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1. 개요
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GDI 엔진과 HCCI 엔진의 경계선상에 있는 연료/점화시스템.
포뮬러 1에서 페라리와 메르세데스-벤츠가 처음 사용했고, 그 후 르노에서도 사용했다. 영문 기사[1] 메르세데스-벤츠는 독자개발 한 것으로 알려져있고 페라리는 독일 기업인 말레의 기술을 이전받았다고 한다.
양산차에는 마세라티 MC20의 넵튜노 엔진에 최초로 적용되었고 2021년 기준 포드 F-150에 시험 적용을 위한 테스트 중이다. 마세라티와 포드 모두 연료 공급을 위한 별개의 인젝터와 저부하 영역을 위한 보조 점화 플러그가 포함된다.
2. 원리
TJI 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 노킹과 사전점화(preignition)을 제어함과 동시에 가솔린으로 디젤사이클이나 사바테 사이클 같이 고효율 사이클을 이용하는 것이 목적이라고 할 수 있다.
| 1. 피스톤이 압축행정 BTDC[2] 60도에서 연료분사를 시작하면 사방분사형태로 되어있는 Pre-Chamber(예연소실)의 노즐을 통과하여 연료가 연소실 내에 고압으로 분사된다. |
| 2. 분사가 끝나면 분사압력이 사라져 예연소실에는 총 분사량의 3%가 남게되고 BTDC 22도에서 점화플러그로 점화를 한다. 점화된 화염은 사전 연소실의 노즐을 통해 고압제트로 주 연소실로 분사되며 BTDC 12~5도 시전에서 연소가 끝나게 된다. |
종래의 연소방식은 실린더 중심에 있는 점화 플러그를 열점으로 화염이 퍼져나가는 것으로 화염이 전파되는 속도 문제가 있었고, 이에 따라서 아직 화염이 전파되지 않은 곳의 압력이 높아서 자연발화가 되는 노킹이 일어나기 쉬웠다. 반면 TJI 방식에서는 예연소실에서 사방으로 뿜어져나간 화염으로 인해서 바깥에서 안쪽으로 한번에 타들어가는 식으로 점화되어 연소가 훨씬 균일하고 잔류물도 적어진다. 화염이 사방으로 퍼지니 열점이 하나에서 몇 배 혹은 수십 배까지 늘어나게 된다는 의미로, 이는 실린더 내 혼합기가 동시에 연소되는 디젤 엔진의 압축착화 방식이 열 효율을 증가시키는 것과 비슷한 이치다.
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 옥탄가가 높은 고급휘발유를 써야 하는데 그럴 필요가 줄어든다.
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 MPI 방식보다 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 밀러 사이클과 GDI를 이용해 열 효율을 40%까지 올렸다. 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.