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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 LP LPG 차량의 엔진꺼짐, 엔진부조화 그리고 시동꺼짐 등에 대한 소비자 민원제기에 의해 제공된 LPG 차량의 연료계통 부품인 기화기, 인젝터 그리고 연료필터로부터 LPG 이물질을 채취하여 성분분석 실험을 통하여 원인을 분석하고 방지책을 고찰하였다.
제안 방법
- LPG 차량의 기화기는 최고 550,000 km에서 최저 24,000 km 주행한 민원제기 법인택시에서 수거되어 제공되었다. Fig. 4에서 보는 것처럼 기화기 내벽에 있는 갈색 오일 이물질을 채취하여 ICP-AES, 고온 모의증류시험 등에 의해 성분분석 되었다. 또한 기화기에서 검은색 고체 이물질을 채취하여 주사전자 현미경과 EDS로 금속함량을 분석 하였다.
- 연료필터는 주로 충전소와 거래하는 법인택시 또는 개인택시 운전자의 민원제기에 따라 수거되어 고체상 이물질을 채취하였다. Fig. 8에서 보는 것처럼 연료필터에서 채취된 이물질은 갈색의 작은 운상형 가루형태와 옅은 회색의 큰 운상형으로 0.2g ~ 0.7g을 채취하여 EDS에 의해 정성 및 정량분석하였다(Fig. 9).
- 또한 기화기에서 검은색 고체 이물질을 채취하여 주사전자 현미경과 EDS로 금속함량을 분석 하였다. LPG 차량의 기화기에 유입되었을 것으로 판단되어 국내 LPG 충전소에서 충전 시 기밀유지로 가장 많이 사용하고 있는 그리스를 수거하여 함께 성분 분석하여 비교 분석하였다.
- LPG 차량의 인젝터로부터 채취된 LPG 이물질은 Fig. 1에서 보는 것처럼 인젝터 노즐 부분 등에서 갈색 또는 검은색 오일형태를 GC-MS로 정성분석 하였다. Fig.
- 주사전자현미경은 시료에 높은 가속전압으로 인해 표면에서 발생한 2차 전자와 반사전자를 표집하여 그 성분을 정성및 정량 분석되는 기기이다. Table 2에서 보는 것처럼 본 연구에서 사용된 FEEM의 모델명은 MIRA LMH로 TESCAN Korea 제품으로 EDS는 Bruker CCD dectector를 사용하였으며, 시료는 Cr 코팅하여 분석하였고, EDS 분석은 300배에서 20 kV, WD=25 mm로 측정하였다.
- 또한 같은 기화기 내부에서 오일형 이물질과 같이 채취된 검은색 고체상의 이물질에 대한 주사전자 현미경과 EDS에 의해 금속성분을 분석하였다. Fig.
- 4에서 보는 것처럼 기화기 내벽에 있는 갈색 오일 이물질을 채취하여 ICP-AES, 고온 모의증류시험 등에 의해 성분분석 되었다. 또한 기화기에서 검은색 고체 이물질을 채취하여 주사전자 현미경과 EDS로 금속함량을 분석 하였다. LPG 차량의 기화기에 유입되었을 것으로 판단되어 국내 LPG 충전소에서 충전 시 기밀유지로 가장 많이 사용하고 있는 그리스를 수거하여 함께 성분 분석하여 비교 분석하였다.
- 또한 기화기에서 얻은 검은색 고체상의 이물질과 연료필터는 전자주사현미경(Field Emission Electron Microscopy)과 EDS 로 분석되었다. 주사전자현미경은 시료에 높은 가속전압으로 인해 표면에서 발생한 2차 전자와 반사전자를 표집하여 그 성분을 정성및 정량 분석되는 기기이다.
- 또한 이러한 기화기의 갈색 이물질을 고온 모의 증류시험을 이용하여 크로마토그램 상의 분석 시간에 대한 증류온도 값을 측정하여 이물질의 탄화수소 화합물 분포를 추정하였다. 시료1의 기화기 갈색 오일 이물질의 각 증류온도에 따른 탄화수소 화합물 분포 증류온도 330℃~510℃에서 C22~C39 까지 나타내고 있으며, 특히 고비점 증류온도 420℃~ 450℃에서 C30가 26.
- 본 연구에서 LPG 차량의 엔진꺼짐, 엔진부조화 그리고 시동꺼짐 등에 대한 소비자 민원제기에 의해 제공된 LPG 차량의 연료계통 부품인 기화기, 인젝터 그리고 연료필터로부터 LPG 이물질을 채취하여 성분분석 실험을 통하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
- 시료채취된 LPG 이물질은 아래와 같이 기기에 의해 GC-MS(Gas Chromatography), ICP-AES (Inductive Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscooy), SIMDIS(Simulated Distilled Analyzer) 및 EDS(Energy Dispersive Analysis)를 통하여 정성 및 정량 분석되었다. 인젝터에서 채취된 이물질은 GC-MS를 통하여 Table 1과 같은 조건에서 정성분석하였다.
