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휘발유 직접 분사

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목차

1. 개요

휘발유 직접 분사(GDI)는 연소실에 연료를 직접 분사하는 기술로, 균질 충전 모드와 층상 충전 모드로 작동하며, 연비 향상과 다운사이징 엔진에 기여한다. 작동 방식에 따라 벽면 유도, 공기 유도, 분사 유도 방식으로 나뉘며, 가변 밸브 타이밍 등 관련 기술과 함께 사용된다. GDI는 제조 비용 증가, 미립자 물질 배출, 탄소 퇴적물 축적, 윤활 문제, 소음 등의 단점을 지니지만, 고출력과 연비 향상에 기여하여 항공기 엔진과 자동차 엔진에 널리 사용되어 왔다. 1990년대 이후 전자 제어 기술 발달과 함께 자동차에 널리 적용되었으며, 최근에는 배출 가스 규제와 연비 기준을 충족하기 위한 기술로 중요성이 커지고 있다.

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휘발유 직접 분사
개요
명칭휘발유 직접 분사
다른 명칭가솔린 직접 분사 (Gasoline Direct Injection, GDI)
스파크 점화 직접 분사 (Spark-Ignited Direct Injection, SIDI)
연료 층화 분사 (Fuel-Stratified Injection, FSI)
기술
작동 방식연료를 연소실 내에 직접 분사
목표연비 향상
배출 가스 감소
엔진 출력 증가
특징고압 연료 시스템 사용
정밀한 연료 분사 제어 필요
연소실 설계 최적화 중요
장점 및 단점
장점연비 향상
출력 증가
냉간 시동성 향상
노킹 방지
단점높은 초기 비용
복잡한 시스템 구조
질소 산화물 (NOx) 배출 증가 가능성
입자상 물질 (PM) 배출 증가 가능성 (일부 GDI 엔진)
탄소 퇴적 문제 (흡기 밸브)
역사
초기 개발항공기 엔진에 처음 적용
상용화1950년대 메르세데스-벤츠 300 SL에 처음 적용
대중화1990년대 후반 미쓰비시 자동차에서 GDI 엔진을 개발하여 널리 보급
적용 분야
자동차승용차
스포츠 유틸리티 차량 (SUV)
트럭
기타선박 엔진
항공기 엔진
발전기
미래 전망
기술 개발 방향연소 효율 향상
배출 가스 저감
대체 연료 적용
전망엔진 기술의 지속적인 발전과 함께 GDI 엔진의 적용 범위는 더욱 확대될 것으로 예상

2. 작동 원리

휘발유를 50에서 350 기압의 고압으로 엔진의 흡기 행정에서 압축 행정에 걸쳐 인젝터를 통해 실린더 내에 직접 분사하고, 점화 플러그의 불꽃 방전으로 점화하는 방식이다. 개발 목표와 구현 방식에 따라 다음과 같이 세대별로 분류할 수 있다.


  • 제1세대: 자연 흡기 방식으로 성층 연소(린번)를 구현하여 연비 개선에 중점을 둔다.
  • 제2세대: 자연 흡기 방식으로 균질 연소를 통해 냉간 시동 시 배출가스 개선을 목표로 한다.
  • 제3세대: 과급 흡기 방식으로 균질 연소를 통해 다운사이징 컨셉을 구현하여 연비 개선을 추구한다.
  • 제4세대: 자연 흡기 방식으로 성층 연소를 사용하되, 혼합기 형성에 신기술을 적용하여 린번으로 연비를 개선한다.

2. 1. 충전 모드

직접 분사 엔진의 '충전 모드'는 연소실 전체에 연료가 어떻게 분포되는지를 나타낸다. 주요 충전 모드로는 연소실 전체에 연료와 공기가 균일하게 혼합되는 균질 충전 모드와 점화 플러그 주변에 연료 밀도가 높은 구역을 형성하는 층상 충전 모드가 있다.

연소실 내 원하는 연료 분포를 만들기 위한 일반적인 기술로는 '분사 유도'Spray-guidedeng, '공기 유도'Air-guidedeng, '벽면 유도'Wall-guidedeng 분사 방식이 사용된다. 최근에는 연료 효율성이 더 높은 분사 유도 방식이 주로 사용되는 추세이다.

휘발유 직접 분사 기술은 개발 목표와 구현 방식에 따라 다음과 같이 세대별로 분류할 수 있다.

휘발유 직접 분사 기술의 세대별 분류
세대흡기 방식연소 방식주요 목표
1세대자연 흡기성층 연소 (린번)연비 개선
2세대자연 흡기균질 연소냉간 시동 시 배출가스 개선
3세대과급 흡기균질 연소다운사이징 컨셉을 통한 연비 개선
4세대자연 흡기성층 연소 (신기술 적용)린번을 통한 연비 개선



각 충전 모드에 대한 자세한 내용은 아래 하위 섹션에서 다룬다.

2. 1. 1. 균질 충전 모드 (Homogeneous Charge Mode)

균질 충전 모드는 직접 분사 엔진에서 연소실 전체에 연료가 공기와 균일하게 혼합되는 방식을 의미하며, 이는 기존의 매니폴드 분사 방식과 유사하다. 이 모드에서는 엔진이 균일한 공기/연료 혼합물(\lambda = 1)로 작동하는데, 이는 실린더 내 연료와 공기가 거의 완벽하게 혼합된 상태를 뜻한다. 균일한 혼합물을 만들기 위해 흡기 행정 초기에 인젝터를 통해 연료를 분사하여 연료가 공기와 충분히 섞일 시간을 확보한다.[5] 이러한 방식 덕분에 배기 가스 처리에 기존의 삼원 촉매를 사용할 수 있다.[6]

균질 충전 모드는 매니폴드 분사 방식에 비해 연비 향상은 크지 않지만, 비출력은 더 우수하다.[7] 이 때문에 엔진 다운사이징에 유리하며,[6] 실제로 대부분의 승용차용 직접 분사 가솔린 엔진이 이 방식을 채택하고 있다.[8][9] 이론 공연비 연소를 수행하여 연비와 출력을 향상시키고 배출 가스를 줄이는 데 기여하며, 특히 다음과 같은 장점으로 인해 다운사이징 컨셉과 잘 맞는다.

# 높은 압축비 설정 가능

# 노킹 저항성 향상

휘발유 직접 분사 기술의 발전 과정에서 제2세대(자연 흡기로 균질 연소)는 냉간 시동 시 배출가스 개선에, 제3세대(과급 흡기로 균질 연소)는 다운사이징 컨셉을 통한 연비 개선에 중점을 두며 균질 충전 방식을 활용했다.

