자동차 블로그
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GDI는 Gasoline Direct Injection, 즉 가솔린 연료를 직접 실린더 내로 고압으로 압축한 뒤 분사하는 방식을 말합니다.
자연흡기(NA라고 함)에 비해 직분사는 연료를 분사하는 양을 ECU, 센서, 액추에이터(주로 솔로노이드나 피에조 방식)로 제어합니다.
연료를 고압분무인 인젝터(Injector)를 사용하여 분사하면 연료의 기름방울을 그냥 분사할 때보다 몇 배에서 몇 십배까지 가늘고 작게 만들 수 있습니다. 그 만큼 짧은 연소순간에 반응에 참여할 수 있는 표면적이 넓어지니까 힘도 세지고 연비도 좋아집니다. 요즘은 이산화탄소 배출량이 많은만큼 탄소세를 더 내야 하므로, 자동차 회사는 그만큼을 자동차 판매가에 부담시켜야 합니다. 그럼 경쟁력이 떨어지죠. 또한, 연비와 파워가 경쟁사의 차에 밀리면 판매도 떨어지구요. 그래서 요즘 트렌드는 배기량이 작은 엔진, 기통수가 적은 엔진쪽으로 가고 있습니다. 이미 디젤은 커먼레일이 직분사기술이고 거의 모든 디젤엔진들이 직분사를 채택하고 있지요. 이제 가솔린도 그 방향으로 가는 겁니다.
직분사 기술은 단점도 있습니다. 고압으로 압축한 연료를 뿌리는 만큼 연료가 분무되면서 어디는 진하고 어디는 희박하고 합니다. 기름 방울도 가벼워서 미세한 흡배기 유동오차에도 불완전연소로 매연이 발생합니다. 직분사된 연료는 이론상 실린더 안에서 완전하게 태우기 어렵습니다. 고온이 아닌이상. 그러데, 순간 연소에 참여하는 표면적이 넓어 연소반응시 열도 더 많이 발생합니다. 연료의 품질이 나쁘면 노킹이 생기죠. 폭발압력도 자연흡기엔진보다 세기 때문에 사소한 공연비 오차느 유속, 유량오차에도 아주 민감하게 반응합니다. 연료를 고압펌프로 보내는데 고압펌프를 통해 지나가는 연료라인에 불순물이 끼거나 유동성이 생기면 실린더의 피스톤들이 부정확하게 동작하므로 그 편차로 엔진부품들이 쉽게 파손됩니다.
직분사 엔진은 자연흡기 엔진에 비해 더 적은 실린더 크기와 실린더수로도 더 큰 힘을 피스톤에서 만들어내고 그 힘의 변화도 매우 큽니다. 이 힘의 변화가 큰 순간에 변속기가 변속을 하게 되면 충격량도 그만큼 크지요.
요즘 엔진들은 거의 대부분 배기가스를 한번 더 흡기로 넣어서 태우는 EGR이란 공정을 사용합니다. 직분사엔진은 자연흡기 보다 매연이 기본 생긴다고 말씀드렸는데 이 매연이 EGR과정을 통해 상당량이 엔진안으로 되먹이 된다고 보시면 됩니다. 시내를 자주 주행하는 경우라면 연료나 흡배기 기류의 유동성 오차가 큰데다 EGR과정서 오염이 누적되기 쉽습니다. 엔진을 자주 청소해주거나 오차와 불완전연소가 생기를 원인을 줄여주지 않는한 자연흡기에 비해 불리한 점을 가지고 있지요.
제가 매연이라고 적었지만 사실 눈에 잘 안보이는게 대부분입니다. 이유는 직분사 압력이 클 수록 기름방울 크기도 작어서 연소순간에 불완전연소가 되더라도 그 크기가 매우 작기 때문입니다. 매연검사장비에서 측정할 수 있는 크기는 10PM이라 하여 10미크론 이상입니다. 이 정도면 머플러 안쪽을 손가락이나 휴지로 닦아보면 그을음이 나타나고 눈으로 보기에도 매연이 보이죠. 하지만, 직분사엔진에서 발생하는 매연은 대부분 눈에 보이지 않을 정도로 크기가 작습니다. 그래도 머플러 안쪽에 층층이 퇴적이 되니 닦아보면 그 수준을 알 수 있습니다. 공연비 오차, 불완전연소 등에 민감하게 피스톤이 반응하는 만큼 그 유격때문에 엔진오일이 빨려들어옵니다. 그렇게 빨려들어온 오일도 완전하게 타지 않으므로 매연과 뒤엉키면 슬러지가 되지요. 그런 슬러지가 엔진내 센서와 액추에이터(밸브나 인젝터를 움직이는) 등을 오염시켜 오차를 더 나게하고 부품의 수명을 단축시킵니다. 오차가 커질수록 피스톤, 피스톤에 물려있는 여러 부품들에 무리한 힘이 가게 되고 심하편 파손되는 것이지요.
요약하면, 직분사기술은 작은 엔진에서 큼 힘을 만들고 연비도 좋지만, 대신 오차에 매우 예민하게 반응하므로 관리를 소홀히 하거나 질나쁜 연료를 주입하면 내구성이 떨어지고 파손되기 쉬운 단점이 있습니다. 정밀한 제어를 위해 전자화가 많은 만큼 전자제어장치들의 오차를 상시 정비하고 질나쁜 연료를 주입하지 않도록 하며, 소모품인 필터나 엔진오일을 상태가 나빠지기 전에 교체하는 노력이 필요합니다.
고속도로에서는 황사등에 실려오는 미세먼지, 타이어 마찰로 인한 금속성 물질등이 흡기필터에서 다 걸러지지 않고 유입되어 엔진을 망가뜨리거나 오차를 키워 파손에 이르는 경우도 종종 알려져 있습니다. 이런 오염에도 자연흡기보다 직분사가 좀 더 민감합니다. 작은 엔진에 더 큰 파워를 낸다는 것이 효율면에서는 좋을 수 있으나 기계장치의 내구성면에서는 섬세한 관리가 필요합니다. 관리를 소홀히라면 소음과 진동이 커지는 문제도 있구요.
대중적인 자동차 브랜드 중 폭스바겐이 디젤뿐 아니라 가솔린 직분사 저배기량엔진이 유명한데, 폭스바겐의 차량들 놓고 조용하다는 것을 미덕으로 삼지는 않습니다.
직분사 엔진은 디젤이건 가솔린이건 그 원리는 비숫하며, 순간 발생하는 고열때문에 이를 냉각시키기 위한 엔진오일, 냉각수를 더 많이 요구합니다. 엔진의 실린더 주변까지 엔진오일과 냉각수가 더 깊이 들어가므로 엔진이 오버히트되면 변형이 잘오는 문제도 있습니다. 엔지오일과 냉각수의 양, 온도관리에도 유의하셔야 합니다.
보다 상세한 관리상의 문제점이나 개선에 대한 아이디어들은 제 블로그를 참고해서 보세요. 공부하는 학생이시니 바로 답을 얻기 보다는 각종 기술자료들에서 직접 언급하지 않거나 숨기고 있는 행간의 의미와 관계들을 잘 파악해 보셔야 합니다.
