LP G 자 동 차 에 서 배 출 되 는 배 기 가 스 특 성 에 관 한 실 험 적 연 구

工 學 碩 士 學 位 論 文

LP G 자 동 차 에 서 배 출 되 는 배 기 가 스 특 성 에 관 한 실 험 적 연 구

A n E x p e rim e n t al S tu dy o n E x h au s t Ga s Ch ar ac t e ri s t ic s o f a L P G V e h i c le

國 民 大 學 校 大 學 院 機 械 工 學 科

安 均 宰

2000

工 學 碩 士 學 位 論 文

LP G 자 동 차 에 서 배 출 되 는 배 기 가 스 특 성 에 관 한 실 험 적 연 구

A n E x p e rim e n t al S tu dy o n E x h au s t Ga s Ch ar ac t e ri s t ic s o f a L P G V e h i c le

指 導 敎 授 韓 英 出

이 論 文 을 工 學 碩 士 學 位 請 求 論 文 으 로 提 出 함 .

2 0 0 1年 6 月 日

國 民 大 學 校 大 學 院 機 械 工 學 科

安 均 宰

2000

安 均 宰 의

工 學 碩 士 學 位 請 求 論 文 을 認 准 함 .

2 0 0 1年 6 月 日

審査 委 員 長

審 査 委 員

審 査 委 員

國 民 大 學 校 大 學 院

목 차

List of figur es ⅳ

List of t ables ⅴ

List of phot os ⅵ

국문요약 ⅶ

Ⅰ . 서 론 1

1.1 연구의 배경 1

1.2 연구의 개요 및 목적 4

Ⅱ . 이 론 적 고 찰 6

2.1 LPG 자동차의 특성 6

2.1.1 LP G의 상태량적 특성 6

2.1.2 LP G의 연소 특성 9

2.1.3 LP G 자동차의 시스템 구성의 특성 10

2.2 LPG 자동차의 배기가스 생성원리 14

2.2.1 일산화탄소(CO) 14

2.2.2 탄화수소(HC) 15

2.2.3 질소산화물(NOx ) 16

2.3 LPG 자동차의 성능에 미치는 인자 19

2.3.1 벤튜리(Vent uri) 지름 19

2.3.2 증발기의 압력과 온도 19

2.3.3 점화시기 20

2.3.4 흡입공기의 온도 21

2.3.5 기화열 22

2.3.6 공연비 23

2.4 전자제어장치(ECM ) 24

2.5 LPG 자동차 개발현황과 배기가스 규제 26

Ⅲ . 실 험 장 치 및 실 험 방 법 29

3.1 실험장치 29

3.1.1 실험기관 31

(1) 기관 31

(2) 증발기(Vaporizer ) 32

(3) 혼합기(Mix er ) 34

(4) ECM 및 제어장치 35

3.1.2 측정장치 37

(1) 기관동력계 37

(2) 배기가스 분석장치 38

3.2 실험방법 39

3.2.1 실험조건 39

3.2.2 배기가스 실험 40

Ⅳ . 결 과 및 고 찰 42

4.1 기관성능결과 42

4.1.1 출력 42

4.1.2 토오크 43

4.1.3 연료소비율 44

4.2 배기가스 배출 결과 45

4.2.1 질소산화물 45

4.2.2 일산화탄소 47

4.2.3 탄화수소 49

4.2.4 이산화탄소 51

Ⅴ . 결 론 52

R e f e re n c e 54

A b s tract 58

Li s t of f ig ure s

F ig . 3.1 S chem at ic diagr am of emission m easuring appar atu s 29 F ig . 3.2 S chem at ic diagr am of ECM 36 F ig . 3.3 Driving cycle for CVS - 75 t est pr ocedur e 39 F ig . 3.4 CVS 75 m ode pr ocedur e 40 F ig . 4.1 Com parison of engine pow er bet w een LPG w it h/ w ithout

