밸브 오버랩을 두는 이유가 무엇인지 궁금하셨나요? 우선 밸브 오버랩이란 무엇이며 3가지 밸브 오버랩 이유에 대해 살펴본 후 3가지 밸브 오버랩 장점과 2가지 밸브 오버랩 단점에 대해 살펴본 후 밸브 오버랩 목적과 특징으로 인한 앞으로의 방향성과 관리 방법에 관해 확인하시기를 바랍니다.
자동차 엔진을 공부하다 보면 밸브 오버랩이라는 단어를 종종 접하곤 합니다. 내연기관의 심장 박동과 같은 엔진의 호흡 과정에 있어 밸브 오버랩은 차량의 출력이나 연비 그리고 배기가스를 배출하는 것까지 엄청나게 많은 부분에 영향을 미칩니다.
예전에는 단순하게 캠샤프트의 기계적인 각도로만 조절되던 이 기술은 이제 가변 밸브 타이밍이나 연속 가변 밸브 듀레이션과 같은 최첨단 전자 제어 기술과 융합하여 하이브리드 자동차에서 엄청난 연비를 이끌어내는 데 기여하고 있습니다.
따라서 이 글에서는 밸브 오버랩을 두는 이유와 관련하여 밸브 오버랩이란 무엇이며 밸브 오버랩의 목적과 특징 그리고 밸브 오버랩 장점과 단점까지 자세하게 정리하였으니 이 글을 통해 밸브 오버랩에 대해 자세히 알아보시기를 바랍니다.
밸브 오버랩이란?
밸브 오버랩 뜻을 이해하기 위해서는 먼저 4행정 사이클인 흡입, 압축, 폭발, 배기라는 4가지 과정에 대해 알아볼 필요가 있습니다.
엔진의 실린더 위에는 공기와 연료의 혼합기를 빨아당기는 흡기 밸브와 연소하고 나서 남아 있는 찌꺼기 가스를 내보내는 배기 밸브가 있습니다. 이론적으로만 본다면 하나의 행정이 끝날 때마다 밸브가 잘 닫히고 열려야 하겠지만 실제로는 엔진이 빠른 속도로 회전할 땐 공기의 흐름인 유체 역학에 따라 시간의 텀이 발생하여 약간 지연이 발생하게 됩니다.
따라서 밸브 오버랩이란 배기 행정의 마지막 부분과 흡입 행정이 처음 부분이 겹치면서 흡기 밸브와 배기 밸브가 동시에 열려 있는 매우 짧은 순간을 의미합니다.
해당 내용을 공학적인 관점으로 조금 더 자세히 설명하자면, 피스톤이 가장 높이 올라간 상사점 근처에서 배기 밸브가 완전하게 닫히기 직전에 흡기 밸브가 미리 열리기 시작하면서 두 밸브가 모두 열려 있는 크랭크축의 회전 각도를 밸브 오버랩이라고 합니다. 이를 조금 더 쉽게 설명하자면 우리가 숨을 완전히 다 뱉기 0.1초 전에 코와 입으로 다음에 마실 숨을 미리 들이마시기 시작하는 것을 생각하면 됩니다.
밸브 오버랩을 두는 이유
그렇다면 도대체 흡기 밸브와 배기 밸브가 동시에 열려 있어 마치 불안전해 보이는 현상을 왜 일부러 만드는 걸까요? 이와 관련하여 잘 모르는 사람이 본다면 배기가스가 흡기구로 역류하거나 신선한 혼합기가 배기구로 빠져나간다고 생각할 수 있습니다. 하지만 엔지니어들이 구체적인 밸브 오버랩 목적을 두고 의도적으로 이런 현상을 유도하는 것은 엔진 효율을 높이기 위해 철저하게 계산된 것입니다. 따라서 밸브 오버랩을 두는 이유를 크게 3가지 내용으로 볼 수 있습니다.
첫 번째 밸브 오버랩 이유는 관성 효과를 이용한 소기 작용입니다. 배기 행정에서 실린더 내부에 있는 뜨거운 배기가스는 피스톤이 밀어내는 힘뿐만 아니라 혼자 힘으로 배기 다기관을 향해 엄청나게 빠른 속도로 빠져나가는 관성 에너지를 지니고 있습니다.
만약 이때 배기가스가 다 빠져나가기 전에 미리 흡기 밸브를 열어주어 오버랩을 발생시키면 밖으로 빠져나가려고 하는 배기가스의 흐름이 실린더 내부에 일시적으로 진공 상태를 만들게 됩니다. 이 진공이 흡기 다기관에 있는 신선한 공기-연료 혼합기를 실린더 내부로 빨아당기는 역할을 하게 됩니다. 따라서 배기가스가 스스로 빠져나가면서 새로운 공기가 들어오도록 하는 것을 소기 작용이라고 하며 그로 인해 엔진의 흐름을 원활하도록 도와줍니다.
