자동차 신기술 #3 - 가솔린 직분사 엔진 (GDI engine) Part 1

감마 1.6 T-GDI 엔진

  

 

  가솔린 직분사 엔진 (GDI engine)은 세상에 나온지 꽤 오래된 기술이다.

하지만 상용화 되는 데는 시일이 걸렸고, 어느 새 가솔린 자동차에는 기본적으로 탑재되는 기술이 되었다. GDI는 Gasoline Direct Injeciton의 약어로써 우리나라와 일본 메이커에서 두루 쓰이는 표현이며, 벤츠에서는는 CGI (Charged Gasoline Injection), GM에서는 SIDI (Spark Ignition Direct Injection), 아우디에서는 FSI (Fuel Stratified Injection) 등 다양하게 불리고 있다.

 

  직분사 엔진은 아래 그림처럼 실린더 내에 인젝터가 장착되어 있는 것이 특징이며, 실린더 내부에서 연료를 분사하고 점화 플러그에 의해 폭발시키는 매커니즘으로 작동하게 된다.

 

델파이 직분사 인젝터 출처 : 델파이 홈페이지

 

 

 

  가솔린 엔진의 연료 분사 기술에 따른 분류를 하자면 아래 그림과 같이 MPI, GDI로 구분할 수 있다.

MPI는 Multi Point Injection의 약자로 PFI (Port Fuel Injecition)라고 표현하기도 하는데, 흡기 포트에 장착된 인젝터에 의해 연료가 분사된다. 따라서 흡기 밸브가 닫히기 전에 연료를 분사시켜 실린더 내부에 공기와 연료의 혼합기를 공급해야 한다.

 

  반면에 GDI는 위에서 설명한 것과 같이 실린더 내부에 인젝터가 있어 흡기 밸브의 닫힘 시기에 영향을 받지 않고 원하는 시기에 맞춰 연료를 분사시킬 수 있다.

 

 

  그러면 GDI의 종류는 어떻게 구분할 수 있을까?

실린더 내부에 인젝터가 설치되기 때문에 그 위치에 따라 연료 분사 형태가 달라지게 된다.

 

  아래 그림을 보면서 설명하자면, 첫번째 그림은 피스톤 상단의 보울(Bowl) 형상에 맞춰 인젝터가 연료를 분사시키는 형태이다. 분사된 연료가 보울 형상에 따라(guided) 점화 플러그 근처로 연료를 모으며, 연료의 액적(Droplet)들이 피스톤과 충돌하면서 미립화 효과를 더 얻기위한 방법이다. 하지만 피스톤에 연료를 분사시키기 때문에 wall-wetting 과 같은 배출가스 측면에 불리한 점이 많다.

 

  두번째는 흡기 포트로 들어오는 공기의 흐름을 이용하여 연료를 분사시켜 점화 플러그 근처에 연료를 모으는 방법으로써, 피스톤 보울 형상과 함께 텀블(Tumble) 유동을 활용하는 것이다. 하지만 이것 또한 실린더 내 유동을 만들기 쉽지 않고, 압축 행정으로 피스톤이 상승하면서 유동이 깨지기 때문에 유동을 유지시킬 수 있는 시간이 짧기 때문에 여의치 않다.

 

  세번째는 점화 플러그 근처로 인젝터가 바로 연료를 분사시키는 방법이다. 최근에 가장 많이 연구되는 방법이며, 연료를 적절하게 점화 플러그 근처로 어떻게 분사시킬 것인지가 기술의 핵심이다.

 

 

  지금까지 GDI의 하드웨어 측면에 대해서 언급을 하였고, 이제부터 제어 관점에서 살펴보기로 하자.

