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GDI 엔진의 카본 흡착 문제와 해결 방안(?) 남자는 자동차!!


최근 10년 남짓한 기간동안 포트분사(MPI) 엔진들은 빠르게 직분사(GDI) 엔진들에 의해 대체되고 있습니다. 국내 제조사인 현대/기아 자동차만 보더라도 쏘나타/K5에 들어가는 2리터 CVVL엔진을 제외한 나머지 엔진들 대부분에 직분사 기술을 채용하고 있으며, 독일이나 미국의 제조사들도 직분사 엔진을 적극적으로 채택하고 있습니다. 일본 제조사들의 경우 직분사 엔진 도입에 아직도 조심스러운 모습을 보이고 있긴 하지만 상위 라인업을 중심으로 직분사 엔진의 비율을 늘리고 있는 모습입니다.

직분사 엔진 자체는 오래된 기술이지만 포트분사 엔진에 비해 제조비용이 높은데다 초기 직분사 엔진들은 제어상의 자잘한 결함들이 있어 승용차에 널리 채용되지는 않았습니다. 최근에 들어서야 엔진 제어 유닛의(ECU) 정밀도 향상으로 기존의 문제들을 해결할 수 있게 되고, 시장 상황도 각국에서 일정 수준이상의 연비를 달성하지 못한 제조사들은 차를 팔지 못하게하는 규제를 도입하는 덕택에 MPI 엔진에 비해 연비와 출력상의 이점을 가진 GDI 엔진이 널리 퍼지게 되었지요.

엔진이 동작할 때의 문제는 해결되었지만 GDI엔진이 승용차에 본격적으로 적용된 시기는 상대적으로 최근이기 때문에 아직도 많은 사람들이 GDI의 내구성에 대해서는 의심을 품고 있습니다. GDI엔진의 대표적인 내구성 문제 중의 하나가 흡기 밸브에 카본이 누적된다는 점인데 구글에서 "GDI engine carbon deposit/build up" 등의 검색어로 이미지를 검색하면 무서운 사진들을 많이 찾을 수 있습니다. 아래 사진은 그중 한장인데, 흡기 밸브의 윗 부분과 흡기구에 카본이 새까맣게 들러붙어 있는 것을 보실 수 있습니다. 보통은 6~10만 킬로 정도 주행한 엔진에서 아래 사진과 같은 정도의 카본 흡착이 발생하다고 하는데, 이 경우 흡기 행정에서 공기가 실린더에 제대로 공급되지 못하기 때문에 신차일 때와 비교해서 연비와 출력이 체감할 수 있을만큼 떨어지게 됩니다. 

렉서스 유저 포럼에 돌고 있는 IS250 엔진 흡기밸브 카본 흡착 사진

이번 글에서는 MPI 엔진에서는 발생하지 않던 흡기 밸브 카본 흡착 문제가 왜 GDI 엔진에서는 발생하는지 이유를 살펴보고 현재 논의 되고 있는 해결 방안에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 카본 흡착 문제를 이해하려면 두 가지 사항에 대한 이해가 필요한데 첫번째는 PCV (Positive Crankcase Ventilation) 시스템에 대한 이해이고 두번째는 MPI엔진과 GDI 엔진의 인젝터 위치 차이에 대한 이해 입니다.

