GDI엔진

GDI 엔진개요

2.4 GDI(Gasoline Direct Injection)엔진은 실린더 내에 연료를 고압으로 직접 분사하여
연소시킴으로써, 성능 향상, 연비 개선, Emission 저감을 동시에 실현한 엔진이다.
특히 최고출력은 200마력, 최대토크는 25.2kgf·m로 2.4MPI 대비10% 이상 성능이 향상된 엔진이다.
기존 에쿠스에 장착된 GDI엔진과는 다르게 초희박 연소가 아닌 이론 공연비 제어를 통한 연소를 하게된다.


성능 향상은 연료를 연소실에 직접 분사하여 증발잠열에 의해 흡기 온도가 떨어지므로 흡입 과정중에
공기의 밀도가 높아진다. 이때 흡기냉각 효과에 따른 충전효율이 향상되어 전 영역에서 토크를 증대할 수 있고
노크특성 개선에 의한 저속성능 또한 증대되었습니다.


차량 연비 측면에서는 노크특성 개선으로 압축비를 올릴 수 있고 압축비 증대에 따른 부분부하
연비를 개선하였습니다. 또한 성능증대에 따른 연비형 기어비를 선정하여 차량 연비를 개선 하였습니다.
시동 시에는 압축 구간에 연료를 분사하여 성층화 현상이 생겨 연료가 스파크플러그 주변으로 모이면서
점화 되므로 시동시 연료소모를 줄일 수 있다.

배기가스 저감은 시동직후 분할분사를 실시하여 촉매의 활성화 온도가 단 시간에 상승되므로 배기가스를 저감 할 수 있다.

GDI구성도

고압연료 펌프    연료레일 / 압력센서     고압인젝터
엔진에 적용되는 주요 부품

GDI 엔진 본체

2-1. 실린더 블록 & 윤활 시스템

실린더 블록          오일공급홀

오링필터             오일쿨러

피스톤 쿨링 젯(4개소)을 적용하여 피스톤 냉각 성능을 향상시켜 내구성을 보강하고 오일쿨러를 추가하여
오일 냉각 성능을 향상 시켜 오일의 열화를 방지 하였습니다.
메인 베어링 오일 공급 홀 직경을 ?5 에서 ? 로 증대하여 오일 공급성을 향상 하였습니다.
BSM(발란스 샤프트 모듈)탭을 증대하여 체결 강성을 증대 하였습니다.
▷ 오일팬 조임 토크
M10 1.0 kgf m
M12 2.5 kgf·m ▷ 엔진오일 사양과 교환 주기
오일 사양 : SJ 또는 SL급 이상, SAE 5W-20
교환 주기 :
통상 조건: 15,000km 또는 12개월
가혹 조건 : 7,500km 또는 6개월

2-2. 실린더 헤드
실린더 헤드는 GDI 고압 연료펌프를 장착 해야 하므로 연료펌프 브라켓 장착부 3개소를 추가 하였습니다. GDI 엔진 고 연소압 특성상 헤드볼트 축력이 5.5톤에서 6톤으로 증대 되었으며 볼트 인장강도는 94~104kgf/㎟ 에서 100~110kgf/㎟ 로 체결력이 증대 되었습니다.


▶ 헤드볼트 조임 토크 (소성역 체결법, 교환을 원칙으로 함) 1단계 : 체결 토크 3.5kgf·m , 2단계(각도): 90˚ , 3단계(각도)90˚

실린더 헤드의 냉각성능 개선을 위하여 배기측 Flame deck 두께를 10.8mm 에서 8.5mm 로 축소 하였습니다.
GDI 인젝터가 연소실에 직접 장착 되어있다.


연소실 체적이 축소되고 GDI 인젝터가 장착되므로 형상이 변경되었습니다. 연료를 연소실에 직접 분사하므로 흡기과정중 공기의 온도가 내려가서 밀도가 높아 지므로 노크 여유가 생겨 압축비를 높이게 된다.
압축비 : 10.5:1 → 11.3:1
☞ Flame deck : 연소실과 실린더헤드 워터자켓 과의 사이

2-3. 밸브 시스템

 배기 캠 샤프트 에 의해 GDI 고압연료 펌프를 구동할 수 있는 캠 로브가 추가로 적용 되었으며 캠 샤프 트의 회전에 의하여 연료펌프가 고압을 형성하게 된다. 또한 각각의 흡,배기 캠에는 중량저감을 위하여 캠 로브 부분에 살빼기를 하였습니다


펌프 브라켓    실린더 헤드 커버

연료펌프를 장착 하기 위해 실린더 헤드 상부에 연료펌프 브라켓이 장착 된다.
실린더헤드 커버에는 연료펌프 장착을 하기 위한 홀이 있다.


