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작성일 : 11-08-20 14:09
새로운 엔진, GDI 세계로의 초대
 글쓴이 : CARMIDAS
조회 : 3,712  

최근 자동차 메이커들의 관심사는 첨단 기술이 적용된 엔진에 있는 듯 하다. 같은 배기량으로 높은 출력 을 얻을 수 있는 엔진, 이와는 반대로 최적의 연비를 얻을 수 있는 엔진 등이 세간의 관심을 끌고 있기도 하다.

이런 두 가지 모두를 만족시키기 위해 탄생된 엔진이 GDI일 것이다. 이와 함께 트랜스미션과 함께 고출 력을 이끌고 있는 엔진이 수평대향형 모델들이다.

결과적으로 이 신개념 엔진 모델들은 최적의 연비,
최고의 성능을 얻을 수 있는데 초점을 두고 있다.



시대가 흐르면서 자동차의 디자인과 스타일은 눈에 보일 정도로 많은 변화를 하고 있다. 한마디로 잠자고 일어나면 새로운 자동차가 탄생할 정도라는 이야기가 나돌 정도로 자동차 시장에서 스타일링 전쟁은 끊임없이 이어지고 있다. 하지만 보이지 않는 곳, 자동차의 내부에 숨어있지만 없어서는 안될 꼭 필요한 존재인‘엔진’에 대한 신기술 전쟁은 더욱치열하게 일어나고 있다. 엔진에 대한 신기술은 안정화된 성능을 얻기 위해 첨단 매커니즘의 도입이 이루어졌으며, 이와는 달리 하이브리드 등 친환경 방향으로 선회하는 기술들이 도입됐다. 이런 상황 속에서 두 마리 토끼를 모두 잡기 위한 노력들이 이어져 오고 있으며, 어느 정도 실마리를 찾아가고 있는 상황에 다다라 있다.

현재, 국내의 많은 차종들이 적용되고 있는 엔진 중 성능과 연비를 최대한 살릴 수 있는 모델이 GDI(가솔린 직분사, Gasoline Direct Injection)일 것이다. 이런 직분사 기술이 사람들은 최신의 기술인줄 알지만 이미 1952년도에 벤츠 300SL 모델에 적용된 것을 확인할 수 있다. 이에 앞서 메르세데스 벤츠는 2차 세계대전 당시 2스트로크 엔진에 직분사 방식을 적용한 후 4스트로크 엔진인 레이싱카와 300SL에 적용했다.

이 당시 직분사가 적용된 300SL의 경우 보쉬가 만든 카뷰레터 연료분사 시스템은 직렬6기통 3.0엔진으로 최고출력 215마력을 얻었다. 대단히 발전된 엔진 성능이었지만 불미스러운 사고로 인해 직분사 엔진의 발전은 소강상태로 접어 들었다. 하지만 이때 사용된 보쉬의 휘발유 고압 연료분사시스템은 현재도 CRDI나 직분사 엔진에 거의 독점을 하고 있을 거의 독점을 하고 있을 정도이다.


"직분사 엔진 개발은 5 0 년대 벤츠로부터 시작돼
96년 미쓰비시에 의해 재 연구된 후 빛봐"


시간이 흘러 41년 후, 일본 미쓰비시는 직분사 엔진에 대한 연구를 시작했고, 세계최초 전자식 GDI엔진을 완성해 겔랑 4G93 1.8 GDI를 선보이게 된다. 하지만 미쓰비시의 직분사 엔진은 성능만을 위해 연구되던 300SL과는 달리 환경규제와 연비를 높이는 목적을 두고 있었다. 이때 중요한 기술과제인 정밀한 조절이 가능한 전자제어 연료분사장치와 고압분사, 설계프로그램이 발달이 큰영향을 미치게 됐다.

미쓰비시의 이와 같은 연구는 환경과 연비를 목적으로 개발되면서 성능을 높이는데 실패를 거듭하게 됐고 고옥탄 연료만을 이용해야 하는 단점을 갖게 됐다.

때문에 미쓰비시는 이와 비슷한 엔진인 가변밸브장치 MIVEC으로 선회를 하면서 포기를 했고, 닛산과 토요타가 이런 틈을 타 직분사 엔진을 완성하는 단계를 밟게 된다.

