[논문]액상 분사 LPG 엔진 성능 및 차량 배기 배출물 특성에 관한 연구

임종훈; 명차리; 박심수; 양승주

문제 정의

따라서 이러한 LPG 액상분사 (LPLi, Liquid Phase LPG Injection) 엔진의 배출가스 성분 및 그 특성을 파악하여서 배출가스의 적극적인 저감을 위해 노력하여야 한다. 본 연구에서는 믹서 방식의 리베로 엔진의 연료공급 계통을 연료펌프, 인젝터, 퓨얼 레일 등을 사용하여 LPG 액상분사 방식으로 개조하고 LPLi 전용 ECU를 설계하여 엔진 및 차량의 성능과 배출가스의 특성을 알아 보았다.

가설 설정

1) 웜업중(개회로)에는 매핑 값에 의존하여 연료를 제어하므로 차량간의 변위가 심하고, 2) 가 . 감속시의 연료량의 제어가 정밀하지 못하여 가 . 감속 Lean/Rich 특성에 문제가 있고, 이상 연소(역 화 및 후연 등) 현상이 발생하므로 배기 성능에는 악영향을 미치는 요인으로 작용하게 된다.

제안 방법

연소 현상 해석을 위하여 점화플러그 타입의 압력센서를 #1실린더에 장착하여, 연소 압력을 즉정하여 연소 현상 해석을 위한 데이터로 이용하였다. Fig. 3은 각각의 엔진 회 전 속도(rpm)에 따른 점화시 기 스윙(swing) 결과를 나타낸 것으로 엔진 토크가 최대로 되고 엔진 연소 안정성에 직접적인 영향을 미치는 COV(coefficient of variation) 가 최소가 되는 점화 시기를 전후하여 연소 현상을 해석하였고 엔진 및 차량 매핑을 위한 기초자료로 사용하였다.
LEV(k>w emission vehicle) 규제 만족을 위해 촉매장치는 기존의 UCC(under-floor catalytic converter) 에 귀금속 로딩량을 개선한 MCC (manifold catalytic converter)를 추가로 설치하여 LPG 엔진 시동 시 배출되는 다량의 미 연 연료를 신속하게 정화하는 LEV 용 촉매시스템을 적용하였다. LPG 저장을 위한 연료탱크의 용량은 80 L로 1회 충전시 주행거리는 약 400km 수준이다.
LPG 소모량은 공기유량계 및 공연비의 상관관계를 이용하여 측정하였고 분사 압력은 약 7bar로 연료 공급 라인 전체에서 액상으로 유지된다. 연료분사량과 점화 시기는 개발 중인 LPLi 전용 ECU를 이용하여 조절하였으며 연소 현상 해석을 위해 Kistler사의 연소 압력센서를 실린 더에 설치하였고, 연소 현상은 연소 압력 분석장치를 이용하여 분석하였다.
개발 중인 LPLi 차량의 배기 정화 시스템은 UCC 만을 장착한 TLEV 사양이지만 LEV 대응을 위해 MCC도 적용하였다. 배출가스는 시동 후, 약 100초 이내에 THC, CO, NOx 성분 모두 정화가 되고 있음을 알 수 있다.
본 실험에서는 여름철에.상용으로 사용하는 LPG 연료를 사용하여 배기 특성과 정화효율을 평가하였다.
LPG 소모량은 공기유량계 및 공연비의 상관관계를 이용하여 측정하였고 분사 압력은 약 7bar로 연료 공급 라인 전체에서 액상으로 유지된다. 연료분사량과 점화 시기는 개발 중인 LPLi 전용 ECU를 이용하여 조절하였으며 연소 현상 해석을 위해 Kistler사의 연소 압력센서를 실린 더에 설치하였고, 연소 현상은 연소 압력 분석장치를 이용하여 분석하였다.
기상이 동시에 존재하게 되므로 연료의 온도와 압력 변화에 따라 일정한 공연비를 유지하기 위해 압력. 온도 보상로직을 ECU에 적용하였다 인젝터는 증기 폐쇄의 최소화를 위해 하부공급 방식의 인젝터를 적용하였다.
믹서타입의 LPG 차량을 액상 분사식 LPG 차량으로 개조하기 위해 인젝터, 연료펌프, 퓨얼 레일, 분사 압력. 온도센서를 장착하여 실험을 수행하였고, LPLi 전용 ECU를 통해 연료분사량과 점화 시 기를 조절하여 엔진 성능, 차량 배기시험 및 촉매정 화 효율평가를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

