[논문]LPG 펌프에서 필터 종류에 따른 펌프 토출성능에 대한 연구

이석환; 박철웅; 김창업

LPG 펌프에서 필터 종류에 따른 펌프 토출성능에 대한 연구
Performance of Blowoff Flow for a LPG Fuel Pump with Various Fuel Filters 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.13 no.4, 2009년, pp.1 - 7

이석환 (한국기계연구원) , 박철웅 (한국기계연구원) , 김창업 (한국기계연구원)

초록
AI-Helper

최근 연료경제성 및 강화되는 배출가스 규제를 만족하기 위하여 대체연료의 하나인 LPG에 대한 수요가 증가하고 있다. 현재 LPG 차량에 적용되고 있는 제3세대 LPG 연료공급방식인 LPLi(Liquid Phase LPG Injection) 시스템은 가솔린 차량과 비교하여 배출가스는 적게 배출하면서 동등한 출력을 낼 수 있게 하는 핵심 기술이다. LPG 연료를 고압의 액상 상태로 공급하기 위해서는 LPG 펌프가 필요하다. 연료펌프의 성능을 저하 시킬 수 있는 연료 내 불순물을 제거하기 위하여 연료펌프에는 연료필터가 장착되어 있으며 장착되는 연료필터의 종류에 따라서 연료펌프의 성능도 변하게 된다. 본 연구에서는 임펠라 방식을 채택한 LPG 연료펌프에서 극세사, 이중메쉬, 외장형 필터의 세 가지 필터에서 부하별 토출성능 및 효율을 파악하였으며 온도 변화에 따른 펌프유량 변화를 측정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, the needs for more fuel-efficient and lower-emission vehicles have driven to use the alternative fuel of LPG(Liquefied Petroleum Gas) which is able to meet the more stringent legislations without many modifications to current engine. LPLi (Liquid Phase LPG Injection) system (the 3rd generation LPG injection system) is the core technology to produce power equivalent to a gasoline engine with less emissions. The LPG fuel pump can supply the compressed LP gas in the liquid phase to engine. The fuel filter is attached in the fuel pump to eliminate the remnants in the liquid phased LP gas and the performance of blowoff flow for a pump can be varied with various filters. In this study, experiments were conducted to investigate the performance and efficiency of the impeller type LPG fuel pump under various filter types of microfiber, double mesh and external filter. And blowoff flow for a LPG fuel pump was measured according to the temperature of the fuel.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

액상 상태의 LPG 연료에 포함되어 있는 불순물들의 펌프부 유입을 방지하기 위해서 연료펌프에는 연료필터를 장착하여야 하는데 이 경우 연료필터의 종류에 따라서 펌프에서의 부하별 토출량 및 효율이 변할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 극세사 필터 (Microfiber filter), 이중메쉬 필터 (Double mesh filter), 외장형필터 (External filter)의세 가지 종류에 따른 부하별 연료유량 및 소모전류, 펌프효율 등의 일반적인 특성을 살펴보고, 연료온도 변화에 따른 토출유량 특성도 파악하였다. 이를 통하여 여러 운전 조건의 변화에 따른 연료필터의 차량 적용 가능성 여부를 파악하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 극세사 필터 (Microfiber filter), 이중메쉬 필터 (Double mesh filter), 외장형필터 (External filter)의세 가지 종류에 따른 부하별 연료유량 및 소모전류, 펌프효율 등의 일반적인 특성을 살펴보고, 연료온도 변화에 따른 토출유량 특성도 파악하였다. 이를 통하여 여러 운전 조건의 변화에 따른 연료필터의 차량 적용 가능성 여부를 파악하고자 하였다.