ECM 42

F ig . 4.2 Com parison of engine t or que bet w een LP G w ith/ w it hout

ECM 43

F ig . 4.3 F E result s at CVS - 75 m ode driving condition 44 F ig . 4.4 NOx char act eristic by CVS - 75 m ode at each t est phase

46 F ig . 4.5 Com parison bet w een exhau st em is sion regulation and

experim ent al NOx em is sion by CVS - 75 m ode 46 F ig . 4.6 CO char act eristic by CVS - 75 m ode at each t est phase

48 F ig . 4.7 Com parison bet w een exhau st em is sion regulation and

experim ent al CO em is sion by CVS - 75 m ode 48 F ig . 4.8 HC charact eristic by CVS - 75 m ode at each t est pha se

49 F ig . 4.9 Com parison bet w een exhau st em is sion regulation and

experim ent al HC emission by CVS - 75 m ode 50 F ig . 4.10 CO2 emission result s at CVS - 75 m ode driving condition

50

Li s t of t abl e s

T able 2.1 Chemicophy sical char act er of LP G 8 T able 2.2 LP G light duty v ehicle exhau st emission st andar ds

28 T able 3.1 Specification of t est engine 31 T able 3.2 Specification of vaporizer 33 T able 3.3 Specification of cha ssis dynam om et er 37 T able 3.4 Specification of exhau st gas analy zer 38

Li s t of ph ot o s

Phot o. 3.1 Phot ogr aph of emission m ea suring appar atu s 30 Phot o. 3.2 View of v aporizer 34 Phot o. 3.3 View of mix er 35

Phot o. 3.4 View of ECM 36

국 문 요 약

국외에서는 전자제어를 주축으로 하여 공연비 제어가 필수인 촉 매기술의 적용으로 LPG 자동차의 배기가스를 저감하고 있으나 국 내에서는 기계식 혼합기를 사용함에 따라 가솔린기관에 비하여 공 연비 제어가 정밀하지 못하여 배기가스 저감효과가 크지 못하며, 또 한 공연비 제어에 대한 연구를 주로 가솔린 기관을 대상으로만 연 구되어 왔기 때문에 LPG 자동차의 기술수준은 선진국에 비하여 크 게 뒤떨어지고 있는 실정이다.

따라서, 본 연구에서는 대체 및 청정연료인 LPG를 사용하는 자동 차에 기존의 기계식을 개조한 전자제어 연료공급장치를 부착하여 배기가스 배출에 대한 실차 실험을 실시하였다. 전자제어 장치의 적 용유무에 따른 성능과 배기가스를 비교・분석한바 다음과 같은 결 론을 얻었다.

1. LP G 자동차에 전자제어 연료공급 장치를 장착 전후의 성능을 비 교해 본 결과 출력 및 토오크는 장착 전에 비하여 약 5%정도의 향상됨을 알 수 있었다.

2. 전자제어 연료공급 장치를 장착한 LP G 자동차의 배기가스 특성 을 장착전과 비교해 본 결과 탄화수소 및 일산화탄소는 각각 약 45% 및 10%정도 저감되고 질소산화물은 약간 저감됨을 발견하 였다.

3. 전자제어에 의한 최적 공연비 제어는 탄화수소와 일산화탄소의 배출저감에 지배적인 요인임을 확인하였다.

4. 현 운행중인 LP G 자동차에 ECM 장치를 장착하면 HC, CO 및 NOx의 현행 규제치를 만족함을 알 수 있었다.

5. 향후 국내의 배기가스 규제 강화와 선진국 수준의 배기가스 규제 에 만족하기 위해서는 전자제어 시스템과 다점 분사 및 LPG 전 용 촉매 개발이 필요하다고 판단된다.

Ⅰ . 서 론

1 .1 연 구 의 배 경

산업문명의 발달에 따라 인류의 운송수단으로 내연기관이 주류를 이루게 되면서 그에 따른 화석 연료의 사용량이 증가하게 되었다.