감속 Lean/Rich 특성에 문제가 있고, 이상 연소(역 화 및 후연 등) 현상이 발생하므로 배기 성능에는 악영향을 미치는 요인으로 작용하게 된다. 본 실험에서는 여름철에.상용으로 사용하는 LPG 연료를 사용하여 배기 특성과 정화효율을 평가하였다.
Table 1은 시험엔진과 차량의 제원을 나타낸 것이다. 시험차량은 '2002년식 리베로이며 시험엔진 은 시 리우스 3.0LPG 엔진으로 압축비는 8.9이다. 연 료공급과 점화 시기 제어를 위한 전용 ECU를 적용하였고, 가솔린과 같은 액상 연료에 비해 가스 연료에서 요구되는 다량의 연료를 분사하기 위해 가스인젝터 구동용 전압 컨트롤 방식의 인젝터 드라이버 모듈이 내장되어 있다.
연소 현상 해석을 위하여 점화플러그 타입의 압력센서를 #1실린더에 장착하여, 연소 압력을 즉정하여 연소 현상 해석을 위한 데이터로 이용하였다. Fig.

성능/효과

일반적으로 LPG 믹서 타입의 경우 가솔린에 비해 약 10-15% 정도 성능 저하를 보이고 있다. 성능저하의 원인으로는 1) 믹서에서 공기와 기화된 LPG 연료가 혼합되어 엔진 연소실로 공급되는 실린더 별 혼합기가 줄어들게 되는 원인과 2) 믹서벤츄리 부위의 교축 작용으로 인해 흡입 공기량의 저하가 발생되어 엔진 전체에 공급되는 체적 효율이 급격히 저하되어 엔진 출력에 악영향을 미치게 된다.
반면, LPLi 엔진 성능 개선의 원인은 1) 미세공연 비 제어2) 액체 연료 증발에 의한 흡기 온도 저하에 따른 체적 효율 증가 3) 액체연료의 흡열팽창에 의한 냉각효과로 노킹의 위험성이 적어지므로 정확한 MBT를 맞출 수 있고, 4) LPG 연료의 옥탄가가 가솔린 대비 30% 이상 높음으로 엔진의 압축비를 상승시켜 체적 효율 저하에 따른 출력저하를 상쇄할 수 있다.
가솔린의 경우, 냉간 시동 시 연료의 불충분한 기화와 차량 운전성을 고려하여 상대적으로 다량의 연료를 분사하게 되고 촉매의 활성화 온도에 도달하기 전에 촉매정화가 불충분한 상태에서 대기 중으로 배출하지만, LPG와 같은 가스 연료의 경우에는 흡기계의 웨팅(wetting)을 고려할 필요 없이 시동 직후부터 이론 공연비 운전이 가능한 특성을 보이게 되므로 배기와 연비 성능에서 매우 우수한 장점을 나타내게 된다. 실험 결과 LPG 연료의 정화 효율은 가솔린에 비해 매우 좁은 정화윈도우를 나타내고 있으므로 LEV 규제 만족을 위해서는 더욱 정밀한 미세공연비의 조절이 요구되고 있음을 알 수 있다.
성능 개선의 원인으로 인젝터를 사용하여 연료를 제어하므로 미세공연비 제어가 가능하고 액체연료 증발에 의한 흡기 온도 저하에 따른 체적 효율 증가와 액체 연료의 흡열팽 창에 의한 냉각효과로 노킹의 위험성이 적어지므로 MBT를 정확히 맞출 수 있는 장점이 있다. 이상과 같은 이유로 인해 LPLi 엔진 성능은 가솔린 동급엔진 에 비해 약간 우수한 수준을 보이고 있다.

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