그 결과 닛산은 VQ30DD엔진을 레오파드에 첫 장착을 한 후, 스포츠카인 스카이라인에 VQ25DD를 장착해 어느정도 성공을 거두었고 현재는 VQ 엔진에 직분사 엔진을 시험 중에 있다. 토요타도 직분사 엔진인 D4를 개발해 소형차에 적용했고 2001년 아벤시스 2.0 유럽모델에 투입하게 된다. 이후 GS300에 직분사와 일반멀티분사장치가 동시에 적용된 새로운 개념의 D4S를 장착하게 되지만 경제성으로 인해 고급 모델에만 적용하고 있을 뿐이다.

국내의 경우 1999년 미쓰비시가 GDI 개발에 성공한 후 현대자동차도 연구가 시작됐다. 미쓰비시의 기술을 바탕으로 고급형 모델인 에쿠스 V8에 적용된 GDI는 고출력보다는 최적의 연비라는 명제를 실천하는 엔진이 됐다. 때문에 V8 엔진이 갖게 된 최고출력은 240마력이었기에 어려움을 겪던 현대자동차도 중간에 GDI 엔진을 멀티포트 인젝션 방식으로 바꾸면서 손을 놓은 듯 했다.

이 시기에 푸조, 시트로엥, 볼보 등 다른 메이커들도 GDI 엔진에 대한 기술을 연구했지만 결국, 모두 성능 이유로 포기하고 말았다. 하지만 21세기에 들어서면서 폭스바겐은 루포 1.4에 FSI라는 엔진을 올리면서 50년의 역사 속에 묻혀있던 독일의 직분사 기술을 세상에 내놓기 시작했고 대 성공을 거두었다. 다시 말해 성능을 중심으로 한 기술은 성공을 한 반면 초희박연소에만 신경 쓴 기술은 빛을 보지 못하게 된 것이다. 이런 FSI 기술의 성공은 보쉬가 개발한 150바 고압연료분사 장치가밑 바탕이 됐다.


"직분사 엔진의 가장 성공적인 발걸음은 BMW이어지는 고출력,
최적 연비 경쟁의 시장"


이런 직분사 엔진의 기술 경쟁 속에서 빛을 본 회사는 다로 있었다. 바로 BMW로, 전 라인업에 직분사 엔진을 도입하고 있는 BMW는 또 하나의 시스템을 결합하는데 성공했다. 다운사이징 터보를 직분사 엔진과 결합하면서 좀더 발전된 모습을 보이게 됐고 고급형이 아닌 다양한 모델에도 적용을 일구어 내게 됐다. BMW의 이런 기술력은 다른 메이커에게 큰 영향을 주었다.

폭스바겐은 물론, 세계 자동차 메이커의 획기적인 차세대 엔진으로 각광받기 시작했다. 포드 그룹, 피아트 그룹, GM그룹 등 대형 기업에서 속속 GDI를 선보이기 시작했고, 토요타, 그리고 스포츠카의 중심인 페라리와 포르쉐도 적극 도입을 했다. 자동차 메이커들이 GDI에 대한 기술력을 뽐내고 있는 가운데 가장 처음으로 적용했던 벤츠는 소극적인 면을 보이고 있다.

고출력, 고연비를 얻을 수 있는 GDI도 기본 바탕이 되는 부분에 문제가 있다. 바로 연료와의 관계에 있었다. 고옥탄 연료를 넣어야만 되는문제에 봉착하게 된 메이커들은 주로 고급 차량에 직분사 엔진을 사용하게 됐으며, 이후 연료문제를 해결하면서 점점 그 범위를 넓혀가고 있는 상황이다.

이와 시기를 같이해 미국의 자동차 메이커들도 GDI 엔진을 내놓게 된다. 특히, GM은 일반 휘발유에서도 고성능을 얻을 수 있는 직분사 엔진을 만들어 캐딜락 CTS에 적용, 많은 관심을 끌고 있다. 이 기술이 국내 GM대우를 통해 선보인 베리타스 3.6 SIDI를 통해서 모습을 드러내게 되고, 일반 휘발유로는 제 성능이 안나온다는 고정관념을 떨쳐 버리게 된다.

최근 몇 년 사이에 GDI 기술은 눈부시게 발전을 거듭하고 있으며, 국내에서도 그 시장은 끊임없이 이어져 준중형 차량까지 장착되고 있다. 특히, 현대자동차와 기아자동차의 경우 최근 출시되고 있는 모델들의 경우 대부분이 GDI 엔진을 적용하고 있을 정도로 안정화되고 있는 추세다. 그 동안 GDI가 갖고 있던 단점들을 대폭 수정해 적용되는 현대, 기아의 기술력은 이미 시장을 선점했다고 해도 될 만큼 성장을 이루었다.


