이왕 Valve 이야기를 시작하였는데 그냥 마무리하기 아쉬워 최신 Valve trend에 대해서 이야기를 나누며 마무리 할까 해요. ( 사실 최신이라는 표현을 사용 하지만 벌써 10년이 넘는 기술이네요. )
네 오늘은 가변 밸브 타이밍 기구에 대해서 이야기를 나눠 보겠습니다.
먼저 자동차는 합리적인 배기량에 좋은 출력과 연비를 가지길 바랍니다. 그래서 engineer 들은 또 고민에 빠져야지요. 어떻게 하면 저 배기량의 Engine으로 출력을 높일 수 있을지에 대해서요.
이를 위해서 Engine에 대해서 차근차근 따지기 시작했습니다. 그러다 보니 이 Valve가 또 눈에 들어 오네요
자동차의 engine은 정차중에는 idle에서는 600rpm( 차량에 따라서 이 숫자는 차이가 있습니다. )으로 움직입니다. 그러다 최고 출력을 내가 위해서 과격한 운전을 하면 6000rpm에서도 출력을 발휘하여 주어야 합니다.
( 앗 여기서 rpm은 1분당 엔진 회전수 입니다. 600rpm이면 1분에 엔진의 피스톤이 600번 상하 운동을 한다는 이야기가 되고 밸브는 그 절반이니 300번 작동을 하게 되지요. )
그렇기 때문에 600rpm에서는 엔진이 공회전을 하여도 stop되지 않을 정도의 힘을 발휘하여 주어야 하고 Accel을 밟아 줌에 따라 1000rpm이 넘어가면서 높은 Torque를 6000rpm까지도 유지 시켜주어야 하지요. 그런데 1200rpm에서는 engine 크랭크 축 1회전 시간이 대략 50msec(0.05초) 정도이나 6000rpm에서는 10msec(0.01초) 로 줄어들게 됩니다. 그래서 만일 밸브가 열리는 기간을 흡기 행정동안만 열리도록 setting을 한다면 1200rpm에서는 25msec( overlap을 고려하지 않는 경우 1/2 바퀴동안 밸브가 열려 있기 때문에 0.025초 가 되지요. )정도로 충분히 Fresh한 혼합기를 유입 시킬 수 있는 시간이 있지만 6000rpm에서는 Fresh한 혼합기를 실린더에 공급할 수 있는 시간이 5msec(0.005초 입니다. 사람의 눈이 구분할 수 있는 최고 짧은 시간이 대략 0.03초이니까 눈에 보이지 않는 시간의 시간 정도 되겠네요. )밖에 되지 못하여 Engine은 충분한 혼합기를 공급 받을 수 없게 됩니다. 그렇다고 실린더의 배기량이 결정되어있기 때문에 보어를 늘려 주는 것은 한계가 있어 Valve size를 늘리는 것은 한계가 있습니다.
(토비토커 : Bore / Stroke 이야기 참조 )
또 만일 고rpm 영역에서 출력 저하를 막기 위하여 흡기 행정 전후 까지도 Valve가 열리도록 setting 한다면 ( 실제 대부분의 engine은 valve overlap timing이라 하여 흡기 행정 전후 까지도 열리도록 setting 하고 있습니다. ) 저 rpm에서는 흡입되는 공기가 실린더에 머무르지 못하여 바로 배기 밸브로 빠져 나가는 현상이 발생합니다.( 아까운 나의 휘발유가 그냥 배기 가스로 나가버린다는 이야기 지요. 또 배기가스가 나가야지 그 빈 공간에 Fresh한 혼합기가 빨리 채워질 수 있는데 아직 실린더에서 나가지 못한 배기가스 때문에 신선한 혼합기가 실린더 속에 차곡차곡 채워지지 못하게 됩니다. 이에 저 rpm에서도 고 rpm에서도 출력을 향상 시킬 수 있는 방법의 하나로 가변 valve timing이 개발되었습니다.
가변 Valve timing에 대해서는 크게 두 가지 방식으로 나눌 수 있는데요.
첫 번째로 밸브의 열림 시기, 시간, 열림량 모두를 제어해주는 방식 입니다.
이를 위해서 여러가지 방법이 있는데요 대표적으로 Cam shaft에 고속용 cam과 저속용 cam을 설치하고 차량의 운전 조건에 따라서 idle 시에는 저속용 cam을 고속주행시에는 고속용 cam을 사용하도록 해줍니다.
차량의 주행 조건에 따라서 Valve의 열림 시기, 시간, 열림량을 변경 시킬 수 있기 때문에 최고 출력을 보다 넓은 rpm 범위에서 발휘하기 때문에 고성능 차량에서 사용하고 있습니다. 그러나 구조가 복잡한 만큼 정비성 및 내구성에는 불리한 경향이 있습니다..
이에 두번째로 Valve의 열림 시기만을 조절하는 system이 일반적으로 많이 사용되고 있습니다.
순수하게 가변 Valve timing이지요. Cam shaft 및 cam을 그대로 사용하기 때문에 Valve의 열리는 량, 및 열려있는 시간을 변경 시켜주지는 못합니다. 그러나 valve가 언제 열리 것인가는 차량의 상태에 따라서 변경을 해줄 수 있습니다.
처음에는 흡기밸브에만 가변 밸브 timing을 장착하였습니다. 시동을 거는 경우나 정차시 등 엔진에 부하가 거의 없는 경우에는 흡기 밸브를 최대한 늦게 열리게 하고 고속 저부하의 경우에는 배기 valve와 흡기 Valve의 overlap량을 늘려주어 내부 EGR 효과 및 HC의 재연소 펌핑 손실 감소 등의 효과를 누릴 수 있도록 하고 고속 고부하 시에는 다시 timing을 늦춰주어 Power 증대를 노리게 됩니다.
라세티 프리미어 ID의 경우 이 가변 Valve timing 기구가 흡기 뿐만 아니라 배기에도 장착이 되어 Dual 가변 밸브 타이밍 기구가 적용되었다고 하지요.
역시 조금만 더 이야기 나누고 싶은 욕심이 점점 더 복잡한 내용으로 빠져 들고 있네요.
쉽고 부담없이 이야기 나눌 수 있도록 노력하고자 하였으나 자동차의 세계가 그리 호락호락 하지 않나 봅니다.
그래도 한가지만 더 이야기를 나누고 마무리 할께요. 요즘 수소연료전지, 전기 자동차가 주목을 받고 있지요. 그러나 내연기관의 효용가치를 뛰어넘기에는 아직은 많이 역부족입니다. 그래서 Engineer들은 자동차 engine의 효율을 높이기 위하여 지금도 노력 중에 있지요.
Camshaft 대신에 이 부분에 솔레노이드나 피에조에 의하여 전기적 신호에 의하여 Valve가 여 닫히도록 하는 것이지요. 그러면 좀더 정밀한 valve 제어가 가능할 수 있기 때문입니다.
여기서 Valve 이야기는 마무리 하도록 하고 새로운 내용으로 찾아 뵙도록 하겠습니다.
이상 토비토커 말리꽃사랑 이었습니다.