이에 따라서 자동차 대수 증가에 의한 지구환경오염은 날로 심각해 지고 있으며 내연기관에서 배출되는 유해물질로는 크게 배기가스중 이산화탄소(CO² : Carbon Dioxide)에 의한 지구온난화 현상과 일산 화탄소(CO : Carbon Monoxide), 탄화수소(HC : Hydrocarbon ), 질 소산화물(NOx : Oxides of Nitrogen ), 입자상물질(PM : Particulate Matt er ) 및 이산화항(S O² : Sulfur Dioxide)^{1 )}에 의한 대기오염으로 나눌 수 있다. 또한 인구 및 자동차 사용대수 증가로 인해 화석 연 료가 고갈되어 가는 여러 가지 문제점에 직면하게 되었다.

지구온난화 현상은 가시광선은 투과시키지만 적외선을 잘 흡수하 는 광화학성을 가지고 있는 온실효과가스인 CO², 메탄(CH⁴ : Methane), 아산화질소(N²O : Nitr ous Oxide ), 프레온(F r eon ) ^{2 )} 등에 의하게 된다. 이중에서도 CO²가 지구온난화에 미치는 영향이 거의 90%를 차지^{3 )}하고 있고, 자동차연료의 주종인 화석연료의 이상 연소 시 생성량이 많아지는 특성을 지니고 있으나 아직까지 CO² 자체를 전처리나 후처리기술로 저감할 수 있는 방안은 제시되지 않고 있으 며 연비를 줄이는 방안이 가장 현실적인 방법이다.

대기오염은 내연기관에서의 화석 연료의 연소에 의한 발생물에 포함된 각종 오염물질이 배출되고 있으며, 이중에서 대기오염의 원 인으로 되고 있는 것은 배기관으로부터 방출되어진 물질과 블로우

바이 가스(Blow by gas ) 및 연료계통으로부터 증발하는 증발가스, 그 외 기타 여러 가지에 의하여 발생^{4 )}하고 있다. 현재까지 주요 관 심대상 오염물질은 행정적으로 규제・관리가 용이하고 대기오염도 에도 크게 기여하는 것으로 알려진 CO, HC, NOx , PM 및 이산화항 (SO²)^{1 )}이었으나, 최근 들어 오존이 대기 중에서 미량 존재하나 장기 적으로 인체에 악영향을 초래할 수 있는 유기성 용해물질 (SOF : S oluble Organic F raction ), 벤조피렌 (Bap : Benzopyr ene) 및 포름 알데히드(F ormaldehyde) 등의 미규제 유해대기오염물질^{5 )}까지 관심 이 증가되고 있다. 특히 자동차 배출가스는 인체의 호흡기 질환과 발암 등의 만성적 유해성으로 인체의 건강피해가 크게 우려되고 있 다.^{6 )} 자동차에서 배출되는 오염물질량은 연간 175 만톤으로 국내 전 체 오염물질의 39.3%를 차지하며, 이중 CO와 HC의 기여도는 80%

를 상회하고 NOx의 경우도 45%를 넘고 있다.^{7 )} 국내에서는 선진국 에 비해 디젤기관의 보유비율이 높기 때문에 디젤기관에서 배출되 는 오염물질이 자동차 전체 오염물질 배출량의 67%를 차지하고 있 는 현실이다.^{8 )}

최근의 자동차 연료로서 화석 연료인 가솔린과 경유의 사용이 보 편화되었고, 인구증가, 경제성장, 기술진보 및 경제구조의 변화에 의 하여 화석연료의 사용량이 급격하게 증가함에 따라서 고갈성 화석 연료인 가솔린 및 경유가 자동차의 연료로 계속 사용된다면 자동차 보급률의 증가를 고려할 때 약 2040년경에 이르러 자원이 거의 고 갈될 것^{9 )}으로 예상하고 있다. 그러므로 인류에게 있어서 석유의 고 갈에 따른 대체에너지의 개발이 절실한 과제가 되어 가고 있다.

