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NEW TECH / 가솔린 엔진의 획시적인 진화 0
등록자 문영재 작성일자 2019-09-24 오후 4:44:48


가변 밸브 제어 기술의 새로운 장

CVVD;Continuously Variable Valve Duration



흡기 밸브가 열려있는 시간(듀레이션)을 자유롭게 조정, 성능과 효율 그리고 배기가스 저감을 동시에 개선한 CVVD(연속 가변 밸브 듀레이션) 기술이 현대·기아에 의해 세계 최초로 개발됐다.

133년 가솔린 엔진 역사상 가장 획기적인 진화이자 가변 밸브 제어 기술의 새로운 장이 열렸다.



일반적으로 자동차 엔진이 움직이는 원리는 다음과 같다. 실린더 내 '흡입-압축-팽창-배기'의 순서로 4행정을 하고, 이 과정을 통해 열에너지가 운동에너지로 바뀌며 동력이 발생한다.

이때 열에너지의 효율을 결정짓는 중요 요소가 바로 밸브다. 밸브가 이상적인 시기에 열리고 닫혀야만 엔진은 최대 효율을 발휘할 수 있다.

엔진 밸브는 흡기와 배기 밸브로 구성된다. 흡기 밸브는 흡입 행정 시 열려서 공기 혹은 공기와 연료의 혼합 가스가 연소실 내부로 들어가도록 하고, 배기 밸브는 배기 행정 시 열려서 팽창 행정 후 생성된 배기가스를 배출하는 역할을 한다.



밸브는 통상 0.02초라는 아주 짧은 시간에 열리고 닫히며, 엔진의 수명 동안 약 1억 번 정도 동작한다.

이 밸브는 아주 짧은 시간에 열리고 닫히지만, 엔진의 힘을 결정하는 아주 중요한 인자로 자리한다.

연소에서 공기의 양은 매우 중요한데, 결국 그 공기는 밸브라는 문을 통해서만 들어오고 나갈 수 있기 때문이다(현재 내연기관에서 대세로 자리 잡은 터보차저도 결국 연소실 내부로 더 많은 공기를 밀어 넣기 위한 기술이다).



이런 이유로 많은 자동차 제조사는 과거서부터 밸브 기술을 발전시키기 위해 노력해 왔다. 단, 133년 내연기관 역사에서 밸브를 열고 닫는 기술에 변화가 생긴 것은 불과 30년이 채 되지 않았다.

밸브 개폐에 대한 첫 번째 혁신 기술은 1992년, 그러니까 내연기관이 나오고 100년도 더 지난 시기, 포르쉐에서 최초로 나왔다.

포르쉐만의 연속 가변 밸브 타이밍 기술인 배리오캠이 바로 그것이다.



CVVT 기술은 밸브를 언제 열어줄지를 제어하는 기술로, 유압 혹은 모터의 힘으로 밸브가 열리는 타이밍을 조절한다.

연소실 배기가스 잔류량도 조절할 수 있는데, 예를 들어 고속 운전을 할 경우 배기 행정 중, 즉 배기밸브가 아직 열려 있는 상태에서 흡기 밸브를 미리 열어, 연소실 내 배기가스를 최대한 많이 밀어내도록 하는 것이다.

이를 통해 고속 구간에서 엔진의 힘을 크게 쓸 수 있다. 저속 운전 시에는 흡기 밸브를 나중에 닫을 수도 있다.



압축 행정 시작과 함께 흡기 밸브를 빨리 닫으면 압축하는 공기·연료의 혼합기 양이 많아져 엔진이 큰 힘을 낼 수 있다.

하지만 흡기 밸브 닫힘을 조금이라도 지연시키면 압축하는 혼합기의 양이 적어지고, 적게 압축된 공기의 양에 맞도록 연료 분사가 이뤄지기에 엔진은 적은 힘을 내게 된다.

결국, 엔진의 힘이 크게 필요하지 않은 상황에서는 피스톤이 공기를 압축할 때 필요한 힘을 줄이고, 동시에 연료 분사량도 같이 줄이는 방향으로 밸브 타이밍을 제어해 연비를 높일 수 있다.



밸브 개폐에 대한 두 번째 혁신은 2001년 BMW의 밸브트로닉이다. 밸브트로닉은 연속 가변 밸브 리프트(CVVL) 기술로 밸브 리프트, 즉 밸브의 열림량을 제어하는 기술이다.

이를 통해서 밸브의 열림 시점 뿐 아니라 열림량까지 제어 할 수 있다. 이 기술은 현대·기아를 포함해서 BMW, 토요타 등 CVVL에 대한 특허를 보유한 일부 자동차 회사만 양산이 가능하다.

현대·기아는 2012년 CVVL 기술 독자 개발에 성공, 7세대 쏘나타 상품성 개선 모델에 최초 탑재했다.



