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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 기화기의 예열실 내부에 시동보조장치인 글로우 플러그(glow plug)를 설치하여 액상의 연료가 기화시 요구되는 열원을 공급해줌으로써 시동성 향상과 배기 배출물 저 감을 위한 연구를 가시화 기법과 엔진 실험을 이용하여 수행하였다.
제안 방법
- 흡기 매니폴더 압력측정에는 KISTLER사의 4045A를 사용하였다. LPG 유량 측정에는 유량 측정범 위 0~lkg/min, 정밀도 ±0.1%로 코리올리포스 원리를 이용하는 질량 유량계(OVAL사 CX003C-SS-200R)를 사용하였다.
- 가시화 리그 실험장치에서는 실제차량의 시동시와 동일한 조건에서 액상 LPG를 예열실에 채운 후 기상 솔레노이드 밸브를 열면서 예열실 내부를 촬영하였고, 이때 예열실과 1차실의 온도와 압력 및 연료의 온도와 압력을 측정하여 엔진으로 공급되는 연료의 상태를 가시화 이미지와 함께 관찰하였다. 또한 액상의 연료가 가득 찬 상태에서 글로우 플러그 작동과 동시에 기상의 연료를 공급할 때 예열실 안의 상변화 및 온도와 압력 변화를 시간에 따라 관찰하여 기존의 일반적인 vaporizer의 결과와 비 교하였다.
- 연료는 1차실로 공급되기 전 예열실을 거치게 되고 1차실로 진입하면서 감압 되어진다. 그러므로 감압되 기 전 예열실을 가시화하기 위하여 예열실 표면을 가공하여 두께 5mm의 압축유리 창을 설치 하였다.
- 또한 기화기 의 내부 예열실과 1차실에 각각 T 타입열전대와압력 센서 (Kistler, 4075A)를 설치 하여 LPG 온도변화와 압력 변화를 측정하였다. Fig.
- 가시화 리그 실험장치에서는 실제차량의 시동시와 동일한 조건에서 액상 LPG를 예열실에 채운 후 기상 솔레노이드 밸브를 열면서 예열실 내부를 촬영하였고, 이때 예열실과 1차실의 온도와 압력 및 연료의 온도와 압력을 측정하여 엔진으로 공급되는 연료의 상태를 가시화 이미지와 함께 관찰하였다. 또한 액상의 연료가 가득 찬 상태에서 글로우 플러그 작동과 동시에 기상의 연료를 공급할 때 예열실 안의 상변화 및 온도와 압력 변화를 시간에 따라 관찰하여 기존의 일반적인 vaporizer의 결과와 비 교하였다.
- 실제 엔진에서와 동일한 연료 압력 레귤레이 팅(regulating)조건을 재현하기 위해 1차실로부터 분리한 2차실 mixer와 가시화 실험 장치 사이에 두었다. vaporizer로 공급되는 냉각수 온도는 콘드롤러를 이용하여 -10~90℃까지 일정한 온도로 조절할 수 있도록 하였다.
- 실제 엔진에서의 실험 조건을 모사하기 위해 하나로 결합되어 있는 기화기를 1차실과 2차실 로 분리하여 제작한다.
- 엔진으로 공급되는 연료가 완전히 기화되지 않은 상태의 공급될 경우 나타나는 냉시동시의 공기연료비 와 배기 배출물에 대한 문제점 확인과 글로우 플러그를 장착한 vaporizer 성능 확인을 위한 엔진 적용 실험을 수행하였다.
- 예열실 내부에 2.5L디젤 차량의 시동시 heat source로 이용되는 글로우 플러그(glow plug)를 설 치 하여 초기 시동 시 액상의 LPG에 증발 잠열을 공급할 수 있도록 설계하였다.
- 43bar로 고정시킨 후 20시간 이상 방치하여 기관이 완전히 냉각된 후 크랭킹을 시작하였다. 크랭킹이 시작되는 시점에서부터 HC, CO, CO, O2 등의 배 기 가스와 공기 연료비, 엔진회 전수, 냉각수 온도의 변화에 대한 기상과 액상 솔레노이드 밸브의 작동여부를 비교 관찰하였다.
대상 데이터
- 가시화 실험에 사용된 LPG연료 공급시스템은 실제 차량에서 사용되어지고 있는 C사의 기화기를 사용하였고, 리그장치는 팬 모터, 유량측정장 치, 온도측정장치, 압력측정장치, 냉각수 콘트롤러, LPG탱크 등으로 구성 된다.