2. 1. 2. 층상 충전 모드 (Stratified Charge Mode)

층상 충전 모드(Stratified Charge Mode)는 점화 플러그 주변에 연료 밀도가 높은 구역을 만들고, 점화 플러그에서 멀어질수록 희박한 혼합기(연료 밀도가 낮음)가 존재하는 방식이다.[13] 연소를 위해 압축 행정의 후반 단계에서 연료를 분사하여 점화 플러그 주변에 연료/공기 혼합물의 작은 영역을 생성하며, 이 영역은 실린더의 나머지 부분에서는 대부분 공기로 둘러싸인다.[14] 피스톤 상단의 "소용돌이 공동"은 종종 연료를 점화 플러그 주변으로 유도하는 데 사용된다.[14] 이 기술은 실린더에 주입되는 연료량을 줄여, 전체적으로 매우 높은 공기-연료 비율(\lambda > 8)을 가능하게 한다.[10] 중간 부하에서는 평균 공기-연료 비율이 \lambda = 3...5이고, 최대 부하에서는 균질 연소 모드로 전환되어 화학 양론적 공기-연료 비율인 \lambda = 1이 된다.[11][15]

층상 충전 모드는 주로 저부하 운전 시 연료 소비와 배기 가스 배출량을 줄이기 위해 사용된다.[15] 이론적으로 희박 연소를 통해 펌핑 손실 감소, 비열비 개선, 냉각 손실 개선(화염을 실린더 벽에서 멀리 유지) 등으로 연비 효율을 높일 수 있다.[12] 이상적인 작동 방식은 스로틀 밸브를 가능한 한 많이 열어 스로틀 손실을 피하고, 주입되는 연료의 양만 조절하여 엔진 토크를 설정하는 것(품질 토크 제어)이다.[11]

그러나 층상 충전 모드는 실제 사용에서 몇 가지 문제점을 가진다. 내재적인 희박 연소 조건 때문에 질소 산화물(NOx) 배출량이 기존의 균질 연소 방식보다 많아지는 경향이 있다.[17] 이 때문에 배기 가스 규제를 충족하기 위해 배기 시스템에 NOx 흡착기나 NOx 환원 촉매가 필요하며, 이는 촉매의 성능 유지를 위해 황 함량이 낮은 연료를 요구할 수 있다.[18][19] 또한, 미립자 물질(PM) 배출량도 매니폴드 분사 엔진보다 많을 수 있어, 디젤 미립자 필터와 유사한 입자 필터가 추가로 필요할 수도 있다.[20][21]

이러한 기술적 어려움과 실제 연비 개선 효과의 한계로 인해, 일부 유럽 자동차 제조사들은 층상 충전 개념을 포기하거나 처음부터 사용하지 않았다. 예를 들어, 르노의 2.0 IDE 가솔린 엔진(F5R)은 층상 충전 모드 없이 출시되었고,[22] BMW N55(2009년) 및 메르세데스-벤츠 M256(2017년) 엔진은 이전 세대 엔진에서 사용하던 층상 충전 모드를 제거했다.[25] 폭스바겐 그룹은 자연 흡기 방식의 "FSI" 엔진에 연료 성층 분사를 사용했지만, 이후 엔진 제어 장치(ECU) 업데이트를 통해 이 모드를 비활성화하기도 했다.[23] "TFSI" 및 "TSI"와 같은 터보차저 엔진들은 항상 균질 연소 모드를 사용해왔다.[24] 결과적으로, 최근의 직접 분사 가솔린 엔진들은 효율 향상을 위해 가변 밸브 타이밍 기술 등과 함께 보다 일반적인 균질 연소 모드를 주로 사용하며, 층상 연소 개념은 점차 사용되지 않는 추세이다.[25]

휘발유 직접 분사 기술의 세대 분류에서는 층상 충전 방식이 주로 1세대(자연 흡기 + 성층 연소)와 4세대(자연 흡기 + 성층 연소, 혼합기 형성 신기술 적용)에서 린번을 통한 연비 개선을 목표로 적용되었다.

2. 2. 분사 방식

연료를 연소실 내 원하는 위치에 분포시키는 일반적인 기술로는 분사 유도 방식(Spray-guidedeng), 공기 유도 방식(Air-guidedeng), 벽면 유도 방식(Wall-guidedeng)이 있다. 최근에는 연료 효율이 더 높은 분사 유도 방식이 주로 사용되는 추세이다.

2. 2. 1. 벽면 유도 방식 (Wall-guided Direct Injection)

2010~2017년형 포드 에코부스트 3.5 L 엔진 피스톤 상단의 소용돌이형 공동


벽면 유도 방식(Wall-guided)은 점화 플러그와 연료 분사 노즐 사이의 거리가 비교적 먼 경우에 사용되는 기술이다. 이 방식은 연료가 점화 플러그 근처에 도달하도록 유도하기 위해, 피스톤 상단에 설계된 소용돌이형 공동(cavity)에 연료를 분사한다. 오른쪽의 포드 에코부스트 엔진 피스톤 사진에서 이러한 공동의 형태를 확인할 수 있다. 특수한 형태의 소용돌이(swirl) 또는 텀블(tumble) 공기 흡입 포트가 연료와 공기의 혼합 및 유동을 돕는다.

분사 시점은 피스톤의 속도에 따라 정밀하게 조절되어야 한다. 피스톤 속도가 빠를수록 분사 시점과 점화 시점을 더 앞당겨야 한다. 하지만 이 방식에는 몇 가지 단점이 존재한다. 엔진 온도가 낮을 때는 상대적으로 차가운 피스톤 표면에 닿은 연료 일부가 충분히 기화되지 못해 제대로 연소되지 않을 수 있다. 또한, 엔진 부하가 낮은 상태에서 중간 상태로 전환될 때(분사 시점을 앞당길 때), 연료 일부가 소용돌이형 공동의 의도된 영역을 벗어나 분사되어 불완전 연소를 일으킬 가능성이 있다.[26] 이러한 이유로 벽면 유도 방식의 직접 분사 엔진은 높은 탄화수소 배출량을 보일 수 있다.[27]

2. 2. 2. 공기 유도 방식 (Air-guided Direct Injection)

공기 유도 방식은 연료를 점화 플러그 주변으로 모으기 위해 흡입되는 공기의 흐름을 이용하는 기술이다. 이 방식에서는 연료가 실린더 내 특정 공간(와류 공간 등)에 직접 분사되는 대신, 흡입 공기의 움직임만으로 연료를 점화 플러그 쪽으로 유도한다.[28]

이를 위해 흡입 공기는 특별한 소용돌이(와류)나 회전(텀블) 운동을 만들어야 하며, 이 운동은 연료가 점화 플러그 쪽으로 충분히 이동할 때까지 비교적 오랫동안 유지되어야 한다.[28] 하지만 이러한 강한 공기 흐름을 유지하는 과정에서 엔진이 공기를 빨아들이는 효율(충전 효율)이 떨어지게 되고, 이는 결국 엔진의 출력 감소로 이어질 수 있다.[28]

이러한 단점 때문에 실제 엔진에서는 공기 유도 방식과 벽면 유도 방식을 함께 사용하는 경우가 많다.[28] 순수하게 공기 유도 방식에만 의존하여 설계된 엔진은 매우 드물다.[29]

2. 2. 3. 분사 유도 방식 (Spray-guided Direct Injection)

연료를 연소실 전체에 원하는 대로 분포시키는 기술에는 크게 분사 유도(Spray-guided), 공기 유도(Air-guided), 벽면 유도(Wall-guided) 방식이 있다. 최근에는 연료 효율성이 더 높은 분사 유도 방식이 주목받고 있다.

