한국어 : 직접분사식 가솔린 엔진
영어 : Gasoline Direct Injection
독일어 : Benzineinspitzung
목차
1 개요
가솔린(휘발유)을 사용하는 내연기관에서 연료 공급을 할 때 연료를 실린더에 직접 분사하는 형태. 연료 혼합 기체를 실린더에 주입하는 내연기관이 아니다.
2 상세
의외로 이론 자체는 오래된 편으로, 자동차의 중흥기인 1925년, 스위스의 엔지니어 Jonas Hasselman에 의해 실물이 제조되었다. 이는 혼합비가 매우 낮은 "희박한 혼합기"를 조성, 점화 플러그로 점화하는 방식이었다.[1] 단 이 Hesselman engine 엔진은 순수가솔린엔진이 아닌 디젤엔진과의 혼합(시동걸때는 가솔린으로 시동걸고 열받으면 디젤유이나 등유로 돌아가는식)이었고 이후 최초로 양산형 가솔린 직분사 엔진은 독일에서는 Junkers Jumo 210G 엔진과 Daimler-Benz DB 601엔진을 시작으로 이 엔진들의 후계자들(Jumo 210G, Jumo 211 , Jumo 213이나 Daimler-Benz DB 601, DB 603 , DB 605)이 가솔린 직분사식이었고 소련은 ASh-82FN(LA-5FN 이나 LA-7등에 쓰임)에서 적용되고 미국은 Wright R-3350 Duplex-Cyclone(B29의 엔진)의 후기형들이 가솔린 직분사식으로 제작되었다.
그리고 자동차에는 Bosch에서 시제차량에 1952년에 올려보고, 1955년 메르세데스-벤츠 300SL에 이용되어 최초로 직분사 엔진을 장착한 스포츠카가 되었고 1996년에는 미쓰비시 자동차에서 일반 승용차용으로 처음 양산하고 이후 여러 회사에서 여러가지 이름으로 출시된다.
본래 엔진에 연료를 공급하는 가장 대표적인 방법은 기화기(카뷰레터)에서 연료와 산소를 혼합하여 가스 상태인 혼합기를 만들어 실린더에 주입하는 형식인데, 이는 연료+공기 이기 때문에, 혼합이 제대로 되지 않을경우 불완전 연소가 일어나기 쉬우며, 연비와 출력이 떨어진다.
그렇다면 '실린더에 공기를 많이 집어넣어 적은 연료를 많은 공기로 태우면 불완전 연소가 쉽게 일어나지 않을것이다' 라는 개념에서 나온것이 린번엔진[2]이였다. 기존의 14.7:1의 공기:연료 비율에 비해 더 희박한 22~23:1의 혼합기 비율이 가능해졌지만, 이는 여전히 혼합기를 조성하여 실린더에 주입하는 방식이었기에 한계가 있었다.
여기서 흡기행정에 공기만 집어 넣은 후, 거기에 연료를 분사하여 혼합기가 되는 형태의 엔진이 만들어지게 된다. 이를 통해 린번엔진에 비해 높은 25:1에서 높게는 40:1 이라는 혼합비로, 연료가 매우 적게 들어가게 되어 이론상 거의 완전 연소가 가능하게 되며, 연료가 분사되며 기화되면 주위의 열을 빼앗기 때문에 연소실 내의 기온이 떨어져 혼합기 충전효율이 좋아지는 장점과 함께 연료의 혼합비율 조정을 통한 연비의 향상과 출력향상이 가능하다. 또한 불완전연소에 의한 질소산화물 양도 획기적으로 줄어들었다. 게다가 전술되어 있듯이 연료분사시 연료에 의한 냉각효과가 있기 때문에 고온에 의한 노킹도 방지한 수 있어 압축비를 높일 수 있다. 흡기행정에 공기만 집어넣기 때문에 디젤 엔진처럼 밸브 오버랩을 길게 해도 연료가 배기되지 않으므로 터보같은 과급기와의 궁합도 좋아 엔진 다운사이징에 널리 활용되고 있다. 또한 시동시 촉매온도를 쉽게 올릴 수 있어, 유럽 자동차 배기가스 규정인 유로 5에 대한 대응이 기존 엔진에 비해 편하다고 한다.