먼저 배기 밸브는 카본 흡착이 문제가 되지 않지만 흡기 밸브가 문제가 되는 이유부터 살펴 보도록 하겠습니다. 배기 밸브보다 흡기 밸브가 쉽게 오염되는 가장 큰 이유는 PCV 시스템 때문입니다. 엔진이 동작하면 아래의 그림과 같이 매 폭발 행정마다 미량의 가스가 피스톤링과 실린더 벽면 사이의 틈으로 지속적으로 새어들어가 크랭크 케이스로 유입이 되는데 이 때문에 엔진이 동작함에 따라 크랭크 케이스의 압력은 점점 올라가게 됩니다. PCV 밸브는 크랭크 케이스의 압력이 어느 한도 이상이 되면 크랭크 케이스 내부의 가스를 빼주는 역할을 하는데 이 때 배출되는 가스로 인한 대기 오염을 줄이기 위해 크랭크 케이스의 가스는 공기중으로 바로 배출되는 것이 아니라 흡기측으로 되돌려져 연료와 함께 연소시키게 됩니다. 문제는 PCV 밸브를 통해 흡기측으로 섞이는 가스에는 증발한 엔진오일, 폭발 행정시에 발생한 그을음, 수증기 등 여러가지 불순물들이 섞여 있다는 것이고 이러한 불순물들이 흡기 밸브를 오염시키게 되는 것입니다. 반면에 배기 밸브측은 PCV 시스템과 직접 연결되어 있지 않기 때문에 오염에서 자유롭습니다. 

Positive Crankcase Ventilation 시스템의 동작 

흡기 밸브가 배기 밸브보다 오염에 취약한 또다른 이유는 연료 분사 방법에 의한 차이도 있습니다. GDI 엔진의 경우 아래 그림에서 보듯이 실린더 내부에서 연료를 분사하기 때문에 원칙적으로는 흡기밸브의 윗 부분에 연료가 닿지 않아야 하지만, 피스톤이 상사점 근처에 있을 때 흡기 밸브가 열리자마자 고압의 연료 분사가 시작되면 연료 방울의 일부는 피스톤이나 실린더 벽면에 반사되어 흡기밸브 윗 부분에 묻게 됩니다. (아래 그림의 빨간 화살표 참조) 미량의 연료 방울들이 엔진의 폭발행정의 열로 뜨겁게 달궈진 흡기밸브에 닿게 되면 그을음처럼 눌러 붙어 카본 흡착에 기여하는 것이지요. 배기 밸브는 연료 분사가 시작될 때 항상 닫혀있기 때문에 오염에서 자유롭습니다. 

GDI 엔진과 MPI 엔진의 연료 분사 위치 비교

흡기 밸브가 배기 밸브보다 오염에 취약하다는 것을 이해했으면, 이제는 왜 MPI 엔진에서는 흡기밸브의 카본 흡착이 문제가 되지 않았는지를 살펴볼 차례 입니다. MPI 엔진이 카본 흡착에서 자유로운 가장 큰 이유는 인젝터의 위치 덕분 입니다. 윗 그림과 같이 연료가 흡기 밸브 윗쪽에서 혼합기와 섞이고 다량의 연료가 흡기 밸브 윗쪽을 지나면서 흡기 밸브 윗쪽의 이물질들을 씻어 내리게 됩니다. GDI 엔진의 경우에는 미량의 연료 방울 이 묻어 카본 흡착의 원인에 기여하지만 MPI 엔진의 경우 상대적으로 훨씬 많은 양의 연료가 흡기 밸브 윗쪽을 지나기 때문에 오히려 이물질을 씻어내리게 되는 것이지요. 이와 같은 이유로 연료에 첨가하는 엔진 세정제는 MPI 엔진에는 효과가 있지만 GDI 엔진에서는 효과가 거의 없다고 합니다. 

