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1. 개요
한국어 : 직접분사식 가솔린 엔진영어 : Gasoline Direct Injection
독일어 : Benzineinspritzung
가솔린(휘발유)을 실린더 안에 직접 분무하여 미립자 상태로 연소시켜 구동하는 내연기관.
2. 상세
2.1. 개발 역사
의외로 이론 자체는 오래된 편으로, 자동차의 중흥기인 1925년, 스위스의 엔지니어 Jonas Hasselman에 의해 실물이 제조됐다. 이는 혼합비가 매우 낮은 "희박한 혼합기"를 조성, 점화 플러그로 점화하는 방식이었다.[1] 단, 이 Hesselman engine은 순수 가솔린 엔진이 아닌 디젤 엔진과의 혼합(시동걸 때는 가솔린으로 시동걸고 열 받으면 경유나 등유로 돌아가는 식)이었고 이후 최초로 양산형 가솔린 직분사 엔진은 독일에서는 Junkers Jumo 210G 엔진과 Daimler-Benz DB 601엔진을 시작으로 이 엔진들의 후계자들(Jumo 210G, Jumo 211, Jumo 213이나 Daimler-Benz DB 601, DB 603 , DB 605)이 가솔린 직분사식이었고 소련은 ASh-82FN(LA-5FN 이나 LA-7등에 쓰임)에서 적용되고 미국은 Wright R-3350 Duplex-Cyclone(B29의 엔진)의 후기형들이 가솔린 직분사식으로 제작됐다.그리고 자동차에는 보쉬에서 시제차량에 1952년에 올려보고, 1955년 메르세데스-벤츠 300SL에 이용되어 최초로 직분사 엔진을 장착한 스포츠카가 됐다. 여기까지는 기계식 펌프로 작동되는 시스템이었고, 운전 제어의 어려움 등 기술적 문제 때문에 한동안 사장됐다가 요즘 흔히 보는 전자식 연료분사의 GDI는 1996년에 미쓰비시 자동차에서 승용차용으로 대량생산되고 이후 여러 회사에서 여러가지 이름으로 보편화됐다.
좀 특이한 경우로 2행정 엔진의 미연소 혼합기가 소기행정때 배기로 유출되는 문제를 해결하려고 직분사를 적용한 경우가 있었다. 커스텀 하이테크 모터사이클 제조사인 이탈리아의 비모타가 1997년에 만든 500V-due가 그것인데, 아쉽게도 당시 이태리의 조악한 전자 기술로는 내구성 좋은 인젝터를 만들 수 없었는지 초기생산 차량 전량이 리콜 및 환불처리 되면서 비모타 회사 자체가 망했다가 힘들게 정상화 됐다. 그 이후 2010년대 들어서 KTM을 비롯해 다양한 회사들이 2행정 엔진에 직분사를 적용했으나 어디까지나 공도 주행이 불가한 레이싱 카트나 모터크로스 경기전용 차량 등 극소수 분야에 적용되고 있는 실정이다.[2][3]
2.2. 장점
본래 엔진에 연료를 공급하는 가장 대표적인 방법은 기화기(카뷰레터)를 통해 연료와 공기가 균일하게 섞인 기체를 실린더에 주입하는 것인데, 실린더 전체에 균일하게 채워진 혼합기의 농도가 낮으면 점화에 실패하거나 연소가 도중에 중단될 가능성이 있기 때문에 연료의 농도를 높게 유지해야하고 따라서 불완전연소율이 높다. 그렇다면 '실린더에 바이패스로 그냥 공기를 많이 밀어 넣은 후 혼합기를 넣고 점화시키는 불균일주입이라면 농도와 산소량이 모두 충분히 확보될 것 '이라는 개념에서 나온 것이 린번엔진[4]이었다. 