GDI 엔진기술 현황에 대해서 자세히 알아보자

GDI 엔진을 탑제한 차량을 살펴보고 있다.

GDI 엔진 기술 현황

(1) 엔진작동모드 - Low load : 공연비 30-40:1 이상의 희박 공연비 공급으로 성층 연소시키며 연료분사시기는 지연(late injection) 시킴. - High load : 이론공연비 또는 더욱 과농혼합기를 공급하고 혼합기가 균일하게 섞이도록 하며 연료분사시기는 앞당김 (early injection). - Part load : 20-25:1 정도의 희박 공연비가 균일하게 연소 (homogeneous lean burn) 되도록 하며 연료분사는 앞당김.

(2) 연소실내 혼합기의 혼합과정 ∙고난류(high level of turbulence)는 연료공기의 혼합을 촉진시키는데 매우 중요하며, 반면 평균 유동(mean flow or bulk flow)의 제어는 성층 혼합기의 안정성(stabilization)에 필요하다. ∙연소실내 유동의 특성을 제어하는 인자로는 ①mean flow 성분, ②mean flow 안정성, ③압축과정시 난류의 시간적 발전, ④점화 시 점화 플라그 전극 근처에서의 mean flow의 4가지가 가장 중요하다. ∙

 

GDI 엔진은 연료분사 인젝터와 점화플라그의 배열이 연소실 헤드의 형상과 함께 혼합기 형성에 필요한 시간과 공간을 결정한다. ∙인젝터를 점화플러그에 가깝게 설치한 close spacing 경우는 분무된 연료가 점화플러그의 전극에 직접 통과하며, 혼합기는 분무 에너지(spray-guided)에 의해 점화 플라그에 이동되므로 충진 된 흡기의 운동(charge motion)이나 연소실 형상에는 크게 지배받지 않는다.

 

또한 인젝터와 점화플러그의 사이 거리가 짧기 때문에 아주 작은 크기의 혼합기덩어리(plume)에도 점화가 잘되어 공연비가 100:1 이상 되는 초희 박성 층 연소가 가능하다. 그러나 혼합기를 형성할 수 있는 시간이 매우 짧아 미세한 입자의 연료 분무를 필요로 하며, 혼합기의 공연비 분포도 상당히 급격하게 변하므로 인젝터 성능, 분무 형상, 연소실 압력에 착화 성능이 크게 좌우된다.

 

또한 연료가 직접 점화플러그를 관통하기 때문에 점화플러그의 내구성, 저온시동시 문제 등도 해결하여야 한다. ∙인젝터와 점화플러그를 충분한 간격을 두고 설치한 wide spacing 경우는 인젝터의 설치가 자유로워 연소실 형상이나 열적 상태 등을 고려하기가 용이하다.

 

Close spacing에 비해 인젝터에서 분사된 연료가 점화플러그에 도달하는 거리가 길기 때문에 혼합기 형성을 향상시키기 쉬우나 반면 난류 변동(turbulent fluctuation)의 영향이 증가하면서 성층 혼합의 안정성(stratification stability)이 감소한다. 따라서 성층 안정성을 향상할 수 있는 연소실 형상이나 피스톤 상부를 개선을 통하여 연료 분무와 혼합기를 보존(wall-guided)한다. ∙

 

위의 두 경우 모두 스월(swirl)과 텀블(tumble)을 이용한 흡기 충진운동을 얻는다. 그러나 일반적으로 스월이나 텀블에 의해 얻어진 성능 차이는 spray- guided 또는 wall-guided 개념에 의한 변화보다 상당히 적기 때문에 흡기 충진 운동 개념은 우선적으로 엔진 연소실 형상에서 정한다.

 

현재 사용되고 있는 GDI엔진의 연소시스템을 도시하였다. 왼쪽의 close spacing, spray guided 방식은 초기 GDI 개념으로 주로 사용되었으며, 현재는 오른편의 wide spacing, wall/air guided 방식이 연구되고 있다. 또한 상부 그림의 스월을 이용한 충진 운동은 open chamber, cylindrical, reentrant bowl 연소실 등에 사용되며 지붕형 연소실에서는 텀블 (주로 역 텀블)을 이용한다. 또한 스월과 텀블을 혼합하는 방식이 효과적이라는 연구 결과도 발표되고 있다. ∙

 

최근 일본에서 발표된 도요다자동차의 연소시스템은 wide spacing, wall/air guided 방식이며, 미쯔비시 방식은 wide spacing, wall/air guided 방식이다.

