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제목
[가솔린 최신 기술] 직접 분사제어 엔진
작성자
모빌텍
조회수
8872
작성일
2007-06-05

■ 개요

가솔린 직접분사 엔진(이하 GDI라고 함. 원래 GDI는 일본 미쓰비시의 엔진 명칭임.)은 디젤엔진처럼 연소실내에 연료를 직접 분사하는 엔진이다.

부분 부하시에는 압축행정 말기에 연료를 분사하여 점화플러그 주위의 공연비를 농후하게 하는 성층연소로 초희박 공연비(25~40:1)에서도 쉽게 점화가 가능하도록 되어 있으며, 고부하시에는 흡입행정 초기에 연료를 분사하여(이론 공연비) 연료에 의한 흡입공기 냉각으로 충진 효율을 향상시키다. 또는 실린더 안으로 연료를 직접 분사하므로 흡기포트 벽에 연료가 흡착되는 월 웨팅(Wall Wetting) 현상도 줄일 수 있다.

가솔린 직접분사 방식은 열효율 향상의 가장 효과적인 수단으로 인식되어 이미 반세기 전부터 본격적인 연구가 시작되었으나 "가솔린엔진과 같이 고회전 기관에서 어떻게 점화플러그 주위에 충분히 기화된 적당한 농도의 혼합기를 분산되지 않도록 체결시키는가?"의 문제가 쉽게 해결되지 않아서 최근까지도 실용화가 이루어지지 못하였다.

그러나 최근 일본 미쓰비시와 도요타 자동차 등에서 디젤에서 사용하는 펌프나 인젝터보다 훨씬 응답성이 좋고 소형 경량인 부품들이 개발되고 컴퓨터 제어기술이 발달함에 따라서 가솔린 직접분사 엔진이 등장하게 되었다.

구체적으로는 압축된 실린더에 연료를 직접 분사하기 위해서 캠축에 의해 구동되는 고압 연료 펌프를 엔진에 추가로 장착하였으며, 연료가 회전하면서 분사되어 최적의 확산과 미립화 및 침투성을 갖춘 고압 스월 인젝터(High Pressure Swirl Injector)가 사용된다.

또한 기존의 수평 흡입 통로에 의하여 형성되는 상하 방향의 텀블(TUMBLE) 유동과는 방향이 반대인 역텀블이 발생하도록 흡입통로를 수직으로 세운 흡기포트가 사용되어 연료와 공기가 보다 용이하게 혼합되도록 한다.
이밖에도 피스톤 헤드의 한쪽을 깊게 움푹 파서 압축 상사점에 이르기까지 상하방향의 공기유동을 유지하면서 희박연소시에도 점화플러그 주위에는 비교적 연료가 충분히 있도록 도와주는 접시형 피스톤(Bowl Piston)을 사용한다.

배기가스 저감을 위해서는 희박 연소시 특히, 다량 발생하여 문제가 되는 NOx 배출을 줄이기 위하여 대용량 EGR 밸브를 사용하며, 미연소 가스와 NOx를 화학반응시켜 NOx의 배출량을 줄이는 선택 환원형 촉매나 흡장환원형 촉매를 사용한다.

이러한 고도의 기술이 집적되어 저부하시에는 연비가 우수하고 고부하시에는 출력이 우수하여 최대 30%정도의 연비상승과 10%정도의 출력을 향상시키는 것이 가능하다고 알려져 있다.

■ 가솔린 직접분사 엔진의 연료 시스템

연료 시스템은 아래 그림에서 보듯이 저압 연료펌프, 저압 레귤레이터, 고압 연료펌프(기계식), 고압 연료압력 조절기, 스월 인젝터(Swirl Injector) 등으로 구성된다.


□ 스월 인젝터(Swirl Injector)

기존의 인젝터와는 달리 연료가 분사되면서 주변의 공기와 쉽게 혼합될 수 있도록 소용돌이를 이루면서 분사된다.
인젝터(Injector)의 분사시기는 엔진의 부하에 따라 흡입행정과 압축행정으로 나뉘는데, 부분부하 시에는 압축행정 말기에 분사(초희박 연소)되고 전 부하 시에는 흡입행정 중에 분사(일반연소)하여 흡입공기의 열을 흡수함으로서 기화와 동시에 흡입공기를 냉각하여 충진효율이 향상된다.

인젝터(Injector)의 구동은 엔진 ECU가 직접 제어하는 것이 아니라 인젝터(Injector) 드라이버가 분사시간을 ECU로 부터 입력받아 구동한다.

□ 인젝터 드라이버(Injector Driver)

인젝터 드라이버는 드라이버 릴레이로부터 전원을 공급받아 각 인젝터(Injector)에 전원을 공급하는 동시에 인젝터 회로의 단선,단락을 검출하여 엔진ECU로 보내준다. 또한 엔진 ECU로부터 분사시간을 입력받아 인젝터를 구동한다.

인젝터 드라이버를 별도로 사용하는 이유는 GDI엔진에서는 연료압력이 기존 엔진보다 10-20배 이상 높기 때문에 인젝터에서의 전류소모가 많고 이에 따라 발열량도 많아지므로 인젝터 드라이버를 외부에 별도로 장착하여 사용하는 것이다.

□ 연료 압력 센서(Fuel Pressure Sensor)

연료 압력센서는 연료공급 파이프라인에 설치되며, 검출된 압력은 전압 신호로 엔진 ECU에 입력되어 인젝터의 연료 보정(補正)신호로 사용된다.

