자동차 신기술 #1 - Dual Injection

  자동차에서 신기술이란 아디이어 컨셉 수준에서 어떻게 실제로 구현할 것인가의 선행 기술이 있고, 양산까지는 되었지만 많은 메이커들 모두 양산 적용하지는 않은 기술 수준으로 구분해 볼 수 있다.

 

  앞으로 자동차 신기술에 관해서 하나의 아이템씩 글을 적어볼 계획이다.

 

 

  

 

 

 

 

  오늘 포스팅을 하게될 Dual injection (듀얼 분사) 기술은 이미 양산까지는 적용된 기술이지만, 많은 이들에게 생소하게 느껴질 수 있다. 현재 양산되는 엔진은 펌핑 로스(Pumping loss)를 줄일 수 있다는 장점 때문에 흡기, 배기 각각 2개의 밸브가 있는 DOHC가 기본이 되었으며 요즘 엔진은 흡기 포트 쪽 흡기 밸브가 2개가 있고 인젝터가 1개가 장착되어 있다.

 

  하지만 위에서 언급한 Dual Injection은 인젝터 1개가 아닌 2개를 각 흡기 밸브에 설치한 기술을 지칭하는 것으로 아래 그림과 같이 실린더 헤드가 구성되어져 있다. 요즘 가솔린 엔진의 경우 GDI (Gasoline Direct Injection) 엔진이 대세를 형성하는 가운데, 이 Dual injection은 PFI (Port Fuel Injection) 엔진의 기술이다.

 

 

 

  Dual Injection의 핵심은 아래 그림에서 볼 수 있는 분무 기술이라고 볼 수 있다.

왼쪽은 Dual Injection에서 1개의 인젝터에서의 분무 가시화 사진이며, 오른쪽은 기존 PFI의 분무 사진으로써 양쪽을 비교한 것이다. 기본적으로 분무 사진에서 확인할 수 있는 것은 분무각(spray angle)과 분무도달거리(spray penetration length)인데, 마찬가지로 아래 2개의 사진을 분무각과 분무도달거리를 이용해서 비교해보면 분무각은 왼쪽이 넓고, 분무도달거리는 오른쪽이 길다.

 

  Dual Injection 경우에는 1개의 인젝터가 각 흡기 포트의 직경에 맞춰서 분사를 해주면 되기 때문에 분무각을 크게 가져갈 수 있고, 결국은 분무도달거리도 짧아지게 된다. 하지만 기존 PFI 경우 1개의 인젝터에서 분사된 연료가 2개의 흡기포트로 나뉘어서 실린더 안으로 들어가야 하기에 그림과 같이 두 갈래의 분무 줄기가 형성되며 각각의 분무각은 좁아지고, 분무도달거리는 길어진다.

 

분무도달거리가 길어진다는 것은 분사된 연료가 흡기포트나 밸브 등에 액상으로 흥건하게 묻는 Wall-wetting(혹은 Wall-film) 현상이 발생하게 되고, 결국에는 HC, CO 등의 배출가스 증가와 연비 측면에 불리하다.

 

Dual Injection은 이러한 단점을 보완하여 Emission 저감과 4%의 연비 향상을 얻을 수 있다고 한다.

 

     <Dual Injection>           <기존 Port Injection>

 

  그 밖에 자동차 사업의 전략적인 측면에서 보자면 기존 PFI 엔진에서 흡기포트 내 인젝터만 1개더 설치를 하면 되기 때문에 구조의 경량화, 그리고 심플한 설계에 도움이 된다.

 

  GDI의 경우 흡기포트에서 분사된 연료와 공기의 혼합기가 실린더로 들어가는 것이 아니라, 실린더 내에서 연료를 분사한다. 따라서 높은 압력이 형성된 실린더에서의 연료 분사를 위하여, 액상의 연료를 작은 액적(droplet)으로 잘게 미립화하기 위해서 고압의 연료 펌프가 필요하며 그에 따라 분무도달거리 또한 길어지게 된다. 이 때문에 현재 GDI 엔진은 Bore size(실린더 직경)를 작게 가져가는 데 한계가 있으며, 이는 small engine에 적용하기 어렵다.

 

  이러한 GDI의 틈새를 Dual injection이 메워줄 수 있는 것이다. 배기량이 작은 엔진에 적용이 가능하며, 배기 규제를 만족시킬 수 있는 PFI 엔진 수요에 대응할 수 있다. 대체로 자동차 기술 수준이 높은 선진 기술 국가는 배출가스 및 연비에 대한 규제가 강하기 때문에 GDI 기술이 필수에 가깝지만, 이외의 개발도상국에서는 PFI 엔진에 대한 수요가 있기 마련이다.

 

  현재 Dual Injection은 2009년 7월 Nissan에서 Dual injection system에 대한 press conference를 통하여 소개하였으며, 2010년 Denso에서 양산을 시작하여 세계에서 처음으로 Nissan 신형 가솔린 1.5L SUV '쥬크'에 적용되어 있다.

 

* 기술 효과    : 연비 향상(4%) 및 emission 저감

* 전략적 효과 : 구조의 경량화 및 심플한 설계

* 시장 분석    : GDI 적용하기 어려운 small engine에 적용 가능

                         배기 규제를 만족시킬 수 있는 PFI 엔진 수요 대응 가능