직분사 엔진
석유 자원의 부족이 심화됨에 따라, 소비자들은 자동차 연비에 대한 요구를 점점 더 높여가고 있으며, 이에 따라 새로운 유형의 가솔린 엔진 연소 방식인 ‘린 번(lean burn)’ 엔진 기술이 등장했습니다. 린 번 연소를 달성하는 이상적인 방법은 직접 분사(FSI)와 층류 분사, 즉 가솔린 직접 분사(GDI)입니다. 직분사 엔진은 실린더 내부에 가솔린을 분사하는 방식으로, 인젝터가 연소실에 설치되어 실린더 내 연소실로 가솔린을 직접 분사합니다. 흡기 밸브를 통해 연소실로 유입된 공기와 연료가 혼합되어 점화되며, 이 과정은 직분사 디젤 엔진과 유사합니다. 따라서, 실린더 내 직접 분사 방식의 가솔린 엔진은 디젤 엔진의 방식을 가솔린 엔진에 적용한 주요 혁신 중 하나입니다.
직분사 엔진은 공기-연료 비율을 40:1로 조절하여 연료 절약, 배기 가스 저감, 동적 성능 향상, 엔진 진동 감소, 연료 분사 정확도 향상, 엔진 내구성 강화 등의 이점을 제공하므로, 모든 자동차 제조사들은 폭스바겐의 FSI (Fuel Stratified Injection), GM의 SIDI(스파크 점화 직접 분사), 도요타의 D-4S, BMW의 HPI(고압 직접 분사), 미쓰비시의 GDI(가솔린 직접 분사), 포르쉐의 DFI(직접 연료 분사) 등이 있습니다.
FSI(Fuel Stratified Injection)라고도 알려진 직접 분사 기술은 기존 가솔린 엔진의 발전된 형태입니다. 기존 가솔린 엔진은 컴퓨터를 통해 캠 위치와 엔진 작동 조건을 분석하여 연료 인젝터가 흡기 매니폴드에 연료를 분사하도록 제어합니다. 그러나 연소실 노즐이 일정 거리 떨어져 있고, 공기 흡입 밸브의 개폐에 따른 공기와 가솔린의 혼합, 그리고 파이프 벽면에 흡착된 크고 작은 입자의 영향 등으로 인해, 연료 인젝터가 분사한 연료를 실린더 내부로 직접 주입하기를 희망하게 되었습니다.
FSI는 폭스바겐 그룹이 전통적인 가솔린 엔진의 실린더 내 연료 부족 문제를 개선하기 위해 개발한 직접 분사 기술로, 디젤 엔진의 연료 기술과 유사한 방식으로 피스톤 펌프를 통해 실린더 내에 100bar 이상의 압력을 가한 가솔린을 솔레노이드 인젝터에 공급합니다. 그리고 컴퓨터 제어를 통해 가장 적절한 시점에 연료를 연소실로 직접 분사하며, 제어 정확도는 밀리초 단위에 가깝습니다. 여기서 핵심은 인젝터 설치를 고려할 때 실린더 상단에 일정 공간이 확보되어야 한다는 점입니다. 실린더 상단에는 매우 친환경적인 점화 플러그와 여러 개의 1.4TSI 엔진 밸브가 배치되어 있어 구조가 매우 콤팩트하므로, 흡기 밸브 쪽 근처에 배치됩니다. 분사 노즐의 설계 및 제조 요구 사항이 상당히 높기 때문에, 배치가 부적절할 경우, 주로 제조 정밀도 문제로 인해 누유가 발생할 수 있으며, 이는 이점보다 해가 더 클 수 있습니다. 또한 FSI 엔진은 연료 품질에 대한 요구 사항이 상대적으로 높기 때문에, 현재 국내 연료의 상태로는 FSI 엔진의 요구 사항을 충족하기 어려울 수 있어, 수입된 골프 FSI 엔진의 일부 조립 부품에 적응 조치가 이루어진 것으로 보입니다.
또한, FSI 기술은 층상 윤활과 균일 윤활이라는 두 가지 서로 다른 윤활 방식을 사용합니다. 층상 윤활이 이루어지는 저속 또는 중속 엔진 작동 모드입니다. 이 시점에서 스로틀이 부분적으로 열려 있어 흡기 매니폴드에서 실린더로 유입된 공기가 피스톤 상단에 부딪히며, 피스톤 상단은 특수하게 설계되어 점화 플러그 근처에 소용돌이가 형성되도록 합니다. 압축 과정이 끝날 무렵, 제트에서 소량의 연료가 분사되어 가연성 가스가 형성됩니다. 이러한 계층적 접근 방식은 엔진의 연비를 향상시킬 수 있습니다. 속도가 낮고 부하가 작기 때문에, 스파크 플러그 주변을 제외하고는 고농도의 가스 혼합물을 형성할 필요가 없으며, 연소실의 다른 곳에는 높은 농도의 공기-연료 혼합물만 존재하기 때문에 FSI가 이상적인 상태에 매우 가까워지기 때문입니다. 스로틀이 완전히 열리고 엔진이 고속으로 작동하면, 실린더로 많은 양의 공기가 유입되어 가솔린과 혼합되는 강력한 고속 소용돌이가 형성됩니다. 이를 통해 연료 연소가 촉진되고 엔진 출력이 향상됩니다. 컴퓨터는 엔진의 작동 조건에 따라 연료 분사 모드를 지속적으로 변경하여 항상 가장 적절한 방식으로 연료를 공급합니다. 연료를 최대한 활용함으로써 연비 향상은 물론 엔진 출력 증대와 배기 가스 저감 효과도 얻을 수 있습니다.