기존의 14.7:1의 공기:연료 비율에 비해 더 희박한 22~23:1의 비율이 가능해졌지만, 기체인 혼합기는 실린더에 주입되는 즉시 공기와 섞여 흩어지려 하는 성질이 있어서 역시 한계가 있었다.그래서 디젤 엔진의 작동방식을 참고하여, 흡기행정에 공기만 우겨 넣은 후 거기에 연료를 직접 무화 주입하고 스파크로 점화시키는 형태의 엔진이 만들어지게 된다. 이를 통해 린번엔진에 비해 높은 25:1에서 높게는 40:1 이라는 혼합비로, 안정적인 점화를 보장하는 압도적인 국소 연료 에어로솔 밀도와 완전연소를 보장하는 압도적인 산소량을 모두 겸비하게 되며, 무화된 연료 중 일부가 증발하면 주위의 열을 흡수하기 때문에 연소실 내의 기온이 떨어져 충전효율이 좋아지는 장점과 함께 연료의 혼합비율 조정을 통한 연비와 출력의 향상이 가능하다. 또한 불완전연소에 의한 일산화탄소의 양도 획기적으로 줄어들었다. 게다가 전술되어 있듯이 연료분사 시 연료에 의한 냉각효과가 있기 때문에 고온에 의한 노킹도 억제할 수 있어 압축비를 높일 수 있다. 흡기행정에 공기만 집어넣기 때문에 밸브 오버랩을 길게 해도 연료가 배기되지 않으므로 터보같은 과급기와의 궁합도 좋아 엔진 다운사이징에 널리 활용되고 있다.
또한 시동시 촉매 온도를 쉽게 올릴 수 있어, 유럽 배출가스 기준인 유로 5 대응이 기존 엔진에 비해 유리했었다.
2.3. 단점
기화된 혼합기가 아니라 디젤 엔진처럼 분무된 상태의 연료를 태우는 것이다보니 탄소 미세먼지의 배출량이 높다. 유로 5 시절 GDI 차량의 미세먼지 배출량이 기준보다 높아(이 영상에서 GDI 엔진 자동차들의 매연이 심한 것을 확인할 수 있다.) 유로 6에서는 가솔린 직분사 엔진에 디젤 엔진처럼 미세먼지 필터를 의무적으로 장착한다는 얘기가 돌았으며, 이렇게 필터가 장착되는 경우 엔진 오일도 엔진 보호, 오일 내구성에 필요한 첨가제의 함량이 제한되고 배기가스 후처리장치에 대응하는 mid SAPS, low SAPS 규격을 요구하게 된다.또한 디젤 엔진처럼 분무되자마자 자연착화되는게 아니라 일단 분무해 놓고 전기 스파크로 연소시키다보니 피스톤 상단에 떨어져 방울진 일부 연료에 점점 그을음이 눌어붙는다. 이 악성 카본 덩어리가 노킹을 유발하는 열점으로 작용하여 요구 옥탄가를 계속 올리게 되고, 연료품질이 나쁜 환경에서 장기간 운용할 경우 점점 노킹이 많아진다. 특히 GDI는 MPI에서도 볼 수 있는 일반적인 노킹뿐만 아니라 실린더 내벽에 연료 방울이 맺히고 이 맺혀있는 연료 방울이 실린더 내부의 검댕, 엔진 오일의 특정 성분 등의 열점에 의해 점화 플러그의 점화 이전에 자연발화 하는 저속 조기 점화(low speed pre-iginition, LSPI)가 존재하는데 이 LSPI는 일반적인 노킹과 달리 피스톤이 움직이는 반대 방향으로 힘을 가하기 때문에 실린더 내부 검댕을 신경써서 관리해야 하며, 따라서 메르세데스-벤츠, 현대자동차 등의 제조사는 차량 설명서에 폴리 에테르 아민 계열의 연료 첨가제를 주기적으로 사용할 것을 추천하기도 한다. 엔진 오일도 또 제한이 생기는데, 기존에 널리 사용되던 칼슘 계열의 청정 분산제가 LSPI의 열점 중 하나로 작용하므로 청정 분산제가 LSPI에 중립적인 마그네슘 계열의 청정 분산제로 일부 대체된 오일들(API SN PLUS, API SP 규격 등 혹은 개별 오일의 신유분석)을 찾아서 넣어야 하기 때문이다.
