GDI 엔진이 그런 뜻이었어? 가솔린 직분사 엔진의 비밀

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    운전을 하다보면 트렁크 부근에 ‘GDI’, 혹은 ‘SIDI’라는 작은 뱃지를 단 자동차들을 볼 수 있다. 자동차 회사들에서 옵션에 따른 트림명으로 자주 사용하는 ‘리미티드’나 ‘딜럭스’와 같은 이름은 아닌 듯 보인다. ‘GDI’의 정체는 무엇일까? GDI는 ‘Gasoline Direct Injection’으로 풀이된다. 연료를 직접 뿌려주는 엔진이라는 뜻. 자동차 엔진에 있어서 연료와 공기의 혼합은 얼마나 좋은 힘과 연비를 만들 수 있는지를 결정하는 주요 요소 중 하나로 우리가 밥을 먹을 때 골고루 잘 먹어야 건강해지는 이치와 같다. 지금은 쓰이지 않지만 옛날 자동차에는 기화기(캬브레타)라는 것이 있어서 연료와 산소를 혼합해 기체를 만들어 실린더에 밀어 넣었다. 그러나 이 방식은 혼합이 제대로 일어나지 않을 때가 많았다. 그 이후로 MPI라는 다점분사 방식이 등장했다. 지금도 가장 많은 가솔린 자동차 엔진에 쓰이는 방식이다. MPI는 흡기포트에 달린 인젝터를 통해 연료를 쏘면 공기와 만난 연료혼합기체가 실린더로 들어가 폭발한다. 연료 분사 시간은 흡입된 공기량에 따라 자동차의 두뇌인 ECU를 통해 제어된다. 자동차용어 중 ‘이론공연비’라는 것이 있는데 이는 이상적으로 연소가 이뤄지는 공기와 연료의 혼합비인 14.5:1를 말한다. MPI 엔진은 대체로 이 혼합비를 기준으로 세팅된다.  90년대 자동차들은 차량 뒷면이나 측면에 MPI엔진을 뜻하는 ‘멀티인젝션’ 또는 ‘컴퓨터제어’라는 부분을 마케팅 요소로 활용하기도. 지금은 너무나 보편화되어서 강조하는 이득은 사라졌다.

    하지만 자동차 제조사들은 보다 나은 연비와 연료 손실을 막는 방법에 대한 연구를 놓지 않았다. 2000년대 인기를 끌었던 ‘린번 엔진’이라는 것이 있었다. 자동차 회사들은 실린더에 더 많은 공기를 넣어 연료를 조금 사용해도 연소가 되는 혼합비를 만들어 냈다. 이것을 희박연소라고 불렀는데, 22:1이라는 혼합비까지 만들어냈다. 희박의 의미는 연료를 희박하게 써도 폭발을 낼 수 있다는 것. 그러나 희박연소 구간을 유지해야 하는 불편함과 실 생황에서 오히려 출력이 저하되는 이유 등으로 자취를 감췄다.

    GM의 SIDI 터보 직분사 엔진. 인젝터가 실린더로 직접 연료를 분사한다.

    희박연소의 장점을 살리면서 엔진 출력도 더 높게 만들 순 없을까? 라는 의문점에서 가솔린 직분사 엔진은 시작됐다. 이 방식은 흡기 포트에 인젝터를 통해 연료를 분사하지 않고 직접 실린더에 연료를 분사한다.  디젤 엔진의 작동 방식과 흡사하다. 이 기술은 1952년 보쉬(BOSCH)가 시제차량을 만들었고, 1996년 미쓰비시에 의해 일반 양산 승용차에 사용됐다. 이론적으로 이 엔진은 혼합비가 40:1 정도로 린번보다 더 적은 연료를 사용한다. 이론상으로 연소실 내 직접 분사를 통해 기화되는 과정에서 주위 열을 뺏어 온도를 낮출 수 있어 충전효율이 좋다. 쉽게 말해 연소실 안이 쾌적하다. 또한 불완전연소로 인한 질소산화물 배출 문제도 줄일 수 있다.

    그러나 이 가솔린 직분사 방식의 단점도 없지 않다. 대표적으로 흡기밸브에 쌓이는 카본 문제가 있다. 연소된 배기가스 일부가 다시 흡기를 통해 유입될 때 밸브에 카본 찌꺼기가 끼게 된다. MPI 엔진은 흡기포트를 통한 연료 분사로 인해 흡기밸브 이물질을 쓸어 내린다. 하지만 가솔린 직분사의 경우 실린더 내부 직접 연료 분사로 인해 자가 세척이 되지 않는다. 따라서 가솔린 직분사 엔진의 연비와 출력을 유지하기 위해선 흡기 관련 밸브, 매니폴드 등의 세척 관리가 요구된다. 일부 자동차 제조사에서는 흡기밸브 주변으로 세척용 저압 인젝터를 달아 이 카본 누적 문제를 해결하기도. 게다가 연료 품질에도 민감하기 때문에 가능하면 고급유를 사용하는 편이 좋다. 또한 직접 연료를 쏘기 때문에 인젝터 분사압력이 높은데, 이 때문에 고압펌프와 인젝터의 진동 또는 소음이 발생해 마치 디젤 엔진 자동차를 타는 것처럼 느끼는 경우도 있다.

    1.6리터 GDI 엔진으로 달리는 2018 기아 리오. Photo=KIA news

    그럼에도 최근 엔진 다운사이징(배기량을 줄이는)이 유행처럼 자리잡고 있고, 작은 배기량에서 비교적 큰 힘과 좋은 연비를 만들 수 있는 가솔린 직분사 방식은 당분간 지속될 것으로 보인다. 특히 흡기를 통해 다량의 공기만이 전달되므로 터보차저와의 궁합도 좋다는 이점도 있다. 자동차 제조사마다 가솔린 직분사 엔진을 부르는 이름은 다양한데, 현대기아의 경우 GDI라고 불리며(터보차저 버전 T-GDI), GM 계열은 SIDI, 폭스바겐은 FSI(터보차저 버전 TFSI), 토요타 D-4 등으로 불린다.

    밑에 동영상같은 경우 굉장히 많죠?? 거의 이틀에 한번씩은 발생하는거같네요