대상 데이터
- LPG 차량의 엔진꺼짐, 엔진부조화 그리고 시동 꺼짐 등에 대한 소비자 민원제기에 의해 제공된 LPG 연료시스템 부품인 기화기, 인젝터 그리고 연료필터로부터 채취 되었다. 이 중에서 인젝터와 연료필터는 LPLi, LPGi LPG 차량에서 제공되었으며, 기화기는 믹서방식 LPG 차량에서 각각 제공되었다.
- Table 3은 LPG 차량 인젝터의 LPG 이물질에 대한 GC-MS 성분분석 결과를 나타낸 것이다. 인젝터의 LPG 이물질은 총 11개의 화합물이 검출되었다. GC-MS에 의한 인젝터 LPG 이물질의 주요 성분은 phthalate, adipate 종류의 고비점 화합물인 가소제(Plasticizer)류 6종으로 분석되었다(Fig.
이론/모형
- 또한 기화기에서 얻은 액상 이물질의 금속 성분 분석을 위해 ICP-AES를 사용하였으며 Leeman사 제품의 Prodigy 모델이었다. 또한 GC 크로마토그램 상의 분석 시간에 대한 증류온도 값을 측정하여 이물질의 탄화수소 화합물 분포를 추정 할 수 있는 고온 모의증류시험 기기는 Thermo Electron사 제품으로 Ultra Sys 모델이었다.
성능/효과
- 1) 인젝터로부터 채취된 LPG 이물질은 총 11개의 화합물로 분석되었으며, Di-octyl phtalate, di(butoxyehtyl)adipate 등의 가소제가 주성분이었다. 이러한 가소제는 LPG 차량의 인젝터로부터 채취된 LPG 이물질의 성분은 LPG 연료의 생산공정, 유통단계 그리고 LPG 차량 연료공급시스템 에서 사용된 고무류 사용이 주요 원인이 될 수 있다.
- 국내 대다수 LPG 충전소에서는 LPG 충전 시 기밀유지용 으로 구름베어링용 그리스를 사용하고 있는 것으로 알려져 있다.10) 따라서 일반 LPG 충전소에서 LPG 충전 시 사용하고 있는 그리스가 LPG 차량에 혼입되어 잔류할 가능성이 높다고 할 수 있다.
- 2) 기화기로부터 채취된 이물질에서는 Fe, Zn, Si, Al, Cu, Ca, Pb 등 총 8종의 금속물질이 검출되었으며, 이 중에서 Si 성분이 주성분이었다. 이는 고비점(200℃~540℃)의 탄화수소 화합물(C12~C44)로 추정되며, LPG 충전소에서 충전시 사용하고 있는 그리스도 비슷한 경향을 보여주었다.
- 8백만 톤 수준이며 공급량 또한 매년 증가할 것으로 전망하고 있다.2) 우리나라의 경우 LPG 소비량은 8,634천 톤으로 1차에너지 중 가장 많이 소비되고 있는 석유제품인 납사, 경유, LPG, 휘발유 중에서 제일 많은 13.4%를 차지하고 있다.3) 또한 국토해양부가 집계한 유종별 자동차 등록 현황에 따르면 2012년 3월 기준 전체 자동차 등록대수는 1,855만여 대이며 이 가운데 LPG 자동차는 243만 여대로 약 13%를 차지하고 있다.
- 4%를 차지하고 있다.3) 또한 국토해양부가 집계한 유종별 자동차 등록 현황에 따르면 2012년 3월 기준 전체 자동차 등록대수는 1,855만여 대이며 이 가운데 LPG 자동차는 243만 여대로 약 13%를 차지하고 있다.4) 국내 LPG 자동차기술은 연료공급방식에 따라 초기에 액상의 LPG를 기화기로 기화시켜 혼합기에서 공기와 혼합하여 실린더로 공급하는 믹서방식으로 시작하여 출력과 연비 그리고 배기가스가 향상된 LPGi와 LPLi 방식으로 발전하였다.
- 3) 연료필터로부터 채취된 고체 LPG 이물질의 주요 구성성분은 C, O, S, Cl, Fe, Mn, Na, Zn, K, Si, Ca, Cr, Al, Cu 등 14종이었으며, 공통적으로 다량 검출된 금속성분은 Fe으로 평균 87.5%까지 검출되었다. 이는 유통단계의 충전소 저장설비와 LPG 차량의 저장탱크 등에서 금속부식에 의한 철산화물 생성에 따라 연료필터에 쌓일 수 있을 것으로 판단된다.