 

GDI 인젝터의 역활은?

GDI 엔진에서 가장 중요한 핵심부품으로는 인젝터를 꼽을 수 있으며, 호주의 Orbital 사에서 2-행정 엔진에 사용할 수 있는 2 유체 분사기를 실용화함으로써 GDI 엔진이 본격적으로 개발되기 시작하였다. ∙

 

PFI 엔진에 사용되는 인젝터를 포함하여 일반적으로 인젝터에 요구되는 성능으로는 정확한 연료 유량 조절, 요구되는 분사 형상 구현, 분무의 대칭성, 연료누설이나 방울(drippage) 현상 방지, 최소한의 sac volume, 인젝터 간의 성능 차이 최소화 등이며, GDI 엔진용 인젝터는 여기에 추가하여 분무 미립화를 현저하게 향상할 수 있어야 하고, 동적 작동 영역(dynamic range) 확대, 퇴적물에 대한 대책, 공급연료와 주변 압력의 증가 시에도 안정된 작동, 2차 분무(secondary injection)를 유발하는 needle의 튐(bounce) 방지 등이 요구된다. ∙

 

GDI 엔진용 인젝터에서 요구되는 분무 미립도는 SMD 25μm 이하이며, 분사압력은 최소 4 Mpa 이상으로 미쯔비시는 5 Mpa, 도요다는 12 Mpa의 연료압력을 사용하고 있다. 또한 현재 가장 많이 사용되고 있는 인젝터 구조로는 needle-type, high-pressure, swirl-spray unit로서 분사 형상은 원추형(conical) spray 모양으로 분무된다.

 

GDI 엔진의 배출가스

PFI 엔진에서는 흡기관에 연료 액체 막을 형성하나 GDI 엔진에서는 근본적으로 이 문제가 없기 때문에 저온 시동시나 과도기운전시 연료공급에 따른 엔진 반응시간이 짧아 미연탄화수소(UBHC) 생성을 줄일 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 예를 들면 닛산에서 발표한 저온시동 결과를 보면 GDI 엔진은 시동 후 4 회전에서 공연비 14.5:1의 안정된 운전상태에 도달하였으나 PFI에서는 12 회전 후에야 공연비 13:1의 안정상태에 도달하였다.

 

또한 이와 같이 안정운전에 일찍 도달함으로써 촉매 온도를 빨리 상승시켜 촉매에 의한 HC 저감효과도 크다. ∙그러나 성층 연소에서는 근본적으로 저부하 운전에서 HC 생성이 많아지는 속성을 갖고 있다. 성층 혼합기에서의 화염 이동은 공연비가 농후한 중심에서 희박한 바깥쪽으로 전파되며, 이때 성층 혼합기의 경계지역 공연비가 너무 희박하면 화염이 소실된다. 따라서 혼합기 경계지역의 공연비 구배가 아주 급격(sharp) 하지 않으면 이 부분에 미연소 탄화수소가 남아 있어 전체적으로는 다량의 UBHC가 배출된다.

 

실제 GDI 엔진에는 아이들링 시 약간의 HC가 증가하나 부분부하에서는 상당한 양의 HC가 증가한다. ∙또한 고속 부분부하 시도 HC가 증가하나 이것은 충분한 혼합기 형성을 위한 시간이 부족한 것에 기인한다. ∙

 

PFI 엔진과 같은 균일 혼합기의 희박연소에서는 화학반응영역의 온도가 낮아 NOx 생성이 줄어드나, 성층혼합기가 형성되는 GDI 엔진에서는 전체 혼합기의 공연비는 희박하더라도 일부 농후한 부분이 있어 여기에서 높은 연소온도와 NOx를 생성하기 때문에 전체적으로 NOx 배출농도가 PFI에 비해 비슷하거나 높다. 또한 아이들링시 NOx 배출도 많으며 이것은 PFI가 느린 균일혼합기 연소과정으로 연소온도가 낮음에 비해 GDI 엔진은 부분적으로 이론공연비 혼합기 연소가 발생하여 높은 열 발 생율을 생성하는 데에 기인한다.