하지만 단점이 없는것은 아니다. 미세먼지 배출량이 유로 5 기준보다 높아 유로 6 에서는 가솔린 직분사 엔진에 디젤 직분사인 CRDI 디젤 엔진처럼 미세먼지필터를 의무적으로 장착한다고 한다.
게다가 연료가 적게 주입될수록 출력이 떨어지며, CRDI와 마찬가지로 인젝터 주위에 생기는 탄소화합물이 가솔린을 흡수하고 흡기밸브에 탄소 검댕이 쉽게 끼어 오래 운용할수록 출력과 연비가 점진적으로 떨어진다.[3] 1990년대 이후로 환경규제 때문에 많은 엔진들의 에어클리너 박스와 크랭크실이 연결되어 있고, 배기가스 재순환장치(EGR)가 사용되므로 실린더 하단으로 샌 혼합기/블로바이 가스/기화된 엔진오일/배기가스에 포함된 탄소 검댕 등이 흡기밸브에 달라붙는데, 기존 간접분사의 경우는 흡기밸브 앞에서 가솔린을 쏘기 때문에 흡기밸브가 연료를 직접 맞아 세척이 되지만, 직분사는 실린더에 직접 쏘므로 흡기밸브가 자가세척이 되지 않기 때문이다. 그래서 일정주기마다 스로틀 밸브와 흡기밸브, 흡기 매니폴드 등의 엔진 흡기기구 청소를 해 줘야 출력과 연비가 유지된다.[4]
시판되는 내부 청소용 연료첨가제 중에서 GDI나 CRDI 같은 직분사 엔진의 카본 제거에 특효라고 광고하는 제품들이 간혹 있는데, 이런 제품들이나 고급휘발유, 고급 엔진오일을 사용할 경우에는 엔진 내부의 슬러지는 청소가 되며 탄소 검댕의 발생량이 줄어드는 효과가 있을 수 있다. 그러나 직분사는 연료를 직접 실린더에 쏘며 흡기밸브에 엔진오일이 지나가지는 않으므로, 흡기밸브에 이미 쌓인 탄소 검댕에 대해서는 당연히 효과가 없다. 처음부터 저런 제품들을 계속해서 사용한 것이 아니라면 중간에 혹해서 사용하지 말고, 그 돈으로 일정주기마다 흡기기구 청소를 하는게 낫다. 흡기관에 분사하거나 엔진오일에 첨가한 후 블로바이 가스에 섞여 고착된 탄소 검댕을 제거해 주는 제품들도 시판되고 있는데, 효과는 있으나 슬러지와 탄소 검댕이 심하게 쌓인 엔진에 사용할 경우 떨어져 나온 슬러지가 덩어리져 오일 순환을 막는 경우도 있으니 사용에 주의해야 한다.[5] 그리고 아예 블로바이 가스 관을 따로 빼내어 블로바이 가스가 흡기관으로 들어가지 않게하여 따로 보관하는 캐치탱크도 시판되는데, 이런 제품을 사용하면 뒷처리는 귀찮아지지만 슬러지의 발생을 줄일 수 있다. 고회전으로 주행을 지속해 흡기밸브 온도를 상승시켜 흡기밸브 카본을 연소시켜 제거할 수 있다는 주장도 있다.
또 압축비가 기존의 멀티포트 인젝션보다 높은 경우가 많기 때문에 대체로 엔진의 진동과 소음이 커진다. 그리고 인젝션의 연료 분사압이 기존의 것 보다 높은 경우가 많아 그에 따른 소음이 생기는 경우가 많다. 배기온이 일반 엔진에 비해 높기 때문에 일반적인 엔진용 촉매는 쓰지 못하고, 고온에 대응 가능한 촉매가 필요하다고 한다.
