내연기관 - GDI엔진 - [Gasolin Direct Injection Engine]

소개글

내연기관 - GDI엔진 - [Gasolin Direct Injection Engine]에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. Gasolin 엔진의 종류와 특징

2. GDI 엔진의 정의

3. GDI 엔진의 특성

4. GDI엔진의 현재 까지 개발 동향과 향후 발전 과제

본문내용

의 해결기술을 찾을 수 있는 엔진이 향후 시장을 주도할 것이다. 현재까지 CO2를 연소나 후처리기술로 저감할 수 있는 방안은 아직 제시되어 있지 못하고 연료를 적게 사용함으로서 CO2의 생성량을 줄이는 것이 가장 현실적인 대책으로 알려져 있다. 동시에 연료 소모가 적은 자동차는 소비자의 입장에서는 매우 매력적이기 때문에 초저연비자동차 기술은 CO2를 포함한 배출가스 문제뿐만 아니라 자동차 판매력에서도 결정적인 우위를 차지하기 때문에 선진국에서는 이미 초저연비자동차기술개발 경쟁에 박차를 가하고 있다. 미국과 유럽, 일본등 선진국에서는 이미 국가적인 차원의 초저연비자동차기술개발 사업을 지원하고 있으며, 이들 사업은 현재의 1/3 수준의 연료소비율인 연료 3리터로 100km를 주행할 수 있는 자동차기술을 2005년경에 완성하는 것을 목표로 하고 있다. 또한 이들 기술이 완성되는 시기에 CO2 규제도 병행하여 우리나라와 같은 자동차 후발국에 또 다른 커다란 기술장벽을 구축하게 될 것이다. 이들 초저연비자동차에 적용되는 기술은 매우 다양하며 특히 가장 중요한 동력원으로는 가솔린엔진보다는 연료소비면에서 유리한 직접분사식디젤엔진 사용이 증가하고 CNG 연료나 전기자동차 및 하이브리드자동차의 사용도 차츰 증가하리라 예상하고 있다. 그러나 현재까지 가장 많은 시장수요를 차지하고 있는 가솔린엔진이 자기 시장을 잠식하여 들어오는 타기술을 그냥 지켜보고만 있지는 않으며, 특히 디젤 엔진기술에 대항하기 위해서는 저연비기술 개발이 가장 중요함을 인식하고 있으며 GDI 엔진이 이의 요구에 부응하는 기술로 기대하고 있다.
현재의 가솔린엔진에 적용되고 있는 핵심기술은 삼원촉매기술로 80년대 중반부터 본격적으로 시작된 자동차배출가스 규제에 대응하는 기술이다. 삼원촉매기술은 CO, HC, NOx를 동시에 90% 이상 저감시킬 수 있어 이 기술이 개발된 당시는 저배기기술에 큰 획을 긋는 획기적인 기술로 평가되었다. 또한 삼원촉매의 적용을 위해서는 가솔린연료의 무연화가 선행되었고, 삼원촉매의 작동영역인 이론공연비(A/F=14.6:1) 영역의 연료공급을 위해 카뷰레타방식에서 인젝터방식으로의 전환, 컴퓨터(ECU)에 의한 전자제어, EGR(배기가스재순환)기술 채택 등 그 당시로서는 매우 새로운 기술이 병행하여 개발되었다. 그러나 이 삼원촉매기술은 이론공연비를 유지하여야 하기 때문에 공연비 30-100:1 이상의 희박한 영역에서 연소하는 디젤엔진에 비하면 연료소비면에서는 불리한 시스템이며 이 문제를 해결하기 위하여 가솔린엔진에서도 디젤엔진과 같은 희박연소(lean burn)를 구현하기 위한 연구가 상당기간 진행되어 왔다. 2-3년 전까지만 하여도 가솔린 희박연소방식 연구는 기존의 PFI 시스템(그림2의 오른쪽)에서 희박한 연료공기 혼합기를 연소시키는 방식에 집중되어 있었으며, 공연비 23:1 까지 구현하는 수준에 도달하였으나 그 이상의 진전에는 기술적인 어려움과 한계가 있었다. 반면 PFI 방식보다는 개념 면에서 한 단계 진전된 GDI 방식(그림2의 왼쪽)도 상당히 오래 전부터 연구되어 왔지만 연료분사용 인젝터 기술이 따라가지 못하여 별다른 진전이 없었던 상황이었으나 일본의 미쯔비시와 도요다자동차에서 가장 앞서서 실용화를 추진하게 되었다.
