일반적으로 자동차 엔진이 움직이는 원리는 이렇다. 실린더 내에서 '흡입-압축-팽창-배기'의 순서로 4행정을 하며, 이 과정을 통해 열에너지가 운동에너지로 바뀌어 자동차의 동력이 발생한다. 이때 열에너지의 효율을 결정 짓는 중요한 요소가 밸브다. 밸브가 이상적인 시기에 열리고 닫혀야만 엔진은 최대 효율을 발휘할 수 있다.
엔진 밸브의 중요성
흡기와 배기 밸브가 원활히 작동해야 피스톤 운동을 통해 동력이 만들어진다
엔진 밸브는 흡기와 배기 밸브로 구성된다. 흡기 밸브는 흡입행정 시 열려서 공기 혹은 공기와 연료의 혼합 가스가 연소실 내부로 들어가도록 하고, 배기 밸브는 배기행정 시 열려서 팽창 행정 후 생성된 배기가스를 배출하는 역할을 한다. 밸브는 통상 0.02초라는 아주 짧은 시간에 열리고 닫히며, 엔진의 수명 동안 약 1억번 정도 동작한다.
앞서 얘기했듯이, 밸브는 아주 짧은 시간에 열리고 닫히지만, 엔진의 힘을 결정하는 아주 중요한 인자이다. 연소를 하기 위해서는 공기의 양이 매우 중요한데, 결국 그 공기는 밸브라는 문을 통해서만 들어오고 나갈 수 있기 때문이다(현재 내연기관에서 대세로 자리 잡은 터보차저 기술도 결국 연소실 내부로 많은 공기를 밀어 넣기 위한 기술이다).
이런 이유로 많은 자동차 제조사들이 밸브 기술을 발전시키기 위해 노력해왔다. 그러나 133년 내연기관 역사에서 밸브를 열고 닫는 기술에 변화가 생긴 것은 불과 30년이 채 되지 않았다.
연속 가변 밸브 기술의 등장 : CVVT(언제 밸브를 열 것인가?), CVVL(얼마나 많이 밸브를 열 것인가?)
밸브 개폐에 대한 첫 번째 혁신 기술은 1992년, 그러니까 내연기관(1886년 독일의 칼 벤츠가 차량용 엔진 제작)이 나오고 100년도 더 지난 시기에 포르쉐에서 최초로 나왔다. 포르쉐만의 연속 가변 밸브 타이밍(이하 CVVT, Continuously Variable Valve Timing) 기술인 배리오캠(Vario Cam)이 바로 그것이다. CVVT 기술은 밸브를 언제 열어줄지를 제어하는 기술로서, 유압 혹은 모터의 힘으로 밸브가 열리는 타이밍을 조절한다.
CVVT를 통해 밸브 개폐 타이밍을 조절할 수 있게 되었다
CVVT 기술을 통해 연소실의 배기가스 잔류량을 조절할 수 있다. 예를 들어 고속 운전을 할 경우 배기행정 중, 즉 배기밸브가 아직 열려있는 상태에서 흡기밸브를 미리 열어주어(동시에 흡·배기밸브가 모두 열려있는 상태로 이를 밸브오버랩이라고 한다), 연소실 내 배기가스를 최대한 많이 밀어내도록(배기가스 잔류량을 적게) 할 수 있다. 이를 통해 고속구간에서 엔진의 힘을 크게 할 수 있다.
또한, 저속 운전 시에는 흡기 밸브를 나중에 닫을 수도 있다. 압축 행정 시작과 함께 흡기 밸브를 빨리 닫으면 압축하는 공기·연료의 혼합기 양이 많아서 엔진이 큰 힘을 낼 수 있다. 하지만 흡기 밸브의 닫힘을 조금 지연시키면 압축하는 혼합기의 양이 적어지고, 적게 압축된 공기의 양에 맞도록 연료분사를 줄이면 엔진은 적은 힘을 내게 된다.
결국, 엔진의 힘이 크게 필요하지 않은 운전상황에서는 피스톤이 공기를 압축할 때 필요한 힘(펌핑 손실)을 줄이고, 동시에 연료 분사량도 같이 줄이는 방향으로 밸브 타이밍을 제어해 연비를 획기적으로 높일 수 있다.
주사기를 막으면 (흡기밸브를 닫으면) 피스톤을 밀어 올리는데 힘이 많이 들지만, 열면 (흡기밸브를 열면) 힘이 덜 든다
펌핑 손실은 공기를 압축할 때 드는 힘으로써, 주사기를 예로 들어보면 주사기를 막고 피스톤을 누를 때 힘이 많이 필요한 원리와 동일하다. 때문에 주사기 피스톤을 밀어 올릴 때, 초반에는 주사기를 막지 않았다가 중간쯤부터 주사기를 막고 피스톤을 밀어 올림으로써 힘이 덜 들게 하는 것이다. CVVT 기술은 현재 거의 모든 자동차 엔진에 쓰이고 있다.
