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GDI(Gasoline Direct Injection) GDI(Gasoline Direct Injection) 기관의 구조와 특성 2008 10 2008. 10 Ph. D. Yoon Cheon Han

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GDI(Gasoline Direct Injection)GDI(Gasoline Direct Injection)기관의구조와 특성

2008 102008. 10

Ph. D. Yoon Cheon Han

실린더내에연료를직접분사

. . GDI GDI 기관의기관의개요개요

실린더내에연료를직접분사

정밀한연료제어(분사시기를운전영역에따라제어)로희박화실현

(공연비 30~40 EGR의경우 35-55)(공연비 30 40, EGR의경우 35 55)

초저연비달성 (디젤을능가)

높은흡입효율과고압축비로서

고성능화와

빠른응답성실현빠른응답성실현

. . GDI GDI 기관의기관의구조구조

. . GDI GDI 기관의기관의 작동작동

적용차종적용차종적용차종적용차종국내 : 현대에쿠스(V8형 3.5, 4.5)일본 : 미쓰비시(직렬1.8, 2.0)

고효율화및고출력화의발달과정

고효율화(저연비화) •캬브레타 MPI 디젤 GDI

고출력화(고성능화) •캬브레타 MPI GDI캬브레타 MPI GDI

가솔린기관의 연료공급계통 변천과정

의특징

1. GDI의목표

GDI Engine의특징

디젤을 능가하는 저연비

MPI보다우수한고출력

2 GDI Engine의 제원과구성2. GDI Engine의 제원과구성항 목 GDI MPI

내경 행정(mm) 81.0 89.0총 배기량(cc) 1834실 린 더 수 직렬 4 기통

형 식 DOHC밸부기구

밸브수 흡기밸브 2, 배기밸브 2압 축 비 12.0 10.5연 소 실 만곡정면피스톤 평편정면피스톤연 소 실 만곡정면피스톤 평편정면피스톤

흡 기 포 트 직립포트 표준포트

연료공급장치 실린더내 직접분사 흡기포트내에 분사

연료공급압력 50 3.3

위차종은 일본미쓰비시사회사의 자동차임

기관의기관의주요구성주요구성GDIGDI기관의기관의주요구성주요구성

GDI기관의주요구성

3. 3. GDI GDI 기관의기관의기술적기술적특징특징

3 1저연비와고출력의실현3.1 저연비와고출력의실현(1) 운전영역과 연료공급의 최적화

연료분사시기연료분사시기((운전조건에운전조건에따라따라변화변화))•부분부하운전영역(시가지주행)

압축행정후기

•고부하운전영역(가속또는고속운전) 흡기행정중

연소방식연소방식

•부분부하운전영역(시가지주행) 층상연소로초저연비실현

•고부하운전영역(가속또는고속운전)균질혼합기연소로고출력실현

저연비저연비및및고출력고출력영역의영역의구분구분

저연비운전영역 정상주행에서 까지•저연비운전영역 : 정상주행에서120km/h 까지•고출력운전영역 : 스로틀밸브전개상태의

운전을포함한

고부하 • 고속운전영역부하 속운전영역

(2)(2) GDI EngineGDI Engine의의기본기술기본기술

GDIGDI를를실현하기실현하기위한위한기본구성요소기본구성요소

•직립흡기포트 : 실린더내유동제어•곡면의정면피스톤 : 연소제어•고압연료펌프 : 실린더내고압연료공급•고압스월인젝터 : 분무의미립화와분산

이들의이들의기본기술에기본기술에별도의별도의제어기술첨제어기술첨가가

•디젤을능가하는저연비와• MPI엔진을초월하는고성능을양립함• MPI엔진을초월하는고성능을양립함

실린더내공기유동의제어

종래가로방향의흡기포트대신에종래가로방향의흡기포트대신에

•위방향에서강한하강류로공기를흡입시키는새로운개념의 “직립흡기포트”

이기때문에이기때문에

•종래의기관과는다른역방향의실린더내•종래의기관과는다른역방향의실린더내공기유동이형성되고, 텀블선회류가발생함

•특히피스톤헤드부분이곡면인피스톤에의해이텀블선회류가강하게형성된다.