지금까지 GDI 엔진의 흡기 밸브가 오염되는 이유를 살펴 봤으니 이런 문제를 해결 할 수 있는 방법이 어떤 것들이 있는지 살펴볼 차례 입니다. 조금 걱정스러운 점은 아직 차량 제조사로 부터 GDI 엔진의 카본 흡착 결함을 어떤식으로 해결하겠다고 공식적으로 발표하는 자료는 잘 찾아지지 않는다는 것입니다. 다만 해외 미디어의 카본 흡착문제 관련 글들을 검색해보면 연료 분사시의 타이밍을 조절해서 흡기 밸브에 연료 방울이 덜 묻게 하는 방법을 고려하고 있다거나, 폭발 행정시에 실린더링 통해 새어나가 크랭크 케이스에 유입되는 연소 후 가스의 불순물을 줄이기 위해 차량 제조사들이 연합하여 GDI 엔진에 적합한 연료 기준을 제시하고 있다거나 하는 글들이 검색 됩니다. (관련 기사 링크) 참고로 Top Tier Gasoline 이란 사이트는 7개 차량 제조사들이 (BMW, GM, 혼다, 도요타, 폭스바겐, 메르세데스 벤츠, 아우디)모여 GDI 엔진에 적합한 연료 규격을 권장하는 사이트인데 근본적인 해결책은 아니다라는 의견들이 많습니다. (Top Tier Gas 사이트의 권장 오일 규격 링크)

차량 제조사가 제시하는 방법은 아니지만, 차량 동호회를 중심으로 퍼져있는 해결책 중의 하나는 PCV 밸브와 흡기 매니폴드 사이에 아래 사진과 같은 캐치캔을 설치하는 방법입니다. 캐치캔이 PCV 밸브를 통과한 가스중에 기름과 수증기를 걸러줌으로써 흡기측에 보다 깨끗한 가스가 혼합되게되고 흡기 밸브에 카본이 흡착되는 속도를 늦춰 준다고 합니다. 사진 아래에 있는 원본 이미지 출처 링크를 누르시면 캐치캔을 설치하는 과정을 보실 수 있습니다. 다만 캐치캔 자체도 용량에 제한이 있기 때문에 주기적으로 캔을 비워 줘야하며, 일부 국가에서는 이런 개조가 환경 규제를 만족시키지 못해서 불법이라고 합니다. 


도요타와 아우디에의 경우에는 카본 흡착 문제에 대한 해결책을 어느 정도 찾은 것으로 보입니다. 먼저 아우디의 경우 최근에 3세대 EA888 엔진을 발표했는데, 1.8L TFSI 버전의 경우 아래 그림과 같이 파란색으로 표시된 MPI 시스템과 붉은색으로 표시된 GDI 시스템을 모두 탑재한다고 합니다. 엔진 회전수와 부하에 따라 GDI와 MPI 모드를 번갈아 쓰거나 같이 사용하게 되는데, MPI 시스템이 동작할 때 흡기 밸브의 불순물이 씻겨 나가게 됨으로써 카본 흡착 문제에서 자유로울 수 있습니다. 도요타의 경우에도 비슷한 개념의 D-4S 인젝션 시스템을 발표 했는데, 86의 4U-GSE 엔진이나, 현행 렉서스 GS 450h의 2GR-FXE 엔진등에 적용되어 있습니다. 



저의 개인적인 생각입니다만, 아우디와 도요타 이외의 제조사는 특허나 제조 비용 문제 때문에 되도록 GDI 인젝터만을 채용하면서 카본 흡착문제에 대한 해결책을 찾지 않을까 싶습니다. 자동차 관련 전공자가 아닌 저의 단순한 생각으로는 PCV 밸브를 지난 가스가 흡기밸브를 거치지 않고 바로 실린더 안으로 들어가게 하면 될 것 같은데 막상 구현하려면 제가 모르는 많은 문제가 있겠지요... 

현재의 GDI 엔진은 상대적으로 신기술인 만큼 신경도 많이 써야 하는 엔진인 것 같습니다. 카본 흡착을 늦출 목적으로 PCV 시스템에 의해 흡기 밸브 쪽으로 돌려지는 가스를 깨끗하게 유지하기 위해 좋은 연료를 찾아넣고 좋은 엔진 오일을 자주 갈아주어야 하고 그러면서도 어느정도 주행거리에 도달하면 엔진을 분해해서 흡기밸브를 청소해 주어야만 원래 성능을 유지할 수 있는 엔진이니까 말이지요. 그래도 자료를 조사하면서 드는 느낌은 해결책이 아예 없는 문제는 아닐 것 같다는 느낌입니다. 앞으로 GDI 엔진이 어떻게 카본 흡착 문제를 해결해 나갈지 지켜보는 것도 나름의 재미가 있을 것 같습니다.