연료 압력센서의 출력 특성은 연료 압력 증가에 따라 일정하게 증가한다. 고압 레귤 레이터에 의해서 50kg/cm²이상은 증가되지 않지만 비정상적으로 압력이 증가하거 나 감소할 경우에는 엔진 ECU 에서 연료압력에 따른 인젝터 구동시간을 보정한다. 따라서 엔진 ECU는 고압모드와 저압모드를 연료 압력 센서에 따라 판정한다.
고압모드의 조건은 다음과 같으며 세 가지 조건을 다 만족해야 한다.

◆ 엔진 회전수가 1000rpm이상
◆ 연료 압력센서가 정상이고, 연료압력이 40kg/cm²이상
◆ 엔진 정지 및 시동 후 이외
(다만, 한번 고압이 된 이후에는 재시동 할 때까지 저압모드는 되지 않는다.)

□ 연료 펌프 릴레이 제어

연료 압력센서의 고장으로 엔진 경고등이 점등 될 경우 또는 고압모드에서 연료압력이 70kg/cm²이상이 될 때 연료펌프 릴레이가 OFF된다. 또한 크랭크각 센서로부터 검출된 엔진 회전수가 50rpm 이하일 때에도 연료펌프 릴레이를 OFF 시킨다. 그 밖의 경우에는 정상적으로 ECU에서 연료펌프를 구동한다.

IG스위치가 ON됨과 동시에 컨트롤 릴레이로 전원이 공급되고 동시에 엔진ECU단자는 접지 되며 컨트롤 릴레이를 거처 연료펌프 HIGH/LOW 릴레이로 전원이 공급된다. 이때 엔진 ECU에는 고압 모드시에는 접지를 시키지 않고 저압 모드시에만 접지 시켜 저항을 통해 연료탱크 안의 저압펌프로 전원을 공급한다.

□ 연료펌프 레지스터
 
고압펌프의 유량특성은 크랭킹시에는 엔진 회전수가 낮기 때문에 토출량이 적으며 이 상태에서 저압 연료펌프가 구동되면 연료펌프의 전류소모가 증가된다.

고압펌프 이전까지의 저압라인에는 저압 레귤레이터 바이패스 압력까지 상승되어 토출 부하가 걸리게 되어 펌프의 조기손상이 우려된다. 따라서 연료펌프로 가는 배선에 저항을 설치해서 연료펌프가 천천히 구동되도록 엔진 ECU에서 HIGH/LOW 릴레이를 제어한다.

□ 고압펌프 및 고압 레귤레이터

실린더 헤드에 설치된 고압펌프는 흡기 캠축 끝에 설치된 캠에 의해 구동이 되며 펌프 구동으로 인해 연료탱크 저압펌프에서 나온 3kg/cm²정도의 압력은 50kg/cm² 정도로 압력이 높아진다.

엔진회전수가 증가되면 캠축 또한 빨리 회전하므로 고압펌프의 작동이 빨라져서 압력이 상승되지만 레귤레이터에 의해 일정한 압력이 유지된다.
 
레귤레이터 내부에는 체크밸브가 설치되어 있지만 엔진정지 시에는 압력이 떨어지 므로 시동을 다시 걸어 연료압력이 정상적으로 상승되기까지는 약간의 시간이 소요 된다.

□ 산소센서(Oxygen Sensor)

산소센서는 열선(熱線)이 내장된 기존의 전자제어엔진 산소센서와 동일하고 공연비 제어 또한 비슷하다. 촉매의 효율을 가장 좋은 상태로 유지시켜 전체적인 배기가스를 저감시키기 위해서 촉매 뒤에 2차(Rear) 산소센서를 추가적으로 설치하였다.

■ 가솔린 직접분사 엔진의 점화시스템□ 크랭크각 센서와 N0.1 TDC 센서

크랭크각 센서와 TDC센서는 홀센서(Hall Sensor)를 이용하며, 엔진 ECU는 크랭크 축과 캠축의 위치를 파악하여 점화시기 및 연료 분사시기를 결정한다. 크랭크각 센서 및 1번 실린더 TDC센서는 디스크와 유닛 어셈블리로 구성되며, 디스크는 금속제 원판으로 주위에는 90°간격으로 크랭크각 센서용 슬릿(Slit) 4개와 통과용 슬릿 1개가 설치되어 있으며 안쪽에는 1번 실린더 TDC 센서용 슬릿이1개 설치되어 있다.

디스크는 배전기 축에 고정되어 있어서 축이 회전하면 디스크의 슬릿이 움직여 유닛 어셈블리에 의해 빛으로 감지하도록 되어 있고, 유닛 어셈블리는 2종류의 슬릿을 검출하기 때문에 발광 다이어드와 포토 다이오드 2개가 내장되어 있다.

발광 다이오드와 포토 다이오드 사이에서는 디스크가 회전하므로 발광 다이오드에서 방출된 빛은 회전하는 디스크 슬릿을 통과하여 포토 다이오드에 도달한다.

포토 다이오드는 빛을 받으면 포토 다이오드와 반대방향으로 통전되며 이 전류는 비교기(Comperator)로 들어가서 약 5V 전압이 감지된다.

□ 점화회로

점화코일 내부에 장착된 파워 TR의 베이스(B) 단자를 ECU가 제어하며 각 실린더 마다 장착되어 있다.

IG. FAILURE 센서는 점화 1차 코일에 전원을 공급하며 점화코일 내에 있는 파워TR 이 OFF 되었다가 ON로 떨어지고, 이 신호가 IG. FAILURE 로직에 입력되면  IG.DETECT 신호를 ECU로 입력한다.

점화코일에 전원공급 및 점화신호 검출, 실화(失火)등을 감지하는 IG FAILURE센서가 있다.

IG FAILURE센서는 IG 1 전원을 공급받아 점화코일 내부에 설치된 파워TR의 커넥 터로 전원을 공급하고, 엔진 ECU의 파워TR베이스를 제어함에 따라 1차 전류를 단속한다.

 
 
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