점화플러그
연료공급용 인젝터
흡기관
그림2 GDI 방식과 PFI 방식
GDI 기술은 아직 초기단계이기 때문에 가능성과 의문을 확인하는 수준에 있으며 상당기간 보완, 개선하여야 할 중요한 내용이 많으며 이를 살펴보면 다음과 같다.
1. 연료소비율: 미쯔비시나 도요다자동차에서는 기존 PFI 방식 가솔린 엔진에 비해 연비가 25% 이상 향상되어 디젤엔진과 연비경쟁이 가능할 것이라고 발표하고 있으나, 선진국의 타 자동차회사나 주요 연구기관들에서 분석한 결과로는 현재는 5% 정도의 연비가 향상되었으며 이 기술이 보완되면 간접분사식(IDI) 디젤엔진 수준까지는 가능할 것으로 보고하고 있어 추가적인 연비개선 노력이 필요하다.
2. 공연비와 실화문제: GDI 엔진은 최대 50:1 까지의 상당히 희박한 공연비에서도 연소가 가능한 것으로 발표되고 있다. 이 값은 연소실에 공급된 전체공기와 연료의 비(global air fuel ratio)이며 이 경우의 디젤엔진은 140:1 이상에서도 연소가 가능하다. 디젤연료는 자발화온도가 낮아 외부의 점화에너지가 없어도 스스로 점화되며, 이와 같은 초희박공연비에서도 국부적으로 착화가 가능한 공연비가 존재하기 때문에 실화의 문제는 거의 없다. 그러나 가솔린연료의 경우는 외부 점화에너지(spark plug)에 의한 점화되기 때문에 점화플러그 주변에 착화 가능한 공연비(27:1 이하)를 공급하여야 실화가 발생하지 않으며 이를 위하여 특히 초희박 공연비에서의 성층화 기술이 매우 중요하다.
3. 배출가스 문제: 기존 PFI 방식에서는 삼원촉매를 사용하였으나 GDI 방식은 희박영역에서 작동하기 때문에 삼원촉매기술의 적용은 부적합하다. 특히 NOx 저감이 큰 문제점으로 제시되어 있으며 현재는 lean NOx 촉매기술이 개발되기를 기대하고 있다. 또한 저부하 영역에서 분사된 연료가 직접 연소실벽에 부착되어 HC가 다량 발생하며, 고부하영역에서는 디젤엔진처럼 매연이 발생하는 경우가 있어 이의 개선방안도 중요하다. 실용화를 위해서는 배기규제를 만족하여야 하는 것이 가장 시급하나 현재의 GDI기술은 EURO-II 규제도 통과하기 어려운 수준이다.
이외에도 인젝터의 성능개선, 운전조건에 따르는 공연비 조절 등 여러 연구분야가 남아있으며, GDI 엔진 개발사의 발표내용이나 기대치와 선진국 타자동차 및 연구소들의 분석에는 상당한 차이가 있는 것이 사실이다.
그러나 기존의 PFI 방식으로는 급변하는 자동차기술 대응과 특히 디젤엔진 기술과 경쟁할 수 없는 것은 확실하기 때문에 현재로서는 GDI 방식이 가솔린엔진의 가장 가능성이 높은 장래기술임을 전세계적으로 인정하고 있다. 2000년 이전에 GDI 기술이 완성될 수 있기를 대부분 기대하고 있으며, 우리나라에서도 이 기술에 대한 중요성은 인식하고 있으나 우리 고유의 시스템개발연구는 충분치가 못한 실정으로 조속하게 대비하여야 할 것이다.

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