가솔린 직접 분사장치(GDI)

연료 고압 분사…출력 높이고 연비 개선
충전효율 향상 회전력 10~15% 증가

가솔린엔진은 흡입되는 공기량에 대응해 연료분사기인 인젝터를 이용, 흡기밸브가 열리기 전에 연료를 분사해 공기와 연료를 혼합해 연소실에서 연소가 이뤄진다. 그러나 이러한 간접 분사방식은 흡기밸브 입구에 연료를 분사하기 때문에 공기와 연료의 불균일 혼합으로 운전 영역에 따라 출력과 연비가 떨어질 수 있다.

이러한 단점을 개선하기 위해 가솔린 직접 분사장치(Gasoline Direct Injection:GDI)가 개발됐다. GDI는 기존 분사방식과 다르게 실린더내에 가솔린 연료를 고압으로 직접 분사해 연소시킴으로써 출력 향상, 연비 개선, 배기가스 저감에 효과적이다.

또한 연료를 실린더내에 직접 분사해 압축비를 올릴 수 있고, 충전효율이 향상돼 전 운전영역에서 회전력이 약 10~15%정도 증가한다. 왜냐하면 연료를 연소실에 직접 분사하게 되면 연료의 증발잠열에 의해 흡입 공기의 온도가 떨어져 공기의 밀도가 높아지므로 충전효율이 증대되기 때문이다.

그리고 흡기온도가 낮아져 노크가 방지되므로 엔진의 압축비를 높일 수 있으며 연소 특성이 개선되는 초희박 연소가 가능하므로 최대 30%정도의 연료 소비율을 향상시킬 수 있다.

이러한 고압의 초희박 연소를 실현하기 위해서는 고압 연료펌프, 고압 연료압력조절기, 연료압력센서, 와류를 일으키는 스월(Swirl)인젝터 등을 장착해 실린더에 고압의 연료를 짧은 시간내에 분사해야한다.

작동은 일반적으로 사용하는 간접 분사방식의 저압 연료라인을 거쳐 연료가 캠축에 의해 구동되는 고압펌프로 이송되면 엔진회전수에 따라 연료 압력이 고압 연료압력조절기에 의해 공회전시 40bar, 최대 135bar까지 된다.

고압의 연료는 인젝터 구동장치의 ECU(엔진제어장치) 신호에 의해 각 실린더내로 적절한 분사시기 및 분사량으로 직접 분사한다.

GDI방식의 연료 분사시기는 간접 분사방식과 다르게 시동 시 및 부분 부하영역에는 압축행정 말기에 연료를 분사해 점화 플러그 주위의 혼합비를 농후하게 해 공기와 연료의 성층화에 의한 초희박 혼합비에서도 쉽게 점화가 가능해 저연비 연소가 가능하며, 일반 주행인 전부하 영역에서는 흡입행정 중에 분사해 흡입공기 중의 열을 흡수해 기화와 동시에 흡입 공기를 냉각하므로 연료와 공기의 혼합을 좋게 하고 충전효율을 향상시킨다.
<제공: 김연수 교수 한국폴리텍대학 달성캠퍼스 자동차학과(자동차정비기능장)>

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