[아롱 테크] 출력과 성능 장점 많은 GDI 엔진 상태를 최적으로 유지하는 법

[오토헤럴드=김아롱 칼럼니스트] 미국자동차공학회(이하 SAE) 가솔린 연료분사표준위원회(GFISC)가 오는 2024년 두 개의 새로운 기술표준을 발표할 계획으로 알려졌습니다. 가솔린 연료분사표준위원회(GFISC)는 가솔린 연료분사시스템의 기계 및 전기부품에 대한 SAE의 관련표준과 권장사례(RP) 및 정보보고서(IR)를 제정하고 관리하는데 중추적인 역할을 담당하고 있는 기관입니다.

이 곳에서는 2019년 이전에 발표된 가솔린 연료분사시스템 기술표준과 관련해 2021년 이후 가솔린 저압연료펌프 특성화(SAE J1537), 가솔린 저압 연료인젝터(SAE J1832), 가솔린 직접 연료분사펌프(SAE J2714) 등 세 개의 업데이트된 기술표준을 발표한 바 있습니다.

새롭게 발표될 것으로 보이는 기술표준은 가솔린 직접분사 연료인젝터 특성화(SAE J2713) 및 가솔린 연료인젝터 스프레이(연료분사패턴) 측정 및 특성화(SAE J2715) 등 연료인젝터(연료분사시스템)와 관련이 있는 것으로 알려졌습니다.

가솔린 연료분사시스템은 연료탱크와 연료펌프, 연료파이프, 연료압력조절기, 인젝터(연료분사기), 연료압력센서, 연료필터, 연료제어장치 등으로 구성되어 있습니다. 연료탱크 안에 내장된 연료펌프가 연료(휘발유)를 연료파이프를 통해 엔진룸까지 공급합니다.

그리고 연료압력조절기가 연료분사량과 패턴을 제어하기 위해 일정한 연료압력으로 조절한 후 인젝터(연료분사기)를 통해 흡기매니폴드 또는 엔진연소실 내부로 연료를 공급(분사)하는 것이 작동원리이지요.

예전에는 연료인젝터가 연료를 흡기매니폴드에 장착돼 분사된 연료가 공기와 함께 섞인 연료공기혼합기가 엔진 흡기밸브를 통해 엔진연소실로 공급되는 다중포트분사(MPI, Multi Point Injection) 엔진이 주로 사용되었지만 최근에는 연료를 엔진연소실 안에서 직접 분사하는 고압 직접 연료분사(GDI, Gasoline Direct Injection) 엔진이 주로 사용되고 있는 추세입니다.

GDI 엔진은 연료를 직접 연소실 내에 분사함으로써 엔진성능과 연비를 향상시킨 엔진으로 기존 MPI 엔진처럼 연료탱크 내부의 연표펌프(저압연료펌프) 외에 엔진룸에 별도의 고압연료펌프를 비롯해 연료압력조절기와 통합된 연료레일을 갖추고 있는 것이 특징입니다.

GDI 엔진은 환경규제와 연료효율성이 강화되면서 보다 친환경적이면서 고효율의 엔진이 필요해짐에 따라 개발되었는데요, 고압의 연료를 엔진연소실 안에 직접 분사함으로써 엔진의 연소효율을 높여 연비가 향상됨은 물론 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 것이 장점이라 할 수 있습니다.

뿐만 아니라 보다 정밀한 연료공급이 가능해 엔진출력 및 토크를 향상시킬 수 있지요. 우선 GDI 엔진은 연료분사량과 연료분사타이밍을 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 높은 연료효율성을 갖추고 있습니다.

엔진의 연소성능이 향상됨에 따라 불필요한 연료낭비를 줄임으로써 연비를 향상시킬 수 있는 것입니다. 또한 높은 연소효율은 연소과정에서 발생되는 이산화탄소와 입자상물질(PM)을 줄임으로써 엄격해지고 있는 환경규제에 대응하고 엔진이 환경에 미치는 영향을 줄이는데도 도움이 됩니다.

이와함께 정밀한 연료분사량 제어를 통해 연료공기의 혼합비를 최적화함으로써 동일한 배기량을 갖춘 MPI 엔진보다 더 높은 출력과 토크를 발휘할 수 있습니다. 낮은 엔진회전수영역(rpm)에서도 높은 토크를 발휘하기 때문에 주행성능을 향상시키고 기어변속을 줄여 승차감 개선에도 기여하고 있습니다.

소음과 진동이 적기 때문에 부드럽고 조용한 운전이 가능하지요. GDI 엔진은 터보차저와도 쉽게 결합되어 엔진출력을 더욱 높일 수 있기 때문에 엔진다운사징이 가능한 점도 특징이라 할 수 있습니다. 

이외에도 연료를 엔진연소실 안에 직접 분사하면 엔진의 냉각효과로 엔진이 과열될 위험을 줄일 수 있으며 정밀한 연료제어를 통해 추운 날씨 때에도 냉간시동성을 향상시킬 수 있는 것이 장점입니다. 휘발유 뿐 아니라 에탄올과 같은 다양한 연료를 사용할 수 있어 다양한 시장과 환경규제에도 대응할 수 있지요.

이처럼 GDI 엔진은 장점이 많은 것이 사실이지만 그만큼 엔진의 유지관리에도 신경을 써야 합니다. 일반적인 다중포트분사(MPI) 엔진의 경우 연료가 흡기밸브를 통해 엔진연소실로 유입되면서 흡기밸브와 흡기통로 주변에 퇴적된 카본슬러지의 일부를 제거하는 세정기능을 하지만 GDI 엔진의 경우 연료가 직접 연소실 안으로 분사되다보니 MPI 엔진보다 2~3배가량 카본이 더 많이 쌓인다는 것이 관련업계의 설명입니다

특히 불완전연소된 배출가스나 블로바이 가스를 흡기통로를 통해 재연소시키는 과정에서 흡기통로와 스로틀밸브, 흡기밸브 등 흡기시스템은 물론 엔진연소실 내부에도 카본슬러지 등과 같은 불순물이 퇴적되어 엔진출력을 떨어트리거나 실화, 노킹 등으로 소음 및 진동이 발생하고 배출가스가 증가하는 현상이 발생합니다.

GDI 엔진의 경우 시스템 구조상 이러한 문제가 더욱 심화되고 있는 추세입니다. 이때문에 차량의 엔진부조 및 출력저하 문제로 정비업소를 찾는 경우를 흔히 볼 수 있습니다. 일부 정비업계 관계자들은 이러한 GDI 엔진의 흡기 및 연소실 퇴적물과 관련해 시스템 고장으로 볼 것이 아니라 엔진오일을 정기적으로 교환하는 것과 마찬가지로 정기적으로 점검 및 클리닝을 해줘야한다고 귀띔합니다. 

김아롱 칼럼니스트/[email protected]