토요타 D-4S 시스템 – 직분사와 포트분사의 장점을 동시에!

직분사 엔진은 포트분사 엔진에 비해 연비와 출력면에서 유리한 점이 있지만 흡기 밸브 윗 부분에 카본이 흡착되어 시간이 지날수록 성능이 떨어지는 단점이 있습니다 (흡기 밸브 카본 흡착문제 관련 링크). 토요타에서는 이 문제를 해결하기 위한 방법으로 직분사와 포트분사를 동시에 사용하는 D-4S 시스템을 10여년 전부터 개발하여 점점 널리 적용하고 있는데 이번 글에서는 직분사와 포트분사 인젝터가 어떤 식으로 협력하여 장점을 발휘하는지 조금 구체적으로 살펴 보도록 하겠습니다.

D-4S 시스템의 특징은 아래 그림에서 확인할 수 있듯이 포트분사(상단 분홍색)와 직분사(하단 하늘색) 인젝터가 모두 탑재되어 있는 점 입니다. 먼저 유지보수 상의 장점은 명확한데, 포트분사가 사용될 때 연료에 의해 흡기밸브 윗 부분에 묻어있던 카본이 씻겨나가게 되므로 흡기밸브가 깨끗하게 유지된다는 점이지요. 이에 비해 관심을 덜 받고있긴 하지만 엔진성능의 향상이라는 관점에서의 D-4S 시스템에 대한 설명은 2006년 발표된 “Development of V-6 3.5-liter Engine Adopting New Direct Injection System” (링크, 이하 “D-4S논문”) 이라는 제목의 논문에 자세히 나와있는데 제가 이해한 내용을 바탕으로 최대한 쉽게 풀어 보도록 하겠습니다.

D-4S 연료 분사 시스템 (출처 – 유튜브 영상 “Know Your Toyota Mechanical: Direct Injection 4 Stroke Engine (D-4S Injection)” )

직분사 엔진은 실린더 내부에 연료를 직접 분사하여 연료가 기화할 때의 잠열로 혼합기의 온도를 내릴 수 있어 포트분사 엔진에 비해 노킹의 위험에서 자유롭습니다. 덕분에 보다 높은 압축비를 사용하여 더 높은 출력을 얻을 수 있는데, “D-4S 논문”에 따르면 넓은 rpm영역에서 5~10% 가량 직분사 엔진쪽의 토크가 높다고 합니다. 하지만 연료분사의 특징 때문에 직분사 엔진은 포트분사 엔진에 비해 보다 신경써서 설계해야하는 부분이 있는데 이는 연료와 공기가 균일하게 잘 섞이도록 실린더 내에 공기의 흐름을 만드는 것입니다. 포트분사의 경우 위의 그림에서 보이는 것과 같이 연료가 분사되는 지점과 실린더까지 어느 정도 거리가 있어 공기와 연료방울이 실린더 내부로 흘러가는 동안 균일하게 섞이지만, 직분사의 경우 연료가 실린더 내에서 분사된 후 바로 압축행정이 시작되므로 연료와 공기를 잘 섞어주기 위해 공기의 흐름을 만들어 줄 필요가 있습니다. 이를 위해 직분사 엔진은 흡기포트의 형상을 정교하게 조정하거나 공기흐름을 조절하는 밸브를 탑재하기도 하는데, 아래 그림(출처 링크)은 그 방법 중 하나인 swirl flap이 동작하는 모습을 보여주고 있습니다. 엔진의 회전속도가 높을 때는(왼쪽) 강한 공기의 흐름만으로도 연료와 공기가 잘 섞이기 때문에 흡기 저항을 줄이기 위해 swirl flap을 열고 엔진의 회전수가 낮을때는(오른쪽) swirl flap을 닫아 공기의 흐름이 약하더라도 연료와 공기가 잘 섞이도록 와류를 만듭니다.

Swirl flap을 이용한 실린더내 와류의 생성 (출처 – Professional Motor Mechanic  사이트)

직분사 엔진의 와류 생성장치는 필수적이긴 하지만 엔진이 최대출력을 낼 때 공기의 흐름을 방해하는 단점이 있는데, D-4S 논문에서는 이 문제의 해결을 D-4S 시스템의 개발 동기로 설명하고 있습니다. 공기흐름에 방해되는 와류 생성장치를 없애 흡기저항을 줄여 고rpm에서 보다 높은 최대 출력을 얻되, 저rpm에서 연료와 공기가 균일하게 섞이지 않는 문제는 포트분사 인젝터를 추가로 달아 해결한다는 생각이지요. 아래 그래프는 엔진 부하(세로축)와 회전수(가로축)에 따라 D-4S 시스템이 직분사와 포트분사의 비율을 어떻게 조절하는지를 나타낸 그림입니다. 흰색이 직분사만을 사용하는 영역이며 검정색으로 가까이 갈수록 포트분사의 비율이 늘어나는데 직분사(DI)의 비율은 항상 30% 이상을 유지하고 있는 것을 확인하실 수 있습니다.