밸브 개폐에 대한 두 번째 혁신은 2001년 BMW에서 밸브트로닉(Valvetronic)이라는 이름으로 발표됐다. BMW의 밸브트로닉은 연속 가변 밸브 리프트(CVVL, Continuously Variable Valve Lift) 기술로 밸브 리프트, 즉 밸브의 열림량을 제어한다. 이를 통해서 밸브의 열림 시점 뿐 아니라 열림량까지 제어 할 수 있다.
이 기술은 현대·기아차를 포함해서 독일 BMW, 일본 도요타 등 CVVL에 대한 특허를 보유한 일부 자동차 회사만 양산이 가능하다. 현대·기아차는 2012년 CVVL기술 독자 개발에 성공해 가솔린 2.0L CVVL 엔진에 적용했고, 7세대 쏘나타 상품성 개선 모델에 최초 탑재했다.
기존 기술은 성능과 연비, 그 경계선에서 타협
지금까지의 설명에서 봤듯이 기존의 가변 밸브 기술은 주행 상황에 따라 밸브 열림 타이밍이나 열림량을 제어해 성능과 연비를 높여왔지만 여기엔 분명한 한계가 있었다. 엔진의 성능과 연비 중 하나에 집중하거나, 아니면 양쪽을 밸런스 있게 절충(타협)해야 했던 것이다. 밸브가 열려 있는 시간을 이상적인 상황에 맞춰 자유롭게 바꿀 수만 있다면, 성능과 연비, 친환경성 모두를 충족할 수 있지만 그 동안의 CVVT, CVVL 같은 가변 밸브 기술로는 불가능한 일이었다. ‘밸브를 언제 어느 정도 열지’를 조절할 수는 있었지만, ‘어느 정도의 시간만큼 열고 있을지’는 조절할 수 없었기 때문이다.
그동안 밸브가 열려 있는 시간을 제어하려는 시도는 여러 번 있었지만 어떤 제조사도 이 기술을 적용하지 못했다. 가장 큰 이유는 밸브의 구동을 효율적으로 하는 기술을 구현하지 못했고, 구동 신뢰성 또한 확보할 수 없었기 때문이다.
먼저 밸브를 구동할 적절할 구동원을 찾지 못했다. “전기를 사용해 제어하면 되지 않느냐”고 할 수 있지만, 결국 그 전력은 엔진에서 나오기 때문에 연비가 떨어지게 된다. 밸브 열림 시간을 제어함으로써 얻는 이득을 전기 제어로 다 써버리는 것이다. 결국 얻을 수 있는 이득이 없는 셈이다.
CVVT는 밸브가 열리는 시점을, CVVL은 밸브가 열리는 양을 조절한다
두 번째는 구동에 대한 신뢰성이다. 밸브는 엔진 수명 동안 약 1억번 정도 작동한다. 단 한번이라도 밸브 개폐에 오류가 생기면 엔진에 심각한 문제를 야기할 수 있다. 예를 들어 흡기밸브가 열리지 말아야 하는 순간에 열려서 엔진 피스톤과 충돌하면, 엔진은 파손된다. 이에 대한 신뢰성을 확보하려면 잭 웰치가 주창한 6시그마의 약 30배 수준의 관리가 필요하다. 현실적으로 어려운 얘기다. 여러 제조사에서 전기적인 밸브 작동을 시도한 적이 있지만 장기적인 신뢰성을 확보하지 못해 상용화하는 데는 실패했다. 그만큼 현재 사용하고 있는 기계적 시스템의 신뢰성이 뛰어나다는 반증이기도 하다.
하지만 현대·기아차가 이번에 세계 최초로 개발한 CVVD 기술은 이상적인 환경으로 밸브의 열림 시간을 자유롭게 조절할 수 있다. 뿐만 아니라 비교적 간단한 기계 구조로 신뢰성을 높이면서도 원가 상승도 적다는 점이 엔진 발전 역사에서 혁신으로 받아들여 질 수 있다.
