가솔린직분사

가솔린 직분사(PDI)라고도 하는 가솔린 직분사(GDI)^[1]는 내연기관용 혼합형성 시스템으로 가솔린(가솔린)으로 작동하며 연소실로 연료가 주입된다. 이는 흡기 매니폴드로 연료를 분사하는 매니폴드 연료 분사 시스템과 구별된다.

GDI를 사용하면 배기 가스 배출을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 엔진 효율과 특정 전력 출력을 높이는데 도움이 될 수 있다.^[2]

생산에 도달한 최초의 GDI 엔진은 1925년에 저압축 트럭 엔진으로 도입되었다. 1950년대에는 독일 자동차 여러 대가 보쉬 기계식 GDI 시스템을 사용했지만, 1996년 미쓰비시로부터 대량생산 자동차에 전자 GDI 시스템을 도입하기 전까지는 이 기술의 사용이 드물었다. GDI는 최근 몇 년 동안 자동차 산업의 급속한 채택을 보였으며, 미국에서는 2008년 모델 차량의 생산량의 2.3%에서 2016년 모델 연도의 약 50%로 증가했다.^[3][4]

작동 원리

충전 모드

직접 주입식 엔진의 '충전 모드'는 연소실 전체에 연료가 분배되는 방식을 가리킨다.

• '동종 충전 모드'는 다지관 주입에 따라 연소실 전체의 공기와 고르게 혼합된 연료를 사용한다.
• 층화 충전 모드에는 스파크 플러그 주변 연료 밀도가 높고 스파크 플러그에서 더 멀리 떨어진 희박 혼합물(연료 밀도 낮음)이 있는 구역이 있다.

균질 충전 모드

균일한 충전 모드에서 엔진은 균일한 공기/연료 혼합물(${\displaystyle \mathrm{\lambda }}$= 1 ${\displaystyle \lambda =1}$ )에서 작동하며,$$ 이는 실린더에 연료와 공기가 거의 (거의) 완벽하게 혼합되어 있음을 의미한다. 연료는 주입된 연료를 공기와 가장 많이 혼합할 수 있는 시간을 주기 위해 흡입 행정의 시작 부분에 주입되어 균일한 공기/연료 혼합물이 형성된다.^[5] 이 모드는 배기 가스 처리를 위해 기존의 3방향 촉매 사용을 허용한다.^[6]

다지관 주입에 비해 연료 효율은 매우 약간 높아질 뿐 특정 출력이 더 좋아 동질모드가 이른바 엔진 다운사이징에 유용하다는 것이다.^[7][6] 대부분의 직접 투입된 승용차 가솔린 엔진은 균일한 충전 모드를 사용한다.^[8][9]

층화 충전 모드

층화 충전 모드는 스파크 플러그 주위에 작은 범위의 연료/공기 혼합물을 생성하며, 이 혼합물은 실린더의 나머지 부분에 공기로 둘러싸여 있다. 이로 인해 실린더에 연료가 적게 주입되어 > $[\displaystyle \lambda >8$^[10]의 전체 공기 연료 비율이 매우 높으며, 평균 공기 연료 ${\displaystyle \mathrm{비율}}$은 ${\displaystyle =}$ = 3$[\displaysty \lambda =3...$$중부하$에서는 5$},$ 최대부하에서는$$ $\lambda {\displaystyle }$= ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle$ ^[11]$\lambda =1}.$ 스로틀 밸브는 조절 손실을 피하기 위해 가능한 한 개방된 상태를 유지하는 것이 이상적이다. 토크는 품질 토크 제어를 통해서만 설정되며, 이는 엔진의 토크를 설정하기 위해 연료 주입량만 조정되고 흡기량은 조정되지 않는다는 것을 의미한다. 층화 충전 모드도 화염을 실린더 벽에서 멀리 떨어뜨려 열 손실을 줄인다.^[12]

너무 희박한 혼합물은 스파크 플러그로 점화될 수 없으므로(연료 부족으로 인해), 전하를 층화해야 한다(예: 스파크 플러그 주변의 작은 연료/공기 혼합물을 생성해야 함).^[13] 이러한 충전을 달성하기 위해, 층화된 충전 엔진은 압축 행정의 후반 단계에서 연료를 주입한다. 피스톤 상단의 "스월 캐비티"는 종종 연료를 스파크 플러그를 둘러싼 구역으로 유도하는 데 사용된다. 이 기법은 카뷰레터나 종래의 다지관 연료 주입으로는 불가능한 초경량 혼합물의 사용을 가능하게 한다.^[14]