제안 방법

1의 실험장치 개략도와 같이 차량 내 연료펌프의 환경과 동일한 조건을 구현하기 위해 상용 연료탱크와 연료라인에 온도, 압력 센서 및 유량계를 장착하고, 고온 및 저온 실험이 가능한 대형 항온기를 제작하여 연료 공급 시스템 전체의 온도를 조절하였다. 1㎥의 내부 용적을 갖는 항온기 (Constant Temperature Chamber)는 최대온도 80℃까지 온도 조절이 가능하도록 제작하였고, 연료 공급 시스템의 온도는 상온 조건과 비교할 수 있는 20℃ 및 60℃ 조건으로 변화시키며 초기시동시의 펌프의 성능 및 변수들을 관찰하였다. 연료 펌프는 PWM (Pulse Width Modulation) 신호의 Duty 가변에 의한 회전수 조절이 가능한 펌프 전용 드라이버 (Driver)에 의해 제어되었다.
Fig. 1의 실험장치 개략도와 같이 차량 내 연료펌프의 환경과 동일한 조건을 구현하기 위해 상용 연료탱크와 연료라인에 온도, 압력 센서 및 유량계를 장착하고, 고온 및 저온 실험이 가능한 대형 항온기를 제작하여 연료 공급 시스템 전체의 온도를 조절하였다. 1㎥의 내부 용적을 갖는 항온기 (Constant Temperature Chamber)는 최대온도 80℃까지 온도 조절이 가능하도록 제작하였고, 연료 공급 시스템의 온도는 상온 조건과 비교할 수 있는 20℃ 및 60℃ 조건으로 변화시키며 초기시동시의 펌프의 성능 및 변수들을 관찰하였다.
본 실험은 LPLi 연료 공급 시스템을 적용한 엔진에서 LPG 펌프의 부하별 토출성능을 파악하기 위하여 실제 차량의 연료시스템을 사용하였다. 일반 적으로 LPG 연료펌프는 다이어프램 방식이나 임펠러 방식이 사용되는데 다이어프램 방식의 경우에서는 연료펌프내의 다이어프램의 변형으로 성능을 저하시킬 수 있는 문제점이 있을 수 있으므로 본 연구에서는 이를 보완한 임펠러 타입의 연료펌프를 사용하였다.
연료 필터 종류가 LPG 액상연료공급 시스템의 가장 핵심적인 부품인 연료펌프의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 펌프유량, 소모전류, 펌프 효율, 응답특성 등을 측정하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
연료필터가 펌프의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 동일한 사양의 펌프에 일반적으로 널리 사용되고 있는 극세사필터, 이중메쉬필터, 외장형 필터를 장착하여서 펌프부하별 연료유량 및 소모 전류, 펌프효율 등의 일반적인 특성과 연료온도 변화에 따른 필터별 펌프토출유량을 측정하였다. Table 2에서는 각각의 필터별 제원을 나타내고 있으며 Table 3에서는 샘플들의 실제 사진을 보여주고 있다.
본 실험은 LPLi 연료 공급 시스템을 적용한 엔진에서 LPG 펌프의 부하별 토출성능을 파악하기 위하여 실제 차량의 연료시스템을 사용하였다. 일반 적으로 LPG 연료펌프는 다이어프램 방식이나 임펠러 방식이 사용되는데 다이어프램 방식의 경우에서는 연료펌프내의 다이어프램의 변형으로 성능을 저하시킬 수 있는 문제점이 있을 수 있으므로 본 연구에서는 이를 보완한 임펠러 타입의 연료펌프를 사용하였다. Table 1에서는 본 연구에서 사용한 펌프의 기본적인 제원을 나타내고 있다.
필터 종류가 펌프 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 각각의 필터가 장착된 동일한 제원의 펌프에서 7, 9, 11.4V의 구동전압을 공급한 후 펌프의 토출유량, 소모전류, 효율을 측정하였다. Fig.

대상 데이터

연료는 국내에서 일반적인 하절기에 사용 되는 부탄(Butane)이 95%, 프로판 (Propane)이 5% 함유된 연료를 사용하여 실험을 수행하였다. Fig.

이론/모형

필터의 종류에 따라서 각각의 필터가 가지고 있는 필터링 효율을 측정하기 위하여 공인시험법인 ISO 19438 / ISO 4548-12법을 적용하여 시험한 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 5~90 μm의 크기를 가지는 입자를 흘러 보내면서 필터에 의해서 여과되어지는 효율을 측정하는 방법으로 필터의 효율을 정의 한다.

