Turbulent Jet Ignition
1. 개요
GDI 엔진과 HCCI 엔진의 경계선상에 있는 연료시스템.
현재 페라리와 메르세데스-벤츠에서 사용하여 F1에 출전하고 있고 르노 에서도 이 기술을 사용할 예정이라고 한다. 영문 기사[1]
메르세데스-벤츠는 독자개발 한것으로 알려져있고 페라리는 독일의 말레의 기술을 이전받았다고 한다.
2. 원리
TJI 방식은 연료분사 방식은 기존의 GDI 엔진과 디젤엔진의 예연소실식과 흡사한 모습을 보이고 있다.
이는 HCCI 엔진의 방향성을 봐도 알수 있는 사실인데, 사실 TJI시스템이나 GDI시스템도 마찬가지로 가솔린 엔진의 골칫거리인 PreIgnition을 제어함과 동시에 가솔린으로 디젤사이클이나 사바테 사이클 같이 고효율 사이클을 이용하는 것이 목적이라고 할 수 있다.
종래에는 실린더 중심에 있는 스파크 플러그를 열점으로 퍼져나가는 연소방식이였으나, TJI 방식에서는 바깥에서 안쪽으로 타들어가는 식으로 점화되어 연소가 훨씬 균일하고 잔류물도 적어진다고 한다. 화염이 사방으로 퍼지니 열점이 하나에서 몇 배 혹은 수십 배까지 늘어나게 된다는 의미이기도 하다. 이는 디젤 엔진의 압축착화 방식이 열 효율을 증가시키는 것과 비슷한 이치.[3]
연료분사 단계에서 연료를 분사할 때 97%만 주 연소실로 가게 되는데 연소 혼합기 비율을 보면 노크 한계치 보다 20% 정도 연료량이 적다. 즉 노킹에 대해 여유가 있다는 소리가 되며 출력이나 압축비를 더욱 끌어올려 출력이나 열효율을 높일 수 있게 됐다는 것이다. 압축비를 높이려면 안티 노크성이 높은 고급유를 써야 하는데 그럴 필요가 없어진다.
부가적으로는 사전 연소실에서 노즐을 통해 연료가 분사되면서 혼합기에 계산된 스월을 쉽게 일으킬 수 있다는 것이다. 이 스월을 적극적으로 이용한 게 린번엔진이고 GDI 엔진은 원리상 스월을 MPI방식보다 일으키기 쉽다.
결과적으로는 열 효율을 47%까지 끌어올렸으며 현재 상용엔진 중 가장 높은 열 효율을 보유한 엔진은 밀러사이클을 이용한 하이브리드 차량용 엔진들이다. 대표적으로 현대 카파 엔진 1.6 GDI는 밀러사이클과 GDI를 이용해 40%까지의 열 효율을 얻었다. 보통은 30%~32% 정도이다. 현재 F1의 파워유닛의 열효율은 50%가 넘는것으로 알려져있다.
[1] 이 시스템은 메이커측에서 공식발표한건 아니지만 상세한 원리가 기록되어 있어서 신빙성이 높다.[2] Befor-TDC : 피스톤이 상승운동중일때 상사점(최고높은 위치)에 이르기 전을 의미함. TDC는 피스톤의 상사점.[3] 디젤 엔진의 압축착화 방식은 점화 플러그를 이용하는 방식과는 달리 '열점'에서 화염이 퍼져나가는 식의 연소가 아니다.