"또 다른 엔진 기술력의 심장 안정화된 성능구현의
수평대향형 박서엔진"


수평대향형 박서엔진(Horizontally-Opposed Boxer Engine)은 스바루를 대표하는 핵심기술이다. 서로 마주보고 있는 엔진의 피스톤이 움직이는 모습이 권투선수가 주먹을 내뻗는 동작과 비슷하다고 해서 박서 엔진이라는 별명이 붙어 있다.

스바루의 박서엔진은 1966년 4륜 구동방식의 4도어세단 모델인 스바루 1000에 1리터 4기통 엔진으로 탑재되어 처음 소개됐다. 이는 전륜구동 방식의 기술이 부족해 후륜구동방식의 직렬엔진 차량이 주를 이루던 당시의 일본 자동차 시장에 선보여진 획기적인 기술이었다. 특히, 스바루1000은 일본 최초의 전륜 구동차로 무게중심이 낮은 수평대향 엔진을 장착함으로써 전륜구동방식의 차량은 주행기능이 떨어진다는 일반적인 선입견을 깨기도 했다.

또한, AWD를 장착한 승용차로 세계 최초로 대량생산화된 1,400cc급 레오네(Leone) 스테이션 왜건을 출시하면서 스바루의 수평대향형 박서엔진은 그 가치와 중요성을 보다 인정받기 시작했다. 현재, 전세계 주요자동차 생산업체 중 박서엔진을 채택한 브랜드는 포르쉐와 더불어 스바루가 유일하며, 일본시장에서 판매되는 일부 경차모델을 제외하고 레거시와 아웃백 등 전세계에서 판매되는 스바루의 모든 차량에는 박서엔진이 장착된다.

박서엔진의 특징은 직렬엔진이나 V형 엔진은 피스톤이 수직방향으로 움직여 차량의 무게중심이 높아지는 반면, 수평대향형 박서엔진은 실린더가 수평으로 배치되며 마주보고 있는 피스톤이 좌우로 움직이기 때문에 위아래 진동이 전혀 없고 무게중심도 한층 낮다. 또한, 각 피스톤의 움직임에 의해 발생하는 관성력이 맞은편의 피스톤에 의해 상쇄되어 좌우진동이 거의 없고 작동 및 중량 균형이 뛰어나 높은 rpm에서도 부드럽게 회전 수를 높일 수 있다. 또한 커브길 등 도로 상태에 상관없이 센터 구동축과 같은 방향으로 차체를 움직여 보다 부드러운 주행이 가능하다.

40여년 전 박서엔진을 처음 선보인 이후 꾸준히 발전을 거듭해온 스바루는 배기가스량이적고 연비효율이 좋은 엔진에 대한 니즈가 강해짐에 따라 지난 2010년 21년만에 완전히 새롭게 설계된 3세대 박서엔진을 선보였다. 2011년형 뉴포레스터에 장착된 3세대 박서엔진은 박서엔진 특유의 낮은 무게중심과 뛰어난 진동 밸런스, 가벼운 중량, 컴팩트한 사이즈 등의 장점은 그대로 유지하면서 친환경성과 주행성능을 크게 높였다.

신형 박서엔진은 연료효율성 강화, 가스 배출 절감 등 뛰어난 주행성능은 유지하면서도 더욱 친환경성을 강조한 엔진으로 거듭났다. 3세대 박서엔진은 기본 구조의 전면 업그레이드와 엔진 경량화를 통해 2세대 엔진에 비해 연비를 10% 이상 높였으며 모든 속도범위에서 보다 부드러운 가속을 전달하는 것이 특징이다. 뿐만 아니라 점점 강화되는 환경 규제를 고려해 향후 엔진 업그레이드 작업이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 설계됐다.

뉴 박서엔진은 스트로크를 기존 엔진보다 더 길게 변경해 실제 토크와 친환경성을 높이고 부드럽고 스포티한 회전 속성을 가능하게 만들었다. 스트로크를 길게 변경해 연소실을 보다 컴팩트하게 만듦으로써 고연소 효율과 풍부한 중저속 토크를 실현했다. 뿐만 아니라 흡기포트 배열을 최적화하고 포트 내의 격벽을 설정했으며, TGV(Tumble Generated Valve)와 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 쿨러를 장착해 높은 연비 효율을 보여준다.