ⓑⓑ MPIMPI EngineEngineⒶⒶ GDI EngineGDI Engine

연료분무의미립화와형상의최적화

신기술의고압스월인젝터는신기술의고압스월인젝터는

• 연료분무형상을최적화 하는동시에

분무전체에강한회전을주기때문에,

• 분사압력이 50kg/㎠의비교적저압에서도

관통내에필요한분무의미립화가가능함

Ⓐ연료입자궤적 ⓑ압축행정분사시 ⓒ흡기행정분사시

(아래방향) (저연비영역) (고출력영역)

연료분무의미립화와형상의최적화

신기술의고압스월인젝터는신기술의고압스월인젝터는

• 연료분무형상을최적화 하는동시에

분무전체에강한회전을주기때문에,

• 분사압력이 50kg/㎠의비교적저압에서도

관통내에필요한분무의미립화가가능함

ⓑ압축행정분사시 ⓒ흡기행정분사시

(저연비영역) (고출력영역)

연소실연소실형상의형상의최적화최적화

피스톤헤드부분이활모양으로오목한

연소실연소실형상의형상의최적화최적화

피스톤헤드부분이활모양으로오목한

GDI기관용피스톤은

• 실린더내의공기유동을제어할뿐만아니라• 실린더내의공기유동을제어할뿐만아니라연로혼합상태도제어

• 즉 압축행정후반에실린더내분사된연료 즉, 압축행정후반에실린더내분사된연료

분무를분산시키는것이아니고컴팩트한

형상을점화직전까지유지

• 이러한중요성때문에연소실형상의선택에있어서는레이저에의한유동가시화등

선진계측기술을구사하여최적화를도모

GDIGDI기관용기관용피스톤피스톤모양모양

저연비의저연비의실현실현3.2 3.2 저연비의저연비의실현실현

(1) 기본개념( )기본개념GDI기관의경우• 종래의가솔린기관에서는불가능했던압축행정에서도연료를분사하여

점화플러그주위에적정농도의혼합기를분포시킴• 점화플러그주위에적정농도의혼합기를분포시킴으로서

• 연소실전체적인측면헤서볼때대단히희박한공연비로도이상적인층상혼합이가능하게되는초저연비실현이가능함연비실현이가능함

혼합기의거동• 다음그림은점화플러그주위에적정한농도의혼합• 다음그림은점화플러그주위에적정한농도의혼합기가모이는층상혼합상태를피스톤의위치에따라나타낸것으로

• 공연비40(EGR을포함한경우는 55)이라고하는초희박혼합기에서도연소는대단히안정되고있음희박혼합기에서도연소는대단히안정되고있음

연료분무와 혼합기의 거동(압축행정후기분사)(압축행정후기분사)

Ⓐ상사점전40도 ⓑ 상사점전 30도 ⓒ상사점전 20도(점화직전)Ⓐ상사점전40도 ⓑ 상사점전 30도 ⓒ상사점전 20도(점화직전)

초희박혼합기의연소

초희박혼합기의연소

(2)(2)초희박연소특성초희박연소특성

•종래의기관에서는연소변동이크게되어희박화에•종래의기관에서는연소변동이크게되어희박화에한계가있었지만

• GDI기관에서는층상혼합상태의실현으로공연비를희박화하여도연소는악화되지않는다.

•일반적으로연소가가장완만한상태에서불안정한공회전시의예를보면 “GDI”에서는공연비 40(EGR을포함한경우는 55)이라고하는대단히희박한혼합기에서도안정한급속연소를유지하고있다에서도안정한급속연소를유지하고있다.