분사 유도 방식은 점화 플러그와 연료 분사 노즐 사이의 거리가 비교적 짧은 것이 특징이다. 분사 노즐과 점화 플러그는 모두 실린더 헤드의 밸브 사이에 위치한다. 연료는 압축 행정의 후반부에 분사되어 매우 빠르면서도 불균일한 혼합기를 형성한다. 이로 인해 혼합기는 중심부에는 연료가 매우 농후하고 가장자리로 갈수록 공기 비율이 높은 상태가 된다. 점화는 연료가 적절히 섞인 중간 영역에서만 가능하다.

엔진 효율을 높이기 위해 점화는 연료 분사 직후 거의 즉시 이루어진다. 따라서 점화 플러그는 혼합기가 점화 가능한 상태로 존재하는 영역에 정확히 위치해야 한다. 이는 엔진 부품 생산 시 매우 정밀한 공차가 요구됨을 의미하며, 약간의 오차만으로도 연소 효율이 급격히 떨어질 수 있다. 또한, 분사된 연료가 점화 직전에 점화 플러그를 냉각시킨 후 바로 연소열에 노출시키므로, 점화 플러그는 급격한 온도 변화(열 충격)에 잘 견뎌야 한다.[30]

분사 유도 방식은 몇 가지 문제점을 안고 있다. 엔진 회전 속도가 낮을 때는 실린더 내 공기와 연료의 상대 속도가 느려 연료가 제대로 기화되지 못하고 부분적으로 액체 상태로 남을 수 있다. 이는 국소적으로 매우 농후한 혼합기를 만들어 불완전 연소를 유발하고 탄소(그을음) 침적의 원인이 된다.[31] 반대로 엔진 회전 속도가 높을 때는 분사된 연료가 실린더 내에서 더 넓게 퍼지면서 점화 가능한 농도의 혼합기가 점화 플러그에서 너무 멀리 떨어져 점화에 실패할 수도 있다.[32]

2. 3. 관련 기술

GDI 엔진의 효율을 높이고 성능을 개선하기 위해 여러 관련 기술이 함께 사용된다.

'''성층 연소 (Stratified Charge Mode)'''

성층 연소는 점화 플러그 주변에만 연료와 공기가 적절히 섞인 농후한 혼합기를 만들고, 실린더의 나머지 공간은 대부분 공기만으로 채우는 방식이다. 이를 통해 전체적으로는 공기 비율이 매우 높은 초희박 연소(공기-연료 비율 λ > 8)를 구현할 수 있다.[10] 중간 부하에서는 평균 λ = 3...5, 최대 부하에서는 이론 공연비인 λ = 1에 가깝게 운전한다.[11] 이 방식은 스로틀 밸브를 최대한 열어 펌핑 손실을 줄이고, 주입되는 연료량만으로 엔진 출력을 제어(품질 토크 제어)하는 것을 목표로 한다. 또한, 화염이 실린더 벽에 닿는 것을 줄여 열 손실을 감소시킨다.[12]

초희박 혼합기는 일반적인 방식으로는 점화가 어렵기 때문에, 압축 행정 후반에 연료를 분사하여 점화 플러그 주변에 농후한 혼합기 층을 형성해야 한다.[13] 이를 위해 피스톤 상단에 특수한 형상(소용돌이 공동 등)을 만들어 연료가 점화 플러그 쪽으로 모이도록 유도하기도 한다. 이 기술은 기존의 기화기나 포트 분사 방식으로는 불가능했던 초희박 연소를 가능하게 한다.[14]

성층 연소 모드는 주로 저부하 상황에서 연비 향상과 배출가스 저감을 위해 사용된다. 하지만 부하가 높아지면 성층 연소 모드는 비활성화되고, 엔진은 중간 부하에서는 이론 공연비(λ = 1), 고부하에서는 더 농후한 공연비로 작동하는 균질 연소 모드로 전환된다.[15]

이론적으로 성층 연소는 연비 향상과 배출가스 저감에 유리하지만,[16] 실제로는 몇 가지 문제점이 있다. 희박 연소 과정에서 질소 산화물(NOx)이 더 많이 생성되어[17] 배출가스 규제를 만족시키기 위해 NOx 흡착기와 같은 후처리 장치가 필요할 수 있다.[18] NOx 흡착기는 연료 내 황 성분에 의해 성능이 저하될 수 있어 저황 연료 사용이 요구되기도 한다.[19] 또한, GDI 엔진은 포트 분사 엔진보다 더 많은 미립자 물질(PM)을 생성할 수 있어,[20] 디젤 미립자 필터와 유사한 입자 필터가 필요할 수도 있다.[21]

이러한 단점들 때문에 일부 자동차 제조사들은 성층 연소 기술을 포기하거나 제한적으로 사용하고 있다. 예를 들어, 르노의 2.0 IDE 가솔린 엔진(F5R)은 성층 연소 모드가 없었고,[22] BMW의 N55 엔진(2009년)이나 메르세데스-벤츠의 M256 엔진(2017년)은 이전 모델에서 사용했던 성층 연소 모드를 제거했다. 폭스바겐 그룹 역시 자연 흡기 "FSI" 엔진에 연료 성층 분사를 사용했지만, 이후 성층 연소 모드를 비활성화하는 업데이트를 진행했다.[23] "TFSI" 및 "TSI"라는 터보차저 폭스바겐 엔진은 처음부터 균일 모드만 사용했다.[24] 최신 직접 분사 가솔린 엔진들은 일반적으로 가변 밸브 타이밍 등 다른 기술과 결합된 균질 연소 모드를 사용하여 효율을 높이며, 성층 연소 개념은 대부분 포기되는 추세이다.[25]

'''기타 보조 기술'''

GDI 엔진의 효율과 성능을 높이기 위해 다음과 같은 기술들이 함께 사용된다.

  • '''가변 밸브 타이밍 (VVT), 가변 밸브 리프트 (VVL)''': 흡배기 밸브의 개폐 시점과 리프트 양을 조절하여 모든 운전 영역에서 최적의 연소 효율과 출력을 얻도록 돕는다.[33]
  • '''가변 길이 흡기 매니폴드 (Variable Length Intake Manifold, VLIM)''': 엔진 회전수에 따라 흡기 매니폴드의 길이를 조절하여 흡기 효율을 최적화한다.[33]
  • '''배기가스 재순환 (EGR)''': 배기가스의 일부를 다시 흡기 측으로 보내 연소 온도를 낮춤으로써 질소 산화물(NOx) 생성을 억제한다. 특히 희박 연소 시 발생하는 NOx 저감에 효과적이다.[34]
  • '''전자식 스로틀 (Electronic Throttle Control, ETC)''': 성층 연소와 균질 연소 모드 간 전환 시 필요한 흡입 공기량의 차이가 크기 때문에, 정밀한 제어가 가능한 전자식 스로틀을 사용하여 토크 변동을 최소화한다.


