■ 개발 배경

가솔린 직접분사 엔진이란 가솔린엔진에서 디젤엔진처럼 실린더내에 연료를 직접분사하는 형식의 엔진을 말한다.
현재의 연료분사식 가솔린엔진은 종래의 기화기식에 비하여 연료공급의 응답성과 연료량제어의 정확도가 많이 향상되었지만, 디젤엔진처럼 직접 실린더내로 분사하는 것이 아니라, 흡기포트에 분사되기 때문에 응답성과 연료량제어 정밀도가 다소 불만족스러운 수준이었다.

그러나 가솔린엔진에서 연료를 실린더내에 직접분사하게 되면 상기 문제점이 해결되기 때문에 현재보다 훨씬 희박한 공연비의 엔진개발이 가능해져 연비가 대폭 향상될 뿐만아니라, 최근 지구온난화의 주원인으로 지목되는 CO2의 발생을 억제할 수 있기 때문에 큰 주목을 받고 있다.

CO2는 현재개발된 삼원촉매로는 억제가 곤란하고 완전연소가 이루어질수록 배출량이 증가하므로, 연소되는 연료의 절대량을 줄이는 수밖에 방법이 없다.

■ 가솔린직접분사 엔진 개발동향

일본의 미쓰비시자동차에서 개발한 GDI(Gasoline Direct Injection)엔진이 가장 먼저 시판되었으며, 도요타에서도 D-4엔진을 실용 탑재하고 있다. 그밖에 유럽의 여러 메이커에서도 관심을 갖고 개발중이다.

두 엔진 모두 피스톤 상면을 깊이 파서 이곳에 연료와 공기가 진하게 존재하도록 함으로써 최초의 점화가 용이하도록 해주고 있고 텀블 또는 스월에 의해 혼합기 생성이 양호하도록 흡기계를 설계하고 있다. 연료분사시기는 성층연소시와 균질연소시를 구분하여 각각 압축 행정 및 흡기행정에 실시한다.

■ 적용되는 주요 기술□ 와류형성

초희박연소를 가능하게 하는 것이 직접분사의 목적이므로 흡입공기에 텀블 또는 스월과 같은 강력한 와류를 주고 분사되는 연료에도 와류를 준다. 이러한 와류형성 기술은 기존에 개발된 희박연소엔진의 기술을 이용한다.

□ 흡기포트

미쓰비시는 텀블유동을 발생시키기 위해 흡기포트를 직립으로 세우고 실린더로 들어온 흡기가 실린더내 아래로 내려갔다가 위로 올라오면서 분사된 연료를 스파크 플러그 주위로 모으도록 해서 농후한 혼합기로 함으로써 점화가 쉽게 되도록 한다.

한편, 도요타는 스월발생을 위해 헬리컬 포트로 하며, 스월콘트롤 밸브를 설치하여 희박공연비에서 마찬가지로 성층연소가 되도록 한다.
이때 성층 혼합기가 한곳에 머무르도록 피스톤 상면은 깊게 파낸 형태로 한다.

□ 연료공급

즉, 짧은 기간에 기화 및 연소를 이루기 위해서는 연료분사압력을 기존 포트분사엔진의 3-3.5kg/cm2 보다 훨씬 높은 50kg/cm2 로 해줄수 있는 고압연료펌프가 필요하고, 연료의 미립화와 분산특성이 우수한 고압 스월인젝터를 개발해야 한다.

또, 실린더에 분사된 연료가 공기와 잘 혼합되고 희박한 공연비에서도 점화가 이루어지도록 저, 중부하에서는 혼합기를 층상으로 형성시켜야 하기 때문에, 흡기포트를 세우고, 피스톤 상면에 움푹패인 곳을 만들어 흡기유동을 조절해야한다.


■ 가솔린직접분사 엔진의 장점

일반적으로 가솔린엔진은 소형으로 큰 출력을 내고, 디젤엔진은 열효율이 높아 연료소비가 적은 특성이 있는데, 직분가솔린엔진은 이러한 2가지 장점을 다같이 가지고 있다고 볼 수 있다.

□ 종래의 엔진공연비는 보통 15:1로 운전되고, 희박연소한계는 24정도이나, GDI는 층상혼합상태로 만들어 40:1의 공연비에서도 안정적 연소가 가능하다.

□ 희박공연비화에 따른 펌프손실 감소로 종래엔진 대비 약30% 연비가 개선됨

□ 저, 중부하에서는 디젤엔진과 동일하게 압축행정 후반기에서 연료가 분사되지만 고부하에서는 흡입행정에서 연료가 분사되고, 분사된 연료를 실린더내 공기를 냉각 시키므로, 충진효율이 높아지고, 녹킹 발생이 억제되어 12:1 정도의 높은 압축비가 가능해진다.

□ 저부하시에는 압축행정분사에 의한 층상혼합으로, 고 부하시에는 흡입행정 분사 에 의한 균일 혼합으로 부하에 따라 혼합기 형상패턴을 달리하여 최적화가 가능하다.

□ 지구온난화의 주요원인인 CO2의 배출을 대폭저감 할 수 있다.