- 인젝터의 LPG 이물질은 총 11개의 화합물이 검출되었다. GC-MS에 의한 인젝터 LPG 이물질의 주요 성분은 phthalate, adipate 종류의 고비점 화합물인 가소제(Plasticizer)류 6종으로 분석되었다(Fig. 3).
- LPG 믹서방식의 차량의 기화기로부터 채취된 갈색오일 이물질을 ICP-AES에 의해 금속성분을 분석한 결과, Fe, Zn, Si, Al, Cu, Ca, Pb 등 총 8종의 금속물질이 검출되었으며, 이 중에서 Si 성분이 3,781 ppm ~11,250 ppm 범위로 가장 높게 분석되었다(Table 4). 또한 충전소에서 수거한 그리스도 ICP-AES에 의해 금속성분을 분석한 결과, Fe, Ca, Si 등 6종의 금속이 검출되었으며, 특히 Si 성분이 564 ppm~1,520 ppm 범위로 가장 많이 함유하고 있다.
- 7은 기화기의 검은색 고체 LPG 이물질(Table 5, 시료 2)을 FEEM SEM 분석사진과 EDS에 의해 분석된 스펙트럼을 대표적으로 보여주고 있다. 기화기의 검은색 C, O가 포함된 LPG 이물질의 공통 주요 금속성분은 S, N, Fe, Cu, Zn, Al, Si, 등 9종이 검출되었으며, 특히 C, O를 제외하면 S, N 금속분이 많이 검출되었다(Table 5). 기화기의 검은색 고체 이물질의 C, O의 성분은 평균 66.
- 이는 고비점 탄화수소 화합물의 오일형 이물질이 시간이 지남에 따라 열적인 영향으로 인해 산화되거나 탄 것으로 추정된다. 따라서 LPG 차량의 기화기로부터 채취된 이물질과 LPG 충전소에서 수거된 그리스의 주요성분이 Si으로 분석된 결과를 통해볼 때, LPG 충전소에서 충전 시 기밀유지용으로 사용하고 있는 Si계 그리스가 LPG 차량으로 유입되어 기화기에 갈색 오일과 검은색 고체 이물질로 지속적으로 침적되는 것으로 판단된다.
- 따라서 모든 기화기 이물질의 시료에 대한 모의 증류시험 결과, 기화기의 이물질은 고비점(200℃~ 540℃)의 탄화수소 화합물(C12~C44)로 추정되며 그리스의 형태와 비슷한 경향을 보여주고 있다. 국내 대다수 LPG 충전소에서는 LPG 충전 시 기밀유지용 으로 구름베어링용 그리스를 사용하고 있는 것으로 알려져 있다.
- LPG 믹서방식의 차량의 기화기로부터 채취된 갈색오일 이물질을 ICP-AES에 의해 금속성분을 분석한 결과, Fe, Zn, Si, Al, Cu, Ca, Pb 등 총 8종의 금속물질이 검출되었으며, 이 중에서 Si 성분이 3,781 ppm ~11,250 ppm 범위로 가장 높게 분석되었다(Table 4). 또한 충전소에서 수거한 그리스도 ICP-AES에 의해 금속성분을 분석한 결과, Fe, Ca, Si 등 6종의 금속이 검출되었으며, 특히 Si 성분이 564 ppm~1,520 ppm 범위로 가장 많이 함유하고 있다.
- 연료필터 이물질의 EDS의 분석결과, 주요 구성 성분은 C, O, S, Cl, Fe, Mn, Na, Zn, K, Si, Ca, Cr, Al, Cu 등 14종이 검출되었다(Table 6). 특히 공통적으로 다량 검출된 금속성분은 Fe이었으며 평균 87.
후속연구
- 4) 이상의 결과를 토대로 소비자 민원제기에 따른 LPG 연료계통 부품의 이물질을 방지하기 위한 대책으로 LPG 연료의 생산공정, 유통단계 그리고 LPG 차량 연료공급시스템에서 사용된 적정 품질의 고무류 사용이 필요하다. 또한 LPG 충전소에서 사용하는 기밀 유지용 그리스 대신 저비점 스프레이형 그리스 사용 확대가 필요하며, 유통단계의 충전소 저장설비와 LPG 차량의 저장탱크 등에서 금속부식에 대한 위한 대책이 필요하다.
- 4) 이상의 결과를 토대로 소비자 민원제기에 따른 LPG 연료계통 부품의 이물질을 방지하기 위한 대책으로 LPG 연료의 생산공정, 유통단계 그리고 LPG 차량 연료공급시스템에서 사용된 적정 품질의 고무류 사용이 필요하다. 또한 LPG 충전소에서 사용하는 기밀 유지용 그리스 대신 저비점 스프레이형 그리스 사용 확대가 필요하며, 유통단계의 충전소 저장설비와 LPG 차량의 저장탱크 등에서 금속부식에 대한 위한 대책이 필요하다.
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