연소압력과 열발생율의 비교

(3)(3) 실차의실차의 연비연비 저감저감 효과효과(3)(3) 실차의실차의 연비연비 저감저감 효과효과(3) (3) 실차의실차의 연비연비 저감저감 효과효과

공회전시 연료소비량

•초희박공연비화의 효과 이외에도 연소안정

(3) (3) 실차의실차의 연비연비 저감저감 효과효과

공회전시 연료소비량

•초희박공연비화의 효과 이외에도 연소안정

성이 향상되고

•공회전 설정회전수를 낮출 수 있기 때문에

종래엔진에 비하여 40%정도 연비가 향상됨

성이 향상되고

•공회전 설정회전수를 낮출 수 있기 때문에

종래엔진에 비하여 40%정도 연비가 향상됨종래 진에 비하여 정 연비가 향상됨종래 진에 비하여 정 연비가 향상됨

공회전시 GDI엔진과종래엔진의연료소비량비교

정상주행시정상주행시정상주행시

시속40km/h의정상주행시연료소비율은종래

엔진에비하여 35%정도저감된다.

정상주행시

시속40km/h의정상주행시연료소비율은종래

엔진에비하여 35%정도저감된다.

정상주행시토크변동과연료소비율비교

시가지주행시연비시가지주행시연비시가지주행시연비

일반적인시가지주행에서는종래의기관을

탑재한차량보다 35%정도의연비저감을실현

시가지주행시연비

일반적인시가지주행에서는종래의기관을

탑재한차량보다 35%정도의연비저감을실현탑재한차량보다 35%정도의연비저감을실현

하여디젤차량을초월하는고효율을달성함

탑재한차량보다 35%정도의연비저감을실현

하여디젤차량을초월하는고효율을달성함

시가지주행시연비비교

(4) (4) 배기가스배기가스정화정화•초희박공연비에서 EGR을도입하여도급속연소가•초희박공연비에서 EGR을도입하여도급속연소가

유지되고연소가악화되지않는특성이있기때문에

•종래의기관에서는불가능하였던대량 EGR에의한Nox의저감을도모할수있고Nox의저감을도모할수있고

•이것에더하여선택환원형희박촉매장치를부착함으로서종래의기관에비하여약 97%의 Nox저감을실현

희박촉매부착시 NOx 발생률비교

신기술의선택환원형 Nox촉매신기술의선택환원형 Nox 촉매

특징

희박한분위기에서환원능력이높다.내구성이우수하다내구성이우수하다.

개략도 반응메카니즘

3.3 3.3 고출력의고출력의 실현실현

(1)기본개념(1) 기본개념• 체적효율의향상에의한흡입공기의증대와• 고압축비화에의한고효율연소이다.

체적효율의향상• 직립흡기포트에의한 smooth한흡기류와• 흡기행정중에실린더내에직접분사된가솔린• 흡기행정중에실린더내에직접분사된가솔린연료의기화열로인한가스온도저하와이에따

른흡기냉각작용으로공기밀도가증가하므로

• 종래의기관에비하여전운전영역에서큰폭으• 종래의기관에비하여전운전영역에서큰폭으로체적효율이향상된다.

GDI엔진과종래엔진의체적효율비교GDI엔진과종래엔진의체적효율비교

고압축비화

•실린더내연료분사기관은앞에서기술한냉각효과에

의거노킹의발생이억제되고대폭적으로압축비가

높아진다.

• [GDI]에서는 12:1이라고하는고압축비에서고효율

연소를실현하고있다.

GDI엔진과종래엔진의압축비비교

(2) (2) 출력향상효과출력향상효과

기관성능[GDI] 에서는고효율흡기의효과로서 종래

기관에비하여거의전영역에서 10%의토크와출력이향상됨

실차가속성능실차가속성능

고출력운전영역에서출력과가속응답성의

향상에의거종래탑재차를능가하는가속

성능이얻어지고가속느낌(f li )이대폭적으

고출력운전영역에서출력과가속응답성의

향상에의거종래탑재차를능가하는가속

성능이얻어지고가속느낌(f li )이대폭적으성능이얻어지고가속느낌(feeling)이대폭적으

로향상됨

성능이얻어지고가속느낌(feeling)이대폭적으

로향상됨

GDI엔진과종래엔진의가속성능비교