특허정보/가변 밸브 타이밍(VVT) 장치의 특허동향

최근 자동차 기술은 연비를 개선하고 출력을 향상시키기 위해 엔진의 흡배기(Breathing)와 관련, 다밸브(Multi-valve)화에 이어 충진효율(Charging efficiency)을 높이기 위한 기술들이 선보이고 있다. 엔진의 회전영역에 따라 변화하는 공기의 흡입저항에 맞춰 흡기 다기관의 길이나 단면적을 변경하는 가변 흡기 시스템(Variable Induction System: VIS)과 엔진의 회전영역에 따라 밸브의 개폐시기 및 개폐량을 조절해 오버랩 타이밍을 제어, 실린더 충전량과 잔류 가스량에 대한 조절이 가능하도록 하는 가변 밸브 타이밍(Variable Valve Timing: VVT)을 들 수 있다

박창현 「한국특허정보원 조사분석1팀」

VVT 시스템은 연비와 출력을 개선함은 물론 배기가스 저감의 효과도 있어 국내 및 외국의 자동차 메이커 회사들은 이 시스템을 얹은 엔진을 개발 신차에 적용해 출시하고 있다. 국내 현대자동차의 경우 CVVT(Continuously Variable Valve Timing)를 적용한 2.0 VVT 엔진을 2003년형 투스카니와 아반떼XD에 탑재해 출시했고 2004형 뉴 베르나와 뉴 아반떼XD에도 배기량이 낮은 1.5 VVT 엔진을 얹어 출시했다. 일본의 혼다와 도요타는 물론 BMW도 VVT 시스템을 적용한 차량을 다수 출시하고 있는 실정이다.

■ 가변 밸브 타이밍

엔진의 흡배기 타이밍은 캠의 형상과 위상각에 의해 조절되는데 엔진 내의 흡배기를 최적화하기 위해서 엔진은 속도에 따른 상이한 밸브 타이밍이 필요하다. 왜냐하면 엔진 실린더로 공급되는 공기에는 관성이 작용해 흡기행정이 끝나도 흡기관 내 공기는 계속 실린더로 흘러 들어가려 하고, 반면 배기가스는 연소실에서 완전히 배출되지 못하기 때문이다. 그래서 흡기와 배기의 밸브 타이밍을 통해 밸브 오버랩 기간을 조절함으로써 흡배기를 원활히 하는 기술이 필요하게 되었다.

그래서 가변 밸브 타이밍 기술이 있기 전에는 사용 목적에 따라 최적의 밸브 타이밍을 선택해 사용했다. 예들 들어 밴의 경우 저속에서의 출력 이득을 얻기 위해 오버랩을 짧게 했고 경주용 엔진은 고속에서의 출력을 향상시키기 위해 오버랩 기간을 길게 조절했다. 그리고 보통의 세단형에는 저속 운전성과 고속에서의 출력 손실을 감수하고, 중속에서의 밸브 타이밍을 최적화시켰다.

이는 밸브 타이밍을 늦추면 보다 많은 공기를 흡입할 수 있어 체적효율의 향상으로 출력이 증가되어 고속회전 때 성능을 향상시킬 수 있다. 다만 저회전 때는 피스톤이 상승할 때에 실린더 내 흡입한 혼합기를 흡입관으로 역류시켜 토크 저하와 불안정한 회전을 불러일으키는 요인이 된다. 하지만 반대로 밸브 타이밍을 빠르게 하면 저속회전에서는 안정된 회전과 토크 향상을 가져오지만, 고속회전에서는 토크 및 최고출력의 저하를 유발하게 되는 것이다. 이는 특정 운전조건에만 만족할 수 있도록 밸브 타이밍이 고정되었던 것이다.

이와 같은 문제점을 극복하기 위한 시도중의 하나로 개발된 테크놀러지가 밸브타이밍과 밸브 리프트를 가변함으로써 저속 및 고속 영역에서 공히 최대의 효율을 이룩할 수 있게 설계된 것이 가변 밸브 타이밍 시스템이다.

■ 가변밸브 타이밍 시스템의 장점

가변 밸브 타이밍 시스템을 이용할 때 엔진상태에 따른 최적의 오버랩을 설정함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

① 엔진출력의 향상

엔진출력 향상은 전 영역에서 밸브 타이밍을 최적화해 최대토크 및 최대출력을 높일 수 있다.

② 배기가스의 저감

부분부하 상태에서의 오버랩 확대에 따라 배기가스의 일부를 다시 흡입하는 내부 EGR에 의해서 질소산화물을 저감시킬 수 있다.

③ 연비의 향상

흡기관 부압이 완화되어 펌핑 로스가 저감되고 아이들 설정 회전수를 낮게 해 아이들 연비를 향상시킬 수 있다.

■ 종류

가변 밸브 타이밍 시스템은 개발사에 따라 그 이름이 CVVT, VTEC, VANOS, VVTL, VVT-i 등 다양하다. 가변 밸브 타이밍 기구를 그 작동원리에 따라 몇 가지로 구분해 보자.

1. Cam-Changing VVT