배기가스 및 연비규제 강화로 자동차 엔진은 이산화탄소와 더불어 질소산화물을 줄이기 위해 배기가스재순환장치(EGR)의 성능향상, 디젤매연저감장치(DPF), 질소산화물저감장치(SCR)와 희박질소촉매장치(LNT) 등 배기가스저감장치를 추가하고 엔진배기량을 낮추는 다운 사이징이 최근의 추세입니다.

엔진배기량을 낮추는 대신 터보차저와 가솔린 직분사시스템(GDI) 등을 추가해 엔진성능을 향상시킴과 동시에 스톱 앤 고(Stop & Go) 시스템 등을 적용하고 엔진부품의 경량화와 재질변경, 구조개선, 엔진연소효율 향상 등을 통해 배출가스를 줄이고 연비를 향상하는 다양한 신기술이 적용되고 있습니다.

이 가운데 최근 가장 주목받고 있는 기술로 가변 제어시스템이 떠오르고 있습니다. 가변 제어시스템은 가변 밸브시스템과 가변 실린더 제어기술이 대표적이라 할 수 있습니다. 특히 가변 실린더 제어기술은 주행 중 6기통 엔진을 3기통 또는 4기통만 작동시키는 기존 실린더 제어기술과 더불어 주행중에 아예 엔진을 끔으로써 연비향상과 배출가스 저감능력을 극대화하는 방향으로 발전하는 추세입니다.

폭스바겐의 코스팅-엔진오프(Coasting- engine off), 보쉬의 셧 오프 코스팅 엔진(Shut off coasting engine), 델파이 다이내믹 스킵 파이어(Dynamic Skip fire) 등으로 불리는 이러한 기술은 정차 중에 엔진시동을 아예 끄는 스톱 앤 고와 달리 주행중에 일시적으로 엔진작동을 멈춘 상태로 타력으로 주행(Coasting operation)하는 것이 특징으로 상용화를 눈앞에 두고 있습니다. 

BMW 밸브트로닉

90년대 초반부터 적용되기 시작한 가변 밸브 제어시스템은 배출가스 저감효과는 물론 엔진 출력향상 및 연비개선 효과가 뛰어나지만 비용의 증가로 인해 적용이 제한되어 왔지만 배출가스 및 연비규제가 강화되면서 대부분의 차에 적용될 만큼 일반화되고 있는 추세입니다.

일반적으로 자동차 엔진은 ‘흡입-압축-폭발-배기’라는 연소사이클로 작동하는데 이렇게 엔진 내부로 연료와 공기를 넣어주고 연소가스를 엔진 밖으로 배출시켜 주는 장치가 흡기 및 배기밸브입니다. 이렇게 밸브를 열고 닫아주는 기구를 캠샤프트(Cam Shaft)라고 하는데 캠의 형상은 엔진속도와 출력, 토크, 연비 등에 따라 결정되므로, 특정한 구간에서는 최적의 효율을 가지지만 또 다른 영역에서는 효율이 떨어질 수밖에 없습니다.

예를 들어 경주용 또는 고속 스포츠카 튜닝카 등에서는 하이 캠 샤프트를 적용해 고속에서 고출력을 기대할 수 있지만 공회전 및 저속영역에서는 반대로 엔진부조(비정상적인 작동에 의한 엔진떨림 현상)가 생길 수밖에 없습니다.

가변 밸브 제어시스템은 이러한 캠의 형상이나 흡기 및 배기밸브의 열림 또는 닫힘 시기(밸브타이밍), 밸브의 열림량(밸브리프트) 등을 변화시켜 출력 및 연비향상을 도모하고 배출가스를 줄여주는 시스템이라 할 수 있습니다.가변 밸브 제어시스템은 크게 밸브타이밍을 제어해 주는 가변 밸브타이밍(VVT 또는 CVVT) 시스템과 밸브의 열림량(밸브리프트)을 제어하는 가변 밸브리프트(VVL 또는 CVVL), 밸브 작동각을 제어하는 가변 밸브작동각(VVA) 시스템으로 구분됩니다.