세계 최초의 연속 가변 밸브 듀레이션 기술, CVVD
밸브를 열고 싶을 때 열고, 닫고 싶을 때 닫는다. CVVD 기술의 핵심 콘셉트다
"밸브를 열고 싶을 때 열고, 닫고 싶을 때 닫는다." 현대·기아차가 개발한 CVVD 기술의 핵심이다. CVVD는 'Continuously Variable Valve Duration'이라는 뜻이다. 여기서 듀레이선(Duration)은 '지속되는 시간'을 의미한다. 다시 말해, CVVD는 '밸브가 열려 있는 시간을 엔진의 상태에 따라 최적으로 가변하는 기술'이다. 현대·기아차는 수많은 시행착오를 거쳐 결국 구조를 최대한 단순화하여 밸브 듀레이션을 가변 할 수 있는 메커니즘을 기계적으로 완벽히 구현하는데 성공했다.
CVVD 시스템은 구동 모터, 가변 제어부로 구성되어 있다
CVVD 시스템은 기존의 캠 샤프트에 가변 제어부, 구동 모터로 구성된다. ECU가 CVVD 구동 모터를 최대 6000rpm으로 회전시키면, 가변 제어부는 0.5초 만에 끝에서 끝까지 이동할 수 있다. 그리고 이러한 이동을 통해 연결 링크의 중심이 바뀌게 된다. 그리고 연결 링크의 중심이 바뀜으로써 캠의 회전 속도가 변경되는 것이다. 결국 캠이 밸브를 누를 때 속도가 바뀜으로써, 자연스럽게 밸브가 열려있는 시간이 바뀌게 된다.
중심을 한쪽으로 이동시키면 밸브가 일찍 열려도 늦게 닫히고, 반대쪽으로 이동시키면 밸브가 늦게 열려도 일찍 닫힌다. 전자의 경우는 밸브가 열려 있는 시간이 길어지고, 후자는 짧아진다.
모터 회전으로 가변 제어부가 이동되고 이를 통해 캠의 중심 위치를 바꿀 수 있다
링크의 파란색 부위를 보면 구간에 따라 캠이 다른 속도로 회전함을 알 수 있다
위에서 보이는 바와 같이 CVVD에 적용되는 캠의 형상만 보면 기존 엔진의 캠과 다르지 않다. 다만, 연결 링크의 중심 이동으로 캠의 회전 속도가 달라질 뿐이다. 다시 말해 밸브를 얼마나 오랫동안 누르는지, 아니면 빠르게 스쳐 지나듯 누르느냐의 차이가 발생하게 되고 이 찰나의 차이를 통해 CVVD는 밸브가 열려 있는 시간을 매우 정밀하게 1400단계로 제어할 수 있다.
물론 기존의 CVVL도 듀레이션이 일부 바뀐다. 하지만, CVVD와 동일한 듀레이션으로 CVVL을 맞춰 비교해 보면, CVVL의 리프트는 절반이 채 되지 않는다. 즉, CVVL의 경우 밸브 듀레이션을 맞추면 리프트가 너무 적어 공기를 제대로 통과시킬 수 없는 경우가 발생할 수 있는 것이다. 하지만 CVVD는 CVVL과 비교했을 때, 충분한 밸브 리프트를 확보 하면서도 듀레이션 가변 폭을 훨씬 더 많이 가져갈 수 있다.
현대·기아차는 일본, 중국, EU 등 주요 국가에 각각 100여 건에 이르는 CVVD 관련 특허를 등록했다. 특히 미국에 등록된 특허 수는 120건에 달한다.
연비, 성능, 친환경이라는 세 마리 토끼를 잡은 CVVD 기술
기존의 가변 밸브 기술은 성능과 연비의 절충점을 찾아야 했다. 즉, 성능 운전 영역에서는 공기 유량을 최대화 하기 위해 짧은 듀레이션이 필요하고, 연비 운전 영역에서는 압축 행정의 힘을 덜기 위해 긴 듀레이션이 필요한데, 기존에는 한쪽에 치우치거나 적절히 절충한 밸브 듀레이션을 택할 수밖에 없었다.
반면, CVVD 기술은 가속 주행, 연비 주행 등 운전 조건에 맞춰 흡기 밸브가 열려 있는 시간을 이상적으로 제어할 수 있고 이를 통해 성능은 4%, 연비는 5%를 향상할 수 있다. 밸브 시스템의 개선만으로 엔진 연비 5%를 달성한 것은, 지난 내연기관 133년 역사에서 모든 자동차 업체가 밸브 타이밍 제어를 통해 개선한 수치가 5%라는 것을 감안하면, 매우 혁신적인 기술이다.