앞서 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 균형 있게 절충(타협)해야 했던 것. 밸브가 열려 있는 시간을 이상적인 상황에 맞춰 자유롭게 바꿀 수만 있다면, 성능과 연비, 친환경성 모두를 충족할 수 있지만 그 동안의 CVVT, CVVL 기술로는 불가능한 일이었다.

‘밸브를 언제 어느 정도 열지’를 조절할 수는 있었지만, ‘어느 정도의 시간만큼 열고 있을지’는 조절할 수 없었기 때문이다.



그간 밸브가 열려 있는 시간을 제어하려는 시도는 여러 번 있었지만 어떤 제조사도 이 기술을 성공하지 못했다.

일단 밸브를 구동할 적절할 구동원을 찾을 수 없었다. “전기를 사용해 제어하면 되지 않느냐”고 말할 수 있지만, 결국 그 전력은 엔진에서 나오기 때문에 연비가 떨어지게 된다.

밸브 열림 시간을 제어함으로써 얻는 이득을 전기 제어로 다 써버리는 것이다. 얻을 수 있는 게 아무것도 없다. 구동에 대한 신뢰성도 문제였다.

밸브는 엔진이 생명을 다할 때까지 평균 1억 번 작동한다. 단 한번이라도 밸브 개폐에 오류가 생기면 엔진에 심각한 문제를 야기할 수 있기에 이에 대한 신뢰성을 확보하려면 잭 웰치가 주창한 6시그마의 약 30배 수준의 관리가 필요하다.



즉, 전기로 제어하는 건 현실적으로 어렵다는 얘기다.

이런 상황 속 등장한 현대·기아가 세계 최초로 개발한 CVVD는 밸브의 열림 시간을 자유롭게 조절할 수 있다.

뿐만 아니라 비교적 간단한 기계 구조로 신뢰성을 높이면서 원가 상승도 적다는 점에서 엔진 역사의 혁신으로 받아들여 질 수 있다.
 
"밸브를 열고 싶을 때 열고, 닫고 싶을 때 닫는다" 현대·기아가 개발한 CVVD 기술의 핵심이다.



CVVD는 'Continuously Variable Valve Duration'이라는 뜻으로, 여기서 듀레이선(Duration)은 '지속되는 시간'을 의미한다.

다시 말해, CVVD는 '밸브가 열려 있는 시간을 엔진의 상태에 따라 최적으로 가변하는 기술'이다.

현대·기아는 수많은 시행착오를 거쳐 결국 구조를 단순화해 밸브 듀레이션을 가변 할 수 있는 메커니즘을 기계적으로 구현하는데 성공했다.

CVVD 시스템은 기존의 캠 샤프트에 가변 제어부, 구동 모터로 구성된다. ECU가 CVVD 구동 모터를 최대 6,000rpm으로 회전시키면, 가변 제어부는 0.5초 만에 끝과 끝을 이동한다.

그리고 이러한 이동을 통해 연결 링크의 중심이 바뀌게 된다. 연결 링크의 중심이 바뀜으로써 캠의 회전 속도가 변경되는 것이 주된 원리인 셈.




다시 말해 캠이 밸브를 누를 때 속도가 바뀜으로써, 자연스럽게 밸브가 열려있는 시간이 바뀌게 되는 것이다.

이와 관련해 CVVD 캠 형상은 기존 엔진과 크게 다르지는 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 밸브가 열려 있는 시간을 1,400단계로 제어할 수 있다.

물론 기존의 CVVL도 듀레이션이 일부 바뀐다. 하지만 CVVD와 동일한 듀레이션으로 CVVL을 맞춰 비교해 보면 CVVL 리프트는 절반이 채 되지 않는다.



즉, CVVL의 경우 밸브 듀레이션을 맞추면 리프트가 너무 적어 공기를 제대로 통과시킬 수 없는 경우가 발생할 수 있다.

반면, CVVD는 CVVL과 비교했을 때, 충분한 밸브 리프트를 확보 하면서도 듀레이션 가변 폭을 훨씬 더 많이 가져갈 수 있다.

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 혁신적이다.



이게 다가 아니다. 연소 효율이 좋아져 배기가스를 12%까지 줄일 수 있어 친환경 기술이라고도 말할 수 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.

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 하지만 어떤 사이클을 택하던지 결정된 이후에는 그에 따라 밸브 듀레이션이 고정된다.

CVVD는 밸브 듀레이션을 자유롭게 가변함으로써, 세 개의 사이클을 한 번에 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 가변 압축 엔진의 효과까지 얻었다.

CVVD 기술은 스마트스트림 G1.6 T-GDi 엔진에 적용된다. 이 새로운 스마트스트림 엔진은 CVVD 기술 외에도 저압 배기가스 재순환 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.

이 엔진은 곧 출시될 신형 쏘나타 터보에 처음으로 탑재된다. 기존 7세대 LF쏘나타 터보 모델은 가솔린 1.6 T-GDi에 7단 DCT가 매칭됐지만, 이번 8세대 쏘나타에서는 스마트스트림 G1.6 T-GDi에 8단 자동 변속기가 조합된다.

