CVVD

엔진 밸브의 중요성

일반적으로 자동차 엔진이 움직이는 원리는 실린더 내에서 피스톤이'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 제때 열리고 닫혀야만 엔진은 최대효율을 발휘할 수 있다. 
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 노력했으나 133년 내연기관 역사에서 밸브를 열고 닫는 기술에 변화가 생긴 것은 불과 30년이 채 되지 않았다.

CVVT (Continuously Variable Valve Timing)의 등장

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 en:CVVT, Continuously Variable Valve Timing) 기술인 배리오캠(en:VarioCam)이 바로 그것이다. CVVT 기술은 밸브를 언제 열어줄지를 제어하는 기술로서, 유압 혹은 모터의 힘으로 밸브가 열리는 타이밍을 조절한다.
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.
밸브 개폐에 대한 두번째 혁신은 2001년에 BMW에서 나왔다. (BMW VALVETRONIC) 연속 가변 밸브 리프트(이하CVVL, Continuously Variable Valve Lift)는 밸브 리프트, 즉 밸브의 열림량을 제어하는 기술이다. 이를 통해서 흡기 시점 뿐 아닌, 흡기의 양까지 제어를 할 수 있게 된 것이다. 이 기술은 현대·기아차를 포함해서 독일BMW, 일본 도요타 등CVVL에 대한 특허를 보유한 일부 자동차 회사만 양산이 가능하다. 
연속 가변 밸브 리프트는 흡배기 밸브가 열리는 양을 제어해 실린더에 유입되는 공기량을 결정한다

CVVD (Continuously Variable Valve Duration) 기술의 개념

"밸브를 열고 싶을 때 열고, 닫고 싶을 때 닫는다". CVVD 기술의 핵심내용이다.  CVVD는 'Continuously Variable Valve Duration'이라는 뜻이다. 
여기서 Duration은'지속되는 시간'을 의미한다. 다시 말해, CVVD는 '밸브가 열려 있는 시간을 엔진의 동작 상태에 따라 가변하는 기술'이다. 현대기아차는 수많은 시행착오를 거쳐 결국 링크 구조를 최대한 단순화하여 밸브 듀레이션을 가변하는 메커니즘을 기계적으로 완벽히 구현해 내는데 성공하였다.

CVVD (Continuously Variable Valve Duration) 기술의 작동원리

CVVD 기술의 핵심은 캠의 회전 중심을 변경하는 것이다. 캠의 회전 중심을 이동시키면 편심이 발생하고, 멀티 링크라는 구조물로 인해 회전 속도의 차이가 발생한다. 캠이 밸브를 누르면서 밸브가 열리게 되는데 캠이 밸브를 누르는 순간의 속도를 달리 하여 밸브 듀레이션을 발생시킬 수 있는 것이다. 
사실 CVVD에 적용되는 캠의 형상만 보면 기존 가변 밸브와 다르지 않다. 다만, 축의 중심 이동으로 캠이 밸브를 누르는 속도에 차이를 줄 뿐이다. 다시 말해 밸브를 얼마나 오랫동안 누르는지, 아니면 빠르게 스쳐지나듯 누르느냐의 차이다. 이 찰나의 차이를 통해 CVVD는 밸브가 열려 있는 시간을 자유자재(엄밀히는1,400단계로) 로 바꿀 수 있다
CVVD 시스템 기존의 캠샤프트에 가변 제어부, 구동 모터로 구성되어 있다. ECU가 CVVD 구동 모터를 회전시키면, 가변제어부가 이동하여 캠 축의 중심을 바뀌게 된다. 이에 따라 캠의 회전속도가 변경되고 그로 인해 캠이 밸브를 누를 때 속도가 바뀜으로써, 자연스럽게 밸브가 열리는 시간이 바뀌게 되는 것이다. 중심을 한쪽으로 이동시키면 밸브가 일찍 열려도 늦게 닫히고, 반대쪽으로 이동시키면 밸브가 늦게 열려도 일찍 닫힌다. 전자의 경우는 밸브가 열려 있는 시간이 길어지고, 후자는 짧아진다. 
물론 기존의 CVVL도 듀레이션이 일부 바뀌지만, 동일한 듀레이션에 대해 CVVL의 리프트가 채 절반도 되지 않는다. 즉, CVVL로 적절한 듀레이션을 맞추면, 리프트가 너무 낮아 공기를 제대로 통과시킬 수 없다. CVVD는 다운사이징 터보엔진이 대세인 현 상황에 최적화된 가변 밸브 기술이라고 할 수 있다. 
CVVD 기술은 가속 주행, 연비 주행 등 운전 조건에 맞춰 흡기 밸브가 열려 있는 시간을 제어할 수 있다. 이를 통해 성능과 효율을 최대한으로 끌어올릴 수 있다.

CVVD (Continuously Variable Valve Duration) 기술의 효과

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.
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.
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.