흡기 CVVT      배기 CVVT         타이밍체인   

타이밍 체인은 연소생성물(SOOT)에 대한 내구성을 증대 하기 위하여 롤러 체인으로 변경되고 흡,배기 CVVT 기어 치형도 롤러 체인으로 구동 될 수 있게 변경 되었습니다

2-4. 무빙시스템
2-4-1. 크랭크 샤프트
 크랭크 샤프트의 발란스 웨이트에 살빼기를 하고 하사점에서 피스톤 간섭을 방지하기 위하여 발란 스 웨이트의 형상을 변경시켜 경량화를 하였으며 CKPS 휠 장착 외경을 축소 하여 하사점 에서 피스 톤이 간섭되지 않게 하였습니다.
경량화 : 2.5kg


2-4-2. 피스톤
 피스톤은 GDI 엔진의 특성상 bowl 피스톤을 사용 하였고 bowl 형상과 함께 연소실의 모양이 달라 지 게 되었습니다. 시동시 또는 촉매 히팅시에는 압축행정시 연료를 분사하여 공기와 연료가 혼합되지 않고 성층화 현 상이 일어나 스파크플러그 주변에 연료가 모여 점 화가된다. 성층화 현상이 일어날 수 있게 bowl 피 스톤을 사용 한다.
피스톤핀 : 전 부동식


2-4-3. 피스톤 링
 탑 링은 내 마모성을 개선 하기 위하여 상하면을 질화 처리 하였고
외주면을 크롬 니켈 도금을 하였습니다.
2nd 링은 MPI와 공용으로 사용할수 있게 크롬 도금을 하였습니다.


오일 링은 내구성을 위하여 2개의 구성품 사이드레일과
오일링으로 되어있고 사이드레일은 상하 일체 형이다.
조립시 오일링을 분리하지 말고 벌려서 조립을 하면 된다.
☞성층화 : 연료와 공기가 혼합되지 않고 분리되어 층을 이루는 현상

2-4. 무빙시스템
항목MPIGDI내용
스파크 플러그 내 노킹성 및 밸브시트 내 마모성 향상을 위해
롱리치 스파크 플러그 변경
(M14 → M12)
실린더헤드 GDI 인젝터를 장착하기 위하여
인젝터 보스 4개소 및
연료레일 보스 3개소 추가
워터펌프 출력 증대에 따른 유량 증대로
임펠러 형상변경 유량:185ℓ/min
냉각라인 오일쿨러용 니플추가 6속 A/T 적용시
TGS 케이블과 간극개선 및 중량저감
타이밍 체인
텐셔너 		타이밍체인 변경으로 텐셔너 동시변경
타이밍체인의 소음을 텐셔너 튜닝으로
줄여줍니다.
발란스 샤프트
체인 텐셔너 		타이밍체인 변경으로 텐셔너 동시변경
타이밍체인의 소음을 텐셔너 튜닝으로 줄여줍니다.
BSM 윤활성능개선으로 오일홀 3개소를 삭제하고
식별을 위해 후방 플라스틱 플러그 삭제
흡기
매니폴드 		인젝터 위치 변경으로
흡기 매니폴더에 인젝터 미장착

IV. GDI엔진 구성요소

1. GDI 시스템

1-1. 개요

GDI 연료라인

GDI 엔진은 실린더 내에 연료를 고압으로 직접 분사하여 연소시킴으로서, 성능 향상, 연비 개선,
Emission 저감을 동시에 실현한 엔진이다.
주요 구성부품은 고압연료펌프, 튜브, 연료레일, 연료압력센서, 인젝터 등이다.
연료공급은 연료탱크에서 4.5bar 의 압력으로 고압연료 펌프로 공급된다.
고압연료펌프에서 캠 샤프트 구동에 의하여 연료는 튜브를 통하여 연료레일로 공급된다.
연료레일에는 연료 압력센서가 장착되어있어 연료 압력을 검출한다.
연료레일을 통과한 연료는 인젝터를 통하여 연소실로 공급된다.


연소실 & 피스톤

▶ 고압 펌프 & 연료압력 조절밸브
  고압 연료펌프에는 4.5bar의 압력으로 연료가 공급되어 압력 조절밸브 이후에는 아이들rpm에서 40bar 정도 수준으로 제어가 되고 최대 압력은 135bar 이다.
고장 시는 저압 연료압력인 4.5bar 로 공급이 되게 된다.