'''출력 향상'''

GDI 엔진은 포트 분사 엔진보다 압축비를 높일 수 있어 출력 향상에 유리하다.[75] 이는 다음과 같은 이유 때문이다.

1. '''노킹 억제''': 연료 분사 전에 공기만 압축하므로 디젤 기관과 유사하게 노킹 발생 가능성이 낮다.[76]

2. '''흡기 냉각 효과''': 실린더 내에 직접 분사된 연료가 기화열을 흡수하면서 실린더 내 온도를 낮춰 충전 효율(산소 농도)을 높인다.

이러한 특성 덕분에 GDI 엔진은 모든 회전 영역에서 토크를 높이기 용이하며, 고효율, 즉 저연비와 출력 향상을 모두 달성하기 쉽다. 이러한 장점으로 인해 레이싱카 엔진에도 활발히 채용되고 있으며, 예를 들어 포뮬러 1에서는 2014년부터 GDI 방식의 V형 6기통 1.6 L 터보차저 엔진 사용을 의무화하고 있다.

'''다운사이징'''

GDI 엔진의 높은 내노킹성은 과급기(터보차저 등)와 결합하여 엔진 배기량과 기통 수를 줄이는 다운사이징 컨셉을 가능하게 한다. 독일의 폭스바겐이 주도한 다운사이징 컨셉 (TSI)이 대표적인 예이다.

배기량 및 기통 수를 줄여 기계적 손실을 줄인 GDI 엔진에 터보차저 등의 과급기를 조합함으로써, 대배기량 자연 흡기 엔진과 동등한 동력 성능을 확보하면서 순항 시 연비를 향상시키는 것이 이 방식의 핵심이다. 포트 분사 엔진으로도 과급은 가능하지만, 노킹 대책으로 인한 효율(압축비) 저하나 열 문제로 인한 불필요한 연료 소비 때문에 연비 향상을 목표로 하는 다운사이징 컨셉을 성립시키기는 어려우며, 이는 GDI 엔진의 주요 장점 중 하나로 꼽힌다.

'''배기 가스 저감'''

GDI 엔진은 포트 분사 엔진에 비해 엔진 시동 직후 냉간 시 연료의 기화 및 미립화에 뛰어나 배기 가스 저감에 기여한다. 또한 포트 분사보다 직분사가 배기 온도 제어가 용이하므로, 냉간 시 촉매 온도 상승을 빠르게 제어할 수 있는 것도 배기 가스의 유해 성분 저감에 기여한다.

그러나 희박 연소 시에는 배출 가스가 산소 과다 상태이므로 기존의 삼원 촉매로는 NOx의 환원 작용을 기대하기 어렵다. 따라서 희박 연소 시에는 NOx를 흡장하고 이론 공연비보다 농후한 상태가 되었을 때 환원하는 NOx 환원 촉매(NOx 흡착기 등)가 필요하다.

3. 장점

휘발유 직접 분사(GDI) 방식은 기존의 포트 분사 방식에 비해 여러 가지 장점을 제공한다.

연료를 연소실 내부에 직접 분사함으로써 보다 정밀한 연료 제어가 가능해져 다양한 연소 방식을 구현할 수 있다. 초기 GDI 엔진(제1세대)은 린번(희박 연소) 기술을 통해 연비를 개선하는 데 중점을 두었다. 연료를 직접 분사하면 기화 잠열로 인해 연소실 온도를 낮출 수 있어 더 높은 압축비 설정이 가능해진다. 이는 엔진의 열효율을 높이고 토크와 출력을 향상시키는 요인이 된다. 또한, 노킹에 대한 저항성이 향상되어 엔진 성능을 최적화하는 데 유리하다.[35]

희박 연소를 하지 않고 이론 공연비(스트이키오메트리) 연소를 수행하는 경우에도 GDI는 연비와 출력을 동시에 향상시키고 배출 가스를 저감하는 효과를 가진다. 특히 엔진 냉간 시동 시에는 연료의 기화 및 미립화 성능이 우수하여 유해 배출 가스를 줄이는 데 기여한다 (제2세대).

또한 GDI는 과급기와 결합하여 엔진 배기량을 줄이는 다운사이징 컨셉과 좋은 시너지를 낸다 (제3세대). 엔진 크기와 기통 수를 줄여 기계적 마찰 손실을 감소시키고, 필요한 출력은 과급기로 보충하여 연비 효율성을 극대화할 수 있다. 최근에는 혼합기 형성 기술의 발전을 통해 다시 린번을 구현하여 연비를 더욱 개선하려는 시도(제4세대)도 이루어지고 있다.

4. 단점

휘발유 직접 분사 방식은 여러 장점에도 불구하고 다음과 같은 단점을 가지고 있다.


