[논문]LPI 인젝터의 성능 및 내구성 개선에 관한 연구

박철웅; 김창업; 최교남; 백승국; 신문성

doi:10.7842/kigas.2012.16.2.38

LPI 인젝터의 성능 및 내구성 개선에 관한 연구
A Study on Performance Improvement in Durability and Reliability of LPi Injector 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.16 no.2, 2012년, pp.38 - 44

박철웅 (한국기계연구원 그린동력연구실) , 김창업 (한국기계연구원 그린동력연구실) , 최교남 (한국기계연구원 그린동력연구실) , 백승국 ((주)케피코 제품개발팀) , 신문성 ((주)케피코 제품개발팀)

초록
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근래 들어 강화되는 배출가스 규제에 대응하기 위한 대책으로 LPG 차량에 적용되고 있는 제3세대 LPG 연료공급방식인 LPi(Liquid phase LPG injection)는 펌프를 이용해서 고압의 액상연료를 공급하는 것이 가장 핵심적인 기술이다. LPi 시스템은 액상연료분사의 전자식 정밀제어를 통해 출력이 상승하고 유해배출가스가 현저하게 저감되는 장점이 있으나, 가장 핵심적인 부품인 연료펌프 및 인젝터의 경우 대부분 수입에 의존하고 있어 시스템 설계에 유연하지 못하다. 본 연구에서는 인젝터의 국산화 개발을 위해 LPi 시스템에 적합한 연료공급방법의 인젝터 디자인 및 최적의 작동조건 확보를 목표로 LPi용 인젝터의 설계 및 시작품을 제작하여 누설 및 유량특성을 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, the need for more fuel-efficient and lower-emission vehicles has driven the technical development of alternative fuels such as LPi (Liquid phase LPG injection) which uses pump for the high pressure supply of liquid LPG fuel and is able to meet the limits of better emission levels while it has an advantage of higher power. Although it has the advantage of power and lower emission levels, the characteristics of LPG, such as high vapor pressure, lower viscosity and surface tension than gasoline fuels makes it difficult design system. Therefore most fuel pumps and injectors are imported. In the present study, in order to domestically develop LPG injector which guarantees flow rates and optimal operation, the experimental investigation on leakage and flow rate characteristics of developed prototype injector was carried out at the bench test rig for developed injector.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 LPi 시스템의 핵심 부품인 인젝터의 국산화 개발을 목표로 하여 LPi 시스템에 적합한 인젝터의 연료공급방법을 채택한 디자인의 적용을 통해 현 LPi 시스템의 성능을 향상시키고자 하였다.
본 연구에서는 LPi system에 적합한 연료공급방법 (Bottom Feeding Type)의 인젝터 디자인 및 최적의 작동조건 확보를 목표로 LPi용 인젝터의 설계및 시작품을 제작하였다. Fig.
본 연구에서는 LPi 시스템의 핵심 부품인 인젝터의 국산화 개발을 목표로 하여 내구성 및 신뢰성 향상을 위해 채택된 디자인이 적용된 인젝터를 개발하여 작동내구시험 전후의 누설량 및 유량특성을 비교하였다. 초기 누설량의 감소를 위해 강성이 큰 스프링을 적용하여 요구 유량을 만족하고 작동내구시험 후에도 유량의 변화가 크지 않았다.
이에 본 연구에서는 자동차제작사가 요구하는 시험모드의 공동개발 및 이를 이용한 내환경 ·내구특성평가를 거쳐 고성능, 고효율의 인젝터가 개발되도록 연구를 진행하고자 하였다.

