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VVTL(가변 밸브 타이밍 & 리프트 시스템)

(옛글 복원) VVT 와 VVTL 에 관련된 좋은 게시물을 찾아 발췌했다. 이 데이터는 ECU 맵핑을 할 때 있어서 동작 원리를 정확하기 이해를 해야 하는 부분 인 만큼 적지 않은 영향을 미칠 수 있다 생각한다.

참고로 현재 MR-S 에 사용되고 있는 1ZZ-FE는 VVTi(여기서 i 는 intelligent 를 의미)를, 2ZZ-GE 엔진엔 VVTL-i를 얹고 있다. 연계 게시물로 http://www.s-tune.com/blog/47 를 생각하면 좋을 듯.

발췌 : STRADA & DANAWA


자동차 엔진은 사람 심장에 비유할 수 있다. 뜀박질을 시작하면 심장 박동수가 올라가며 숨을 들이마시고 내쉬는 빈도가 빨라진다. 더 많은 산소를 얻기 위해 호흡이 깊어지듯이 자동차 엔진도 마찬가지다. 엔진회전수가 올라가면 실린더로 들어오는 공기와 연료를 더 많이 공급해야 한다.

이를 위해 실린더마다 흡배기 밸브 수를 2개에서 4(또는 5개)로 늘리는 DOHC 같은 기초 폐활량을 늘이는 기술은 이미 일반화됐다. 여기에 사람이 걸을 때와 달릴 때 폐활량이 다른 것처럼 엔진이 저회전과 고회전일 때에 맞춰 밸브의 깊이(lift)를 늘이고 타이밍을 조절하는 기술이 등장해 계속 발전하고 있다.

밸브를 컨트롤하는 캠샤프트는 일반적으로 타이밍 밸트에 의해 엔진회전수의 절반만큼 회전한다. 시동을 걸고 가만히 있는 아이들링 상태인 800rpm에서 캠샤프트는 1초에 6~7번이나 회전하고 5천rpm까지 올라가면 무려 1초에 41번이나 빠르게 회전한다. 따라서 정확하고 빠르게 타이밍을 통제하는 기술이 필요하다. 쉽게 구현할 수 있는 기술이 아니다.

자동차 메이커가 엔진회전수를 높이는데 힘을 쏟는 이유는 출력을 높이기 위해서다. 물론 엔진 배기량을 키우면 간단하게 파워 업이 가능하지만 그만큼 더 많은 연료를 태워야 한다. 실제로 1970년대 2차 석유 파동이 일면서 밸브 장치 개발에 힘이 실렸다.

BMW와 혼다가 대표적이다. 그들은 배기량을 높이거나 터보차저 혹은 수퍼차저 등의 과급기를 얹는 대신 엔진회전수를 높여 하이 파워를 구현하길 원했다. 반면 폭스바겐 그룹은 직분사 시스템에 올인하기도 했다. 다른 일본 메이커들은 터보차저를 달아 뻥튀기 뽑아내듯 출력을 올리기 시작했다.

그 결과 1989년 4월에 양산된 혼다 인테그라의 직렬 4기통 1.6ℓ(B16A) 엔진은 VTEC을 사용, 8천rpm까지 회전수를 올려 최고출력 160마력 냈다. 자연 흡기 방식 엔진에서 ℓ당 100마력을 자랑하며 세상을 놀라게 했다.


이후 토요타 VVTL-i, 닛산 CVTC, 미쓰비시 MIVEC, 포르쉐 바리오캠 등 이름은 제각기 다르지만 밸브를 여닫는 깊이를 조절하고 캠샤프트의 위상을 바꾸어 타이밍을 조절하는 시스템이다. 가까운 미래에는 크랭크축과 연결되어 구동되는 타이밍 벨트나 캠샤프트가 사라지고 작고 빠른 반응의 전기모터나 그 비슷한 것이 각각 밸브에 달려 상황에 맞게 밸브를 자유롭게 컨트롤 할 수 있을 것이다.

같은 배기량의 엔진에서도 효율을 높여 출력이 올라가고 연비는 낮아지며 배기가스는 덜 배출하는 이상적인 엔진은 모든 자동차 메이커의 목표다.

 

1989년 인테그라 엔진에 선보인 VTEC(Variable Valve Timing & Lift Electronic Control System)는 흡기 밸브가 열리는 깊이(리프트: lift)를 조절하는 전자 컨트롤 가변밸브 타이밍 리프트 시스템이었다. 이후 VTEC는 혼다와 아큐라의 전 차종 엔진으로 확대되며 그 기술력을 인정받아 ‘기술의 혼다’라는 이미지를 새롭게 만들어 나간다.