성능/효과

1) 필터의 종류에 따라서 기공 크기가 다르므로 필터효율은 다르게 측정이 되었으며 특히 20 μm 이하의 매우 작은 입자 범위에서는 외장형필터의 효율이 매우 높은데 이는 기공 크기가 가장 작아서 연료 내의 입자들을 잘 제거해주기 때문이다.
2) 극세사필터를 장착하는 경우 외장형필터와 이중메쉬필터에 비하여 토출유량이 높으며 펌프효율도 높게 측정되었다. 외장형필터의 경우 작은 기공 크기 및 장착 위치로 인하여 길어진 연료라인이 추가적인 저항으로 작용하여 유량이 극세사필터보다 적었다.
3) 펌프의 응답성도 극세사필터의 경우가 제일 우수하였으며 외장형필터는 필터에 연결되는 라인의 길이 증가로 인하여 응답시간도 길게 측정되었다.
4) 연료온도 증가에 따라서 펌프내에서 발생하는 캐비테이션 현상에 의하여 토출유량이 약간 감소하였으며 외장형필터의 경우 라인을 통과하는 연료가 기화되어서 펌핑이 되지 않는 현상이 발생 하였다.
5) 엔진시동 패턴에서 펌프를 구동하는 경우 필터종류에 상관없이 빠른 시간 내에 필요한 유량이 확보되었다.
6) 외장형필터의 경우 펌프를 오랜 시간동안 소 킹하는 경우 라인에 공기가 들어와서 시동 초기에 유량이 확보되지 않는 현상이 발생하였으며 이는 실제 차량에서 엔진 정지와 같은 심각한 문제를 초래할 수 있다.
펌프의 효율은 실제 펌프에 공급된 전력에서 토출유량으로 계산한 실제 펌프에서 수행된 일의 비율로 계산이 가능하다. 결과를 살펴보면 소모전류는 비교적 높지만 토출 유량도 가장 많은 극세사 필터의 경우 효율이 가장 높다. 이중메쉬필터의 경우는 극세사필터보다 낮은 16~21% 정도의 펌프효율을 보이고 있으며 외장형필터의 경우 전압의 증가에 따라서 유량 증가폭이 크지 않아서 효율은 감소하는 경향을 보이고 있으며 11.
5~90 μm의 크기를 가지는 입자를 흘러 보내면서 필터에 의해서 여과되어지는 효율을 측정하는 방법으로 필터의 효율을 정의 한다. 결과를 살펴보면 외장형필터가 필터링 효율이 가장 높으며 이중메쉬필터의 효율이 가장 낮다. 특히 20 μm 이하의 매우 작은 입자 범위에서는 외장형필터의 효율이 매우 높은데 이는 기공 크기가 가장 작아서 연료 내의 입자들이 잘 통과하지 못하는 것이다.
Table 2에서는 각각의 필터별 제원을 나타내고 있으며 Table 3에서는 샘플들의 실제 사진을 보여주고 있다. 모든 필터는 나일론과 폴리에스테르를 사용하여 제작되었으며 필터의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 필터의 기공 크기를 비교해 보면 외장형 필터의 기공 크기가 가장 작으며 이중메쉬필터의 기공의 크기가 가장 크다. 필터의 두께는 거의 비슷한 수준이었다.
5V의 공급전압 조건에서 아이들링 (Idling) 상태를 유지한다. 시험결과를 살펴보면 모든 경우의 필터에서 초기 2.5s 동안 95%로 유지된 부하에 의해서 토출유량이 급증하였다가 일정한 유량을 유지하는 것을 알 수 있다. 극세사필터의 경우 유량이 나머지 경우에 비해 조금 더 높았지만 엔진에서 필요한 요구유량인 50 L/h는 모든 경우에서 충분히 만족하고 있다.
8에 나타내었다. 연료 온도의 증가에 따라서 극세사필터와 이중메쉬필터의 경우 유량이 감소하는 경향을 나타내었다. 연료의 온도가 증가하면 연료의 증기압이 높아져서 유량이 증가할 것으로 예상하였지만 오히려 감소하였다.
필터 종류에 따라서 토출유량의 차이가 나는데 극세사필터, 외장형필터, 이중메쉬필터 순으로 유량이 많이 확보되었다. 극세사필터와 이중메쉬필터는 필터가 연료봄베에 내장되어 있는데 이중메쉬필터의 경우 기공의 크기가 더 크기 때문에 전체 적인 저항은 작을 것으로 예상되지만 두개의 층으로 이루어진 구조로 인하여 전체적으로는 저항이 커진 것으로 작용하여서 동일한 전압으로 구동되더라도 15 L/h 정도의 유량이 감소하는 것으로 파악된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제3세대 LPG 연료공급방식의 특징은 무엇인가?	