제안 방법

Fig. 2는 인젝터의 누설시험기를 나타낸 것으로서 동시에 여러 개의 누설량을 평가하기 위해 인젝터 장착대(pod)를 설계하였고, 인젝터에 인가되는 압력을 가압 질소로 변경하면서 발포누설시험기에서 측정되는 누설량을 관찰하였다. 시작품들 간의 편차 및 재현성 확인을 위하여 각 시작품들은 6개씩 선정하여 시험에 사용하였다.
강성이 큰 스프링의 사용은 동일한 Coil에 대해서 니들의 양정에 변화를 주어 연료 분사량에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 각각의 시작품에 대한 유량시험을 수행하였다. Fig.
기존의 가솔린 인젝터의 정밀분사 기술을 응용하고 Orifice 설계기술을 바탕으로 유량 요구성능을 만족하도록 하였다. 고압 연료시스템에 작동 가능하도록 전자기회로를 최적화 하였으며, 볼(Ball)과 밸브시트(Valve seat) 부위의 각도 변경 및 코팅 재질, 두께 등 코팅기술을 개발하여 내마모성 및 내부식성을 개선되도록 하였다.
정밀 가공기술을 이용하여 기밀성능을 확보하고, 니들과 시트 부분의 코팅기술 개발을 통해 내마모성을 개선하여 5억 회의 작동내구시험 후에도 차량에서 요구되는 누설량 이하의 값을 보여 내구성능에 문제가 없음을 확인하였다. 그러나 생산직후의 상태를 반영하는 작동내구시험 시작 전 조건에서 대부분의 시작품에 대해 요구 기준치 이상의 누설이 확인되었고, 이의 개선을 위해 니들이 열리지 않도록 지지하는 스프링의 탄성계수가 변경된 스프링을 적용하여 시험전의 누설 및 작동내구시험 후의 누설량을 확인하였다. Fig.
1은 개발 인젝터의 개념도를 나타낸 것이다. 기존의 가솔린 인젝터의 정밀분사 기술을 응용하고 Orifice 설계기술을 바탕으로 유량 요구성능을 만족하도록 하였다. 고압 연료시스템에 작동 가능하도록 전자기회로를 최적화 하였으며, 볼(Ball)과 밸브시트(Valve seat) 부위의 각도 변경 및 코팅 재질, 두께 등 코팅기술을 개발하여 내마모성 및 내부식성을 개선되도록 하였다.
차량에 적용되는 LPi 인젝터의 경우 후적 및 아이싱 현상의 방지를 위하여 아이싱 방지용 튜브를 노즐의 끝단에 위치하도록 하고 있으나, 아이싱 방지용 튜브와 노즐 끝면 사이의 공간에서 아이싱이 발생하여 노즐의 입구를 막는 현상이 발생할 수 있기 때문에 이의 적용을 위한 설계도 중요하다. 본 연구에서는 개발 인젝터의 상대 조립품인 아이싱 방지용튜브의 조립시 노즐 끝면과의 공간을 최소화하기 위하여 Fig. 12와 같이 노즐의 형상을 변경하였다.
작동내구시험시 사용된 LPG 연료는 주 연료인 부탄에 프로판이 40% 포함된 것으로서, 사용현장(field)에서 혼입될 수 있는 수분 및 황 등의 이물질을 모사하기 위해 미량을 첨가하였으며 Table 1에 조성을 나타내었다. 시험 온도와 연료압력은 하절기엔진룸의 사용환경에 해당하는 70℃, 1.53 MPa로 설정하였고, 인젝터 분사조건은 5ms의 주기로 14V의 전압을 2ms 동안 인가하여 2만km와 5만km의 차량주행거리를 가정한 작동회수 인 2억회 및 5억회의 작동 후 누설 및 유량성능을 비교하였다.
3과 같이 구성하였다. 자동차용 소형용기의 형태로 용기를 설계하였고, 이때 연료용기 내의 이물질로 인한 실험 오차 및 변수를 사전에 제거하기 위해 스테인리스 강 재질을 이용하여 제작하였다. 연료공급을 위한 연료펌프 및 구동용 드라이버는 현재 LPi 차량에 사용되는 상용 펌프 및 제어기를 이용하였으며, 하절기의 고온의 연료온도 모사를 위해 2kW급 히터를 장착하였다.
초도 개발품의 초기 기밀성능 확보를 위해 강성이 다른 스프링을 사용한 스프링 변경품 과 아이싱 방지 튜브(De-Icing Tube) 위치 최적화를 위한 튜브 어댑터(Tube adaptor) 적용품의 성능을 각각 비교하였다.
튜브 어댑터를 적용하고 기존의 분무공(Spray hole)을 대체할 수 있는 오리피스 (Orifice plate)를 장착하였으며, 6개의 샘플에 대하여 작동내구시험 전후의 유량특성을 비교하였다. 시험 전후의 유량은 초도 개발품과 거의 같은 값을 보였으며, 작동내구시험 후의 평균 유량값이 시험 전에 비해 약간 증가하였다.