VTEC 기술은 밸브수를 조절하는 VTEC-E, 밸브 리프트를 조절하는 VTEC와 함께 캠샤프트를 비틀어 위상을 바꿔 밸브 타이밍을 조절하는 VTC 그리고 밸브를 누르는 끝부분에서 오일압력차로 높이를 조절하는 기술 등 엔진에 맞게 다양한 방법으로 밸브 컨트롤 기술을 업그레이드하고 현재 이름도 VTEC에서 i-VTEC으로 진화하고 있다.

S2000의 직렬 4기통 2.0ℓ 250마력(일본내수용 기준) F20C 엔진은 혼다 VTEC 기술을 제대로 사용했다. 캠샤프트에 로커암 파트를 따로 설계해 밸브 리프트를 컨트롤 한다. 직렬 4기통 DOHC 엔진 헤드에는 두 줄의 캠샤프트가 각각 실린더 당 2개의 흡기와 2개의 배기 밸브위에 놓여 있다. 캠샤프트의 회전운동을 두 개 밸브의 직선운동으로 바꾸는 타원형 모양의 로브(lobe)가 두 개 있는데 VTEC의 경우 고회전에 대응하는 커다란 로브가 하나 더 추가되어 있다.

중간에 밸브를 연결하는 로커암 파트도 세 개 로브에 맞추어 나눠져 있다. 평소에는 양쪽 끝에 밸브가 맞닿아 움직이다 고회전으로 바뀌면서 로커암 파트 가운데 부분 안쪽에서 오일압력에 의해 핀이 밀려 나와 양쪽 파트가 가운데 파트에 연결되면서 하나의 일체형 로커암 파트가 된다. 그러면 캡샤프트의 양쪽 로브와 로커암 파트가 떨어지며 가운데 로브와 일체형 로커암파트가 만나게 된다. 커다랗게 고회전용으로 설계된 캠샤프트의 로브 회전운동에 맞게 밸브가 움직이며 리프트가 더 늘어나게 된다.

기술의 핵심은 특정 rpm을 넘어서며 자연스럽게 로커암의 세 파트가 일체형으로 되는 구간이다. 이것을 혼다는 ECU가 제어하는 엔진내부의 오일압력으로 로커암 파트 안쪽에 볼펜심 지름만한 핀으로 조절하는 것이다.

S2000, 시빅, 인테그라 타입R의 VTEC 엔진은 다른 엔진들의 파워가 지쳐가는 시점인 6천rpm부근에서 고회전 캠으로 연결되며 토크와 출력이 멈추지 않고 올라가며 8천300rpm에서 최고출력을 찍는다. 엔진이 고회전으로 바뀌면서 바뀌는 엔진음과 상승하는 토크와 출력으로 운전자가 느끼는 가속은 과급기 엔진의 그것과 성격이 다르게 짜릿하다.

 

BMW도 1990년대 초부터 엔진 밸브 컨트롤 기술을 사용하고 있다. 컴퓨터 제어로 전기엑츄에이터를 통해 밸브 리프트를 바꾸는 밸브트로닉(Valvetronic)과 캠샤프트의 위상을 바꾸는 바노스(VANOS) 시스템을 선보이고 있다.

기존의 캠샤프트 위에 또 다른 편심 샤프트(eccentric shaft)가 있고 여기에 연결된 레버와 롤러가 밸브와 맞닿아 있다.(오른쪽 사진 참조) 엔진회전수와 액셀 패달 포지션으로부터 ECU가 보낸 전기신호를 받아 기계적 운동으로 바꾸는 엑츄에이터가 편심 샤프트의 위상을 바꾸며 밸브 리프트를 제어한다. 이전 316ti 컴팩트(E46)에 들어갔던 직렬 4기통 1.8ℓ엔진에 처음으로 밸브트로닉이 사용되었고 현재는 760i의 V12 엔진까지 널리 사용 중이다.

바노스(VANOS: variable camshaft control) 시스템은 1992년 BMW 5시리즈(E39)의 직렬 6기통 2.0ℓ와 2.5ℓ엔진 M50 시리즈에 처음으로 얹었다. 캠샤프트를 회전시키는 캠 풀리 안쪽에 스포로킷(sprocket)의 기어유닛이 더블 바노스의 핵심기술.

엔진회전수와 액셀 패달 포지션에 따라 ECU를 통해 무단계식으로 캠축의 위상을 바꾼다. 캠축이 계속 바뀌면서 최적위치에 도달하면 솔레노이드 밸브를 닫아 오일량을 일정하게 유지해 캠축은 해당위치에 머무르게 된다.

싱글 바노스는 흡기 캠의 타이밍만을 어느 특정 rpm에서 조절하여 두 단계로 바꿨지만 더블바노스는 흡기와 배기캠의 타이밍을 전 영역의 엔진회전수에 맞게 계속적으로 조절한다. 저회전 때는 밸브 오픈 타이밍을 늦게 잡아 아이들링을 부드럽게 하고 배기가스를 줄인다. 중속에서는 밸브를 일찍 열어 토크를 올리고 배기가스와 연비를 낮추고 고회전으로 가면 밸브 오픈 시기를 다시 늦춰 풀 파워를 생산해내는 식이다.

