GDi 엔진이란? 직분사 엔진이란? FSi 엔진이란?

최근 쏘나타, 아반떼, K5 등 신형 현대기아자동차에 직분사 GDi 엔진이 채택되면서

직분사 엔진에 관한 관심이 높아지고 있습니다.

이쯤되서 등장하는 바로카의 웹진~ 이번엔 직분사편 입니다. ^^

 

직분사 엔진은 사실 현대자동차가 에쿠스 시절에 이미 사용했던 엔진입니다.

초기 에쿠스 V8 4,500cc 급 엔진이 바로 직분사 엔진 입니다

V8 GDi 라는 이름으로 사용되었던 이 엔진은

현대와 함께 에쿠스를 개발했던 미쓰비시(에쿠스는 일본내에서 미쓰비시 프라우디아로 판매되었습니다)의

기술로 도입된 시스템으로 GDi 는 Gasoline Direct Injection 의 약자입니다.

말 그대로 가솔린을 직접 분사해주는 '직분사' 타입 인 것이지요

하지만 당시 국내 휘발유의 품질문제등으로 잦은 고장을 일으키고,

4,500cc 급의 수유가 거의 없었던 상황에서 결국 에쿠스의 GDi 엔진은 단종되었습니다.

그리고 10년이 지난 지금에 와서야 다시금 GDi 를 출시하게 된 것 입니다.

 

GDi 엔진은 여타 메이커에서는 이미 많이 사용하고 있습니다. 국내에서는 현대자동차가 최초이구요

수입차량들을 보면 예를 들어 '아우디 3.2 FSi' 등으로 FSi 라고 붙는 차종이 모두 직분사 엔진입니다.

GDi 와 명칭은 다르게 사용하지만 FSi 는 Fuel Stratified Injection 으로 역시 연료를 직접 뿌리는 직분사 이구요

메이커마다 직분사엔진의 명칭을 조금씩 달리하는 차이 입니다.

 

일반적으로 자동차는 대부분 '4행정(스트로크) 싸이클' 엔진이 탑재됩니다.

흔히 이를 줄여서 '4행정(스트로크)' '4싸이클' 등으로 부릅니다만 결국은 모두 '4행정(스트로크) 싸이클' 을 의미하는 말 입니다.

편의상 본문에서는 '4행정' 으로 표기하겠습니다.

4행정 엔진은 흡입-압축-폭발-배기 라는 4가지 행정으로 이루어져있고 엔진이 2회전할때 (정확히는 엔진 크랭크샤프트가 2회전할때)

이 4가지 행정을 모두 마치게 됩니다.

 

왜 갑자기 복잡하게 행정까지 설명을 하느냐?

바로 직분사 엔진과 일반엔진의 차이가 이 부분에서 설명이 되기 때문입니다

일반적인 엔진은 '흡입' 행정에 공기와 연료가 섞인 '혼합기' 를 실린더내로 흡입하게 되고

이를 압축한후 플러그에서 불꽃을 튀겨서 폭발시킨후, 배기밸브를 통해서 머플러로 내보내게 됩니다.

반면 직분사 엔진은 '흡입' 행정에는 순수 공기만을 흡입하고

이 공기를 압축한 다음에 공기가 압축되어 있는 실린더내부로 직접 연료를 분사하게 됩니다.

이쯤되면 센스있는 분들이라면 알아차릴 수 있는 부분! 바로 디젤엔진과의 유사성 입니다!

디젤엔진도 흡입행정에 공기만을 압축한후 압축된 공기에 연료를 분사하게 되지요.

하지만 둘의 차이점이라면 디젤엔진은 압축된 공기의 열에 의해서 압축착화 되지만

휘발류 엔진은 플러그를 통해 불꽃을 일으켜서 폭발시킵니다.

여기서 디젤의 오토싸이클이니 사바테싸이클이니는 설명치 않겠습니다 ^^; 어디까지나 참조만..