환경오염과 화석연료의 고갈의 두 가지 문제를 해결하는 측면과 점점 강화되는 배기가스 규제에 대응하기 위해서 청정한 대체연료

이면서 청정연료를 사용하는 방안이 계속 연구되고 있다. 가솔린 및 경유의 대체연료로서 LPG 및 CNG 등 청정연료의 사용이 점차 확 대되고 있는 실정^{1 0 )}이다.

LPG는 프로판과 부탄으로 구성되어 있어 일반적으로 연소과정을 살펴보면 LPG를 사용하는 것이 가솔린기관에 비하여 높은 수소/ 탄 소 비에 의하여 CO²의 발생량이 적으며^{1 1 )} 약 10%정도 적게 배출^{1 8 )} 되고 온실가스 발생량은 15%정도 낮다^{1 0 )}고 알려져 있다. NOx와 PM같은 배기가스에 대한 미래의 엄격한 규제를 대처하기 위해서, LP G를 연료로 하는 SI기관을 많이 연구하고 있으며 대형기관에서 도 연구가 활발히 진행되고 있다.^{12 )}

LPG 자원은 현재 두가지의 공급경로^{1 3 )}로 보급되고 있으며, 하나 는 석유정제로부터이고, 다른 하나는 천연가스의 가스 정제로부터이 다. LPG 생산량은 1997년 기준으로 세계의 LPG 생산량의 61%는 천연가스의 분해에서 공급되어지고 있다.^{14 )} 또한 천연가스의 가채년 수는 약 65년으로 계산되어지고 있다.^{15 )}

선진국에서 개발된 LPG 자동차의 경우에 있어서는 가솔린 자동 차에 비해 배기가스가 현저하게 낮으며^{16 ,1 7 )}, 연료공급방식으로 인젝 터를 사용한 전자제어방식 연료공급장치를 주로 사용하고 있으나, 국내는 공연비 제어에 대한 연구를 주로 가솔린 기관을 대상으로만 연구되어 왔기 때문에 LPG 자동차의 기술수준은 선진국에 비하여 크게 뒤떨어지고 있는 실정^{1 8 )}이다.

따라서, 이 중에서 현재 가장 기대를 가지는 연료 중의 하나인 액 화석유가스를 사용하면서 전자제어 연료공급시스템을 적용한 LPG 자동차를 선택하여 국내 소형자동차의 규제모드인 CVS - 75 모드에 따른 배기가스에 미치는 영향에 대하여 연구하고자 한다.

1 .2 연 구 의 개 요 및 목 적

20세기에 들어오면서 가솔린과 경유의 사용량 증가의 가속화에 의하여 대기오염과 그 가채량의 한계에 의한 문제점이 심각해지고 있으며, 이에 대한 대처방안으로서 천연가스를 사용한 대체연료 자 동차가 주 연료로 차지하는 비율이 높아질 것으로 예측^{9 )}되고 있다.

LPG 자동차는 구조적인 측면에서 가솔린 기관과 달리 압력연료 탱크, 증기압조절기, 연료공기혼합기 및 연료량 조절시스템^{19 )} 등으로 구성되어 있으며, 현재 국내의 LPG 자동차는 대부분 소형 가솔린기 관을 LPG로 대체하고 있다. 그러나 현재 국내의 LPG 자동차는 기 계식 혼합기를 사용함에 따라 가솔린자동차에 비하여 공연비 제어 가 정밀하지 못하여 가솔린 기관에 비하여 배기가스 저감효과가 떨 어지며, 또한 인젝터를 흡기관이나 연소실 내에 직접 설치하여 연료 를 공급하는 시스템 도입^{2 0 ,2 1 )}이 필요과제로 되었다.

