스크랩 GDI 엔진 소개 자료 (수정)

[카페지기]

연료소비가 20~30% 적고, CO2를 20% 적게 방출하고, 일반엔진에 비해 10% 마력이 높다고 보고되고 있는 GDI 엔진의 원리를 소개하고자 한다.

GDI의 원리
연료직분사 방식은 오래전 부터 디젤 엔진에 적용되고 있는 기술로써 얼마전까지만 해도 휘발유에는 적용시키지 못했던 방식 이다. GDI(Gasoline Direct Injection)는 말그대로 휘발유를 디젤엔진의 작동방식과 같이 연소실에 직접 분사하는 방식이다. GDI 엔진 기술은 린번 기술에서 파생되었는데 연료직분사 시스템을 적용했다는것이 린번엔진과 다른점이다.
연료직분사 방식은 두가지 장점을 가지고 있다.

첫번째는 고압에서 스파크 플러그가 점화되기 직전 연료를 연소실로 직접 분사하기 때문에 희박 에어/연료 혼합기 점화의 핵심인 연료층을 정밀하게 제어할 수 있다는 점이다.
두번째는 쓰로틀의 필요성을 없앨 수 있기 때문에 일반 엔진과 같이 버터플라이 밸브를 통해 공기를 흡입하는 과정 중 발생되는 펌핑 loss를 없앨 수 있다.
일반 엔진(연료 인젝터 및 MPI 시스템을 포함)의 경우 인젝터에서 분사된 연료는 흡기관에서 미세하게 부서져서 공기와 충분히 혼합되어 연소실로 들어가는 구조이다.  그렇기 때문에 연소실에는 연료/공기비율이 일정한 혼합기가 연소실에 균일하게 분포될 수 있다. 그러나 연료를 연소실에 직접 분사하는 방식의 경우 분사된 연료가 공기와 충분히 혼합 되지 못하기 때문에 연소실내 균일한 혼합기를 분포시킨다는 것이 불가능 했다.


미츠비시사는 이러한 직분사 방식의 문제점을 해결하기 위해 일반 엔진과는 다르게 흡기관을 흡기밸브와 수직 방향으로 배치시켰으며 피스톤 표면에 오목한 부분을 형성한 엔진을 설계하였다. 이런 구조는 압축행정 중 공기를 소용돌이 치게 하고 이때 연료를 분사하여 연료가 공기화 균일하게 혼합이 가능하게 한다. 이와 더불어 적용된 고압의 연료 인젝터는 연료를 고압 분산시켜 연료가 미세하게 부서져서 연소실에 균일하게 퍼질수 있도록 하였다.



※ 맨 아래의 연소실 사진을 보면 흡기, 배기, 점화플러그, 인젝터 위치를 이해하기 편리합니다.

GDI에 적용된 연료인젝터의 작동은 크게 2단계로 나눌 수 있다. 
첫번째는 흡기행정 중 소량의 연료를 연소실에 사전 분사하는 단계이다. 분사된 연료는 흡입되는 공기를 냉각시켜 엔진의 용적효율을 개선시킬 뿐만 아니라 연료와 공기를 균일하게 혼합시킨다.

두번째는 인젝터의 주된 동작으로 피스톤이 압축행정에서 상사점 (TDC: Top Dead Center)에 도달하여 점화가 되기 직전 연료를 분사를 하는 단계이다. 그림에서도 볼 수 있듯이 피스톤 표면의 오목한 부분은 스파크 플러그가 위치한 부분에 연료가 집중 되도록 하여 점화가 성공적으로 이루어 질수 있도록 한다. 이런 구조는 공기/연료 혼합비가 매우 낮을때에도 점화가 가능하게 하며 GDI가 연료/공기 비율이 1:40 이하의 혼합비에서도 작동할수 있는지를 설명해 준다. 참고로 혼합비 1:40은 린번 엔진에 비해서도 매우 낮은 비율이다.



※ GDI 사진의 피스톤을 보면 둥글게 들어가 있는 부분이 상기 그림에서 오목한 부분입니다.