게다가 연료의 주입량이 적을 때는 출력의 하락이 지나치며, CRDi와 마찬가지로 인젝터 주위에 생기는 탄소화합물이 연료를 흡수하고 흡기밸브에 탄소 검댕이 쉽게 끼어 오래 운용할수록 출력과 연비가 점진적으로 떨어진다.[5] 1990년대 이후로 환경규제 때문에 많은 엔진들의 에어클리너 박스와 크랭크실이 연결되어 있고, 배기가스 재순환장치(EGR)가 사용되므로 실린더 하단으로 샌 혼합기/블로바이 가스/기화된 엔진오일/배기가스에 포함된 탄소 검댕 등이 흡기밸브에 달라붙는데, 기존 간접분사의 경우는 흡기밸브 앞에서 가솔린을 쏘기 때문에 흡기밸브가 연료를 직접 맞아 오염이 덜 하다. 다만 이 경우에도 밸브 헤드, 즉 항시 연소실에 맞닿는 면은 해당되지 않는다.
직분사는 특성상 포트 분사 대비 짧은 주기로 스로틀 밸브와 흡기밸브, 흡기 매니폴드 등의 엔진 흡기기구 청소를 해 줘야 출력과 연비가 유지된다.
시판되는 연료첨가제 중에서 GDI 엔진이나 CRDi 같은 직분사 엔진의 카본 제거에 특효라고 광고하는 제품들이 간혹 있는데, 직분사는 연료를 직접 실린더에 쏘며 흡기밸브에 청정작용을 하는 연료가 지나가지 않으므로, 실린더 내부의 카본에 대해서는 효과가 있겠으나 흡기밸브에 쌓인 탄소 검댕에 대해서는 당연히 효과가 없다. 원칙적으로는 호두가루 크리닝(월넛 블래스팅)을 통해 흡기구 청소를 해야 하지만 일반적으로 거의 20만원 안팎의 공임을 요하는 만큼 비용이 절대 저렴한 편은 아니며, 청소 직후부터 흡기밸브에 탄소축적이 다시 시작되어 크리닝 효과가 오래가봐야 1년 안팎이다. 때문에 자가정비문화가 활발한 해외에서는 브레이크 진공호스나 스로틀바디에 직접분사하는 스프레인 형태의 GDI엔진 전용 클리닝 제품들(Intake Valve Cleaner)이 2016년 이후 시장에 나오기 시작했다. 국내에 판매되는 성분이 불명확한 일반적인 흡기 카브클리너(흡기계통 세정제) 또는 엔진컨디셔너 제품들과 차이점은 해외시판되는 이런 GDI 전용 클리너에는 고가의 PEA(폴리에테르-아민) 성분이 들어있음을 명시하고 있다는 점이며, 가격 또한 일반 흡기세정제에 비해 비싸다.
엔진오일에 첨가한 후 블로바이 가스에 섞여 고착된 탄소 검댕을 제거해 주는 제품들도 시판되고 있는데, 효과는 있으나 슬러지와 탄소 검댕이 심하게 쌓인 엔진에 사용할 경우 떨어져 나온 슬러지가 덩어리져 오일 순환을 막는 경우도 있으니 사용에 주의해야 한다.[6] 그리고 아예 블로바이 가스 관을 따로 빼내어 블로바이 가스가 흡기관으로 들어가지 않게 해 따로 보관하는 캐치탱크[7]도 시판되는데, 이런 제품을 사용하면
고회전으로 주행을 지속해 흡기밸브 온도를 상승시켜 흡기밸브 카본을 연소시켜 제거할 수 있다는 카더라도 있지만 고성능인 V8 직분사엔진(BNS)을 보면 알 수 있듯, 고부하 주행이 퇴적물제거에는 전혀 도움이 되지 않을뿐더러 특히 노후된 엔진은 내부기밀(리테이너, 연소실 내부 간극)이 떨어지므로 혼합기뿐만 아니라 많은양의 오일까지 뱉어낼 수도 있으니 오염을 제거한답시고 고부하 주행을 해봤자 소용이 없다.[11] 애초에 온도를 올려서 카본을 태우는 것은 불가능하다. 정확히는 카본이 타서 없어질 온도라는 건 실린더 과열이란 뜻이고 카본이 타기 전에 혼합기가 역방향으로 조기 점화돼서 커넥팅 로드와 크랭크 샤프트가 박살난다는 뜻이다. 물론 그렇게 뜨거워 지기도 전에 먼저 노킹 때문에 흡배기 밸브와 스템씰이 박살나 엔진이 퍼질 것이다. 고회전으로 카본을 태운다(이탈리안 튠업) 어쩌고는 철저한 유사과학이다.