층화 충전 모드("초경량 연소 모드"라고도 함)는 연료 소비량과 배기 가스 배출을 줄이기 위해 낮은 부하에서 사용된다. 그러나 중간 하중의 경우$$ $\lambda {\displaystyle }$= $[\displaystyle$ ^[15]$\lambda =1}$의 계량형 공기-연료 비율이 균일 모드로 전환되고 높은 하중의 경우 더 풍부한 공기-연료 비율이 제공되므로 층화 충전 모드가 비활성화된다.

이론에서 성층 모드고 배출을 줄이emissions,[16] 하지만, 실제적으로 그 성층 개념은 기존의 균질비 개념에 대한 큰 효율 이점을 가지고 싶지만, 기술이 내재하 린번는 것보다 더 많은 질소 산화물은 formed,[17]은 가끔 예정 증명하지 않았다 연료 효율을 개선할 수 있다.요구하다 배기 시스템의 NOx 흡착기 배기 가스 배출 ^[18]규정 유황은 NOx 흡착기가 제대로 기능하지 못하도록 하기 때문에 NOx 흡착기의 사용은 낮은 황 연료를 필요로 할 수 있다.^[19] 성층 연료 주입이 있는 GDI 엔진도 다지관 주입 엔진보다 더 많은 양의 입자 물질을 생성할 수 있으며,^[20] 때로는 차량 배기 가스 배출 규정을 충족하기 위해 배기 가스(디젤 미립자 필터와 유사)에 미립자 필터를 필요로 한다.^[21] 따라서 여러 유럽 자동차 회사들, 처음부터, 층화 전하를 mode,[22] 오지 않았던 2000년 르노 2.0IDE휘발유 엔진(F5R), 또는 2009년 BMWN55에서 2017년 메르세데스-벤츠 M256엔진들이 층상 급기 mode 그들의 전례에 의해 사용되고 같은 그것을 이용해 본 적이 없는 중층 요금 개념을 포기했다.s 폭스바겐 그룹은 FSI라는 자연 흡기 엔진에 연료 성층 주입을 사용했지만 이 엔진은 엔진 제어 장치 업데이트를 받아 성층 충전 모드를 비활성화했다.^[23] TFSI와 TSI라는 이름의 터보차지 폭스바겐 엔진은 항상 동종 모드를 사용해 왔다.^[24] 후자의 VW 엔진과 마찬가지로 새로운 직분사 가솔린 엔진(2017년 이후)도 일반적으로 가변 밸브 타이밍과 함께 보다 전통적인 균질 충전 모드를 사용하여 높은 효율성을 얻는다. 계층화된 전하 개념은 대부분 폐기되었다.^[25]

주입 모드

연소실 전체에서 원하는 연료 분배를 만드는 일반적인 기법은 분무 유도, 공기 유도 또는 벽 유도 주입이다. 최근 몇 년간의 추세는 분무 유도 주입으로 향하고 있는데, 이는 현재 연료 효율을 높이기 때문이다.

벽 유도 직분사

벽 유도 주입이 있는 엔진에서는 스파크 플러그와 분사 노즐 사이의 거리가 상대적으로 높다. 연료가 스파크 플러그에 가까이 접근하기 위해 피스톤 상단의 스월 캐비티(오른쪽 Ford EcoBoost 엔진 그림 참조)에 분사되어 연료를 스파크 플러그 쪽으로 인도한다. 특수 스월 또는 텀블 흡기구 포트는 이 과정을 돕는다. 분사 타이밍은 피스톤 속도에 따라 달라지므로 피스톤 속도가 높을수록 분사 타이밍과 점화 타이밍이 매우 정밀하게 진전되어야 한다. 낮은 엔진 온도에서는 상대적으로 차가운 피스톤의 연료 일부가 너무 냉각되어 제대로 연소되지 않는다. 낮은 엔진 부하에서 중간 엔진 부하로 전환할 때(따라서 분사 타이밍을 앞당길 경우), 연료의 일부 부품이 소용돌이 캐비티 뒤에서 주입되어 불완전한 연소가 발생할 수도 있다.^[26] 따라서 벽 유도 직분사를 사용하는 엔진은 높은 탄화수소 배출을 겪을 수 있다.^[27]