D-4S 시스템의 직분사/포트분사 혼합 비율 – (출처 “Development of V-6 3.5-liter Engine Adopting New Direct Injection System” 논문의 Fig. 16)

앞에서 설명했듯이 엔진회전수가 높을때는 (그래프의 오른쪽 부분) 공기의 흐름이 충분히 강하기 때문에 포트분사의 도움없이 공기와 연료를 충분히 균일하게 섞을 수 있어 100% 직분사가 사용됩니다. 반면, 엔진 회전수가 낮아 공기의 흐름이 약할 때는 기존 직분사 엔진의 와류생성 장치대신 포트분사의 도움을 받아 연료와 공기의 혼합 문제를 해결하는데, “D-4S” 논문에 따르면 엔진부하와 회전수 별로 포트분사와 직분사의 비율을 바꿔가며 최적의 연소가 이루어지는 비율을 실험을 통해 찾았다고 합니다. 개발에 상당한 노력이 들었을것 같지만 와류 생성장치로 인한 고rpm 성능 저하를 막았기 6400rpm에서의 토크가 7%정도 증가하는 성과를 얻어 냈는데 (“D-4S 논문” Fig. 12로 부터의 추정) 이는 바로 최대 출력 증가로 이어집니다. 덕분에 논문에서 다루고 있는 2GR-FSE 엔진의 출력은 6200rpm에서 226KW(=305 hp)에 달하는데, 자연흡기 3.5리터 가솔린 엔진들 중에서는 분명히 상위권의 출력입니다.

D-4S 시스템의 또 다른 장점은 배출가스의 감소인데, 직분사 엔진은 냉간시동 후에 배기가스 정화용 촉매의 온도를 빨리 적정온도로 올리기 위해 지연점화를 사용합니다. 배기가스를 폭발시키는 시점을 살짝 지연시킴으로써 실린더 폭발 행정후의 가스가 팽창하는 와중에도 계속 타게 하여 평소보다 높은 온도의 배기가스를 배출시키고 그 열로 촉매를 빨리 가열시키는 방법이지요. 안정적인 지연점화를 위해서 보통의 직분사 엔진은 연료를 압축행정 중에 두번 분사 하는데, 처음의 분사는 공기와 연료의 균일한 혼합을 위한 것이고 두번째의 분사는 점화플러그 주변에 연료 농도를 높여 지연점화가 안정적으로 일어나게 하기 위한 것이라고 합니다. “D-4S” 논문에서는 이유는 밝히고 있지 않지만 첫 번째의 분사를 포트분사로 대신할 경우 토크의 변동폭(fluctuation)이 조금 늘어나긴 하지만 배기가스의 배출량이 20% 가량 줄어드는 장점이 있다고 합니다.

냉간 시동시의 D-4S 시스템의 효과 – (출처 “Development of V-6 3.5-liter Engine Adopting New Direct Injection System” 논문의 Fig. 19)

위의 그림은 “D-4S” 논문에서 보여주고있는 결과인데 직분사의 비율을 65%로하고 지연점화를 했을 때(연두색 화살표), 토크 변동폭의 허용 한계(빨간 점선)를 넘지 않으면서도 냉간시동시의 총 배기가스 총 배출량이 20% 가량 줄어든 결과를 보실 수 있습니다.

제가 읽었던 “D-4S” 논문에는 이 글에서 다뤘던 내용보다 훨씬 많은 내용이 담겨 있습니다만, 직분사 엔진의 카본 흡착문제를 해결하는 부분 이외의 D-4S 시스템의 장점에 대해서는 충분히 다룬 것 같아 글을 마무리 하려고 합니다. 마지막으로 한 가지 짚고 넘어가면 D-4S 라는 이름은 “Direct injection 4-stroke gasoline engine system Superior version”의 약자라고 하는데, 일본 자동차 회사의 기술에 대해 공부할 때마다 드는 생각인데, 기술의 이름에 대해서는 별로 고민하지 않은 느낌이라 살짝 아쉽습니다. 이상 긴 글 읽어 주셔서 감사합니다.