대상 데이터

2는 인젝터의 누설시험기를 나타낸 것으로서 동시에 여러 개의 누설량을 평가하기 위해 인젝터 장착대(pod)를 설계하였고, 인젝터에 인가되는 압력을 가압 질소로 변경하면서 발포누설시험기에서 측정되는 누설량을 관찰하였다. 시작품들 간의 편차 및 재현성 확인을 위하여 각 시작품들은 6개씩 선정하여 시험에 사용하였다.
작동내구시험시 사용된 LPG 연료는 주 연료인 부탄에 프로판이 40% 포함된 것으로서, 사용현장(field)에서 혼입될 수 있는 수분 및 황 등의 이물질을 모사하기 위해 미량을 첨가하였으며 Table 1에 조성을 나타내었다. 시험 온도와 연료압력은 하절기엔진룸의 사용환경에 해당하는 70℃, 1.

성능/효과

062 mg/lift로서 초도 개발품의 경우 작동내구시험 후의 유량이 약간 증가하는 반면, 스프링이 변경된 시작품의 경우 내구시험 전후의 유량값의 차이가 크지 않았다. 그러나 모든 시험 샘플의 내구시험 전후 유량편차가 3~5%의 사이의 값을 보여 목표성능을 만족하였다. 인젝터의 볼과 밸브시트의 표면을 SEM 촬영한 결과인 Fig.
8은 초도 개발시작품과 스프링이 변경된 시작품에 대한 유량시험 결과를 나타낸 것이다. 시작품 별로 차이가 크지 않고 2억 및 5억 회의 작동내구시험 후에도 시험 전의 유량에 비해 편차가 작게 나타났다. 시험 전, 2억 및 5억 작동내구 후의 평균유량을 비교하여 보면 각각 0.
시작품 별로 차이가 크지 않고 2억 및 5억 회의 작동내구시험 후에도 시험 전의 유량에 비해 편차가 작게 나타났다. 시험 전, 2억 및 5억 작동내구 후의 평균유량을 비교하여 보면 각각 0.029, 0.0145, 0.062 mg/lift로서 초도 개발품의 경우 작동내구시험 후의 유량이 약간 증가하는 반면, 스프링이 변경된 시작품의 경우 내구시험 전후의 유량값의 차이가 크지 않았다. 그러나 모든 시험 샘플의 내구시험 전후 유량편차가 3~5%의 사이의 값을 보여 목표성능을 만족하였다.
튜브 어댑터를 적용하고 기존의 분무공(Spray hole)을 대체할 수 있는 오리피스 (Orifice plate)를 장착하였으며, 6개의 샘플에 대하여 작동내구시험 전후의 유량특성을 비교하였다. 시험 전후의 유량은 초도 개발품과 거의 같은 값을 보였으며, 작동내구시험 후의 평균 유량값이 시험 전에 비해 약간 증가하였다. 일부 샘플의 경우 작동내구시험 후 유량의 증가폭이 크게 나타났으나, 5억회 작동내구 후의 유량편차가 가장 큰 2번 샘플의 경우 3.
4는 초도 개발시작품 6개의 누설특성을 나타낸 그래프이다. 정밀 가공기술을 이용하여 기밀성능을 확보하고, 니들과 시트 부분의 코팅기술 개발을 통해 내마모성을 개선하여 5억 회의 작동내구시험 후에도 차량에서 요구되는 누설량 이하의 값을 보여 내구성능에 문제가 없음을 확인하였다. 그러나 생산직후의 상태를 반영하는 작동내구시험 시작 전 조건에서 대부분의 시작품에 대해 요구 기준치 이상의 누설이 확인되었고, 이의 개선을 위해 니들이 열리지 않도록 지지하는 스프링의 탄성계수가 변경된 스프링을 적용하여 시험전의 누설 및 작동내구시험 후의 누설량을 확인하였다.
11에 나타내었다. 초기 유량값은 개발품들과 비슷한 수준을 보였으나, 3번과 5번 샘플에서 2억 회의 작동내구시험 후 유량값이 크게 증가하여 내구시험전 대비 유량편차가 각각 8.52%, 7.18%로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LPLi(Liquid Phase LPG Injection) 시스템은 무엇인가?	제3세대 LPG 연료공급방식인 LPLi(Liquid Phase LPG Injection) 시스템은 LPG연료를 펌프를 이용해서 고압으로 승압하고 이를 액상상태에서 인젝터를 이용해서 분사하는 방식으로서, 믹서 시스템에 비해 출력 성능이 약 15% 정도 증가하여 동급 가솔린차량과 대등한 가속성능 및 출력을 내고 있으며, 연비도 약 7~9% 개선되는 것으로 평가되고 있다. LPG가스의 특성상 낮은 배출가스로 인해서 촉매에도 부하를 줄여줌으로써 촉매원가가 저감되는 이점이 있다[3].
	기화기 방식이 갖는 믹서 및 베이퍼라이저 등으로 구성된 엔진 및 연료제어 시스템의 단점은 무엇인가?	이러한 친환경적인 연료 중 국내 자동차 시장에 폭넓게 확산되어 있는 LPG 연료는 초기에 기화기를 통한 LPG 공급 방식으로 시작하였으나, 기화기 방식이 갖는 믹서 및 베이퍼라이저 등으로 구성된 엔진 및 연료제어 시스템은 충전효율이 낮아 엔진출력이 떨어지고 정확한 공연비 제어의 어려움으로 배기가스 수준이 가솔린 엔진보다 높은 수준으로 결정될 수 밖에 없는 한계에 도달하여 최종 사용자들의 많은 불만을 야기하였다[1,2].
	LPi 시스템의 장점은 무엇인가?	제3세대 LPG 연료공급방식인 LPLi(Liquid Phase LPG Injection) 시스템은 LPG연료를 펌프를 이용해서 고압으로 승압하고 이를 액상상태에서 인젝터를 이용해서 분사하는 방식으로서, 믹서 시스템에 비해 출력 성능이 약 15% 정도 증가하여 동급 가솔린차량과 대등한 가속성능 및 출력을 내고 있으며, 연비도 약 7~9% 개선되는 것으로 평가되고 있다. LPG가스의 특성상 낮은 배출가스로 인해서 촉매에도 부하를 줄여줌으로써 촉매원가가 저감되는 이점이 있다[3].