두 번째 밸브 오버랩 이유는 체적 효율을 높이기 위함입니다. 엔진의 출력을 높이기 위해서는 실린더 안에 많은 양의 혼합기를 넣는 것이 중요하며 이를 체적 효율이라고 부릅니다. 따라서 엔진이 1분에 수천 번 회전하는 상황 속에서 피스톤이 내려가는 힘만으로 공기를 빨아당기는 것은 시간도 부족할뿐더러 공기 저항으로 인해 효율을 높이기 어렵습니다.
그렇기 때문에 밸브 오버랩을 통해 소기 작용으로 흡입 시작 시점부터 혼합기를 빨리 빨아당길 수 있습니다. 또한 엔진 회전수가 높으면 높을수록 밸브가 열려 있는 시간이 짧아지기 때문에 미리 밸브를 열어두는 오버랩 구간이 길어야 높은 회전에서도 충분한 양의 공기를 마셔 높은 마력과 토크를 발휘할 수 있습니다.
세 번째 밸브 오버랩 이유는 부품의 내구성을 보호하며 연소 환경을 개선하기 위함입니다. 엔진 내부에서는 뜨거운 환경에 지속적으로 노출되는 것이 바로 배기 밸브입니다. 밸브 오버랩 구간에서 흡기 포트를 통해 차가운 공기가 들어오면서 뜨겁게 달궈진 배기 밸브와 연소실 위를 지나가는데 이 과정에서 부품들의 열을 식혀주는 냉각 효과를 볼 수 있습니다. 따라서 연소실 온도가 일정 수준까지 내려가면 비정상적으로 폭발하는 노킹 현상을 예방할 수 있으며 엔진의 수명도 늘릴 수 있습니다.
밸브 오버랩 장점
밸브 오버랩 장점은 크게 3가지로 출력과 효율 그리고 내구성을 높일 수 있다는 것입니다.
첫 번째 장점은 높은 속도로 주행할 때 최고 출력을 높일 수 있는 것입니다. 높은 RPM 구간에서 공기 흡입 부족으로 인해 엔진의 출력이 부족한 것을 예방하여 스포츠카나 고성능 차량이 지닌 최고 출력을 모두 사용할 수 있습니다.
두 번째 장점은 완전 연소를 유도하여 효율을 높일 수 있다는 것입니다. 실린더 안에 있는 불완전 연고 가스를 소기 효과를 통해 깨끗하게 밀어내고 신선한 산소를 채워 넣음으로써 폭발력은 올리면서 연비를 간접적으로 확보할 수 있습니다.
세 번째 장점은 엔진의 내구성을 확보할 수 있다는 것입니다. 오버랩 되는 순간에 들어오는 흡기에 의해 발생하는 배기 밸브의 냉각은 금속의 피로도를 낮추면서 엔진의 전체적인 열 관리에 있어 도움을 주기 때문에 엔진 내구성을 유지할 수 있습니다.
밸브 오버랩 단점
밸브 오버랩 특징상 어쩔 수 없이 발생하는 밸브 오버랩 단점은 크게 2가지 있으며 이는 결국 엔진 회전수에 따라 필요한 최적의 오버랩 양이 다르다는 것입니다. 그렇다면 밸브 오버랩 특징상 발생하는 2가지 단점은 무엇인지 자세히 알아보도록 하겠습니다.
첫 번째 단점은 낮은 RPM 구간에서 공회전할 때 불안정하며 배출가스가 증가한다는 부작용이 발생한다는 것입니다.
만약 높은 주행에 맞춰서 밸브 오버랩을 크게 세팅한 상태로 도심에서 낮은 속도로 운전하거나 공회전한다면 어떤 일이 발생할까요? 낮은 속도에서는 공기와 배기가스의 유속이 매우 느리다는 특징이 있습니다. 따라서 소기 효과를 발생할 수 있는 충분한 양의 관성이 부족하여 열려 있는 흡배기 밸브 사이로 들어온 신선한 연료가 타지도 않고 배기구로 새어 나가서 미연소 가스 배출량이 늘어나거나 반대로 배기가스가 흡기구로 역류해 들어올 수 있습니다. 그렇기 때문에 낮은 RPM 구간에서는 차에서 엔진 부조 현상이 발생하여 연비가 떨어지며 환경 오염을 일으킬 수 있습니다.
두 번째 단점은 고전적인 엔진의 한계가 발생할 수 있다는 것입니다. 예전에 있었던 DOHC 엔진은 캠샤프트가 고정되어 있어 오버랩을 조절할 수 없었습니다. 그로 인해 낮은 속도에서 안정성을 유지하기 위해 오버랩을 짧게 두어서 높은 속도에서의 출력을 포기하였습니다. 반면, 레이싱카에서는 높은 속도에서 출력을 이끌어내기 위해서 오버랩을 길게 두어서 낮은 속도에서의 주행성을 포기할 수밖에 없었습니다.