포르쉐_베리오캠플러스

가변 밸브타이밍(Variable Valve Timing, Continuously-VVT) 시스템은 흡기와 배기밸브가 동시에 열려있는 구간인 밸브오버랩(Valve Overlap) 구간을 변화시켜 엔진효율을 향상시켜 주는 것이 특징입니다. 밸브오버랩이란 엔진 연소과정 중 배기가스를 신속하게 배출하고 흡입공기를 쉽게 들어오게 하기 위해 흡기밸브와 배기밸브가 동시에 열리는 현상을 말합니다.

밸브오버랩 구간에서는 배출되는 배기가스의 일부가 흡입부압에 의해 역류해 엔진연소실 안으로 다시 들어가는 현상(이를 내부 EGR 효과라고 부릅니다)이 발생합니다. 따라서 밸브오버랩이 길면 되면 저속영역에서 내부 EGR량이 증가해 연소가 불완전해 출력이 떨어지고 엔진회전수(토크)가 불안정해 지는 반면 고속영역에서는 체적효율이 향상되어 오리려 출력이 증가합니다.

반대로 밸브오버랩 구간이 짧으면 저속영역에서 출력이 상승하고 공회전구간이 안정적인 반면 고속에서 출력이 떨어지는 현상이 발생합니다. 가변 밸브타이밍 시스템은 캠샤프트에 액츄에이터와 제어밸브 등을 적용해 흡기밸브의 닫힘시기와 배기밸브의 열림시기를 빠르게(진각) 또는 느리게(지각) 작동시킴으로써, 중, 고속회전영역에서 밸브오버랩 구간을 최적으로 제어해 줍니다.

또한 가변 밸브타이밍 시스템은 흡기 캠샤프트만 제어하는 방식과 흡배기를 모두 제어하는 방식이 있습니다. 한편 가변 밸브리프트(Continuously Variable Valve Lift) 시스템은 흡배기밸브의 열림량(Lift)을 변화시켜 저속 및 고속영역에서의 펌핑 손실(Pumping Loss)를 최소화함으로써 연비를 향상시켜 주는 장치입니다.

일반적으로 흡배기밸브는 앞서 설명드린 바와 같이 캠사프트와 밸브 작동기구에 의해 일정하게 열고 닫히는데 밸브가 흡배기 포트를 개폐하기 위해 움직이는 거리를 밸브리프트(밸브양정)이라고 합니다. 밸브가 일정한 높이로 열리고 닫히다보니 엔진의 회전속도에 따라 고속회전영역에서는 흡입공기량이 부족해 출력이 떨어지는 일종의 펌핑 손실이 생기게 됩니다.

CVVL의 구조

배기밸브 또한 마찬가지로 저속영역에서 펌핑손실로 인해 배출가스 배출이 원활하지 못해 내부 EGR이 증가하는 현상이 발생합니다. 가변 밸브리프트 시스템은 별도의 밸브작동기구와 캠샤프트를 적용해 흡배기 밸브를 엔진회전수에 따라 평소보다 더 많이 열어줌으로써 이러한 펌핑 손실을 최소화시켜 주는 것이 작동원리입니다.

일반적으로 저속 또는 고속회전영역에 따라 캠 샤프트의 캠 높이(양정)을 변화시키거나 링크를 이용해 밸브의 이동량을 가변적으로 제어해 주는 것이 특징입니다.

가변 밸브시스템은 BMW의 경우 밸브트로닉(Valvetronic), 포르쉐는 베리오캠 플러스(Varicam plus), 닛산 VVEL(Variable Valve Event & Lift), 토요타 밸브매틱(Valvematic), 피아트 멀티에어(Multiair) 등등 다양한 명칭으로 불립니다. 또한 가변 밸브타이밍과 가변 밸브리프트 시스템을 동시에 적용한 시스템이 적용되고 있기도 합니다.  [김아롱 기자=카테크]