- 가시화 화상 취득에 사용된 캠코더는 Sony사 의 30firame/sec의 DCR-PC10NTSC# 이용하여 연속 적으로 촬영한 디지털영상을 캡쳐보드(PINNACLE사, studio DV)를 통해 이미지로 획득하였다.
- 실험에 사용된 LPG 엔진의 솔레노이드 제어는 초기 시동 시 냉각수 온도 20℃ 이하에서는 기상 솔레노이드 밸브만 작동하도록 되어 있고, 이상에서는 액상 솔레노이드 밸브가 열리게 되어 60℃까지 기상과 액상 솔레노이드 밸브가 함께 열려 있는 구간이 있다. 이러한로직은 냉 시동성 향상을 위해 일반적으로 사용되는 방법이다.
- 실험에 사용한 엔진은 V형 6기통, DOHC, 행 정체적 2656cc, 압축비가 10인 믹서식 LPG 전용 엔진 이 고, 기관동력계는 EC(eddy current) type의 수냉식 동력계(극동기전사)를 사용하여 회전속도를 제어하였으며, 스로틀 바디(Throttle body) 에 콘트롤러(극동기 전사)를 설치하여 부하를 조 절하였다.
- 흡기 매니폴더 압력측정에는 KISTLER사의 4045A를 사용하였다. LPG 유량 측정에는 유량 측정범 위 0~lkg/min, 정밀도 ±0.
데이터처리
- 전체적인 공기연료비 측정을 위하여 광역산소 센서(MEXA-110"를 사용하였고, 배기가스 분석에는 HORIBA사, MEXA-8120를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 가시화 실험을 통해 열원을 공급해 줄 수 없는 기화기 에서는 액상의 연료가 증발기 내에 가득 찬 상태에서 기상의 연료를 공급해도 다량의 액상LPG가 1, 2차실로 유입될 수 있다.
- 2) 완전한 기체상태의 연료만을 공급하면서 크랭킹을 한 경우와 비교하여 액상의 연료가 예열실로부터 1, 2차실로 유입된다면 시동성능의 저하와 유해 배출물이 증가된다.
- 3) 시동보조 장치 장착으로 기존 연료공급방식 대비 초기 시 동 기간은 약 20% 단축시킬 수 있고, 미 연 탄화수소의 농도는 약 22% 감소시킬 수 있다.
- Fig. 13 결과로부터 LPG엔진의 ECU 로직상 요구되는 가장 이상적인 경우로서 초기 시동 시 완 전 기체상태의 연료가 공급되었을 때에는 이론 공기 연료비 15.4보다 약 19% 정도 농후하게 공 급되고, 글로우 플러그를 사용했을 경우 예열실 내부의 액상 연료의 증발로 인해 기상 연료만 공 급했을 때의 연료공급량과 유사한 연료량이 엔진으로 공급되고 있음을 알 수 있다.
- 7은 냉각수 온도 r>c에서 액상의 LPG를 가득 채운상태에서 글로우 플러 그 작동후 예열실 내부의 연료가모두다 기화 될 때까지 를 나타낸 것이다. 가시 화 실험 결과 글로우 플러그를 작동했을 경우 냉각수 온도와 무관 하게 약 3초 후에는 예열실 내부의 액상 연료까 지 모두 기화되어 진다. 그러나 Fig.
- 그리고 초기 시동시에 완전 기체 연료가 공급 되었을 때 농후한혼합기 조성으로 인해 미연 탄화수소(UHC) 농도는 글로우 플러그를 사용한 경우보다 9.7% 높게 나타났다.
- 또한 기존 연료 공급 방식의 경우에는 가시화 실험 결과로부터 시동 초기에 농후한 연료가 엔진으로 공급된다는 확인하였으나, 공기 연료비 결과에서는 희박하게 나타났고, 배기가스 분석 결과에서는 탄화수소의 량이 다소 높게 나타났다. 이것은 실제로 농후한 연료가 엔진으로 공급 되고 있으나 광역산소센서는 연소 후 산소의 량을 측정하여 공기연료비를 알 수 있으므로, 초기 시동시에 농후한 연료공급으로 인한 불완전 연 소때문으로 판단된다.
후속연구
- 4) 현재 LPG 엔진의 제어가 초기 시동시에 이론 공기 연료비에 비해 19% 정도 농후하게 조절 되어 있으므로 이론공기연료비로 조절하고 글로우 플러그를 장착할 경우 원활한 연료공급과 유해 배출물 저감 효과가 기대된다.
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