  • '''제조 비용 증가''': 고온·고압 환경에서 정밀한 연료 분사를 위해 특수한 설계와 소재가 필요하다. 예를 들어, 고압 연료 펌프 및 인젝터, 연료를 점화 플러그 주변으로 유도하기 위한 특수한 형상의 피스톤 상단(예: 소용돌이 공동) 등이 요구된다.[26] 이러한 부품들은 기존의 포트 분사 방식 부품보다 비싸 엔진 전체의 제조 비용 상승으로 이어진다. 반면, 기술적으로 성숙한 포트 분사 방식은 상대적으로 저렴하게 생산할 수 있다.
  • '''미립자 물질(PM) 및 블랙 카본 배출''': 실린더 내에서 직접 연료를 분사하고 혼합기를 형성하는 과정에서 연료가 완전히 기화되지 못하고 불완전 연소될 가능성이 포트 분사 방식보다 높다. 이로 인해 더 많은 그을음과 미립자 물질(PM, 특히 PM2.5)이 생성될 수 있다.[20][77] 일부 연구에서는 GDI 엔진의 PM 배출량이 기존 포트 분사 엔진보다 5~10배 이상 많으며, 특정 조건에서는 디젤 엔진보다도 많을 수 있다고 지적한다.[78] 또한, GDI 엔진은 블랙 카본 에어로졸을 더 많이 생성하는데, 이는 태양 복사를 강하게 흡수하여 지구 온난화에 영향을 미칠 수 있다.[37] 미국의 한 연구에서는 GDI 기술로의 전환이 이산화 탄소 배출 감소로 인한 냉각 효과보다 블랙 카본 배출 증가로 인한 온난화 효과가 더 클 수 있으며, 차량 배출 관련 조기 사망률과 사회적 비용을 증가시킬 수 있다고 예측하기도 했다.[38] 이러한 배출 문제를 해결하기 위해 배기 시스템에 디젤 미립자 필터(DPF)와 유사한 가솔린 미립자 필터(GPF)나 질소 산화물(NOx) 저감을 위한 NOx 흡착기가 필요한 경우가 있다.[21][18] NOx 흡착기는 황 성분에 민감하여 저유황 연료 사용이 요구될 수 있다.[19]
  • '''그을음(탄소 퇴적물) 축적 문제''':
  • '''흡기 밸브 및 흡기계 오염''': 포트 분사 방식은 연료가 흡기 포트와 밸브를 통과하면서 세척하는 효과가 있지만, GDI는 연료를 연소실 내부에 직접 분사하므로 이러한 세척 효과가 없다.[35] 이로 인해 밸브 오버랩 시 역류하는 배기 가스나 블로바이 가스에 포함된 유증기 등이 흡기 포트나 흡기 밸브 뒷면에 퇴적되어 탄소 퇴적물을 형성하기 쉽다. 연료 첨가제나 고옥탄가 가솔린을 사용해도 흡기계의 오염을 직접적으로 제거하기는 어렵다.[80] 이러한 퇴적물은 흡기 흐름을 방해하거나, 와류 생성 밸브의 작동을 방해하여 연소 불안정을 유발하고, 심한 경우 밸브와 밸브 시트 사이의 밀착 불량을 일으켜 엔진 출력 저하의 원인이 될 수 있다. 일부 GDI 엔진은 이러한 문제를 완화하기 위해 포트 분사 방식을 병용하기도 한다.
  • '''연소실 및 인젝터 오염''': 연소 과정에서 발생한 그을음이 연소실 내벽이나 피스톤 상단, 인젝터 노즐 등에 쌓일 수 있다. 특히 인젝터 노즐에 탄소가 부착되면 연료 분사 패턴이 틀어져 연소 효율이 떨어지고 그을음 발생을 더욱 심화시키는 악순환이 발생할 수 있다.
  • '''엔진 오일 오염''': 연소 과정에서 생성된 그을음의 일부가 엔진 오일에 유입되어 오일을 더 빨리 오염시킨다. 이 때문에 GDI 엔진은 포트 분사 엔진보다 엔진 오일 교환 주기를 짧게 가져가는 것이 권장되기도 했다. 과거 미쓰비시는 GDI 엔진용 순정 오일에 청정 분산제 함량을 높여 대응하기도 했으나, 현재는 일반적인 규격의 엔진 오일(API SJ 등급 이상)로도 충분히 대응 가능하다.[79]
  • '''연소 안정성 악화''': 연소실 내 그을음 축적은 연료의 기화 속도에 영향을 미치고, 흡기계 오염은 공기 흐름을 방해하여 아이들링 불안정, 시동 꺼짐, 출력 저하, 연비 악화, 비정상적인 배기 가스 배출 등의 문제를 일으킬 수 있다. 최신 GDI 엔진은 연소실 형상 최적화, 인젝터 개량, 정밀한 피드백 제어 등을 통해 이러한 문제를 상당 부분 개선했지만, 여전히 내구성 및 정비 편의성 측면에서 포트 분사 방식보다 불리한 점이 남아있을 수 있다.

  • '''윤활 문제''': 가솔린은 경유만큼 윤활성이 좋지 않다. GDI 시스템은 매우 높은 압력으로 연료를 분사해야 하므로, 고압 펌프나 인젝터 내부 부품의 마모 문제가 발생할 수 있다. 이 때문에 GDI 엔진의 분사 압력은 부품의 과도한 마모를 방지하기 위해 일반적으로 약 20 MPa 수준으로 제한되는 경우가 많다.[36]
  • '''소음''': 고압으로 작동하는 연료 인젝터는 작동 시 특유의 소음("카타카타", "카치카치" 등)을 발생시킨다. 가솔린 엔진은 일반적으로 디젤 엔진보다 정숙하기 때문에 이 소음이 상대적으로 더 두드러지게 느껴질 수 있다. 일부 GDI 엔진은 디젤 엔진과 유사한 소음을 내기도 한다. 최신 차량들은 인젝터 개선 및 엔진룸 방음/흡음 처리 강화로 소음을 줄이고 있다.
  • '''고회전 영역에서의 출력 제한 가능성''': 엔진 회전수(RPM)가 매우 높아지면 각 연소 사이클에 할당되는 시간이 짧아진다. GDI 엔진은 흡기 행정 또는 압축 행정 중에만 연료를 분사할 수 있으므로, 고회전 시 필요한 양의 연료를 충분히 분사할 시간이 부족하여 최대 출력 발휘에 제한이 생길 수 있다. 이를 극복하기 위해 일부 고성능 GDI 엔진(예: 토요타 2GR-FSE, 폭스바겐 EA888 등)은 포트 분사 방식을 함께 사용하여 고회전 시 추가 연료를 공급하고 흡기 밸브 세척 효과도 얻는다.
  • '''역회전 가능성''': 구조적으로 디젤 엔진과 유사한 연료 시스템을 가지므로, 특정 조건(예: 변속기가 전진 기어 상태에서 차량이 뒤로 밀릴 때)에서 엔진이 역회전할 가능성이 있다. 전자제어 시스템(ECU)은 일반적으로 이러한 역회전을 방지하는 페일 세이프 로직을 포함하고 있다. 그러나 메르세데스-벤츠 300 SL과 같은 초기 기계식 직분사 시스템에서는 역회전 발생 가능성과 대처 방법이 매뉴얼에 명시되기도 했다.[81] (다만, 마쓰다의 i-stop 시스템은 이 특성을 이용하여 재시동 시 피스톤 위치를 최적화하는 데 활용하기도 한다.[82])

5. 역사

휘발유를 50에서 350기압의 고압으로 인젝터를 통해 실린더 내에 직접 분사하여 점화 플러그로 점화하는 방식인 휘발유 직접 분사 기술은 여러 세대에 걸쳐 발전해왔다. 초기에는 린번(희박 연소)을 통한 연비 개선(제1세대)을 목표로 했으나, 이후 냉간 시동 시 배출가스 개선(제2세대, 균질 연소), 과급기와 결합한 다운사이징 컨셉을 통한 연비 개선(제3세대), 새로운 혼합기 형성 기술을 이용한 린번 연비 개선(제4세대) 등으로 발전 방향이 변화해왔다.[83]

최초의 실용적인 가솔린 직접 분사 엔진은 제2차 세계 대전 중 독일에서 항공기용으로 개발된 Jumo 210G와 다임러-벤츠의 DB 601 엔진 등이다. 이 엔진들은 주로 고고도 비행이나 급격한 기동 중 안정적인 연료 공급과 고출력 확보를 위해 개발되었으며, 보쉬의 디젤 엔진 분사 기술을 응용한 것이었다. 이 기술은 일본에서도 라이선스 생산되기도 했다.

전후에는 1951년 서독의 골리앗(Goliath) 2행정 엔진과 1954년 메르세데스-벤츠 300SL에 보쉬의 가솔린 분사 시스템이 자동차용으로 적용되었으나, 당시 기술적 한계로 널리 보급되지는 못했다.