밸브 오버랩 방향성
현재 자동차 시장에서 사용되는 내연기관이나 하이브리드 엔진은 대부분 밸브 오버랩을 고정해 두지 않고 자동 제어 장치가 주행 상황에 따라 실시간으로 조절합니다. 따라서 밸브 오버랩은 가변 밸브 타이밍과 연속 가변 밸브 듀레이션 그리고 하이브리드 엔진에서의 역할이 중요하게 되었습니다.
첫 번째는 가변 밸브 타이밍(VVT)으로 2000년대 이후 대중화되어 현재에서는 기본이 되는 기술로 유압이나 전기 모터를 활용하여 캠샤프트의 각도를 틀어버립니다. 그로 인하여 공회전이나 낮은 속도에서는 밸브 오버랩을 최소화하여 연소 안정성과 연비를 높이면서 배기가스 배출량을 줄일 수 있습니다. 반면, 높은 속도에서는 밸브 오버랩을 늘려서 공기를 많이 빨아당겨서 스포츠카처럼 엄청난 출력을 낼 수 있습니다.
두 번째는 연속 가변 밸브 듀레이션(CVVD)으로 현대 자동차와 기아 자동차에서 세계 최초로 상용화에 성공하여 지금도 많은 이들의 사랑을 받는 최고의 기술입니다. CVVD 엔진 원리에 대해 간단하게 살펴보면 밸브가 열려 있는 시간을 주행 상황에 따라 조절할 수 있는 것으로 그로 인해 밸브 오버랩 효율을 높여 성능은 약 4% 올리고 연비는 약 5% 올리며 배출가스는 약 12% 줄일 수 있게 되었습니다.
세 번째는 하이브리드 엔진에서의 역할입니다. 하이브리드 자동차에서 주로 많이 사용하는 앳킨슨 사이클 엔진이나 밀러 사이클 엔진은 팽창비를 압축비보다 길게 가져가서 열효율을 높이게 됩니다. 그로 인해 흡기 밸브를 늦게 닫아서 혼합기의 일부를 역류시키는 밸브 타이밍 제어 장치가 필요한데 그로 인해 밸브 오버랩이 중요하게 사용됩니다. 따라서 전자 제어 장치가 모터의 개입 시점이나 밸브 오버랩 시점을 1/1000초 단위로 계산하여 낭비되는 연료를 줄일 수 있습니다.
밸브 오버랩 관리 방법
밸브 오버랩을 제어하는 다양한 시스템인 CVVT나 OCV 밸브 그리고 타이밍 체인 등이 고장 났을 때 차에서 어떤 증상이 발생하는지를 미리 알고 있는 것이 매우 중요합니다.
첫 번째는 엔진 경고등이 발생하며 아이들링이 불안정하다는 것입니다. 신호를 대기하는 중에 차량이 심각하게 많이 떨리거나 RPM 바늘이 올랐다가 내려가는 헌팅 현상이 발생했다면 밸브 타이밍을 제어하는 오일 컨트롤 밸브인 OCV에 슬러지가 끼어 있어서 오버랩 조절이 잘 안되고 있을 확률이 높으니 가까운 정비소에서 점검을 받아보시기를 바랍니다.
두 번째는 현대의 가변 밸브 타이밍 시스템에서는 엔진 오일의 유압을 이용하여 밸브 오버랩 각도를 조절합니다. 따라서 평소에 권장 주기에 따라 규격에 맞는 높은 품질의 엔진 오일로 잘 바꿔주기만 하더라도 밸브 오버랩 고장을 약 90% 이상 예방할 수 있으며 마치 새 차처럼 높은 출력과 연비를 유지할 수 있습니다.
지금까지 밸브 오버랩을 두는 이유에 대해 살펴보았는데 이는 단순히 밸브가 우연히 겹치는 것이 아니라 관성을 이용한 소기 작용으로 인해 엔진의 체적 효율을 높이면서 연소실을 냉각하여 높은 속도에서 출력을 높이고 연소를 효율적으로 하여 연비 또한 높일 수 있다는 명확한 밸브 오버랩 목적을 달성하기 위한 것입니다.
예전에는 낮은 RPM 부조와 배출가스라는 단점을 감수해야 했었지만 요즘에는 VVT나 CVVD 등 첨단 전자 제어 기술로 인해 어떤 주행 환경에서도 최적의 밸브 오버랩을 구현할 수 있어 내연기관과 하이브리드 시스템의 수명을 늘릴 수 있게 되었습니다.
따라서 내 차가 고속도로를 달릴 때 엔진에서는 1초에 수십 번씩 정교한 밸브 오버랩이 발생하고 있어서 엔진에 긍정적인 영향을 미치고 있다는 사실을 인지하시기를 바라며 오늘 살펴봤던 내용으로 인해 밸브 오버랩에 대한 지식이 조금이나마 늘어났기를 바랍니다.