높은 파워
미츠비시사의 GDI엔진은 이례적으로 12.5:1의 높은 압축비로 설계되어 높은 출력을 갖게 하였다. 그러나 이런 높은 압축비의 엔진의 경우 knocking 현상이 발생할 수 있는데 미츠비시사는 흡입행정시 소량의 연료를 사전에 분사하여 공기를 냉각시켜 knocking 발생을 억제하였다.

질소산화물 방출
GDI 엔진의 몇가지 단점 중 하나가 질소산화물을 많이 발생시킨다는 것이다. 다행히도 새롭게 개발된 촉매컨버터가 이러한 문제점을 .해결하였다. 그럼에도 불구하고 미국과 많은 개발도상국들은  촉매컨버터의 혜택을 받을수 없었는데 이유는 그들이 사용하는 높은 황함유 휘발유가 촉매를 손상시키기 때문이다.  

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Mitsubishi is currently the leader of GDI (Gasoline Direct Injection) technology. It has already applied GDI in different engines, from 1.5-litre four to 4.5-litre V8. Now most of its production engines are GDI-equipped.

Mitsubishi claimed GDI consumes 20 to 35% less fuel, generates 20% less CO2 emission and 10% more power than conventional engines. How can it be so magical ? The following paragraphs will tell you its secret.

Theory of GDi

Gasoline direct injection technology is one of the branches of "Lean Burn Technology". What it differs with Lean Burn is the adoption of directly fuel injection system.

Direct fuel injection has been used in diesel engines for many years, but not in petrol engine until recently. Inherently, direct injection has two advantages :
 

1. Since the fuel is injected under high pressure directly into the combustion chamber, just before ignition by the spark plug, this allows the precise control of charge stratification vital to ignite ultra-lean air / fuel mixtures.
2. Direct injection also dispenses with the need for a throttle, so eliminating the pumping loss associated with drawing air around a conventional engine's butterfly valve.
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In conventional engines, fuel injectors, even in MPi (multi-point injection) designs, the injected fuel pulverise in the intake port (near intake valves) before entering the combustion chambers. Why not directly inject into the cylinder ? because it is impossible to spread the fuel uniformally in everywhere. On the contrary, inject into the main entrance (intake port) assures all air mix with fuel in the same rate.

How can Mitsubishi applied direct injection without such problem? Let us look at the following diagrams:

 

Unlike conventional engines, GDI uses upright straight intake port, accompany with a concave-section piston surface, swirl air flow will be generated during compression stroke. When fuel directly injects into the combustion chamber, the swirl helps mixing air with fuel.

The fuel injector is another new feature. It pumps out the fuel at higher pressure, enables better pulverisation and more uniformal spread.

Fuel injection takes place in two phases. During intake stroke, some amount of fuel is "pre-injected" into the combustion chamber, cools the incoming air thus improve volumetric efficiency, and ensuring an even fuel / air mixture in everywhere.



※ 맨 아래 GDI 사진의 피스톤을 보면 둥글게 들어가 있는 부분이 상기 그림에서 오목한 부분입니다.

MPI는 GDI와 다르게 피스톤 헤드가 평면입니다.

 
Main injection takes place as the piston approaches top dead centre on the compression stroke, shortly before ignition. As seen in the above pictures, the concave-section piston concentrates more fuel around the spark plug, this allows successful ignition without misfire even when the air / fuel mixture is very lean. This explain why GDI can operate under fuel / air ratio of 1 : 40 under light load, which is even leaner than Lean Burn Engines. As a result, more complete burning is achieved.

More Power

Mitsubishi GDI engine has an extraordinarily high compression ratio of 12.5 : 1, this is perhaps the highest record for production petrol engine. The result is higher power output.

How can it prevent combustion knock under such pressure ? The secret is the pre-injection process. During compression, the heated air is cooled by the fuel spray, thus knocking becomes less easy to occur.

NOx emission

One of the few drawbacks of GDI engine is the higher NOx pollutant level. Luckily, a newly developed catalytic convertor deal comfortably with it. Nevertheless, USA and many developing countries cannot be benefited by it because their high-sulphur petrol will damage the catalyst.





 GDI 엔진의 연소실과 피스톤 사진





MPI 연소실과 피스톤