본격적인 대중화는 1990년대 이후 전자 제어 기술이 발전하면서 시작되었다. 미쓰비시 자동차가 1996년 갤런에 양산차 최초의 린번 가솔린 직분사 엔진인 '''GDI'''를 탑재하면서 부활의 신호탄을 쏘아 올렸다. 이후 토요타(D-4), 닛산(NEO Di), 혼다(i-VTEC I)[84], 폭스바겐(FSI/TSI), 메르세데스-벤츠(CGI), 알파 로메오(JTS) 등 여러 제조사들이 직분사 엔진을 개발하여 시장에 선보였다.

초기 직분사 엔진은 린번 연소 방식으로 인해 불량이나 매연 문제가 발생하기도 했으나, 기술 발전을 통해 이론 공연비 연소가 가능해지면서 이러한 단점을 극복해 나갔다. 특히 2000년대 이후 강화되는 배출가스 규제와 연비 기준을 충족하기 위해 직분사 기술은 필수적인 요소가 되었다. 유럽 제조사들을 중심으로 시작된 다운사이징 컨셉 유행과 맞물려, 과급기와 직분사 기술의 조합은 연비와 출력을 동시에 만족시키는 효과적인 방식으로 자리 잡았다. 일본에서도 2010년대 중반부터 다운사이징 터보 GDI 엔진 탑재 차종이 증가했다.

최근에는 직분사 엔진의 단점인 탄소 퇴적 문제를 해결하기 위해 포트 분사를 병용하는 방식(토요타의 D-4S 등)이 등장했으며, 스트롱 하이브리드에서는 연비 효율과 미세먼지(PM) 배출 문제 등을 고려하여 포트 분사를 주로 사용하는 경향이 있다.[83] 피에조 인젝터와 같은 신기술 도입으로 연소 정밀도를 높이는 등 기술 개발은 계속되고 있다.

5. 1. 초기 개발 (1911-1938)

휘발유 직접 분사 방식은 2000년대 이후에야 널리 사용되기 시작했지만, 디젤 엔진은 1894년 첫 성공적인 시제품 이후부터 연소실(또는 예연소실)에 연료를 직접 분사하는 방식을 사용해왔다. 휘발유 직접 분사를 시도한 초기 발명가 중 한 명은 1911년부터 1912년 사이에 활동한 아치볼드 로우 박사였다. 그는 자신의 엔진에 연료 주입만 강제된다는 점에서 오해를 살 만한 "강제 유도 엔진"이라는 이름을 붙였다. 1912년 초 프로토타입 엔진의 세부 사항을 공개했으며,[39] 이 설계는 같은 해 F. E. 베이커(F. E. Baker Ltd)에 의해 더욱 발전되어[40] 1912년 11월 올림피아 모터사이클 쇼에 전시되었다. 이 엔진은 고압축 4행정 오토바이 엔진으로, 휘발유 연료를 1000psi로 가압하여 작은 회전 밸브를 통해 압축이 최고조에 달했을 때 실린더로 분사했다. 점화 플러그와 진동 코일을 이용한 동시 점화 방식으로 연소 과정 내내 스파크가 지속되도록 했다. 분사된 연료는 엔진 실린더의 열에 의해 기화되는 것으로 설명되었다. 연료 압력은 연료 펌프에서 조절되었고, 분사량은 회전식 흡기 밸브에서 기계적으로 제어되었다. 이 획기적인 설계는 F. E. 베이커에 의해 더 이상 개발되지 않은 것으로 보인다.

가솔린 직접분사 엔진(GDI)의 초기 시제품은 1916년 독일에서 융커스 항공기용으로 제작되었다. 이 엔진은 처음에는 디젤 엔진으로 설계되었으나, 독일 전쟁성이 항공기 엔진은 휘발유나 벤젠으로 작동해야 한다고 요구하면서 휘발유용으로 변경되었다. 크랭크실 압축 방식의 2행정 엔진이었기 때문에 불발 시 엔진 파손 위험이 있었고, 융커스는 이를 방지하기 위해 GDI 시스템을 개발했다. 이 시제품 엔진의 시연은 제1차 세계 대전 종전으로 개발이 중단되기 직전에 항공 관계자들에게 이루어졌다.[41]

헤셀만 엔진은 1925년부터 1951년까지 다양한 제조사에서 생산된 하이브리드 엔진 설계 방식이다.[42] 일반적인 오토 사이클 엔진처럼 흡기 행정 중에 공기와 연료를 혼합하는 대신, 압축 행정 중 점화 플러그 작동 직전에 연료를 분사했다.[43] 헤셀만 엔진은 휘발유를 포함한 다양한 연료를 사용할 수 있었지만, 주로 일반적인 디젤 연료로 작동했다.[42]

5. 2. 2차 세계 대전과 그 이후 (1939-1995)

최초의 실용적인 가솔린 직접 분사 엔진으로는 제2차 세계 대전 중 독일에서 메서슈미트 Me109 전투기용으로 개발된 Jumo 210G 항공기 엔진을 꼽을 수 있다. 이 엔진은 높은 G 상태에서도 안정적인 연료 공급을 가능하게 하고, 가솔린의 기화열로 인한 아이싱 현상이나 고고도에서의 베이퍼록 문제를 해결하기 위해 개발되었다. 또한 과급기를 이용한 고부스트 압력 상태에서 높은 출력을 내는 데에도 유리했다. 이 기술은 독일의 보쉬가 세계 최초로 완성한 디젤 엔진의 무기 분사 시스템 기술을 응용한 것이다.

제2차 세계 대전 동안에는 Jumo 210G 외에도 많은 독일 항공기 엔진이 GDI 기술을 사용했다. 대표적으로 BMW 801 성형 엔진, 다임러-벤츠 DB 601, DB 603, DB 605 역 V12 엔진, 그리고 유사한 구조의 융커스 유모 211 및 유모 213 역 V12 엔진 등이 있다. 특히 다임러-벤츠가 개발한 DB 601 엔진은 Me109에 탑재되면서 직접 분사 가솔린 엔진으로 널리 알려지게 되었다. 이 엔진은 일제 강점기 일본에서도 가와사키(하40)와 아이치(아츠타)에 의해 라이선스 생산되기도 했다. 연합국 측에서는 소련의 슈베초프 ASh-82FNV 성형 엔진과 미국의 라이트 R-3350 ''듀플렉스 사이클론'' 성형 엔진 등이 GDI 연료 분사 시스템을 사용했다.