여기에 흡기 밸브에는 액티브 밸브 컨트롤 시스템 (AVCS-Active Valve Control System)을 장착했다. 흡기 사이드의 중간 잠금 시스템은 흡기 밸브 타이밍을 정교하게 제어해 출력, 연비, 배기 성능에서 최대 엔진 성능을 발휘하게 한다. 뿐만 아니라 보어를 줄임으로 피스톤과 커넥팅 로드가 각각 약 20%가량 중량이 감소함으로써 엔진의 경량화를 이뤘다. 가벼운 구동계 부품과 고효율 컴팩트 오일 펌프의 사용으로 마찰력을 약 30% 가량 감소시켜 연비효율은 물론 회전반응을 높이는 효과를 가져왔다. 엔진 내 블록과 헤드를 위한 냉각 시스템 회로를별도로 만들어 연비 효율과 출력 특성 역시 향상시켰다.


GDI 엔진이란?
GDI는 Gasoline Direct Injection의 약자로 가솔린 직접분사 엔진(직분사엔진)이라고 한다. 이 기술은 기존보다 적은 연료를 연소실에 직접 분사해 연비와 출력을 함께 높이고 유해 배기가스 배출은 줄일 수 있는 최첨단 엔진으로 각광받고 있다.

이런 GDI 엔진은 디젤엔진, 특히 CRDI 엔진에서 기본을 찾았으며, 실린더 내로 직접 분사해 연소시키는 직접분사식 디젤엔진처럼 가솔린도 연료를 직접 실린더로 분사하는 방식으로 연구, 개발한 엔진이다. 이전 MPI 엔진은 공기와 연료를 섞어 실린더에 불어넣어 폭발시키는 방식으로 성능을 극대화 시키기에는 부족했다. 때문에 성능과 연비라는 두 가지를 만족시키는 방식으로 GDI 엔진이 만들어졌고 이제는 최고의 기술력으로 찬사를 받고 있다.


GDI 엔진의 특징


1. 높은 연비와 CO2 발생 저감
일반적인 가솔린 엔진의 공연비는 보통 14.7:1이지만 GDI 엔진의 공연비는 40:1에 이른다. 공연비가 높다는 의미는 연비 개선효과가 크다는 것으로 GDI 엔진은 기존 엔진보다 30% 정도의 연비개선효과를 일구어 냈다. 특히, 연비가 향상되면서 이산화탄소 발생이 줄어들어 친환경 엔진에 가까이 갔다.


2. 출력과 토크의 향상이 높게 나타난다
GDI 엔진의 압축비는 12:1 정도로 일반 가솔린 엔진보다 높고 토크를 보여주는 디젤엔진에 버금가는 수준이다. 즉, 흡입 공기량이 많고 압축비가 높으면 토크 및 출력이 좋아지게 된다. GDI 엔진이 적용된 쏘나타 2.4 GDI 엔진은 201마력으로 K7에 적용된 2.4 MPI 엔진의 180마력보다 21마력이 높다


3. 유해 배기가스 저감통한 친환경엔진
GDI 엔진은 점화시기를 늦춰도 정상연소가 가능한 시스템으로 연소효율을 높이고 촉매 활성화 시간을 크게 줄일 수 있다. 촉매활성화 시간을 가능한 줄여 엄격한 배기가스 규제를 만족시킬 수 있도록 한 친환경 엔진이라는 의미이다. 예를 들어 쏘나타 2.4 GDI 엔진의 이산화탄소 배출량은 180g/km로 K7 2.4 MPI 엔진의 198g/km보다 적게나타난다.


4. 빠른 응답성으로 운전성능 향상이 매력
GDI 엔진은 연료를 실린더로 직접 분사하기 때문에 연료량을 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 가속응답성이 매우 빠르다. 이런 이유로 인해 GDI 엔진이 장착된 자동차 모델들의 경우 응답성과 운전성능이 좋게 나타나는 이유다.


5. 다양한 인젝션 모드
GDI 엔진은 운전상황에 따라 최적의 연료주입 시기를 정할 수 있다. 연료를 흡입행정에 1회 분사, 압축행정에 1회, 압축행정에 1회 폭발행정에 2차 분사, 흡입행정에 1차분사, 압축행정에 2차분사, 흡입과 압축에 각 1회씩 분사 하는 등 운전조건에 맞춰 다양하게 연료분사 시기를 조절한다. 특히, 냉간 시동 시에는 압축행정에서 연료를 고압 분사해 기존 엔진방식보다 훨씬 적은 연료로 시동을 걸 수 있다. 이 때문에 탄화수소 발생도 줄일 수 있다.


■ 월간 IAUTOPLAZA 발췌 / 무단전재 및 재배포 금지!!



 
 

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