공기 유도 직분사

벽 유도 주입이 있는 엔진과 마찬가지로 공기 유도 주입이 있는 엔진에서도 스파크 플러그와 분사 노즐 사이의 거리가 상대적으로 높다. 그러나 벽 유도 분사 엔진과는 달리, 연료는 실린더 벽이나 피스톤과 같은 (상대적으로) 차가운 엔진 부품과 접촉하지 않는다. 소용돌이 캐비티에 연료를 분사하는 대신, 공기 유도 분사 엔진에서 연료는 흡기에 의해서만 스파크 플러그 쪽으로 유도된다. 따라서 연료가 스파크 플러그를 향하도록 하기 위해 흡기는 특별한 소용돌이 또는 굴렁거림을 가져야 한다. 이 소용돌이 또는 텀블 움직임은 비교적 오랜 시간 동안 유지되어야 하며, 모든 연료가 스파크 플러그 쪽으로 밀리고 있다. 그러나 이것은 엔진의 충전 효율을 감소시켜 출력량을 감소시킨다. 실제로 공기 유도 주입과 벽 유도 주입의 조합이 사용된다.^[28] 공기 유도 주입에만 의존하는 엔진은 단 한 개뿐이다.^[29]

스프레이 유도 직분사

스프레이 유도 직분사가 있는 엔진에서는 스파크 플러그와 분사 노즐 사이의 거리가 상대적으로 낮다. 분사 노즐과 스파크 플러그 모두 실린더 밸브 사이에 위치한다. 연료는 압축 행정의 후반 단계에서 주입되어 매우 빠른 혼합물 형성을 야기한다. 이로 인해 연료 층화 구배가 커지는데, 이는 중심부에 공기 비율이 매우 낮고 가장자리에 공기 비율이 매우 높은 연료 구름이 있음을 의미한다. 연료는 이 두 "존" 사이에서만 점화될 수 있다. 엔진 효율을 높이기 위해 분사 후 거의 바로 점화한다. 스파크 플러그는 혼합물이 점화될 수 있는 구역에 정확히 위치하도록 배치되어야 한다. 이는 생산 공차가 매우 낮아야 한다는 것을 의미하는데, 이는 매우 적은 정렬 불량만이 급격한 연소 감소를 초래할 수 있기 때문이다. 또한 연료는 연소 열에 노출되기 직전에 스파크 플러그를 냉각시킨다. 따라서 스파크 플러그는 열 충격을 잘 견딜 수 있어야 한다.^[30] 낮은 피스톤(및 엔진) 속도에서는 상대적인 공기/연료 속도가 낮기 때문에 연료가 제대로 기화되지 않아 매우 풍부한 혼합물이 발생할 수 있다. 풍부한 혼합물은 제대로 연소되지 않고 탄소 축적을 야기한다.^[31] 높은 피스톤 속도에서는 연료가 실린더 내부에 더 멀리 퍼져, 스파크 플러그에서 멀리 떨어진 혼합물의 점화 부품을 강제할 수 있으므로 공기/연료 혼합물을 더 이상 점화시킬 수 없다.^[32]

동반 기술

층화 전하를 생성함에 있어 GDI를 보완하기 위해 사용되는 다른 장치로는 가변 밸브 타이밍, 가변 밸브 리프트 및 가변 길이 흡기 매니폴드가 있다.^[33] 또한 배기가스 재순환을 통해 초박연소로 인해 발생할 수 있는 고질소산화물(NOx) 배출량을 줄일 수 있다.^[34]

단점들

가솔린 직분사에는 실린더의 업스트림 엔진에 연료를 주입할 때 제공되는 밸브 세정 작용이 없다.^[35] 비 GDI 엔진에서는 흡입구를 통과하는 가솔린이 분자유와 같은 오염의 세정제 역할을 한다. 청소 작용이 부족하면 GDI 엔진에 탄소 침전물이 증가할 수 있다. 제3자 제조업체들은 이러한 탄소 침전물을 방지하거나 감소시킬 수 있는 석유 캐치 탱크를 판매한다.

