GDI 엔진 특성과 고급휘발유 넣어야하는 이유

 

안녕하세요. Enertravel입니다.

오늘은 GDI 엔진 특성과 고급휘발유를 넣어야 하는 이유에 대하여 알아보겠습니다.

 

 

먼저 휘발유 제품에 대한 지식과 각종 품질문제의 원인에 대하여서는 아래 이전 발행글 링크를 참조해 주세요.

 

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GDI 엔진이란?

 

GDI 엔진은 Gasoline Direct Injection의 약자로 직접 분사식 가솔린 엔진입니다. 즉 가솔린을 실린더 내부에 직접 분사하는 방식입니다. 흔히 GDI 엔진이 문제가 많다고 하는데 GDI 엔진 이전에는 어떤 방식의 엔진이었는지를 짧게 알아보면 기존 방식은  MPI 엔진이라고 하며 Multi Point Injection의 약자입니다. 흔히 말해 간접 분사라고 합니다.

 

 

왼쪽의 GDI 엔진의 내부 모습과 오늘 쪽의 MPI 엔진의 내부 모습을 보시면 동그라미 부분인 인젝터의 위치가 다른 것을 보실 수 있습니다. GDI 엔진과 대비되는 엔진으로 PFI 엔진 또는 MPI 엔진이 있습니다. 이들 엔진은 GDI 엔진과는 달리 고압의 연료 혼합물을 실린더 상단의 연소실에 뿌려 직분사하는 것이 아니라 전용 인젝터를 통해 낮은 압력에서 각 연소실의 흡기 포트에 분사를 하는 간접 분사 방식 방식입니다. 인젝터란 간단하게 연료를 주입해 주는 장치로 사진 속 노란색이 바로 인젝터이죠. 즉 GDI 엔진은 실린더 내부에 연료를 직접 쏴 주는 방식이고요. MPI 방식은 흡기 밸브 상단의 흡기 매니플드 부위에서 연료를 분사하여 공기와 갈이 살린더에 들어가는 방식입니다. 이와 같이 간접 분사 방식은 연료와 공기의 혼합이 정확하게 컨트롤되지 않을 경우, 불완전연소가 발생하고 그 결과 연비와 출력이 현저히 떨어지는 단점이 있습니다.

 

 

GDI 엔진의 장점

 

1) 성능/효율성

 

GDI 엔진은 연료를 실린더 내부에 직접 분사하기 때문에 정확한 타이밍에 정확한 연료량을 분사할 수 있어 초희박 연소를 실현해 이론상 완전 연소 가 가능해져 연비의 향상은 물론 출력도 기존의 MPI 엔진에 비해 높습니다. 그리고 이 정확도는 자동차 엔진의 크기를 줄이면서 엔진출력을 증가시킵니다. 또한 분사된 연료가 기화되며 주위의 열을 빼앗아 실린더 내의 온도를 내려주는 역할까지 합니다. 이러한 장점들로 엔진의 압축비도 MPI 엔진에 비해 높일 수 있습니다. 높은 압축비는 그 자체로써도 토크 향상 등의 장점이 있지만 터보와 같은 과급기와의 궁합도 좋습니다. 터보와 같은 과급기를 장착하게 되면 배기가스로 인해 터빈이 회전할 때까지 일정한 엔진 회전수가 필요합니다. 즉 엔진이 일정 RPM 이상 회전해야 배기가스도 어느 정도 나와 터빈을 돌릴 수 있는 것이죠. 그렇게 때문에 일정 회전수 이하에서 터빈이 돌기 전까지 출력 저하 현상이 있는데, 높은 압축비로 인해 토크가 향상돼 저 알피엠에서도 출력을 어 느정도 상쇄할 수 있기 때문이죠. 이뿐만 아니라 흡기 행정에 공기만 집어넣기 때문에 밸브 오버랩을 길게 해도 연료가 배기되지 않는 점도 유리합니다.

 

2) 경제성

 

고압의 가솔린 연료를 연소실에 직접 분사는 연소 효율을 개선하여 연료 소비를 줄이고 비용을 절감하고 배출 가스로 인한 환경 영향을 최소화하며 실린더 온도를 낮춥니다. 결과 적으로 더 낮은 온도는 압축비를 개설하여 동일한 양의 연료에서 더 많은 출력과 경제성을 제공합니다. 일부 자동차 제조 업체는 gdi 엔진 연비를 15% 향상하면서 50% 더 많은 토크를 제공할 수 있다고 주장합니다.