- 정격 압력 : 135bar
- 최대 유량 : 125L/h
- 펌프 형식 : 1 피스톤
- Stroke : 3.5mm
- 0.9 cc/cam회전
- 조절밸브저항 : 0.5Ω

▶ 인젝터

인젝터는 고압 인젝터가 적용 되었고 홀은 6개가 있다.
- 6 Hole
- 작동압력 : 165bar
- 유량 14.7g/s (at 100bar)
- 콘티넨탈 사양

▶ 연료레일 & 압력센서

연료 압력센서는 연료레일에 장착되어 있어며 사용 레인지는 250bar 이며 사용 전압은 5V 이다.
- 재질 : SUS 304
- 압력센서 : 250 Bar
- 콘티넨탈 사양

▶ 연료 튜브

연료레일과 연료 튜브는 높은 압력에 견디고 부식 방지를 위하여 스테인레스 강을 사용 하였습니다.
- 직경 : 8.0mm
- 두께 : 1.0mm
- 재질 : SUS 303
- 일본 우수이 사양

엔진RPM 아이들 1,500 6,300 고장시
연료압력(bar) 4090~1001354.5

2. GDI 구성부품 세부 사항

2-1. 고압 연료 펌프

▶ 2-1-1. 작동 방법
  캠 샤프트의 회전에 의해 캠 샤프트에 있는 고압펌프 구동용 로브에 의해 롤러 태핏이 상하로 움직이고 롤러태핏에 의해 고압펌프가 작동하게 된다.

▶ 2-1-2, 고압 펌프 연료 공급
① 연료 흡입 과정
캠 샤프트의 회전에 의해 피스톤이 하강하면 딜리버리 챔버의 부압에 의해 연료가 흡입된다.
② 연료 회귀 과정
피스톤은 상승되나 흡입구 측 밸브의 개방으로 연료가 흡입구 쪽으로 다시 돌아 나간다.
③ 연료 가압/방출 과정
유량제어 밸브가 작동하면서 흡입구 밸브가 폐쇄되며, 딜리버리 챔버내 잔류 유량이 가압되어 연료 레일 쪽으로 방출 된다.
④ 연료 방출 과정
유량제어 밸브의 작동이 중단되나, 딜리버리 챔버내 가압된 연료에 의해 흡입구 밸브는 지속적으로 닫히고 가압된 연료는 방출된다.

2-2. 연료레일 & 인젝터

2-2-1. 개요
  인젝터는 고압 연료펌프에서 공급되는 고압의 연료를 연소실에 직접 공급하는 기능을 가지고 있어 기존의 흡기 매니폴더에 연료를 분사 하는 MPI 와는 많은 차이가 있다. 연소실에 직접 연료를분사 하므로 흡입과정에서 흡입공기 온도가 낮아지고 밀도가 높아져 출력을 향상 시킨다.


인젝터의 특징중에는 스프레이 발생기가 있고 내부에는 스월 디스크가 있어 연료의 무화 상태를 좋게 한다. 작동은 연료의 압력에 의해 스월 디스크가 회전하게 된다. 스월 디스크가 회전하면서 연료의 분무는 활발해지고 연소하기에 적합한 무화 상태를 가지게 된다.


시동직후 촉매의 활성화 온도인 350℃ 까지 빠르게 상승시키기 위하여 분할분사를 20초간 실시 한다.
실제 촉매온도는 MPI 대비 활성화 온도 까지는 18초가 단축되어 CO, HC, Nox 가 저감 된다. ☞ 분할분사 : 촉매의 온도를 빨리 올리기 위하여 시동 직후 부터 2회씩 분사한다

3. 전자제어장치

1-1. 개요

PCU 는 콘티넨탈 EMS 32 bit 를 사용한다. 주요 특징으로는 인젝터 드라이버가 내장 되므로 인젝터를 DC 55V 로 제어 하며 사이즈가 크지고 핀 수 가 늘어났다.
연료 고압펌프를 구동하고 발전전류 기능을 하고 있으며 레귤레이터 IC 가 내장 되어 있다.
방열은 엔진룸내 유동공기에 의한 자연 냉각과 샤시 브라켓을 통한 전도냉각을 하고 있다.
ECU는 교환시는 4가지 사양 중에서 선택하여야 한다.


▶ ECU 사양

① 자동변속기 + 이모빌라이저
② 자동변속기 + 이모빌라이저 미적용
③ 수동변속기 + 이모빌라이저
④ 수동변속기 + 이모빌라이저 미적용

항 목내 용
EMS콘티넨탈
CPU32bit
명칭SIM2K-240
핀수196 pin
무게1050g
하우징알루미늄 다이캐스팅
하부면스틸 프레스물
인젝터 드라이버DC to DC 55V
크기212x215x38
장착위치엔진룸(배터리근처)
동작온도-40℃~105℃
3-2. 입출력 요소

주요 특징으로는 전방산소센서가 리니어 산소센서가 적용되고 후방 산소센서는 바이너리 산소 센서가 적용되었습니다.
기존의 세타Ⅱ 엔진에 GDI 관련 입출력 신호들인 연료압력센서 신호와 고압연료 펌프제어가 추가 되었 고 인젝터는 고압 인젝터로 변경 되었습니다.