GDI에서는 필요한 양의 연료를 주입하는 데 사용할 수 있는 시간이 짧기 때문에 높은 엔진 속도(RPM)에서 피크 출력을 생성할 수 있는 능력이 더 제한적이다. 매니폴드 분사(카뷰레터 및 스로틀-바디 연료 분사뿐만 아니라)에서는 언제든지 흡기 혼합물에 연료를 추가할 수 있다. 그러나 GDI 엔진은 흡입 및 압축 단계에서 연료를 주입하는 것으로 제한된다. 이는 각 연소 주기의 지속시간이 짧은 높은 엔진 속도(RPM)에서 제약을 받게 된다. 이러한 한계를 극복하기 위해 일부 GDI 엔진(도요타 2GR-FSE V6 및 폭스바겐 EA888 I4 엔진 등)에도 다지관 연료 인젝터 세트가 있어 높은 RPM에서 추가 연료를 공급한다. 또한 이러한 매니폴드 연료 인젝터는 흡기 시스템에서 탄소 침전물을 청소하는 데 도움이 된다.

가솔린은 디젤과 동일한 수준의 윤활유를 분사기 구성품에 공급하지 않으며, 이는 때때로 GDI 엔진에서 사용되는 분사 압력의 제한 요인이 된다. GDI 엔진의 분사 압력은 일반적으로 인젝터의 과도한 마모를 방지하기 위해 약 20MPa(2.9ksi)로 제한된다.^[36]

기후 및 건강에 미치는 부정적 영향

이 기술은 연료 효율을 높이고₂ CO 배출량을 줄인 것으로 인정되지만 GDI 엔진은 기존 포트 연료 분사 엔진보다 더 많은 흑탄소 에어로졸을 생산한다. 태양 방사선의 강력한 흡수제인 흑탄소는 기후 온난화 특성이 상당하다.^[37]

미국 조지아대(University of Environmental Science and Technology) 연구진은 2020년 1월 학술지 '환경과학과 기술'에 발표한 연구에서 GDI로 구동되는 차량의 흑탄소 배출량이 증가하면 미국 도시 지역의 기후 온난화가 냉각 관련 위트를 크게 초과하는 양까지 증가할 것으로 전망했다.h₂ CO의 감소. 연구진은 또 전통적인 항만 연료 분사(PFI) 엔진에서 GDI 기술 사용으로 전환하면 연간 855명의 사망자에서 1,599명으로 자동차 배기가스 관련 조기 사망률이 2배 가까이 높아질 것으로 보고 있다. 그들은 이러한 조기 사망의 연간 사회적 비용을 59억 5천만 달러로 추산하고 있다.^[38]

역사

1911-1912

가솔린 직분사를 시도했던 초기 발명가 중 한 명은 Archibald Low 박사로, 그는 그의 엔진에 강제 유도 엔진이라는 잘못된 제목을 붙였지만, 그것은 강제적인 연료의 사용일 뿐이었다. 그는 1912년 초 시제품 엔진의 세부 사항을 밝혔으며,^[39] 1912년^[40] 당시 대형 엔진 제작사인 F.E. 베이커 Ltd에 의해 디자인이 추가 개발되었고, 그 결과는 1912년 11월 올림피아 모터 사이클 쇼에서 그들의 스탠드에 전시되었다. 이 엔진은 고압 4행정 오토바이 엔진으로 가솔린 연료가 별도로 1000psi까지 가압되어 소형 회전 밸브에 의해 실린더 '최고의 압축 순간'으로 인정되었으며, 스파크 플러그와 떨림 코일에 의한 동시 점화가 연소 단계 전체에 걸쳐 스파크가 지속되도록 했다. 분사되는 연료는 엔진 실린더에 의해 가열된 증기 단계에 있는 것으로 설명되었다. 연료의 압력은 연료 펌프에서 조절되었고, 인정된 연료량은 로터리 입구 밸브에서 기계적 수단으로 제어되었다. 이 급진적인 디자인은 F.E. 베이커에 의해 더 이상 받아들여지지 않은 것 같다.

