01-12
_[11] 웹사이트 Alfa Romeo Spider FAQ http://alfaspiderfaq[...] 2008-11-29
_[12] 서적 Original Alfa Romeo Spider https://archive.org/[...] MBI Publishing
_[13] 웹사이트 asia.vtec.net http://asia.vtec.net[...]
_[14] 서적 Motorcycle Fuel Injection Handbook https://books.google[...] MotorBooks International
_[15] 웹사이트 Volvo Penta Variable Valve Timing (VVT) http://marineengined[...] 2012-10-27
_[16] 서적 Medium/Heavy Duty Truck Engines, Fuel & Computerized Management Systems https://books.google[...] 2016-01-01
_[17] 문서 Medium/Heavy Duty Truck Engines, Fuel & Computerized Management Systems
_[18] 웹사이트 Geneva 2010: Mitsubishi ASX (Outlander Sport) Debuts in Geneva http://www.autoguide[...]
_[19] 간행물 Mitsubishi Motors UK Geneva motor show 2010 presskit
_[20] 웹사이트 Autospeed Valvetronic Article http://autospeed.com[...] 2012-01-17
_[21] 웹사이트 Rover VVC Article http://www.sandsmuse[...] 2012-01-17
_[22] 웹사이트 howstuffworks.com http://www.howstuffw[...]
_[23] 서적 Engines - An Introduction https://archive.org/[...] Cambridge University Press
_[24] 웹사이트 HowStuffWorks - Ferrari 3D cam article http://auto.howstuff[...] 2012-01-17
_[25] 웹사이트 USPTO 5052350 http://patimg2.uspto[...] 2012-01-17
_[26] 웹사이트 USPTO 5642692 http://patimg2.uspto[...] 2012-01-17
_[27] 웹사이트 Mechadyne VLD http://www.mechadyne[...] 2012-01-17
_[28] 웹사이트 USPTO 4771742 http://patimg1.uspto[...] 2012-01-17
_[29] 간행물 Performance Buildups
_[30] 간행물 Two Wheels 2008-07
_[31] 간행물 Fast Fours 2004-07
_[32] 웹사이트 USPTO 6832586 http://patimg2.uspto[...] 2012-01-17
_[33] 문서 배기측을 가변으로 했을 경우, 지각함으로써 흡기과정 중간까지 배기의 폐밸브를 늦출 수 있고, 배기를 되돌리는 내부 EGR로서 유효하게 작용한다. 이것은 배기가스 정화나 펌핑 손실 저감에 기여한다. 이에 따라 배치 공간이나 비용이 필요하고 동작 불량에 의한 트러블이 발생하기 쉬운 외부 EGR을 생략할 수 있는 장점이 있다. 반면 출력면에는 거의 기여하지 않는다.
_[34] 문서 예로서 북미 포드의 에스코트 ZX2(1998~2003), 콘투어, 머큐리 쿠거(1999~2002)에 탑재된 ZETEC 2.0L 엔진이 배기측에만 가변 밸브 타이밍 기구를 채용한 사양이 되어 있다.
_[35] 문서 오버랩을 적게 하기 위해 흡기 캠샤프트를 지각시키면, 흡기밸브의 닫힘도 늦어져 흡기를 되돌려 보내 버린다는 지적이 있지만, 이것은 펌핑 손실의 저감이나 지연 폐쇄 미러 사이클이 되는 경우가 있고, 파워라는 면에서는 단점이 되지만, 열효율이라는 점에서는 단점이라고는 말할 수 없다. 애초에 출력이 필요한 경우에 지각을 하는 것은 관성 흡기를 기대하는 고회전 이외에는 생각하기 어렵고, 저중회전·중고부하시는 오버랩을 우선하고 진각하기 때문에 닫힘 시기는 빨라지는 것이 일반적이며 되돌려 보내는 것은 문제가 되기 어렵다.
_[36] 문서 null
_[37] 문서 null
_[38] 웹사이트 Schaeffler Japan Co., Ltd. |分野/主要産業 |UniAir http://www.schaeffle[...]
_[39] 웹사이트 Honda Technology VTEC http://www.honda.co.[...]
_[40] 웹사이트 GSX-R1000R ABS http://www1.suzuki.c[...] 2017-07-25
_[41] Youtube 2017 Suzuki GSX-R1000 Variable Valve Timing (SR-VVT) System Detail https://www.youtube.[...] 2017-07-25
_[42] 문서 null
_[43] Youtube VCエンジン作動解説動画 https://www.youtube.[...]