직분사 엔진이란? 장점과 탄소 제거 등의 단점까지!

최근 직분사 터보 엔진이라는 용어를 들어보신 적이 있으신가요?

예전까지는 희귀한 직분사 엔진이었지만, 최근에는 국산차량에서도 많이 채택되어 있으며, 매우 친숙한 존재가 되었습니다.

이번 포스팅에서는 직분사 엔진의 기본적인 구조와 장점, 그리고 과제에 대해 알아보도록 하겠습니다.

직분사 엔진이란?

직분사 엔진의 구조를 소개하기 전에 먼저 엔진의 기본적인 구조를 알 필요가 있습니다.

주료 승용차에 사용되는 가솔린 엔진의 기본적인 구조를 설명한 다음, 직분사 엔진의 구조와 특성에 대해 알아보도록 하겠습니다.

엔진의 기본

엔진의 원동력은 무엇일까요?

엔진이 움직이는 힘은 플러그를 사용하여 불을 붙이고 연소를 시키는 과정에서 만들어지게 됩니다.

포인트는 "연료와 공기를 혼합한 상태의 기체에 불을 붙인다" 입니다.

이러한 연소 방법을 "예혼합연소"라고합니다.

그렇다면 직분사 엔진은 기존의 엔진과 어떠한 차이가 있는 것일까요?

직분사 엔진의 작동 방식

기존 엔진과의 차이를 알아보려면 위에서 언급했던 "예혼합연소"가 중요한 키워드가 됩니다.

기존의 엔진에서는 이미 연료와 공기가 혼합된 상태로 연소실로 이동됩니다.

그에 반해 직분사 엔진은 연소실에 연료와 공기가 따로 이동되고 연소실에서 섞이게 됩니다.

이 시스템은 엔진 성능을 좌우하게 되는 중요한 포인트라 할 수 있습니다.

직분사 엔진의 연료를 어떻게 연소실로 이동하게 되는 것일까?

좀더 깊이 파고 들어가 봅시다.

직접 연료 분사 방식(다이렉트 인젝션)

직분사 엔진은 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료 공급 시스템을 채택하고 있으며, 이를 "직접 분사 방식"이라고 합니다.

이 방법에서는 흡입 과정에서  혼합기가 아닌 공기만을 흡입하게 됩니다.

그리고 압축 공정에서 고압의 연료를 연소실에 직접 분사하여 혼합물을 만들어내게 됩니다.

직분사 엔진의 장점은?

지금까지의 정보만으로는 "결국 혼합 가스를 연소시키는 방식의 차이이기 때문에 어떠한 엔진을 채용해도 크게 바뀌지 않는다"라는 의문을 가지고 있는 사람도 있을 것입니다.

이번에는 직분사 엔진을 채용하게 되면 어떠한 장점이 있는지 예를 들어보도록 하겠습니다.

압축비의 향상으로 고출력/고토크 실현

"압축비"는 흡입한 혼합기가 연소실에서 압축되는 비율을 나타낸 것으로, 일반적으로 압축비가 높을수록 열효율이 좋고 고출력과 고토크를 낼 수 있는 엔진입니다.

기존의 엔진은 압축비를 크게하면 압축시 발생되는 열에 의해 불꽃 점화 전에 이상 연소(노킹)가 발생해 버리기 때문에 압축 비율을 일정 수치 이상 높일 수 없었습니다.

한편, 직분사 엔진의 경우 흡기 공정에서 혼합기가 아니라 공기만을 흡입하기 때문에 압축시 노킹이 발생하기 어렵고 기존 엔진에 비해 높은 압축율을 발생시키는 것이 가능해집니다.

파워와 연비를 양립

파워가 커지게 되면 연비 성능은 별로 기대할 수 없게된다라는 이미지를 가지고 있는 사람도 많을 것입니다.

하지만 저연비를 실현하기 쉬운것도 직분사 엔진의 장점입니다.

공기를 흡입 후 연소실에서 분사된 연료는 액체에서 기체로 기화됩니다.

이때 동시에 주변 공기의 열을 빼앗은 작용을 하기 때문에 연소 실내의 온도가 내려가게 되고 이를 통해 연소 길내의 공기(산소) 충전량을 높일 수 있습니다.

이러한 점에서 직분사 엔진은 고출력과 저연비를 실현하기 쉽다고 알려져 있습니다.