1916-1938

직분사는 2000년 이후 가솔린 엔진에서만 일반적으로 사용되었지만, 디젤 엔진은 1894년 첫 시제품이 성공한 이후 연소실(또는 연소 전실)에 직접 주입된 연료를 사용해 왔다.

GDI 엔진의 초기 프로토타입은 1916년 독일에서 Junkers 비행기를 위해 만들어졌다. 이 엔진은 처음에는 디젤 엔진으로 설계되었지만 독일 전쟁부가 항공기 엔진이 가솔린이나 벤젠으로 작동해야 한다고 결정했을 때 가솔린용 엔진으로 바뀌었다. 크랭크케이스 압축 2행정 설계인 실화는 엔진을 파괴할 수 있기 때문에 Junkers는 이 문제를 방지하기 위해 GDI 시스템을 개발했다. 이 프로타입 엔진의 시범은 제1차 세계대전의 종전으로 개발이 중단되기 직전에 항공 관계자들에게 행해졌다.^[41]

가솔린(다른 연료 중 가장 많은 것)을 사용하여 생산에 도달한 최초의 직분사 엔진은 1925-1947 헤셀만 엔진으로, 스웨덴에서 트럭과 버스를 위해 건설되었다.^[42][43] 오토 사이클과 디젤 사이클 엔진의 하이브리드로서, 가솔린과 연료 오일을 포함한 다양한 연료로 구동될 수 있다. 헤셀만 엔진은 초경량 연소 원리를 사용해 압축 스트로크 끝에 연료를 주입한 뒤 스파크 플러그로 점화했다. Hesselman 엔진은 압축률이 낮기 때문에 값싼 중유 연료로 가동될 수 있었지만 불완전한 연소로 인해 많은 양의 연기가 발생하였다.

1939-1995

제2차 세계 대전 동안 독일 항공기 엔진의 대부분은 BMW 801 레이디얼 엔진, 독일 역 V12 다임러-벤츠 DB 601, DB 603 및 DB 605 엔진, 유사한 레이어 준커즈 주모 210G, 주모 211 및 주모 213 리버스 V12 엔진 등 GDI를 사용했다. GDI 연료 분사 시스템을 사용한 연합 항공기 엔진은 소련 슈베초프 ASH-82FNV 레이디얼 엔진과 미국 54.9L 변위 라이트 R-3350 듀플렉스 사이클론 18기통 레이디얼 엔진이었다.

독일 회사 보쉬는 1930년대부터^[44] 자동차용 기계식 GDI 시스템을 개발해왔으며 1952년 골리앗 GP700과 구트브로드 슈페리어에 2행정 엔진에 도입되었다. 이 시스템은 기본적으로 흡기 스로틀 밸브가 설치된 고압 디젤 직분사 펌프였다. 이러한 엔진은 우수한 성능을 제공했으며 카뷰레터 버전보다 연료 소비량이 최대 30% 낮았으며, 주로 낮은 엔진 부하에서 사용하였다.^[44] 이 시스템의 또 다른 이점은 연료 혼합물에 자동으로 첨가되는 엔진 오일을 위한 별도의 탱크를 갖추는 것으로, 소유주들이 그들 자신의 2행정 연료 혼합물을 혼합할 필요를 없앴다.^[45] 1955년형 메르세데스-벤츠 300SL도 초기 보쉬 기계식 GDI 시스템을 사용했기 때문에 GDI를 사용한 최초의 4행정 엔진이 되었다.2010년대 중반까지만 해도 대부분의 연료 주입식 자동차는 다지관 주입을 사용했기 때문에 이들 초기 차들이 거의 틀림없이 더 진보된 GDI 시스템을 사용한 것은 상당히 이례적이다.

