[논문]차량용 CNG 레귤레이터의 성능특성에 관한 연구

김창기; 박철웅

차량용 CNG 레귤레이터의 성능특성에 관한 연구
A Study on Performance Characteristics for a CNG Regulators of Automotive Vehicle 원문보기

천연가스 자동차에 탑재되어 있는 연료압력 레귤레이터는 연료분사시스템의 압력을 일정하게 유지하는 역할을 한다. 연료압력의 정확한 제어는 천연가스 자동차가 가지고 있는 높은 효율성과 청정성을 십분 활용하기 위해서 반드시 필요한 사항이다. 본 연구에서는 천연가스 레귤레이터의 성능을 정확하게 평가할 수 있는 고압실험장치를 구축하였으며, 이 장치를 이용하여 두 가지 방식의 천연가스 레귤레이터를 평가하고 상호 비교를 하였다. 레귤레이터 밸브시스템의 설계에 따라 여러 가지 레귤레이터 성능 특성 중 동적응답과 Creep특성이 영향을 많이 받는 것으로 나타났으며, 레귤레이터 입구 압력이 높을 경우 출구 가스의 온도가 급격히 감소하는 것으로 나타남으로써 아이싱문제를 효과적으로 방지할 수 있는 방안이 마련되어야 함을 확인할 수 있었다.

The fuel pressure regulator mounted on CNG vehicles is used to maintain a constant pressure in the fuel injection system. It needs precise fuel pressure control to obtain benefits of high efficiency and low emissions in CNG vehicles. In this study, a high pressure test rig for the performance evaluation of CNG regulators was introduced. Two different CNG regulators were tested and compared each other at various test conditions. Results showed that dynamic response and creep characteristics are directly effected by the valve assembly design. Gas temperature was dramatically dropped at hish supply pressure conditions, so that effective design for coolant bowl is needed to prevent icing problem.

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문제 정의

본 연구의 목적은 국산화 개발될 자동차용 천연가스 레귤레이터를 대상으로 성능시험을 수행함으로써 성능 및 특성개선을 위한 설계 자료를 도출하는데 있다. 이를 위하여 실제 자동차에서 천연가스 레귤레이터에 적용되는 조건과 동일조건을 부여할 수 있는 시험평가 장치를 제작하고 이를 통하여 레귤레이터의 주요 성능과 특성을 파악할 수 있도록 하였다.
천연가스 자동차에서 사용하는 레귤레이터의 특성을 파악하기 위해 성능 평가 장치를 구축하였으며 다음의 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

본 연구에서는 레귤레이터 성능에 직접적인 영향을 미치는 변수인 공급압력, 공급유량, 냉각수 온도 등을 실제 상황에 맞게 모사할 수 있도록 성능평가 장치를 구성하였으며, 천연가스 버스에서 사용하는 레귤레이터 주위 부품들을 최대한 사용함으로써(Fig. 2 참조) 유동특성이나 온도특성이 실제 상황에 가깝도록 하였다. 천연가스 레귤레이터의 성능을 테스트할 성능평가 장치의 구성을 간단하게 나타내면 Fig.
이를 위하여 실제 자동차에서 천연가스 레귤레이터에 적용되는 조건과 동일조건을 부여할 수 있는 시험평가 장치를 제작하고 이를 통하여 레귤레이터의 주요 성능과 특성을 파악할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 레귤레이터는 Regl, Reg2 두 가지로써 그 모습을 Fig. 3에 나타내었으며 , Table 1에는 천연가스 버스 레귤레이터의 일반적인 요구특성을 나타내었다. Regl과 Reg2는 레귤레이터 내의 밸브시스템과 아이싱 방지를 위한 Coolant bowl 구조가 다르게 설계되어있다.
성능평가 장치는 크게 가압장치, 고압탱크 시스템, 레귤레이터, 측정시스템, 유량제어밸브, 냉각수 모사 시스템, 제어 및 데이터 획득시스템으로 구성되어 있다. 평가 장치에 사용되는 시험 가스는 안전상 천연가스를 직접 사용하지 않았으며 질소가스로서 대신하였다.

성능/효과

1) 성능 평가 장치는 자동차에서의 조건과 최대한 유사하도록 구성 하였으며 일정 압력을 공급할 수 있는 시스템과 자동 유량제어 시스템을 통해 레귤레이터의 주요 특성을 왜곡없이 파악할 수 있었다.
2) 밸브시스템이 다르게 설계된 두 개의 레귤레이터를 테스트한 결과 creepe 닫힐 때 밸브가 다이어프램과 연동할 수 있는 구조가 유리하며 동적 응답특성은 밸브시스템을 간소한 경우가 유리한 것으로 나타났다.
3) Coolant bowle 가능한 한 열전달 면적을 높일 수 있는 구조가 효과적이며 이를 성능 평가 장치를 통해 확인할 수 있었다.
7은 최소 유량조건(1 kg/h)에서 최대 유량조건(100kg/h)로 순간적으로 변화할 때 레귤레이터의 출구압력을 측정한 것이다. Regl과 Reg2의 경우 출구 압력의 순간적인 강하현상은 무시할 정도이지만 응답특성은 밸브시스템을 간소하게 설계한 Reg2가 Regl 대비 약 20 msec 더 빠른 것으로 나타났다.
4에는 두 레귤레이터의 실험결과를 보여주고 있다. 실험에 적용된 공급압력은 50, 100, 150, 200 bar이며 각 공급압력은 전 유량범위에 걸쳐 ±lbar 이내로 일정하게 유지되었다. 유량은 최대 100kg/h(N₂)로서 천연가스의 60kg/h에 해당하는 부피유량으로 상사되었다.

후속연구

가스 레귤레이터의 특성상 천연가스와 수소 연료에 사용될 레귤레이터의 구조와 특성, 그리고 요구 성능은 상호 유사한 점을 가지고 있다. 따라서 고압(350 bar 또는 700 bar)의 수소 레귤레이터를 개발하기 위해서는 수소보다 압력이 낮고 분자구조가 커 접근이 보다 용이한 천연가스 레귤레이터의 개발이 선행되어야 하며 국산화를 통해 기술이 축적됨으로써 앞으로 다가올 수소 연료시대에 대비하여야 할 것이다.

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