독일 회사 보쉬(Bosch)는 1930년대부터 자동차용 기계식 GDI 시스템을 개발해 왔으며[44], 1952년에는 골리앗 GP700과 굿브로드 수페리어의 2행정 엔진에 이 시스템을 처음 도입했다. 이 시스템은 기본적으로 고압 디젤 직접 분사 펌프와 유사한 구조였으며, 흡기 스로틀 밸브로 제어되었다. 이 엔진들은 기존 기화기 방식보다 성능이 우수했고, 특히 낮은 엔진 부하에서 연료 소비를 최대 30%까지 줄일 수 있었다.[44] 또한 엔진 오일을 위한 별도의 탱크를 갖추고 자동으로 연료와 혼합해주어, 운전자가 직접 2행정 연료 혼합물을 만들 필요가 없는 편리함도 제공했다.[45]

1955년에는 메르세데스-벤츠 300SL에 보쉬의 기계식 GDI 시스템이 탑재되었는데[44], 이는 양산 승용차로는 최초의 4행정 GDI 엔진 적용 사례였다. 하지만 당시 기술로는 엔진 시동을 꺼도 실린더가 완전히 멈출 때까지 연료 분사가 계속되어 실린더 벽면의 오일이 씻겨나가는 문제가 있었고, 이로 인해 잦은 오일 교환이 필요했다. 2010년대 중반까지 대부분의 연료 분사 자동차가 매니폴드 분사를 사용했던 점을 고려하면, 이 시기에 GDI 시스템을 적용한 것은 상당히 앞선 시도였다.

1970년대에는 미국의 아메리칸 모터스(AMC)와 포드가 각각 'Straticharge'와 'Programmed Combustion'(PROCO)이라는 이름의 시제품 기계식 GDI 시스템을 개발했다.[46][47][48][49] 그러나 이 시스템들은 기술적 문제나 비용 문제 등으로 인해 실제 양산에는 이르지 못했다.[50][51]

5. 3. 현대의 GDI 엔진 (1996-현재)

1996년 일본 시장에 출시된 미쓰비시 갤랑은 미쓰비시 4G93 직렬 4기통 엔진의 GDI(가솔린 직접 분사) 버전을 탑재하여, GDI 엔진을 사용한 최초의 대량 생산 자동차가 되었다.[52][53] 이 기술은 곧이어 1997년 미쓰비시 카리스마에 적용되어 유럽 시장에도 출시되었으며,[54] 같은 해 미쓰비시는 최초의 6기통 GDI 엔진인 미쓰비시 6G74 V6 엔진도 개발했다.[55] 미쓰비시는 GDI 기술을 광범위하게 적용하여 2001년까지 4개의 엔진 계열에서 100만 개 이상의 GDI 엔진을 생산하며 기술 확산을 주도했다.[56] 이러한 기술력을 바탕으로 푸조, 시트로엥, 현대, 볼보, 폭스바겐 등 여러 자동차 제조사에 GDI 기술 라이선스를 제공하기도 했다.[58][59][60][61][62][63][64] 특히 1999년 현대자동차는 미쓰비시로부터 GDI 기술 라이선스를 획득하여 독자적인 GDI 엔진 개발의 발판을 마련했으며, 이후 V형 8기통 GDI 엔진을 개발하는 성과를 거두었다.

초기 GDI 엔진은 주로 린번 (희박 연소) 방식을 채택하여 연비 개선을 목표로 했으나, 불량이나 매연 문제 등이 발생하기도 했다. 이후 기술 발전을 통해 2000년대 중반부터는 스토이키 (이론 공연비) 연소가 가능한 직분사 기술이 개발되어 이러한 약점을 극복해 나갔다.

2005년 토요타는 2GR-FSE V6 엔진에 직접 분사와 간접 분사(포트 분사)를 결합한 "D-4S" 시스템을 세계 최초로 적용했다. 이 시스템은 실린더당 두 개의 인젝터를 사용하여 운전 상황에 따라 분사 방식을 최적화함으로써 효율성과 성능을 동시에 높이는 방식으로, 이후 여러 토요타 및 렉서스 모델에 확대 적용되었다.[65]

2000년대 이후 강화되는 배출 가스 규제와 연비 기준에 대응하기 위해 많은 제조사들이 GDI 엔진을 채택하고 있다. 특히 유럽 제조사들을 중심으로 엔진 크기를 줄이면서 과급기를 장착하여 출력을 유지하고 연비를 개선하는 다운사이징 컨셉이 확산되면서, 과급기와의 궁합이 좋고 연비 향상 효과가 있는 GDI 기술이 필수적인 요소로 자리 잡았다. 일본에서도 2010년대 중반부터 다운사이징 터보 GDI 엔진을 탑재한 차종이 증가했다.

하지만 GDI 엔진의 탄소 퇴적 문제는 여전히 과제로 남아있어, 일부 제조사에서는 토요타의 D-4S처럼 직분사와 포트 분사를 병용하여 탄소 발생을 억제하려는 시도를 하고 있다. 또한, 스트롱 하이브리드의 경우, 주행 중 엔진 정지 및 재시동이 많아 미립자 물질(PM)을 발생시키기 쉽고,[83] 직분사를 사용하지 않아도 충분한 연비와 출력을 얻을 수 있어 포트 분사를 사용하는 것이 일반적이다.

2014 시즌부터 포뮬러 원 레이싱에서는 직접 분사가 의무화되었다. 규정 5.10.2는 "실린더당 하나의 직접 분사기만 허용되며, 흡기 밸브 상류 또는 배기 밸브 하류에는 분사기를 설치할 수 없다"고 명시하여 GDI 기술의 중요성을 보여주었다.[66]

현대 GDI 엔진은 기술 발전에 따라 다음과 같이 세대별로 구분할 수 있다.

  • 제1세대: 자연 흡기 + 성층 연소. 린번을 통해 연비 개선에 중점을 두었다.
  • 제2세대: 자연 흡기 + 균질 연소. 직분사를 통해 냉간 시동 시 배출가스 개선에 초점을 맞추었다.
  • 제3세대: 과급기 + 균질 연소. 다운사이징 컨셉과 결합하여 연비와 출력을 동시에 추구한다.
  • 제4세대: 자연 흡기 + 성층 연소. 새로운 혼합기 형성 기술을 사용하여 린번으로 연비 개선을 목표로 한다.


마쓰다는 SKYACTIV-G 엔진 등에 GDI 기술을 적극적으로 적용하고 있으며, 현재 로드스터를 포함한 대부분의 자사 승용차에 직분사 엔진을 탑재하고 있다. 반면 다이하츠는 비용 문제 등으로 인해 포트 분사 방식을 주로 사용하고 있다.

6. 2행정 엔진에서의 GDI

휘발유 직접 분사(GDI)는 2행정 엔진에서 배기 가스 정화 및 크랭크케이스 윤활 측면에서 추가적인 이점을 제공한다.

대부분의 2행정 엔진은 스캐빈징 과정에서 배기 효율을 높이기 위해 배기 행정 동안 흡기 포트와 배기 포트를 동시에 연다. 이 때문에 일부 연료와 공기 혼합물이 연소되지 않은 채 배기 포트를 통해 빠져나가는 문제가 발생한다. 하지만 직접 분사 방식에서는 크랭크케이스에서 공기(약간의 오일 포함)만 먼저 실린더로 보내고, 피스톤이 상승하여 모든 포트가 닫힌 후에 연료를 분사하므로 연료가 낭비되는 것을 막을 수 있다.