 

GDI 엔진의 개발 전망

DISC엔진에서 GDI, 혹은 DISI(direct injection spark ignition) 엔진으로도 불림, 엔진으로 기술의 이동 단계에 있었어 아직은 GDI 기술은 초기단계에 있다고 볼 수 있으며, 가능성과 의문을 확인하는 수준으로 상당기간 보완하고 개선하여야 할 내용이 많다. ∙

 

연료소비율: 미쯔비시나 도요다 자동차에서는 기존 PFI 방식 가솔린 엔진에 비해 연비가 25% 이상 향상되어 디젤엔진과 연비 경쟁이 가능하다고 발표하고 있으나, 선진국의 타 자동차 회사나 주요 연구기관들에서 분석한 결과로는 기존 가솔린 엔진에 비해 5% 정도의 연비가 향상되었으며 기술이 보완되어도 간접 분사식(IDI) 디젤엔진 수준까지 가능할 것으로 보고되고 있어 추가적인 연비 개선 노력이 필요하다.

 

공연비와 실화 문제: GDI 엔진은 최대 50:1까지의 상당히 희박한 공연비에서도 연소가 가능한 것으로 발표되고 있다. 이 값은 연소실에 공급된 전체 공기와 연료의 비(global air fuel ratio)이며 디젤엔진은 140:1 이상에서도 연소가 가능하다. 디젤 연료는 자발화 온도가 낮아 외부의 점화 에너지가 없어도 스스로 점화되며, 이와 같은 초희 박공 연비에서도 국부적으로 착화가 가능한 공연비가 존재하기 때문에 실화의 문제는 거의 없다.

 

그러나 가솔린 연료의 경우는 외부 점화 에너지(spark plug)에 의한 점화되기 때문에 점화플러그 주변에 착화 가능한 공연비(27:1 이하)를 공급하여야 실화가 발생하지 않으며 이를 위하여 특히 초희 박공 연비에서의 성층화 기술이 매우 중요하다. ∙

 

기존 PFI 방식에서는 삼원 촉매를 사용하였으나 GDI 방식은 희박 영역에서 작동하기 때문에 삼원 촉매기술의 적용은 부적합하다. 특히 NOx 저감이 큰 문제점으로 제시되어 있으며 현재는 lean NOx 촉매기술이 개발되기를 기대하고 있다. 또한 저부하 영역에서 분사된 연료가 직접 연소실 벽에 부착되어 HC가 다량 발생하며, 고부 하영 역에서는 디젤엔진처럼 매연이 발생하는 경우도 있어 이의 개선방안도 중요하다.

 

실용화를 위해서는 배기규제를 만족하여야 하는 것이 가장 시급하나 현재의 GDI 기술은 EURO-II 규제를 간신히 통과하는 수준에 와 있다. ∙이외에도 인젝터의 성능개선, 운전조건에 따르는 공연비 조절 등 여러 연구분야가 남아있으며, GDI 엔진 개발사의 발표 내용이나 기대치와 선진국의 타 자동차 및 연구소들의 분석에는 상당한 차이가 있는 것이 사실이다.

 

그러나 기존의 PFI 방식으로는 급변하는 자동차 기술 대응과 특히 디젤엔진 기술과 경쟁할 수 없는 것은 확실하기 때문에 현재로서는 GDI 방식이 가솔린 엔진에서 가장 가능성이 높은 장래 기술임을 전 세계적으로 인정하고 있으며 2000년 이전에 이 기술이 완성될 수 있을 것으로 기대하고 있다. ∙

 

GDI 엔진의 장단점 정리

장 점 - 연비(bsfc) 30% 향상되며 아이들링에서는 40%까지 가능 -저 옥탄가 연료로도 11:1의 높은 압축비 사용 -열손실 및 펌핑 손실 감소 -감속 시 연료 차단 -신속한 출발과 향상된 과도기 운전(transient response) -저온 시동 시 HC, CO 감소와 정밀한 공연 비제어

단점 - 성층 연소 제어의 어려움 -인젝터에 과도한 퇴적과 점화 성능 저하(ignition fouling) -저부하에서의 HC와 고부하에서의 NOx 증가 -삼원 촉매 적용의 한계와 lean NOx 촉매 적용의 어려움 -실린더 외경의 마모 증가와 입자상 물질 생성 -전기 소모량 증가 󰁾 PFI 희박 연소엔진은 GDI 방식으로 바뀌고 있으며 향후 가솔린 엔진의 가장 핵심이 되는 기술로 연구될 것이다.