 

  아래 그림을 보면 동일한 하드웨어 구성인데 반해 실린더 내부의 연료비 구성이 다르게 나타나고 있다. 그림의 녹색 영역은 공기와 연료의 비율이 이론공연비 (14.7 : 1, Lambda=1)라고 보면 된다. 왼쪽은 혼합 연소 (Homogeneous combustion)로써 실린더 내부가 고루 혼합되어 있음을 보여주며, 오른쪽은 성층 연소 (Stratified combustion)로써 점화 플러그 부근만 상대적으로 농후하게 나타나며 그 주위로는 희박한 혼합기로 채워져 있다.

 

  현재까지 GDI엔진의 제어 기술은 혼합 연소를 기본으로 하고 있다.

압축행정에서 연료를 분사하고 공기와 연료가 혼합될 수 있는 시간적 여유를 확보한 후에 아래 그림처럼 전체적으로 이론공연비에 가깝게 조성되었을 때 점화 플러그에 의해 폭발을 시키게 된다.

 

  하지만 성층 연소는 점화플러그 주위만 농후하게, 그 주위는 상당히 희박하게 조성시킨 후에 점화 플러그에 의해 점화가 되면서 그 주위로 화염이 전파하면서 연료를 태우게 된다.

 

  그림의 녹색 영역이 이론공연비 영역으로 봤을 때, 그만큼 혼합 연소보다 성층 연소일 때 연료 소모가 적어진다. 이렇게 발전된 기술이 린번 엔진 (Lean burn engine)이다. 연료를 더 적게 태우면서 연비 향상 및 배출가스 저감의 2마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 기술인 것이다.

 

  하지만 아직 성층 연소는 한계가 뒤따른다.

 분사된 연료를 아래 그림처럼 점화 플러그 주위로 잘 모을 수 있는 기술이 필요하며, 우선 점화된 지점에서 그 주위로 화염이 고루 잘 전파가 되는 기술 또한 필수이다. 그리고 점화 플러그 주위로 상대적으로 농후하게 연료를 모으기 때문에 점화가 되었을 때, 이 영역에서 검은 입자상 물질(PM, soot) 등이 발생할 여지가 많다. 현재 이렇게 발생한는 입자상 물질을 어떻게 처리해주느냐가 가장 관건이며, 이 문제가 해결된다면 조만간 성층 연소가 대세가 될 것이다.

 

혼합연소(Homogeneous mode)  성층연소(Stratified mode)

 

 

지금까지 살펴본 직분사 엔진의 장점은 무엇일까.

 

 

  먼저, 액상의 연료를 실린더 내부에서 분사시키기 때문에 분사와 동시에 연료가 증발되면서 잠열을 필요로 하게 된다. 그에 따라 공기가 냉각되면서 더 많은 공기가 실린더 내부로 들어갈 수 있다. 이것이 체적 효율 (Volumetric efficiency)이다. 이렇게 동일한 배기량에서 공기를 더 많이 넣을수록 압축비가 상승하게 되고, 그에 따라 엔진의 성능이 향상되며 효율이 좋아지는 효과를 얻을 수 있다.

 

  두번째는 연료 분사 타이밍의 제한을 받지 않는다는 점이다.

기존 PFI 경우에는 흡기 밸브가 닫히기 전에 연료 분사를 끝내야 한다는 제약이 뒤따르지만, GDI는 실린더 내부에서 연료 분사가 이루어지기 때문에 흡기 밸브가 닫히는 시점 이후에도 연료 분사가 가능하다. 이러한 장점은 고속 운전에서 크게 발휘되는데, 엔진이 고속으로 운전하게 되면, rpm 상승에 따른 흡기 밸브의 열려있는 시간이 절대적으로 짧아지게 된다.

  결국 PFI는 그 짧은 시간 안에 연료 분사를 마치고 연료와 공기를 혼합시켜 실린더 내부로 넣어줘야 하는 부담이 뒤따르지만, GDI는 연료 분사 시간 확보를 충분히 할 수 있어 고속에서 큰 장점을 갖는다.

 

 

그리고 이어질 내용은 다음 Part 2에서 계속!