직분사 기술이란 원래 디젤 기관에서 사용하던 기술로, 연료를 실린더 내에 직접 분사해 연소시키는 기술이다. 본래 엔진에 연료를 공급하는 가장 대표적인 방법은 기화기에서 만든 혼합기(混合氣)를 실린더에 주입하는 방식이었다. 혼합기는 공기와 연료를 섞어서 만드는데, 만약 혼합이 제대로 이루어지지 않을 경우 불완전 연소가 일어나기 쉽고 연비와 출력이 떨어지는 것이 단점이었다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 등장한 것이 직분사 기술이다.
직분사의 원리
원리는 간단하다. 실린더 내부로 공기가 유입되는 동시에 연료를 직접 분사하는 방식이다. 실린더 안에 세로 방향의 소용돌이가 발생하는 것이 특징. 이 소용돌이는 공기와 연료를 잘 섞이게 할 뿐만 아니라, 분사된 가솔린을 점화플러그 주변으로 모아 혼합기를 완전히 연소시키는 역할을 담당한다. 실제로 직분사 기술을 도입함으로써 완전 연소에 근접했다는 평가를 받는다. 이러한 평가는 직분사의 특징으로부터 기인한다.
직분사의 역사
최초의 직분사 기술은 이미 90년 전에 등장했다. 1925년, 스위스 엔지니어 조나스 헤슬만은 처음으로 직분사 엔진을 제조했다.
1955년, 메르세데스-벤츠는 300SL에 직분사 엔진을 장착했다. `최초로 직분사 엔진을 장착한 레이싱카`라는 타이틀이 탄생하는 순간이었다.
하지만 불의의 사고로 벤츠는 직분사 기술을 포기할 수밖에 없었다. 차량이 경기도중 앞차와의 충돌로 인하여 관중석으로 날아가는 사고가 발생했기 때문이다.
1996년, 일본 미쓰비시 자동차는 세계 최초의 전자식 직분사 엔진인 겔랑 4G93 1.8 GDI 엔진을 완성한다. 당시 새로운 진입장벽으로 떠오른 환경규제를 충족시키고 연비를 높이는 것이 개발 방향이었다. 하지만 결국 진입장벽을 넘지 못한 미쓰비시가 가변밸브식의 MIVEC 엔진으로 선회하면서 직분사 엔진 개발은 중단된다. 1년 뒤 닛산과 토요타도 직분사 엔진을 완성했으나 잦은 오작동을 이유로 시장에서 외면받는다.
반면 폭스바겐은 이러한 분위기를 반전시키고 2000년 루포 1.4에 FSI라는 직분사 엔진을 올림으로써 직분사 엔진을 세계적인 유행으로 이끌기도 했다. 2000년 이후 여러 회사에서 사용하지만 벤츠는 CGI, 아우디는 FSI, BMW는 HPI라고 부르는 등 명칭이 서로 다르다. 별도로 이름을 붙이지 않는 제조사도 있다.
직분사의 장점
엔진의 내구성 향상
기화열로 인해 차가워진 연료를 엔진 안에 직접 분사함으로써 엔진의 열을 식히고 엔진의 내구성을 향상시킨다.
연소 효율 상승
차가운 연료는 공기마저 식힌다. 공기는 차가워질수록 부피가 줄어들기 때문에 같은 부피의 엔진에도 더 많은 공기 주입이 가능하다. 적은 연료에 많은 공기를 반응시킬 수 있어 연소 효율이 상승한다.
대기오염 예방
과하면 부족함만 못하다. 지나치게 많이 공급된 연료는 불완전연소를 통해 일산화탄소를 발생시킨다. 연소 효율의 상승은 곧 배기가스의 감소로 이어진다는 것을 알 수 있다. 고열의 엔진에서 발생하는 대표적인 대기오염 물질인 질소산화물(NOx)도 엔진의 온도가 낮아진 만큼 줄일 수 있다.
직분사의 단점
카본 찌꺼기 유발
직분사 기술의 가장 큰 단점 중 하나. 연소된 배기가스 중 일부가 공기흡입구를 통해 다시 엔진으로 유입될 때 배기가스를 걸러 내지 못하는 구조상의 문제다. 이로 인하여 흡기 밸브에 카본이 쌓이고 출력은 감소한다. 대량으로 발생한 카본이 가솔린을 흡수하여 운용할수록 연비가 떨어지는 현상이 발생하기도 한다. 자동차 제조사인 폭스바겐은 이 문제를 해결하기 위해 지속적인 실린더 청소를 권장한다.
디젤 엔진에 버금가는 소음
직분사 엔진의 높은 압력은 엔진을 구성하는 부품에 많은 피로를 유발한다. 압축비를 올려서 폭발력을 키우기 때문에 일반엔진에 비해서 엔진의 진동과 소음이 커지는데, 심할 경우 디젤 엔진을 능가할 정도다.