여기 사용되는 인젝터는 디젤엔진에 쓰이는것과 같은 (엔진내부의 고 압력에 견딜 수 있는) 직분사 인젝터이며, 현재의 GDI는 그 옆에 점화플러그가 들어간다. 피스톤의 형상이 일반 엔진과는 다르다. 일반적인 엔진의 피스톤 형상인 평평하거나 살짝 볼록 튀어나온 모양에 밸브홈(밸브리세스)이 파여있는데 반해, 피스톤 중앙부가 오목하게 들어가있는 특징이 있다.
차세대 기술로 아예 디젤엔진처럼 강제로 압축착화를 일으키도록 플러그가 없는 가솔린 압축착화 엔진인 디조토 엔진역시 개발중이다. 단, 가솔린 압축착화기술을 적용한 엔진은 2010년 현재 양산된 차량에 적용되어 판매되지 않았다.
3 각 회사의 GDI
- 현대자동차 GDi(Gasoline Direct injection)[6]
- 토요타 D-4[7]
- 미쓰비시 GDI[8](Gasoline Direct Injection)
- 마쓰다 DISI(Direct Injection Spark Ignition)
- 포드 SCI(Smart Charge Injection)
- 제너럴 모터스 SIDI(Spark Ignition Direct Injection)
- 벤츠 CGI(Charged Gasoline Injection)
- BMW HPI(High Precision Injection)
- 폭스바겐 FSI(Fuel Stratified Injection)
- 포르쉐 DFI(Direct Fuel Injection)
- 르노 IDE(Injection Direct Essence)
- 알파로메오 JTS(Jet Trust Stoichiometric)
- ↑ 이 엔진은 스카니아,볼보,Tidaholms Bruk에서 이용됨
- ↑ Lean-Burn의 Lean은 '희박한' 이라는 뜻
- ↑ 출력/연비저하 속도가 느리므로 출력/연비저하를 체감하기는 어렵다. 차계부를 꼬박꼬박 쓰거나, 오랫동안 쌓여있던 흡기기구의 탄소를 제거하면 쉽게 알 수 있다.
- ↑ 현재 양산되는 시스템 중 토요타 D4-S나 3세대 아우디 EA888 엔진의 경우 MPI용 인젝터가 별도로 설치 되어있어 흡기밸브 세척이 필요 없다. 통상적인 생각과는 달리 이 MPI용 인젝터는 흡기밸브 세척을 위해 달린 것이 아니라 배출가스 저감, 아이들 시 소음 감소 등의 목적으로 달린 것으로, 흡기밸브 세정은 부수적인 이득에 가깝다. 비용 문제로 듀얼 인젝션은 일부 제조사에서나 사용하고 있으므로 듀얼 인젝션을 사용하지 않는 것이 비판의 대상이 되기는 어렵다.
- ↑ 엔진오일에 첨가제를 넣을 때는 첨가제와 기존 엔진오일이 어떻게 반응하여 엔진에 어떤 영향을 미칠 지는 아무도 모르니 조심해야 한다. 이 때 단순히 사용기만 참고해도 부족한데, 이는 느낌과 데이터가 동떨어져있는 경우도 많기 때문이다. 게다가 환경을 위해서 엔진오일에 요구되는 물성이 갈수록 혹독해져가고 있는 추세이므로 첨가제를 사용할 경우 엔진오일 규격을 오히려 맞추지 못할 확률도 있다. BMW 엔진의 경우 첨가제를 사용하다가 가변 밸브 타이밍 기구가 완전히 맛가는 경우도 있으며, 국산 엔진도 첨가제나 규격 외의 엔진오일을 사용하다가 촉매가 털려버리는 일이 잦다. 이 때문에 덕력이 높은 차덕후 중에는 첨가제와 소규모 기업의 엔진오일을 불신하는 사람들이 많다.
- ↑ 초기에는 미쓰비시의 GDI를 도입했으나, 이후 마지막 대소문자만 바꿔 GDi라는 명칭으로 미쓰비시의 것과 별개의 시스템을 사용하므로 따로 분류함.
- ↑ 엄밀히 말하면 직분사와 포트분사를 병행사용하는 시스템. 디젤은 뒤에 D가 더 붙어서 D-4D가 된다.
- ↑ 96년 부터 양산시작.