 

 

자, 그럼 일반엔진과 직분사 엔진의 기능적 차이는 크게 저렇다고 보면

왜 둘의 성능과 연비등의 차이가 그렇게 나는가를 알아보겠습니다.

우선, 일반엔진은 이미 연료와 공기가 섞인채로 들어오게 됩니다.

이 때문에 이미 흡입된 혼합기에서 연료의 량을 상황에 따라서 조절하는 것은 불가능 합니다.

즉, 혼합기로써 이미 공연비(공기vs연료비)가 결정되어 들어왔음으로

상황에 따라서 연료비율을 즉각즉각 바꿀 수가 없습니다

반면 직분사 엔진은 상황에 따라서 연료의 분사량을 조절할 수 있다는 장점이 있습니다.

실제 그리고 이는 상당히 중요한 부분이 됩니다.

바로 휘발류 엔진은 플러그에서 불꽃을 튀어서 폭발을 하게 되는데,

이때 점화지연시간+착화지연시간+화염전파 시간이란게 존재합니다.

이미 연료가 들어있는 상태임으로 이러한 점화시간에 대한 변동.. 즉 점화타이밍이 자유롭지 못합니다

결국은 고회전차량이라면 고회전에 맞는, 저회전 차량이라면 저회전에 맞는 셋팅밖에 되지 못하겠지만

직분사 엔진이라면 연료분사타이밍의 미세한 조정을 통하여 이들을 모두 만족시킬 수 있다는 것 입니다.

이를 테면 저회전에서는 폭발행정 직전에 연료를 분사하고,

고회전에서는 압축행정에서 이미 연료를 분사하고 하는 식으로 말이지요

또, 직분사 인젝터에서 분사되는 연료는 플러그에서 가까운 곳에 분사되게 됨으로

점/착화지연시간, 화염전파 시간을 극단적으로 줄일 수 있으며,

이는 결국 연소효율을 높여서 출력을 높이고, 연비를 향상시킬 수 있게 됩니다.

상황에 따라서는 연료의 분사압을 높여 실린더 벽쪽으로 세게 분사하여 공기와의 섞임을 좋게 할 수도 있구요

(점화의 ATDC 몇도 BTDC 몇도, 회전각도 몇도 등의 자세한 설명은 하지 않겠습니다 ^^)

 

또, 자동차를 주행하실때 엑셀을 밟고 있는 경우도 있지만,

감속등을 위해서 엑셀레이터에 발을 때고 있을때도 있으며, 정속주행을 위해서 살짝만 밟을때도 있습니다.

엑셀을 거의 밟지 않고 있거나 아예 발을 때고 있을때에는

엔진 실린더내로 들어가는 혼합기량을 조절하는 쓰로틀이 거의 닫혀있게 되고,

실린더 내부는 거의 진공에 가까운 상태가 됩니다

마치 주사기의 입구를 막고 주사기를 빼려하면 잘 안빠지듯이 말이지요

이때에는 엄청난 저항으로 작용하게 됩니다. 엔진은 이러한 펌핑로스(Pumping Loss) 로 인해서 많은 출력을 잃게 됩니다.

그럼 이러한 펌핑로스를 줄이기 위해서 쓰로틀 밸브를 열어두면 되지 않느냐? 라고 할지 모르겠지만

일반적인 엔진은 쓰로틀밸브를 통해서 혼합기가 들어갑니다. 즉 연료도 함께 들어가지요

이때문에 연료가 계속 들어가게 되기에 이러한 것이 불가능 합니다

반면, 직분사 엔진은 쓰로틀을 열어두더라도 공기만 들어가게 됩니다

직분사 인젝터에서 실린더내로 연료분사를 하지 않으면 그만이니까요 ^^

정속주행시에는 쓰로틀을 일정하게 열어놓은 상태에서 최소한의 연료만을 공급하여

완전연소에 가깝게 만들게 됩니다. 이 때문에 정속주행시 연비가 매우 좋아지게 됩니다.

이상.. 직분사 엔진에 대해서 간단히 설명해보았습니다
(허락받은후 퍼온 글 입니다)