따라서 애초에 카본이 가능한한 조금 쌓이는게 좋기 때문에, 무조건 옥탄가 95 이상 고급유 사용이 강제된다. 돈 아깝다고 일반유로 굴리면 엔진이 손상을 입기 시작하여 엔진의 급격한 수명 단축이 발생한다. 이 때문에 이론상 최대 연비와 출력이 우월함에도 MPI 엔진에 비해 선호도가 낮아지고 있다.
또 연료 분사압과 압축비가 기존의 MPI 엔진보다 높기 때문에 엔진의 진동과 소음이 크다. 배기온이 일반 엔진에 비해 높기 때문에 일반적인 엔진용 촉매는 쓰지 못하고, 고온에 대응 가능한 촉매가 필요하다고 한다.
여기 사용되는 인젝터는 디젤 엔진에 쓰이는것과 같은 (엔진내부의 고 압력에 견딜 수 있는) 직분사 인젝터이며, 현재의 GDI는 그 옆에 점화플러그가 들어간다. 피스톤 헤드의 형상이 포트 분사 엔진과는 다른 경우들이 많다. 일반적인 엔진의 피스톤 형상인 평평하거나 살짝 볼록 튀어나온 모양에 밸브홈(밸브리세스)이 파여있는데 반해, 헤드의 중앙부가 오목하게 들어가게 설계된 사례들도 많다.
차세대 기술로 아예 디젤 엔진처럼 강제로 압축착화를 일으키도록 플러그가 없는 가솔린 압축착화 엔진인 HCCI 엔진 역시 개발 중이다. 단, 가솔린 압축착화 기술을 적용한 엔진은 2020년에 마쓰다에서 SKYACTIV-X라는 이름으로 출시됐다.
그나마 현실적으로 나오고 있는 대응으로는 GDI + MPI로 엔진을 만들어 두 방식을 상황에 맞춰 쓰는 방식이 있다. 토요타 D4-S나 3세대 아우디 EA888 엔진, 현대차의 스마트스트림 엔진 라인업 등인데, 저속/저부하 주행의 경우 MPI로 굴려 최대한 소음과 미세먼지 배출, 흡기밸브 카본 축적을 억제하고 고속/고부하 주행에서는 GDI로 최대 출력을 뽑는 형태이다. 통상적인 생각과는 달리 이 MPI용 인젝터의 목적은 흡기밸브 세척을 위한 것이 아니라 배기가스, 특히 미세먼지 저감, 아이들 시 소음 감소 등의 목적으로 달린 것으로, 흡기밸브 세정은 부수적인 이득에 가깝다. 비용 문제로 듀얼 인젝션은 일부 제조사에서나 사용하고 있으므로 듀얼 인젝션을 사용하지 않는 것이 비판의 대상이 되기는 어렵다.