 

 

바리오캠 플러스(VarioCam Plus)는 흡기 캠샤프트를 조절하는 바리오캠과 흡기 밸브 리프트를 조절하는 플러스로 구성된다. 911 터보(996)부터 처음으로 사용되기 시작해서 효율을 높여 높은 성능을 뽑아내면서 연료소비를 낮추고 배기가스를 줄이면서 더욱 부드럽고 정교하게 작동하는 엔진을 목표로 한다.

바리오캠 플러스에서 밸브를 올리고 내리는 리프트 조절장치의 구조는 혼다 VTEC나 BMW의 밸브트로닉에 비해 부피는 작으나 구조는 복잡하다. 그림에서 보듯이 캠 샤프트의 커다란 캠이 실린더 당 2개씩 있고 그 사이에는 작은 사이즈(duration) 캠이 위치한다.

여기서 바리오캠 플러스의 핵심 기술은 캠의 운동을 밸브에 전하는 활주봉, 태빗(tappet) 끝을 감싸고 있는 둥그렇게 감싸고 있는 ‘태빗 컵’ 파트가 있다. 저회전에서는 겉의 태빗 컵 파트는 그대로 있고 안에서 밸브-태빗 자체가 상하 운동을 하며 밸브를 여닫고 고회전으로 가면 태빗 끝과 태빗 컵 파트가 하나로 연결되면서 고회전용 캠의 회전과 맞닿아 있는 태빗 컵이 함께 상하 운동을 하며 밸브 리프트가 깊어지는 원리다.

이것은 1.5 웨이 방식의 전자유압식 스위치 밸브에 의해 캠샤프트의 위상이 바뀌고 태빗과 태빗 컵을 서로 핀으로 고정시키게 된다. 저회전에서는 3.6mm의 리프트가 유지되어 연료 소모와 낮추고 배기가스를 줄이는데 초점을 맞춘다.

고회전 모드로 언제 바뀔 것인가는 1천 분의 1초의 반응을 자랑하는 모트로닉(Motronic) 컨트롤 유닛이 엔진회전수, 액셀 패달 위치, 엔진 오일과 냉각수의 온도, 기어 포지션 등의 종합적인 자료를 모아 판단한다. 고회전으로 바뀌면 흡기 밸브 리프트의 깊이는 최대 11mm로 늘어나 효율을 극대화하면서 최대토크와 최고출력을 뽑아내기 위한 모드로 변신한다.

 

 

혼다의 VTEC 기술에 자극을 받은 토요타는 1991년에 카롤라 레빈에 들어가는 4A-GE 엔진에 실린더당 5밸브씩 20밸브를 달고 2단계로 캠의 위상을 바꾸는 VVT(Variable Valve Timing)을 처음으로 선보였다. 1996년에는 한 단계 업그레이드된 VVT-i(Variable Valve Timing with Intelligence) 지능형 가변밸브 타이밍 엔진을 선보인다.

VVT-i는 흡기 캠샤프트를 유압식 액츄에이터가 포지션을 바꾸는 식이다. 이 때문에 흡기밸브가 열리고 나서 닫힌 후에 배기밸브가 작동하는 것을 고회전에서는 하나가 열리면서 또 다른 하나가 닫혀 교차(valve overlap)하는 부분이 생기도록 타이밍을 바꾼다. 그 결과 저회전에서는 배기가스와 연비가 줄고 엔진이 안정되며 고회전에서는 출력을 높이는 효과를 가진다.

이후 흡기와 배기 캠에 듀얼 VVT-i를 사용한 기술이 토요타 알테자 RS200의 직렬 4기통 2.0ℓ 3S-GE 엔진에 사용되며 최고출력 207마력을 자랑했다. 1998년 토요타는 셀리카 GT-S를 발표하며 캠샤프트로 타이밍 조절뿐만 아니라 밸브의 리프트도 함께 조절하는 VVTL-i(Variable Valve Timing Lift with Intelligence) 2ZZ-GE 엔진을 함께 선보인다.

흡기와 배기 캠샤프트에 저회전용과 고회전용 캠(lobe)을 가지고 있고 실린더 당 2개씩 흡기와 배기 밸브가 있다. 그 사이에 하나의 로커암이 캠에 의해 작동하는데 캠이 로커암을 누르는 부위의 안쪽에서 유압식 핀에 의해 높이가 달라진다. 그 영향으로 밸브의 리프트가 변하는 원리다. 아쉽게도 VVTL-i 엔진의 고회전 모드에서 유로4 배기가스 기준을 통과하지 못하면서 단종 되거나 새로운 버전의 엔진으로 변화가 있을 예정이다.

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