엔진 다운 사이징이라면 직분사 엔진

다운 사이징은 터보 차저와 수퍼 차저 등의 과급기를 사용함으로써, 종래와 동등한 동력 성능을 확보하면서 엔진의 배기량을 줄이는 것을 말합니다.

엔진의 소형화, 배기량의 억제, 실린더 수의 감소 등을 통해 기계적 손실을 줄여 연비의 향상을 목적으로 하고 있습니다.

직분사 엔진의 단점은?

장점만으로 가득한 엔진은 존재하지 않습니다.

직분사 엔진에도 단점과 도전이 양립하고 있으며, 각 메이커들의 기술자들은 문제 해결을 목표로 날마다 분투하고 있습니다.

비용면에서의 과제

직분사 엔진은 압축 공정에서 매우 높은 압력을 가해 연료를 분사합니다.

따라서 고압에 견딜 수 있는 연료 분사 장치(인젝터)가 필요합니다.

게다가 인젝터는 연소실에 설치되기 때문에, 인젝터 자체가 연소에 노출된 상태로 있게 되며, 고온에도 견딜 수 있는 것이어야만 합니다.

또한 연료를 고압시키는 펌프도 별도로 필요하기 때문에 부품 비용이 소요됩니다.

PM의 발생

직분사 엔진은 PM(미립자 물질)을 발생시킨다는 단점이 있습니다.

한마디로 PM은 "미세 먼지"로, 뒤에 붙어 있는 숫자는 입자의 크기를 나타냅니다.

(PM2.5는 입자의 크기가 2.5μm 이하의 PM을 의미합니다.)

PM의 크기가 작을수록 사람의 체내에 들어오기 쉽고 폐의 안쪽까지 들어가 버리게 되어 건강상의 문제를 일으킬 수 있습니다.

그렇다면 왜 직분사 엔진의 연소 과정에서 PM이 발생하게 될까...그것은 엔진 연소 과정에서 남은 찌꺼기가 원인이 됩니다.

기존의 엔진에서는 가솔린과 공기가 혼합되어 연소실에 도착하기 때문에 가솔린은 그동안 기화된 상태가 됩니다.

반면 직분사 엔진은 연소실에 직접 가솔린을 분사하기 때문에 연소 시간이 짧고 완전히 기화되지 않아 연료가 남게 될 수 있습니다.

완전히 기화되지 않으면 공기와 충분히 혼합할 수 없게 되고, 혼합되지 않은 연료가 불에 타버리게 됩니다.

PM이 연소 실내로 들어오면 문제 발생

매연, PM이 연소 실내로 들어오게 되면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

· 연비의 악화

· 공회전 부진

· 이상한 검은 연기 등

기술의 향상으로 이들을 어느 정도 막을 수 있게 되었지만, 기존의 엔진과 비교하면 어느정도 유지 보수 과정이 필요합니다.

직분사 엔진에 의해 발생하는 탄소의 제거 방법은?

직분사 엔진의 단점 중에, 그을음이나 PM 등의 문제가 발생될 수 있다는 점을 알아봤습니다.

카본, 즉 CO2도 퇴적되는 하나의 성분입니다.

이번에는 이러한 카본을 제거하는 몇 가지 방법을 소개합니다.

오일 교환을 부지런히 수행

"쓰레기를 쌓이지 않게 한다" 라는 것이 가장 중요합니다.

엔진 오일의 교환 사이클이 빠르면 빠를 수록 항상 깨끗한 상태를 유지할 수 있게 됩니다.

첨가제를 사용

이미 연소실에 퇴적되어버린 카본을 제거하려면 연료에 첨가제를 포함하면 어느정도 제거할 수 있습니다.

전문점에서 세척

다양한 세정 제품들이 나오고 있습니다만, 부착된 카본을 떨어뜨리는 것은 매우 어렵습니다.

엔진의 문제가 발생되기 전에 전문점에 정기적으로 방문하여 세척하는 것이 가장 좋은 선택이라 할 수 있습니다.

직분사 엔진은 계속 대중화 될 것인가?

직분사 엔진은 장점이 많이 있지만, 단점의 크기는 개인적으로 커버하기 어렵다고 할 수 있습니다.

저연비 고출력의 장점은 현대 사회에서 많은 사용자들의 요구 조건에 부합합니다.

그러한 점을 활용하면서도 단점을 커버할 수 있는 기술이 더욱 발전하게 되기를 대중들은 바라고 있습니다.

직분사 엔진의 지금보다 더욱 발전하기를 기대해 봅니다!

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