3. 논란
경주성적과 기록갱신을 위한 기술실증기로서는 가치가 있지만, 일반 승용차용으로는 사실상 베타테스트나 다름 없는 엔진이다. 이론상 열효율과 출력이 높지만, 그 열효율과 출력을 계속 내려면 카본이 전혀 끼지 않아야 하는데 GDI는 작동구조상 카본이 끼지 않는건 불가능하며, 카본이 조금이라도 끼는 순간 노킹이나 점화각 지연으로 인한 출력손실이 따르기 시작한다. 연비가 높다는 것도 항속거리의 증대라는 점에서는 의미가 있겠지만 총 유지비용은 전혀 낮춰주지 못한다. 기본적으로 고급유 사용이 필수라 연료비용이 높고, 인젝터가 폭발과 카본 샤워에 직접 노출되기 때문에 수명이 짧은 것 부터 해서, 성능을 유지하기 위한 잦은 오버홀 비용만 해도 답이 없다. 게다가 오버홀을 게을리하다 한번 고장이라도 나면 크게 고장나고 수리비가 엄청나게 깨진다. 특히 연비와 출력을 최대한 끌어올려보자고 여기에 기어이 트윈터보를 추가한 TFSI 같은 것은 죽음의 무한 엔진경고등, 만년 정비소 대기로 많은 차주들을 고통의 늪에 빠트리고 있다.한국 제조사 차량에서 시동꺼짐 현상이 나타나는데, 원인이 이 GDI 엔진인 것으로 의심되고 있다. 엔진 특성상 열이 많이 나는데 이로 인한 열팽창 때문에 실린더에 손상이 생기는 것이다.
사실 실린더 스크래치 문제는 꼭 GDI 엔진에서만 일어나는 게 아니다. 어떤 엔진에서든 일어날 수 있는 문제이지만, 한국 제조사에서 불거진 문제가 워낙 규모가 크고 유명해져서 해당 문제가 GDI 엔진의 특성처럼 인지되어 버린 것 뿐이다. 그래도 GDI 엔진은 고출력 세팅을 목적으로 만들어지기 때문에 MPI 엔진에 비해 문제가 발생할 가능성이 큰 것은 맞다.
4. 회사별 명칭
- 현대자동차그룹 GDi(Gasoline Direct injection)[12]
- 토요타 D-4[13]
- 미쓰비시 GDI[14](Gasoline Direct Injection)
- 마쓰다 DISI(Direct Injection Spark Ignition)
- 포드 SCI(Smart Charge Injection)
- 제너럴 모터스 SIDI(Spark Ignition Direct Injection)
- 메르세데스-벤츠 CGI(Charged Gasoline Injection)
- BMW HPI(High Precision Injection)
- 아우디, 폭스바겐 FSI(Fuel Stratified Injection)[15]
- 포르쉐 DFI(Direct Fuel Injection)
- 르노 IDE(Injection Directe Essence)[16][17]
- 알파 로메오 JTS(Jet Thrust Stoichiometric)
이외에도 여러 회사에서 2000년 이후로 거의 대다수의 엔진에서 이용하지만, 별도의 네이밍이 없는 경우도 많다.