 

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GDI 엔진의 단점

 

 

1) 흡기밸브 Carbon Deposit 

 

 

GDI 엔진의 높은 출력은 양날의 칼입니다. 필요한 옥탄가보다 낮은 옥탄가의 휘발유가 주유되게 되면 노킹(이상연소) 현상이 발생하게 되고 카본 또한 점점 쌓여가게 됩니다. 흡기 밸브에 쌓이는 카본이 문제입니다. 왼쪽의 사진 속 흡기밸브에 카본이 쌓이게 되면 오른쪽 사진처럼 됩니다. 탄소 퇴적물은 GDI 엔진과 관련된 모든 장점을 상쇄시킬 수 있습니다. GDI 엔진은 고압의 가솔린 연료를 실린더로 직접 펌핑하기 때문에 흡입 공기와 블로백 카본의 먼지가 흡기 벽에 쌓입니다. 이렇게 생성된 탄소 축적의 결과로 실린더로 흡입되는 공기 흐름이 감소하고 그 결과 높은 토크와 좋은 연비라는 장점을 잃게 됩니다.

 

MPI 엔진은 흡기 밸브 위에서 연료가 분사되기 때문에 연료로 인해 어느 정도 씻겨나가면서 세정이 되고 연료 첨가제를 사용한다면 그 효과가 더욱 큽니다. 하지만 GDI 엔진은 실린더 내부에서 연료를 분사하기 때문에 흡기 밸브에 쌓이는 카본을 씻어낼 수 없습니다. 아무리 좋은 연료 첨가제를 사용해도 흡기 밸브에는 연료를 비롯한 첨가제 성분이 닿지 않기 때문에 카본 제거가 어렵습니다. 물론 일정 기간마다 엔진을 분해해서 세정하거나 물리적인 기구로 카본을 제거할 수는 있겠지만 비용이 상당하겠죠 그래서 몇몇 완성차 브랜드에서는 듀얼 포트 방식으로 1개의 실린더에 직분사와 포트 분사 인젝터를 각각 넣어서 해결하는 경우도 있습니다. 

 

2) 환경적 측면

 

GDI 엔진의 단점은 환경적인 부분에 있어서 완전연소에 가까워 일산화탄소 배출양은 줄어들었지만, 미세먼지 배출은 오히려 높은 편입니다. 이는 DPF가 장착된 디젤 엔진이나, MPI 엔진보다도 훨씬 많은 양의 미세먼지를 배출하는 것으로 알려져 있습니다. 

 

3) 진동과 소음

 

또한 GDI 엔진은 MPI 엔진에 비해 엔진의 진동과 소음이 큽니다. 디젤 엔진의 소음과 진동이 심한 이유가 디젤 엔진은 고온, 고압을 이용한 자기 착화 방식입니다. 거기에 고압으로 연료를 분사하는 인젝터가 달려있습니다. 그런데 GDI 엔진도 MPI 엔진에 비하면 고압축이면서 고압 인젝터가 달려있습니다. 즉 디젤과 비슷한 느낌으로 소음과 진동 역시 디젤엔진과 비슷해져 간다고 보시면 됩니다. 

 

4) 피스톤의 무거운 하중

 

일반 연료 인젝터가 작동하려면 일반적으로 46~65 psi의 연료 압력이 필요합니다. 이에 비해 gdi 연료 인젝터는 최소 2000 psi의 압력이 필요합니다. 이 결과 피스톤 링에 무거운 하중을 가하게 됩니다.

 

고급휘발유를 사용해야 하는 이유

 

 

고급 차량의 경우 고급휘발유를 사용해야 하는 이유는 성능을 제대로 구현하기 위해서 압축비를 충분히 높인 압력에서 점화가 이루어지게 하는 방식으로 충분히 성능 및 출력을 끌어올려야 하기 때문인데, 이는 고옥탄가 휘발유가 잘 점화가 되지 않아 저항성을 높게 가져가기 때문입니다. 

 

외제 혹은 고성능 차량들은 엔진 또한 고성능으로 탑재가 되는데요. 엔진의 성능을 높이기 위해서는 압축비는 매우 중요한 요소입니다. 일반적으로 가솔린의 경우 압축비가 8~13 : 1 정도입니다. 반대로 옥탄가가 낮은 휘발유를 주유한 경우에는 엔진이 압축비를 높이지 못해 자동차의 출력을 낮게 가져갈 수밖에 없습니다. 압축비가 낮은 일반 휘발유나 질 나쁜 휘발유의 경우에는 압축행정 말기에 스파크에 의해 점화되기 전 연소성 과열로 혼합가스가 자연 발화되는 조기 점화가 일어나게 됩니다. 이 조기점화가 안 일어나게 하려면 고급휘발유를 써야 하는 것인데 고성능차의 경우에는 피스톤이 올라갈 때 엔진 손상과 출력이 제성능이 안 나기 때문에 수입차 제조사에서 권장하고 있는 것입니다.

 

사실 고급휘발유가 옥탄가가 높아서 압축비가 높기에 연비가 좋아질 것 같지만, 실제로는 딱히 연비와는 직접적인 상관관계는 없습니다. 공학적으로 엔진의 압축비를 높여서 제성능을 내기 때문에 약간의 긍정적인 효과는 있을 수 있겠지만요. 이처럼 연비와 고급휘발유는 직접적인 상관관계가 없고 일반 차량의 경우 그리 높은 압축을 하지 않기에 저렴한 보통 휘발유를 사용해도 크게 상관이 없습니다.