크랭크케이스 윤활 측면에서도 개선이 있다. 기존 2행정 엔진은 연료와 오일을 미리 섞어 크랭크케이스에 넣었지만, 2행정 GDI 엔진은 오일을 크랭크케이스에 직접 분사하여 윤활하므로 오일 소비량을 줄일 수 있다.[67]

2행정 엔진에 사용되는 GDI 기술은 크게 저압 공기 보조 방식과 고압 방식 두 가지로 나뉜다.


  • 저압 공기 보조 방식: 1992년 Aprilia SR50 모터 스쿠터에 처음 적용되었다. 이 방식은 크랭크축으로 구동되는 공기 압축기를 이용해 실린더 헤드에 공기를 먼저 분사하고, 이후 저압 인젝터가 연료를 연소실에 뿌리면 압축된 공기와 혼합되면서 증발하는 원리다. 오스트레일리아의 오비탈 코퍼레이션(Orbital Corporation Limited)이 이 기술을 개발했으며, 아프릴리아, 피아지오, 푸조, 킴코의 스쿠터와 머큐리, 동발(봄바디어)의 선외기 등에 사용되었다.
  • 고압 방식: 1990년대 독일 회사 피히트(Ficht GmbH)가 개발했다. 이 방식은 별도의 고압 펌프 없이 연소실 내 압력을 이용하여 연료를 분사하는 독특한 구조를 가졌다. 선외기 제조사인 Outboard Marine Corporation(OMC)가 1995년 라이선스를 획득하여, 엄격해지는 배출가스 규제를 만족시키기 위해 1997년부터 이 기술을 적용한 선외기를 생산했다. 그러나 엔진 신뢰성 문제로 인해 OMC는 2000년 12월 파산했다.[68][69][85][86] OMC는 1998년에 피히트의 지배 지분을 인수했었다.[87][88][89][90] 이후 2003년에 피히트 시스템을 개선한 ''Evinrude E-Tec''이 출시되었고,[70] 이 엔진은 2004년 미국 환경보호청(EPA)으로부터 '청정 대기 우수성(Clean Air Excellence)' 상을 받았다.[71] 야마하 발동기 역시 고압 직분사 방식의 선외기를 개발했다.


1951년 서독의 골리앗 GP700과 구트브로트 수페리어 700E는 2행정 2기통 엔진에 가솔린 직분사 방식을 세계 최초로 채택했다. 이는 보쉬와 엔진 제조사의 공동 개발 결과로, 골리앗 GP700의 경우 기화기 모델(25마력) 대비 출력이 29마력으로 향상되었고 최대 토크와 연비도 개선되었다. 분사 펌프는 크랭크축으로 직접 구동되었고, 엔진 오일은 연료와 혼합하지 않고 별도의 오일 펌프로 공급되었다.

이륜차에서는 이탈리아의 비모타가 500 V-Due 모델에 직분사를 채용했으나, 기술적 불안정성으로 인해 다음 모델에서는 다시 기화기 방식으로 변경되었다.

한편, 미국의 비영리 단체인 Envirofit International은 동남아시아의 심각한 대기오염 문제를 해결하기 위해 오비탈 코퍼레이션의 기술을 바탕으로 2행정 오토바이용 직분사 개조 키트를 개발했다.[72][91] 세계 보건 기구(WHO)에 따르면 동남아시아와 태평양 지역에서는 대기 오염으로 매년 약 53만 7천 명이 사망하며, 이 지역의 주요 오염원 중 하나인 1억 대에 달하는 2행정 택시와 이륜차의 배기가스 개선이 시급한 과제이다.[73][74][92][93]

=== 유니플로 스캐빈징 방식 2행정 가솔린 직분사 엔진 ===

크랭크케이스 압축식 외에, 루츠 블로어를 이용한 강제 배기 방식인 유니플로 스캐빈징 방식 2행정 엔진도 존재한다. 과거에는 버스, 트럭, 디젤 기관차용 중형 고속 디젤 엔진으로 사용되었다.

이 방식은 크랭크케이스 압축식처럼 흡기 시 배기 밸브가 열려 연료가 새어 나갈 수 있고 구조가 더 복잡하여 가솔린 엔진에는 잘 사용되지 않았다. 하지만 직접 분사 기술을 적용하면 연료 누출 문제를 해결할 수 있다.

유니플로 스캐빈징 방식 가솔린 직분사 엔진의 장점은 다음과 같다.

  • 4행정 엔진보다 폭발 횟수가 두 배 많아 토크를 높일 수 있어, 소형차나 경차 엔진 개발에 유리하다.
  • 크랭크케이스 압축식과 달리 4행정 기관과 동등한 폐쇄된 윤활 계통을 사용하므로 엔진 오일을 태울 필요가 없어 배기가스 정화에 유리하다.


이러한 장점 때문에 1980년대 후반부터 BMW, 토요타 자동차, 다이하쓰 공업 등이 연구 개발을 진행했다. 그러나 4행정 엔진과 유사한 배기 밸브 기구가 필요하고, 구조상 SOHC 구현이 어려워 OHV 방식에 머물러야 하며, 동일 회전수에서 폭발 횟수가 많아 최대 회전수가 4행정 엔진보다 낮다는 단점이 있었다. 결국 BMW와 토요타는 이 기술을 4행정 린번 엔진 개발에 응용하는 데 그쳤고, 다이하쓰는 2003년 도쿄 모터쇼에 콘셉트 모델 다이하쓰 ai를 출품했지만 시판에는 이르지 못했다.

7. 대한민국 현황 및 전망

휘발유 직접 분사(GDI) 기술은 연비 향상과 이산화 탄소 배출 감소에 기여하는 것으로 알려져 있으나, 기존의 포트 연료 분사(PFI) 엔진보다 더 많은 블랙 카본 에어로졸을 생성한다는 문제점이 지적된다. 블랙 카본은 태양 복사를 강하게 흡수하여 기후 온난화에 영향을 미치는 물질이다.[37]

2020년 1월 학술지 ''환경 과학 기술''에 발표된 미국 조지아 대학교 연구팀의 연구 결과는 이러한 우려를 뒷받침한다. 연구팀은 GDI 엔진 차량에서 발생하는 블랙 카본 배출량 증가가 미국의 도시 지역에서 이산화 탄소 감소로 인한 냉각 효과를 훨씬 능가하는 기후 온난화를 유발할 수 있다고 예측했다. 또한, 기존 PFI 엔진에서 GDI 기술로 전환될 경우, 차량 배출과 관련된 조기 사망률이 연간 미국 내 855명에서 1,599명으로 거의 두 배 증가할 수 있다고 예상했다. 연구진은 이러한 조기 사망으로 인한 연간 사회적 비용을 59.5억달러로 추산했다.[38]

참조

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