오랜만에 차량에 대한 제대로된 포스팅 글 올리네요. 요즘 말많고 탈 많은 GDI엔진 고찰에 대해 말해보고자 합니다.
오늘날 많은 자동차 제조사들은 GDI와 같은 직분사 엔진을 탑재합니다. 직분사 엔진 방식은 디젤 차량의 경우 CRDI, LPG 차량의 경우 LPGDI로 불리며 그 중 금일가솔린 직분사 방식의 엔진인 GDI 엔진에 대해서 설명 해드릴까 합니다.
GDI 엔진은 어떻게 시작되었을까?
GDI 엔진의 이론은 약 100년전인 1925년 스위스 엔지니어 조나스 헤셀멘이 개발했습니다. 보쉬에서 1952년 처음 자동차에 적용했고, 1955년에 벤츠에서는 300SL 모델에 GDI 엔진을 장착해서 출시했습니다. 이후 1996년 일본 미쓰비시 자동차에서 GDI 엔진을 적용하면서 양산되기 시작했습니다. 이 최초 모델이 국산 각 에쿠스 4.5 GDI 엔진 이였죠. 뭐 물론 내구성 때문에 조기 강판당하고 MPI로 바뀌긴 했다만...
가솔린 직분사 GDI 엔진의 개념
먼저, 일반적인 엔진에 대해서 간단히 이야기해 봅시다.
엔진에 연료를 공급하는 대표적 방법은 혼합기를 만들어 실린더에 주입하는 것이 있습니다. 하지만 연료와 공기의 혼합이 제대로 안 될 경우, 불완전 연소가 일어나 연비와 출력이 떨어질 가능성과 노킹이 생길 가능성이 생길 수 있습니다.
이에 개발된 린번 엔진은 실린더에 공기를 많이 넣고 적은 양의 연료를 연소시키면 불완전 연소의 가능성이 줄들 것이라는 생각에서 시작됐습니다. 그러나 린번엔진 역시 혼합기를 조성하여 실린더에 주입하는 방식이라 여러 한계가 있었고, 이에 흡기행정에 공기만 넣은 후 인젝션을 통해 가솔린을 연소실에 직접 분사하는 엔진, GDI 엔진이 등장하기 시작했습니다. GDI는 Gasoline Direct Injection의 줄임말로, 직접연료 분사방식이라고도 합니다.
GDI 엔진 구성요소
GDI 엔진은 연료를 연소실에 직접 분사시키는 인젝터, 피스톤 그리고 흡기 밸브, 배기 밸브로 구성되어 있습니다.
또한, GDI 엔진의 피스톤 헤드 형상은 일반 엔진과 비교해 조금 다릅니다. 일반 엔진의 경우, 피스톤이 평평하거나 살짝 볼록 튀어나오거나 오목하게 들어간 모양에 밸브 홈이 파여 있는 데 반해, GDI 엔진의 경우, 중앙부가 오목하게 들어가 있는 경우가 있는데, 이는 분사되는 연료가 한 곳에 뭉쳐있지 않고 연소실 내에서 골고루 퍼질 수 있도록 하기 위함입니다.
GDI 엔진의 작동원리
운전자가 시동을 걸면 상단의 고압 펌프에서 연료를 밀어 넣어줍니다. 그리고 연료 커먼레일을 타고 인젝터까지 연료가 이동하면 실린더 안으로 연료가 분사되는 형태입니다. 이때 이 분사된 가솔린은 연소실에 있던 공기와 잘 섞인 채로 피스톤 상승 운동에 의해 압축되는데, 이 상태에서 점화플러그에 의해 공기+연료의 혼합기가 폭발하게 됩니다. 이후는 일반 엔진과 똑같이 배기밸브가 열리면서 배기가스가 열기와 함께 배출됩니다.
GDI 엔진의 특징
일반 엔진의 공기:연료 질량비가 약 14.7 : 1이라면, 린번 엔진은 최대 약 22~23 : 1입니다. 이에 비해 GDI 엔진은 약 25~40 : 1이라는 극히 희박한 혼합기 질량비가 가능합니다. 또한, GDI 엔진은 실린더 안에 강한 소용돌이를 발생시켜, 분사된 가솔린과 공기가 완전히 연소될 수 있게 도와줍니다. 따라서 연료 소비율과 배기가스 발생량이 감소하게 되는 효과가 발생하게 됩니다.
또한, 플러그 주변에 연료를 직접 분사하면 흡기 온도가 기화열에 의해 낮아지므로 혼합기의 충전 효율이 높아지고, 압축비 또한 높아지게 되는 효과가 있습니다. 흡기행정에 공기만 집어넣기 때문에 밸브 오버랩을 길게 해도 연료가 배기 되지 않으며, 터보 같은 과급기와의 궁합도 좋아 엔진 다운사이징에 활용되고 있습니다.