타이밍 벨트 VS 타이밍 체인, 당신의 선택은? 핵심은 ‘밸브’에 있다

자동차의 부품은 약 2만 개에 달합니다. 그 중 엔진에 약 5,000개 이상의 부품이 들어가고 있습니다. 특히 흡기밸브와 배기밸브가 열리고 닫히는 시기를 조절해주는 타이밍 벨트는 특별한 관리가 필요한 부품입니다. 재질에 따라 내구성과 관리법이 다른 타이밍 벨트, 특징부터 관리법까지 알아봤습니다.

자동차엔진에서 없어서는 안될 타이밍 벨트

타이밍 벨트는 크랭크축에 장착된 타이밍기어와 캠축에 장착된 타이밍기어를 연결해 캠축을 회전시키는 역할을 하는 벨트를 뜻합니다. 자동차의 엔진은 크게 실린더가 있는 엔진 블록과 흡기밸브, 배기밸브, 점화플러그 등으로 구성되어 있는 실린더 헤드가 있습니다. 그리고 이 엔진 블록의 실린더 내에서 피스톤이 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정을 하며 연결된 크랭크축을 회전시켜 동력을 전달합니다. 이처럼 엔진이 4행정을 하려면 흡기밸브를 열어 실린더 내부로 공기를 흡입해야 하고 폭발 후 잔여 가스도 배기밸브를 통해 배출해야 합니다.

그래서 크랭크축에 톱니로 된 풀리를 장착하고 실린더헤드 쪽에 위치한 캠축에도 풀리를 달아 이 들을 고무 벨트로 연결해 흡기 및 배기 밸브의 여닫는 시기를 제어합니다. 그런데 타이밍 벨트는 통상 고무 재질이어서 시간이 지나면 열에 의해 경화되어 끊어지거나 고무가 느슨해져 밸브 개폐 타이밍이 어긋나 엔진 출력이 떨어지는 등의 문제가 발생합니다. 따라서 주기적 점검과 교체를 해야 합니다. 

만약 교체시기를 놓치게 되면 타이밍 벨트가 끊어지면서 다른 엔진 부품들도 손상을 입을 수 있습니다. 타이밍 벨트의 교체 시기는 운전자의 습관에 따라 차이가 있지만 통상 6만km에서 8만km 사이에 교체하는 것이 좋습니다. 최근에는 이런 고무 벨트의 단점을 보완한 내산화 안정성 고강력 벨트가 등장해 최대 24만km까지 운행이 가능합니다.

현대차는 언제부터 타이밍 체인을 사용했을까?

타이밍 벨트는 교체를 해야 하며 교체 비용도 적지 않은 금액이 들어갑니다. 이러한 불편함을 줄이기 위해 금속재질로 된 타이밍 체인이 탄생했습니다. 타이밍 체인은 기존의 타이밍 벨트 구조에서 고무 벨트를 체인으로 변경한 것으로 기본적인 구동 원리는 동일합니다. 

고무 벨트 타입의 단점인 내구성을 강화해 이론상 반영구적으로 사용할 수 있습니다. 현대자동차는 2004년 독자 개발한 세타 엔진에 처음으로 타이밍 체인 방식을 사용했습니다. 현대자동차 차종으로서 최초로 적용된 것은 4세대 NF 쏘나타와 4세대 그랜저 TG 등 이었고 이 후 미국과 일본 등의 유명 자동차 제조사에서도 사용되며 그 우수함을 세계적으로 인정 받았습니다.

벨트 타입과 다르게 타이밍체인은 엔진오일이 윤활 및 체인의 장력을 조절해줘 금속과 금속이 맞물리는 소음은 거의 없습니다. 하지만 타이밍 체인은 고무보다 무거운 금속 재질이기 때문에 체인의 장력을 유지해주는 텐셔너도 내구성이 높은 제품을 사용해야 합니다. 따라서 엔진의 내구성을 확보할 수 있지만 중량이 무거워 집니다.