결과적으로 CVVD 기술이 적용된 신형 G1.6 T-GDi 엔진은 기존 터보 엔진과 비교해 성능과 연비 모두 크게 개선될 예정이다.

CVVD를 활용한 새로운 파워트레인 조합은 향후 기아 중형차 및 현대·기아 준중형급 SUV 등에 순차적으로 적용될 계획이다.

물론 하이브리드 차량에도 들어간다. CVVD 엔진을 기반으로 한 하이브리드 모델이 개발 중이며, 48V 마일드 하이브리드 시스템과 매칭된 CVVD 엔진 개발도 검토 중이다.

 

CVVD 기술을 책임 구현한 하경표 연구위원 MINI INTERVIEW





Q1 CVVD 기술에 대한 간단한 설명을 부탁드린다

CVVD는 ‘밸브가 열려 있는 시간을 엔진의 작동 상태에 따라 가변하는 기술’이다. 다양한 운전 조건에 맞춰 흡기 밸브가 열려 있는 시간을 최적화해 실린더로 유입되는 공기량을 제어할 수 있다는 게 가장 큰 장점이다.

기존의 CVVT(Continuously Variable Valve Timing)나 CVVL(Continuously Variable Valve Lift) 같은 가변 밸브 기술은 밸브가 열리는 시점이나 양만 정할 수 있다는 한계가 있었다.

CVVD는 엔진의 작동 조건에 따라 흡기 밸브의 여닫는 타이밍을 최적화하기 때문에 엔진의 성능과 효율을 동시에 향상시키고 배출가스도 획기적으로 줄일 수 있다.

구체적으로 출력 성능 4%, 연비 5% 상승과, 배기가스는 12%까지 저감 효과를 가져왔다.

Q2 CVVD를 개발하게 된 계기가 있다면 무엇인가?

지난 2010년 CVVL을 개발하며 기존 가변 밸브 기술을 뛰어넘는 무엇인가가 필요하다고 느꼈다.

어느 날 조카들이 가지고 놀던 편심 운동 작동 완구를 보고 무릎을 탁 쳤다. 순간적으로 기계 공학자에게 너무 상식적인 편심 구동 원리를 이용해보자는 아이디어가 떠올랐다.

‘밸브를 열고 싶을 때 열고, 닫고 싶을 때 닫는다’ 이 간단한 생각과 편심 운동의 결합이 CVVD 기술 개발의 시발점이었다.

Q3 타 제조사에서 개발을 했을 법하다. 전례가 없었나?

선행 기술 개발 중 CVVD 관련 기술에 대한 특허 조사를 했다. 개념에 대한 특허는 일부 있었지만, 개발로 진행되거나 양산된 경우는 없었다.

그만큼 CVVD 기술 개발은 까다롭고 어려운 일이었다.

Q4 CVVD 기술 개발 과정을 간략히 듣고 싶다

개발 과정을 딱 잘라서 설명하면 선행연구, 선행개발, 양산개발로 나눌 수 있다. 자유롭게 발현된 아이디어가 구현 가능한지를 알아보는 게 선행연구인데, 이 단계에서 많은 것이 진행된다.

여기서 선행개발 단계로 넘어가면 과연 양산을 할 수 있을지에 대한 타당성을 검토한다. 이때 타당성에 문제가 없으면 양산개발로 이어진다.

전 과정을 무사히 통과하고 나면 기술을 최적화해 본격적인 양산 과정에 돌입한다. CVVD는 완구에서 얻은 아이디어로 시작했지만, 철저한 이론과 공식을 기반으로 전 과정을 무사히 통과, 결실을 맺었다.

Q5 새로운 기술은 신뢰성과 내구성이 무엇보다 중요하다

CVVD 기술이 지금의 모습으로 나오기까지 두 번의 고비가 있었다. 첫 번째 고비는 전기 장치 내구 문제였다.

시제품을 테스트할 때마다 문제가 생겼고, 결국 전기 장치의 보호를 위해 시스템을 통째로 바꿔야 하는 상황까지 이르렀다.

전기 장치 내구력을 어떻게 높일 것인가에 대한 고민이 정말 많았다. 팀원들과 이 문제를 밤을 새가며 해결했던 게 가장 기억에 남는다. NVH(Noise, Vibration, Harshness)도 문제였다.

모터의 소음과 진동이 생각보다 커서 이대로는 양산하지 못한다는 위기에 직면했다. 문제가 해결되지 않아 한때 콘셉트 자체를 바꿔야 하는 것 아니냐는 논의까지 오갔을 정도로 상황은 매우 심각했다.

수많은 시행착오 끝에 캠축의 중심을 바꾸는 모터로 BLDC(BrushLess Direct Current)를 적용했고 결국 문제를 해결했다.

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