참고문헌 (7)

M. E. Payne, J. S. Segal, M. Newkirk, L. R. Smith, "Use of butane as an alternative fuel emissions from a conversion vehicle using various blends", SAE 952496, 1995.
D. Baik, "A Study on Emission Characteristics in A LPG Vehicle", transaction of KAIS, Vol. 7, No. 6, 993-997, 2006.
K. Kang, D. Lee, S. Oh, C. Kim, "Performance of an liquid phase LPG injection engine for heavy-duty vehicles", SAE 2001-01-1958, 2001.
K. Yeom, J. Park, J. Jang, S. Moon, C. Bae, J. Park, S. Kim, "The Feasibility Test of Top-Feed Type Injector for Liquid Phase LPG Injection", KSAE Spring conference, 1847-1852, 2006.
W. Lee, I. Kim, S. Yang, "Development of HMC Mono LPG Injection System", KSAE Spring conference, 159-167, 2004.
C. Park, C. Kim, K. Choi, K. Kang, "Characteristics of Icing Phenomenon with droplet of an Injector for Liquid Phase LPG Injection System", Transaction of KSAE, Vol. 15, No. 5, 1-9, 2007.
B. Lutz, R. Stanglmaier, R. Matthews, J. Cohen, "The Effects of Fuel Composition, System Design and Operating Conditions on In-System Vaporization and Hot Start of a Liquid-Phase LPG Injection System", SAE 981388, 1998.

저자의 다른 논문 :

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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].

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