이 밖에도 엔진 오일을 교체 하지 않고 방치했을 경우 타이밍 체인의 냉각 및 윤활을 도와주는 오일제트(엔진오일을 분사해주 장치)가 오일 슬러지 등으로 막히는 상황이 생깁니다. 그럼 체인의 장력이 부족해져 소음이 발생하거나 출력에 영향을 미칠 수도 있습니다. 이처럼 타이밍 체인도 엔진 오일을 정기적으로 교체해주는 등 철저하게 관리를 해야 반영구적으로 사용할 수 있습니다. 물론, 15만km 또는 10년마다 점검 받는 것이 좋으며, 손상이 발생시 교체 할 필요가 있습니다.

놀라운 현대차의 밸브 타이밍 제어 기술

엔진은 저속일 때 분사되는 연료량과 들어오는 공기량이 적고 반대로 고속일 때는 연료량과 공기량이 많아야 합니다. 그러나 고속 회전시에는 공기가 실린더로 흘러 들어가기 전에 흡기 밸브가 닫히고 낮은 회전대에서는 밸브가 오래 열려 있어 연소되지 않은 연료가 빠져나가 버려 엔진의 성능을 저하 시킵니다.

그래서 자동차 제조사들은 타이밍 벨트로 밸브를 여닫는 시기를 조절할 수 있는 VVT(가변 밸브 타이밍) 엔진을 개발했습니다. VVT는 타이밍 벨트로 연결되어 작동해 항상 동일한 타이밍에 밸브가 개폐 됐던 기존 시스템과 달리 엔진의 회전수에 따라 밸브를 여닫는 타이밍에 변화를 주는 시스템입니다. 현대자동차는 1995년에 완성한 두 번째 독자개발 엔진 배타 엔진부터 VVT를 적용하기 시작했으며, 이를 통해 연비와 출력을 동시에 개선할 수 있었습니다. 

그래서 자동차 제조사들은 타이밍 벨트로 밸브를 여닫는 시기를 조절할 수 있는 VVT(가변 밸브 타이밍) 엔진을 개발했습니다. VVT는 타이밍 벨트로 연결되어 작동해 항상 동일한 타이밍에 밸브가 개폐 됐던 기존 시스템과 달리 엔진의 회전수에 따라 밸브를 여닫는 타이밍에 변화를 주는 시스템입니다. 현대자동차는 1995년에 완성한 두 번째 독자개발 엔진 배타 엔진부터 VVT를 적용하기 시작했으며, 이를 통해 연비와 출력을 동시에 개선할 수 있었습니다. 

이후, 2019년 9월 현대자동차는 세계 최초로 CVVD 엔진을 개발했습니다. CVVD는 밸브가 열려 있는 시간을 엔진의 동작 상태에 따라 가변하는 기술로, 밸브를 열고 싶을 때 열고, 닫고 싶을 때 닫을 수 있습니다. 기존 엔진들의 장점들만을 취한 궁극의 엔진, CVVD는 쏘나타 센슈어스에 최초로 적용됐습니다. 

CVVD는 캠의 회전 중심을 이동시키면 편심이 발생하고, 멀티 링크 구조물로 인해 회전 속도가 차이 나는 것을 이용했습니다. 예컨대 중심을 한쪽으로 이동시키면 밸브가 일찍 열려도 늦게 닫히고, 반대쪽으로 이동시키면 밸브가 늦게 열려도 일찍 닫히는 식입니다.

따라서 CVVD 기술은 출력이 적게 필요할 때는 흡기밸브를 압축 행정의 중후반까지 열어 압축 시 발생하는 저항을 감소시주며, 가속 주행 시에는 흡기 밸브를 압축 행정 초반에 닫아 폭발에 사용되는 공기량을 최대화해 엔진 토크를 향상시켜줍니다. 또한 유효 압축비를 4:1~10.5:1까지 탄력적으로 조절하는 것이 가능해 가변 압축 효과까지 얻을 수 있습니다. CVVD는 최적의 밸브 열림 시간을 구현해 엔진 성능이 4% 이상, 연비의 경우 5% 이상 향상되며 배출가스는 12% 이상 저감할 수 있습니다.

고객에게 최고의 주행경험을 제공하기 위해 단순한 타이밍 벨트 기술을 넘어 자동차 엔진 역사에 길이 남을 CVVD까지 개발에 성공했습니다. 이처럼 현대차는 미래 자동차 산업에서 기술 우위를 확보하기 위해 지금도 불철주야 개발에 매진하고 있습니다. CVVD 이후 어떤 놀라운 기술이 여러분을 찾아 길지 기대하셔도 좋습니다.