1970년대에 미국 제조업체인 American Motors Corporation과 Ford는 각각 Straticicharge와 Programmed Ingnation(프로코)이라는 기계식 GDI 시스템을 개발했다.^{[46][47][48][49]} 이 시스템들 중 어느 것도 생산에 이르지 못했다.^[50][51]

1996년 현재

1996년 일본 시장인 미쓰비시 갤런트는 GDI 엔진을 사용한 최초의 양산형 자동차로, 미쓰비시 4G93 인라인 포 엔진의 GDI 버전이 도입되었다.^[52][53] 그 후 1997년 카리마에서 유럽으로 건너왔다.^[54] 1997년 최초의 6기통 GDI 엔진인 미쓰비시 6G74 V6 엔진도 개발했다.^[55] 미쓰비시는 이 기술을 폭넓게 적용, 2001년까지 4개 제품군에 100만 대 이상의 GDI 엔진을 생산했다.^[56] 여러 해 동안 사용되었지만 2001년 9월 11일 MMC는 'GDI'^[57]라는 약자의 상표를 주장했다. 몇몇 다른 일본과 유럽 제조업체들은 다음 해에 GDI 엔진을 도입했다. 미쓰비시 GDI 기술도 푸조, 시트로엥, 현대, 볼보, 폭스바겐의 허가를 받았다.^{[58][59][60][61][62][63][64]}

2005년형 도요타 2GR-FSE V6 엔진은 직분사와 간접분사를 모두 결합한 최초의 엔진이다. 이 시스템("D4-S"라 함)은 실린더당 2개의 연료 인젝터를 사용하며, 기존의 다지관 연료 인젝터(저압)와 직접 연료 인젝터(고압)를 사용하며, 대부분의 도요타 엔진에 사용된다.^[65]

포뮬러 원 경주에서는 2014 시즌에 직접 주입이 의무화되었는데, 규정 5.10.2에 "실린더당 직접 인젝터가 하나만 있을 수 있으며, 흡기 밸브의 업스트림 또는 배기 밸브 다운스트림에는 인젝터가 허용되지 않는다"^[66]고 명시되어 있다.

2행정 엔진에서

배기 가스의 청소 및 크랭크케이스의 윤활과 관련하여 2행정 엔진에 대한 GDI의 추가적인 이점이 있다.

청소 측면은 대부분의 2행정 엔진에서 실린더에서 배출되는 배기 가스의 플러싱을 개선하기 위해 배기 스트로크 중에 흡기 밸브와 배기 밸브가 모두 열려 있다는 것이다. 이로 인해 일부 연료/공기 혼합물이 실린더로 유입된 후 연소되지 않은 상태로 배기 포트를 통해 실린더 밖으로 배출된다. 직접 분사 시에는 크랭크케이스에서 공기(및 보통 일부 오일)만 나오며, 피스톤이 상승하고 모든 포트가 닫힐 때까지 연료가 주입되지 않는다.

크랭크케이스 윤활은 크랭크케이스에 오일을 주입하여 2행정 GDI 엔진에서 이루어지며, 연료와 혼합된 오일을 크랭크케이스에 주입하는 기존 방식보다 오일 소모량이 낮다.^[67]

두 가지 유형의 GDI는 저압 공기와 고압으로 사용된다. 1992년 4월 SR50 모터 스쿠터에 사용된 저압 시스템은 크랭크축으로 구동되는 공기 압축기를 사용하여 실린더 헤드에 공기를 주입한다. 그리고 나서 저압 인젝터는 연료를 연소실로 분사하고, 연소실은 압축 공기와 혼합하면서 기화한다. 고압 GDI 시스템은 1990년대 독일 기업 피흐트 GmbH가 개발했고, 1997년 선외기 해양공사(OMC)가 배출가스 규제 강화를 위해 해양엔진에 도입했다. 그러나 엔진은 신뢰성 문제가 있었고 OMC는 2000년 12월에 파산을 선언했다.^[68][69] Evinrude E-Tec은 피히트 시스템을 개량한 것으로, 2003년에^[70] 출시되어 2004년에 EPA Clean Air Excellence Award를 수상하였다.^[71]

2018년에는 KTM 300 EXC TPI, KTM 250 EXC TPI, Husqvarna TE250i, Husqvarna 300i가 GDI를 사용한 최초의 2행정 오토바이가 되었다.^[72]

미국 비영리단체인 엔비로핏 인터내셔널이 동남아시아 대기오염 저감 프로젝트에서 2행정 오토바이(오비탈코퍼레이션 유한회사에서 개발한 기술 사용)를 위한 직분사 리트로핏 키트를 개발했다.^[73] 동남아시아의 1억 대에 달하는 2행정 택시와 오토바이는 이 지역의 주요 오염원이다.^[74][75]

참고 항목

참조