그러나 기존의 LPG 차량의 연료공급방식인 제2세대 믹서 (mixer) 시스템은 LPG 탱크 내에 포화증기압상태로 존재하는 연료가 자체 압력에 의해 별도의 가압 장치가 없이 기화기로 공급되며, 벤츄리에서 연료와 공기가 혼합되기 때문에 정밀한 혼합기의 공연비 형성이 어려워 차세대 배출가스규제에 대한 대응이 불가능하고, 가스공급에 의한 저응답성, 출력 감소, 겨울철 기화불량에 따른 시동성 저하 등의 문제점이 있다 [1,2]. 이에 대한 대책으로서 적용되고 있는 제3세대 LPG 연료공급방식인 LPLi(Liquid Phase LPG Injection) 시스템은 LPG연료를 펌프를 이용해서 고압으로 승압하고 이를 액상상태에서 분사기를 이용해서 분사하는 방식으로서, 기화기 시스템에 비해 출력 성능이 약 15% 정도 증가하여 동급 가솔린차량과 대등한 가속성능 및 출력을 내고 있으며, 연비도 약 7~9% 개선되는 것으로 평가 되고 있다[3]. LPG 가스의 특성상 낮은 배출가스로 인해서 촉매에도 부하를 줄여줌으로써 촉매원가가 저감되는 이점이 있다[4].
	LPG차량의 제2세대 믹서 (mixer) 시스템이 가지고 있는 문제는 무엇인가?	전 세계적으로 배출가스 규제가 더욱 엄격해짐에 따라 가솔린 및 디젤 차량과 더불어 LPG 차량도 이러한 배출가스 규제를 대응하기 위해 배출가스 저감 기술 개발이 절실히 요구되고 있다. 그러나 기존의 LPG 차량의 연료공급방식인 제2세대 믹서 (mixer) 시스템은 LPG 탱크 내에 포화증기압상태로 존재하는 연료가 자체 압력에 의해 별도의 가압 장치가 없이 기화기로 공급되며, 벤츄리에서 연료와 공기가 혼합되기 때문에 정밀한 혼합기의 공연비 형성이 어려워 차세대 배출가스규제에 대한 대응이 불가능하고, 가스공급에 의한 저응답성, 출력 감소, 겨울철 기화불량에 따른 시동성 저하 등의 문제점이 있다 [1,2]. 이에 대한 대책으로서 적용되고 있는 제3세대 LPG 연료공급방식인 LPLi(Liquid Phase LPG Injection) 시스템은 LPG연료를 펌프를 이용해서 고압으로 승압하고 이를 액상상태에서 분사기를 이용해서 분사하는 방식으로서, 기화기 시스템에 비해 출력 성능이 약 15% 정도 증가하여 동급 가솔린차량과 대등한 가속성능 및 출력을 내고 있으며, 연비도 약 7~9% 개선되는 것으로 평가 되고 있다[3].

참고문헌 (5)

Payne M., Segal J., Newkirk M., Smith L., "Use of butane as an alternative fuel emissions from a conversion vehicle using various blends", SAE 952496, 1995.
Baik D., "A Study on Emission Characteristics in a LPG Vehicle", Transaction of KAIS, 7(6), 993-997, 2006.
Kang K., "A heavy-duty LPG lena burn engine using LPLi system", 2002 International Symposium on LPG Vehicles, 2002.
Kang K., Lee D., Oh S. and Kim C., "Performance of an Liquid Phase LPG Injection Engine for Heavy-duty Vehicles", SAE 2001-01-1958, 2001.
Park C., Kim C., Choi K, "A Study on Performance of Initial Blowoff Flow for a Fuel Pump with Various Temperature and Composition Condition in LPG Engine", Journal of Korean Institute of Gas, 12(2), 12-17, 2008.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증