CVVD 기술이 적용되면, 성능과 효율을 최대한으로 끌어올릴 수 있다
뿐만 아니라, 연소효율이 좋아져 배출가스를 12%까지 줄일 수 있어 친환경 기술이라고도 할 수 있다. 게다가 배출가스를 50%까지 줄이는 기술도 개발 단계에 있다. 기존 가솔린 엔진은 삼원 촉매를 사용해 질소산화물, 탄화수소, 일산화탄소를 무해하거나, 덜 해로운 기체로 바꿔주는데, 시동 직후 촉매가 데워지기 이전에는 촉매의 정화 효율이 낮기 때문에, 유해한 배출가스가 일부 걸러지지 않고 방출된다. 하지만 CVVD를 사용하면 최적의 밸브 구동을 통해 삼원 촉매를 조기 활성화 시킬 수 있음은 물론, 촉매 활성화 이전에 엔진 배출가스 자체도 저감된다.
CVVD 기술이 적용되면 연비와 성능, 두 마리 토끼를 완벽하게 잡을 수 있다
일반적으로 하이브리드 차량 등 연비 위주의 차량에서는 연비 지향형 사이클(아킨슨 사이클)을 주로 사용하고, 터보 엔진 등 고성능 차량에서는 성능 지향형 사이클(밀러 사이클)을 사용한다. 이 둘의 절충안으로 오토사이클을 사용하기도 한다. 무슨 사이클을 택하던지 결정된 이후에는 그에 따라 밸브 듀레이션이 고정된다.
하지만 CVVD는 밸브 듀레이션을 자유롭게 가변함으로써, 세 개의 사이클을 한번에 모두 구현해 낼 수 있다. 결국 성능 운전과 연비 운전의 절충이 아닌 모두를 만족할 수 있는 것이다. 뿐만 아니라 실린더의 유효 압축비가 4:1~10.5:1까지 자유롭게 조절돼 사실상 가변압축 엔진의 효과까지 얻었다.
확장 범위가 넓은 CVVD 기술
세계 최초로 개발된 CVVD 기술은 스마트스트림 G1.6 T-GDi 엔진에 적용된다. 이 새로운 스마트스트림 엔진은 CVVD 기술 외에도 저압 배기가스재순환 시스템(LP-EGR)을 국내 최초로 적용해 연비 상승을 극대화했다. 또한, 기존 터보 엔진의 연료 분사 압력인 250bar를 넘어서는 350bar의 더 강력해진 직분사 시스템, 엔진의 온도를 신속하게 상승 혹은 냉각시켜주는 통합 열관리 시스템(ITMS; Integrated Thermal Management System) 등을 적용해 성능 및 연비를 개선했다.
곧 출시될 예정인 신형 쏘나타 터보에 CVVD 기술이 적용된 스마트스트림 G1.6 T-GDi 엔진이 최초로 탑재된다
이 엔진은 곧 출시될 신형 쏘나타 터보에 처음으로 탑재된다. 기존 7세대 LF쏘나타 터보 모델은 가솔린 1.6 T-GDi에 7단 DCT가 매칭되었지만, 이번 8세대 쏘나타에서는 스마트스트림 G1.6 T-GDi에 8단 자동변속기가 매칭되는 것도 차이점이다. 결과적으로 CVVD 기술이 적용된 신형 G1.6 T-GDi 엔진은 기존 터보 엔진과 비교해 성능과 연비 모두 크게 개선될 예정이다.
여러 가지 측면을 고려해 최고 출력은 기존 1.6 T-GDi의 180마력과 같게 세팅됐지만, 실용 영역대의 출력이 전반적으로 올라가 실질적인 출력 향상을 통해 가속 성능이 향상됐다. 또 CVVD 기술이 적용된 고성능 버전 엔진도 현재 준비 중이다.
이 새로운 파워트레인 조합은 향후 기아 중형차 및 현대·기아차의 준중형급 SUV 등에 순차적으로 적용될 예정이다. 또한, 향후 더 적은 배기량의 엔진에서도 만날 수 있을 것으로 예상된다. 물론 하이브리드 자동차와도 매칭될 것으로 기대된다. CVVD 엔진을 기반으로 한 하이브리드 모델이 개발 중이며, 48V 마일드 하이브리드 시스템과 매칭된 CVVD 엔진 개발도 검토 중이다.
수소 전기차, 그리고 전기차 등 파워트레인의 패러다임이 바뀌고 있지만, 아직도 여전히 전세계 자동차의 98%는 내연기관의 힘으로 구동되고 조사기관에 따라 다르기는 하지만 향후 30년 뒤에도 자동차의 30~50%는 내연기관을 사용할 것으로 전망된다. 현대·기아차는 세계적으로 기술을 선도하고 있는 수소연료전지 분야 뿐만 아니라 기존 내연기관에서도 혁신을 거듭해 기술 경쟁의 주도권을 쥐겠다는 목표로 연구개발 역량을 집중하고 있다.
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