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덧글

  • 은이 2015/06/17 09:47 # 답글

    엔진은 전혀 모르지만 설명 잘 해주신거 보고 조금은 이해가 가는군요 +_+
    연료첨가형 세정제의 원리와 효과가 별로 없는것도 이제야 제대로 이해가 가는거 같습니다.
    잘 보고 갑니다~
  • 골수공돌이 2015/06/17 14:22 #

    저의 글이 도움이 되었다니 저도 기쁩니다. ^^
  • 작두도령 2015/06/17 11:04 # 답글

    GDI 차량을 운행하다보니 흡기 청소의 중요성도 배우고 있지만 제조사에서 권장하는
    '내마모제와 코팅제가 포함된 합성엔진오일 사용'을 따라야되는 이유를
    골수공돌이님의 글을 보며 다시 한 번 실감합니다.
  • 골수공돌이 2015/06/17 14:21 #

    제가 본문에 엔진오일에 대한 얘기는 대강하고 넘어 갔는데 잘 이해해 주셔서 감사합니다.
    좋은 엔진오일을 쓰면 피스톤링과 실린더 사이로 새어나가 크랭크 케이스로 유입되는 가스를 줄이는데 효과가 있을 것 같습니다.
  • 2015/06/17 18:46 # 답글 비공개

    비공개 덧글입니다.
  • 2015/06/17 23:03 # 비공개

    비공개 답글입니다.
  • 런리쓰일산 2015/06/17 19:17 # 삭제 답글

    아예 밸브가 필요없는 듀크엔진이 상용화된다면...
  • 골수공돌이 2015/06/17 23:16 #

    듀크엔진은 처음 들어 봤는데 덕분에 어떤 엔진인지 알게 되었습니다. ^^
  • 씽고님 2015/06/20 02:36 # 답글

    저 엔진 쉽진 않겠네요 인젝터 개당 가격이 25만원 가량 하던가? 그렇던데

    다시 찾아보니 디젤 인젝터 얘기네요... 가솔린은 좀 저렴합니다.

    그래도 전체적인 시스템 하나가 더 들어가는거니 늘어나는 무게라던가, 어쨋든 적잖은 비용은 추가가 되겠네요

    효율이 좋다고 한들... 남들 20만원에 갈 꺼 40만원은 줘야한다면 구입하기 꺼려지긴 할 겁니다.
  • 골수공돌이 2015/06/18 14:26 #

    MPI랑 GDI 시스템 같이 쓰는 엔진들 말씀인지요?
    제 생각에도 원가 상승 때문에 대부분의 다른 제조사들은 인젝터 갯수를 늘리지 않는 해결방안을 찾을 것 같습니다.
  • 정민아빠 2015/06/18 11:27 # 삭제 답글

    GDI는 인젝터 클리닝, 흡기클리닝 주기적으로 해주면 문제없습니다.
  • 골수공돌이 2015/06/18 14:25 #

    저도 동의합니다~ ^^
  • GDI 2016/09/26 05:34 # 삭제 답글

    좋은 글 감사합니다. 리퀴**등의 클리너용품들에 대해서 어떤 견해를 갖고계신지 궁금합니다.
  • 골수공돌이 2016/09/26 15:43 #

    읽어주셔서 감사합니다. ^^ 깊게 생각해보지 않고 말씀드리는 개인적인 의견 입니다만, 포트 분사 엔진이라면 효과가 있을 것 같습니다만, 직분사 엔진은 효과가 있을지 잘 모르겠습니다.
  • 실버나인 2018/02/13 14:32 # 삭제 답글

    좋은 글이네요 공유하겠습니다
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