[기술Tip] GDI 엔진은 무엇인가? : 엔카 미디어

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[기술Tip] GDI 엔진은 무엇인가?

2015.11.27 김경수 기자

자동차를 좋아하는 사람이라면 GDI 엔진에 대해서 한번쯤 들어봤을 법하다. 이미 1980년 대에 토요타에 의해 상용화되었다가 여러 부작용으로 인해 개발이 포기됐던 GDI 엔진은 2006년부터 현대기아자동차 그룹에서 본격적으로 연구를 시작해 2010년 ‘세타 GDi엔진’을 쏘나타, 로체 등 중형 세단에 대거 투입하기 시작하면서 친숙한 이름이 됐다.

GDI 엔진은 무엇인가?

‘GDI’는 가솔린 직접분사(Gasoline Direct Injection)의 약자로 이전까지 사용해 온 포트분사 시스템 엔진보다 진일보한 엔진으로 국내에서 평가받고 있다. 특히 150bar까지 고압 연료를 연소실에 직접 분사하는 연소계 시스템을 적용해 높은 엔진의 성능을 보장하면서도 배출가스를 저감하고 동급 엔진에 비해 연비가 높은 것이 장점이다.

토요타는 관련 기술을 이미 개발했지만 진동과 소음이 크고 특유의 배기관에 누적되는 카본 슬러지가 악영향을 미친다는 이유로 개발을 포기했던 경력이 있다. 하지만 현대기아차 그룹에서는 이런 단점은 최소화하면서도 GDi엔진의 장점을 최대한 높여 2010년부터 지금까지 그룹 내 가솔린 엔진의 대부분을 교체했다. 게다가 연비개선을 위해 밸브태킷, 피스톤 링 및 스커트의 저마찰 코팅 기술을 도입했으며 가변 흡배기 밸브 타이밍 기구 등을 적용하면서 엔진의 내구성과 신뢰성을 높였다.

GDI 엔진의 장점은?

GDI 엔진의 장점은 뛰어난 연비와 높은 출력이다. 2006년부터 현대기아차 그룹이 개발한 GDi 엔진과 포트분사를 쓰는 MPI 엔진을 비교해 보면 이런 장점이 두드러진다. 세타 2.4 엔진을 기준으로 GDi 엔진은 201마력을 발휘하는데 비해 MPI는 179마력을 발휘한다. GDi 엔진은 특히 저rpm보다 고rpm에서 더 효과가 좋은 편이다. 미세하게 분사된 연료와 공기의 혼합비가 더 높기 때문이다. 연비도 GDi가 2~4km/L까지 더 뛰어나다. 여기에 배출가스 저감기술을 더하면 각국의 배기가스 규제를 거의 대부분 통과할 수 있다.

GDi 엔진은 연구비가 상대적으로 적고, 추가되는 구성품이 적어 차량의 성능을 올리기에 적합하다. GDi 엔진의 3가지 시스템 구성품은 인젝터와 고압펌프, ECU를 든다. 인젝터는 실린더 내에 연료를 직접 분사하여 연소시키는데 흡기 냉각효과에 따라 충전효율도 향상됐다. 토크도 전 영역에 걸쳐 증대되며, 분할분사를 이용한 촉매활성화 온도 상승시간이 개선되며 촉매저감 및 성능도 증대되어 배출가스도 최대 50% 감소된다.

GDi 엔진의 단점은?

앞서 기술한 바대로 토요타와 닛산 등은 GDi 엔진을 포기했었다. 어떤 단점 때문일까? GDi 엔진의 가장 큰 문제점은 카본 슬러지 퇴적으로 인한 효율 저하다. 초기 상품성에서는 아무 문제가 안보이지만 차령이 증가하면 나타나는 GDi 엔진의 최대 단점 가운데 하나다. 특히 일단 카본 슬러지가 쌓이기 시작하면 누적 속도가 상당히 빠른 편이어서 관련 부품을 자주 청소하거나 교체해줘야 한다.

두 번째는 진동이다. GDi 엔진은 통상적으로 인젝터 분사압력이 높다. MPI 엔진 아이들 상태의 연료압력이 4bar가량이라면 GDi는 10배인 40bar에 이른다. 물론 최고출력 상태에서는 135bar까지도 올라가는데, 당연히 일반적인 MPI 엔진보다 높은 수치다. 높은 압력을 내기 위해서는 압축펌프와 인젝터의 분사진동이 수반되기 마련인데, 이로 인한 진동이 소음과 함께 발생하는 것이다. 간혹 GDi 엔진의 정숙성과 엔진 내구성에 문제를 삼는 것과 무관할 수 없는 증거다.

GDi 엔진의 연료이동은 연료입구로부터 저압라인, 연료압력 조절 밸브, 고압 챔버, 고압라인 그리고 마지막으로 인젝터를 거치게 된다. 연료이동과정에서 거치는 부품의 조합과 개별 특성은 GDi 엔진의 장단점이기도 하다. 최근 발표된 토요타의 신형 가솔린 엔진들은 저rpm에서는 포트분사, 고rpm에서는 직접분사를 혼용해서 활용하는 방식을 취한다. GDi 엔진의 단점을 극복하기 위한 시도로 볼 수 있다. 하지만 아직 국내에서 개발된 엔진 가운데 이런 복합방식은 상용화된 바 없다. 하지만 터보차저와의 조합 그리고 환경규제의 대응을 생각할 때 GDi 엔진의 인기는 당분간 지속될 전망이다.