[1] 이 엔진은 스카니아, 볼보, Tidaholms Bruk에서 이용됐다.[2] 설사 인젝터를 제대로 만들 수 있게 된 현재라 해도 GDI 채용한다고 해서 2행정 엔진이 요즘의 가혹한 환경규제를 만족하기는 힘들 것이다. 오일 연소 문제를 비롯해 다른 수두룩한 문제점이 많으며, 무엇보다 2행정의 저렴한 제작원가라는 장점이 희생된다는 점이 크다.[3] 현재는 토요타의 하이브리드 엔진에서 크랭크를 뺀 2행정 왕복 피스톤이 연구되고 있다. 하이브리드 특성상 대체로 일정한 주기를 유지하려 하기 때문에 전자제어를 더해 효율을 최대한 뽑아낼 수 있기 때문.[4] Lean-Burn의 Lean은 '(연료가) 희박한'이라는 뜻이다.[5] 출력/연비저하 속도가 느리므로 출력/연비저하를 체감하기는 어렵다. 차계부를 꼬박꼬박 쓰거나, 오랫동안 쌓여있던 흡기기구의 탄소를 제거하면 쉽게 알 수 있다.[6] 엔진오일에 첨가제를 넣을 때는 첨가제와 기존 엔진오일이 어떻게 반응하여 엔진에 어떤 영향을 미칠 지는 아무도 모르니 조심해야 한다. 이때 단순히 사용기만 참고해도 부족한데, 이는 느낌과 데이터가 동떨어져있는 경우도 많기 때문이다. 게다가 환경을 위해서 엔진오일에 요구되는 물성이 갈수록 혹독해져가고 있는 추세이므로 첨가제를 사용할 경우 엔진오일 규격을 오히려 맞추지 못할 확률도 있다. BMW 엔진의 경우 첨가제를 사용하다가 가변 밸브 타이밍 기구가 완전히 맛가는 경우도 있으며, 국산 엔진도 첨가제나 규격 외의 엔진 오일을 사용하다가 촉매가 털려버리는 일이 잦다. 이 때문에 덕력이 높은 차덕후 중에는 첨가제와 소규모 기업의 엔진오일을 불신하는 사람들이 많다. 애초에 설명서에 친절하게 넣지 말라고 박아놨긴 하지만.[7] 오일 캐치탱크 자체 태생이 원래 깡통이긴 하지만, 시중 튜닝샵에서 판매하는 캐치탱크는 거기서 모양만 잡은 알루미늄 통이 대다수다. 문제가 있다면 브랜드라고 만들어낸 비교적 고가의 상품들도 분해해보면 미연소된 혼합기를 캐치할 어떤 흡착재 없이 다시 흡기라인으로 연결되기 되기 때문에 노후로 인해 리테이너와 피스톤링 마모 등으로 인해 오일을 미친듯이 뿜어내는 것들이나, 겨울철 습기와 합쳐진 오염물 정도만 탱크내부에 쌓이고 혼합기는 결국 그대로 다시 돌아가기 때문에 효과가 아주 미미하다. 더욱이 설치시 PCV밸브가 아닌 커버의 니플라인(환기)만 따서 설치하는 경우가 아주 많기에 효과를 못보는 경우가 매우 흔하다.[8] 원천적으로 미연소 혼합기를 '캐치' 하기 위해서는 반드시 바이패스 밸브(커버에 밸브가 안붙는 환기니플 쪽)와 필터링이가능한 오일 셰퍼레이터나 그에 준하는 캐치탱크를 사용해야하며 헤드에서 나오는 모든 PCV밸브와 커버니플에 장착해야 한다. 엔진헤드가 2개라면 각 헤드별로 설치를 해야한다.[9] 물질 자체의 생물독성 외에, 물질을 이온화시켜 녹아내리게 함. 엔진블록도 조금씩 녹음[10] 위에 서술했듯이 메탄올의 유해성 때문에 평소엔 끄고다니다가 가끔씩 온 시켜서 락스청소같은 원리로 청소용으로 쓰는 경우[11] 흡기밸브의 오염원인에는 오버랩으로 인한 역류된 배기가스도 포함되며 퇴적물이 고온으로 증발이나 연소 할 정도로 온도가 오를 수도 없고, 엔진 내부에서는 미연소 혼합기가 계속 방출이 된다. 카본빌드업 문제가 심각했던 아우디의 직분사 엔진들은 후에 개선된 오일 세퍼레이터를 공급했으며, 일정 기간마다 클리닝을 받으라고 권고한다.[12] 오메가 엔진은 미쓰비시 시스템. 이 외는 보쉬, 델파이, 콘티넨탈 혹은 케피코 시스템을 사용한다.[13] 직분사와 포트분사를 병행사용하는 바리에이션은 뒤에 S가 붙어서 D-4S라 불린다.[14] 96년부터 양산시작.[15] 아우디 기준 터보를 장착하면 TFSI가 된다. 폭스바겐은 TSI[16] essence은 프랑스어로 휘발유란 뜻이다.[17] 르노코리아에서는 GDe라는 명칭을 사용 중이다.