그러나, 지금까지의 LPG 자동차는 가솔린기관에 비하여 연구개발 이 뒤따르지 못하여 배출가스가 더 많이 배출되는 문제점이 있었고 이에 대한 대책 기술 개발로써 LPG 자동차는 연료시스템 적용 단 계부터 개발되기 시작하였다. 즉, 카뷰레터를 사용하는 기화기 시스 템 단계에서 전자제어를 도입한 전자제어식 연료시스템 단계와 다 점분사 시스템^{2 2 )}으로 개발되면서 공연비 조절과 출력저하의 문제를 해결해 왔다. 국외에서는 이와 같은 기술의 적용이 활발하여 전자제 어를 주축으로 하여 공연비 제어가 필수인 촉매기술의 적용으로 가 솔린기관에 비교하여 LPG 자동차의 배출가스를 저감^{2 0 )}하고 있으나 국내에서는 아직 미흡한 실정^{1 8 )}이다.

본 연구에서는 대체연료 및 청정연료를 사용하는 LPG 자동차에 기존의 기계식을 개조한 전자식 연료공급장치를 부착하여 출력과 토르크에 대한 성능 실험과 주 대기오염원인 CO, HC, NOx 및 CO² 에 대한 배기가스 배출에 대한 실험을 실시하여 그 결과로써 향후 LP G의 자동차의 성능 향상 및 배기가스를 저감하여 에너지 절약과 대기오염 방지에 조금이나마 기여 하고자 함을 목적으로 한다.

Ⅱ . 이 론 적 고 찰

2 .1 L P G 자 동 차 의 특 성

2.1.1 LP G의 상태량적 특성

순수한 LPG는 무색, 무취, 무미한 탄화수소의 일종^{2 4 )}이고, LPG의 비중은 액체 프로판의 비중은 0.51, 기체 프로판의 비중은 1.52이며 액체 노말 부탄은 0.58, 기체 노말 부탄은 2.01이다. 따라서 액체 LP G는 물보다 가벼우나 기체 LPG는 공기보다 1.5～2.0배 무거우며 가솔린 기관에 비하여 73% 수준이다.^{2 5 )} LP G는 대기 중에 누출되면 공기보다 무겁기 때문에 아래로 깔리게 되어 확산되지 않고 폭발이 일어날 수 있다. LPG는 냉각이나 압력을 가하면 쉽게 액화하고 또 한 반대로 가열이나 압력을 제거하면 다시 기체로 변화하는 특성이

있다.^{2 6 )} 보통 자동차용 LPG는 가압(액화)된 상태로 14 bar의 고압용

기로 된 연료탱크에 저장되어 있다.^{2 0 )} LP G 연료의 밀도는 온도에 따라 영향을 받는다. 20℃에서 부탄 밀도는 2.42 kg/ m³이고 80℃에 서 부탄의 밀도는 2.01kg/ m³이다. LPG는 비중과 부피가 온도 변화 에 따라 크게 변하기 때문에 실린더에 충진되는 LPG의 부피는 법 령에 의해 명확하게 규정되어 있고 여분의 LPG를 탱크에 충진하는 것을 피하여야 한다. 그리고 LPG 자동차의 배기가스 편차의 원인중 한가지이다.^{2 5 )} LP G의 비점은 1.013 bar의 대기압에서 액체로부터 기 체의 상(Phase)으로 전이하는 온도를 말하며 이 온도 이상이 되면 증기압이 1.013 bar를 초과하게 된다. 프로판과 노말부탄의 비점은 - 42.1℃와 - 0.5℃로서 LP G의 비점은 가솔린의 비점(35～232℃)^{2 7 )}보

다 훨씬 더 낮다. 액체 LPG는 기화할 때 약 240배 정도 팽창하므로 적은 양의 액체 LPG가 누출되어도 큰 부피의 가스로 팽창되기 때 문에 용기에 충진할 경우 일정한 공간을 남겨둘 필요가 있다. 프로 판과 노말 부탄의 용융점은 각각 - 188.7 ℃와 - 138.4 ℃이며 용융점 은 LPG취급상 그다지 중요하지 않다. LPG의 증기압은 온도와 구성 성분에 의해 결정되어진다. 증기압은 연료를 압송하는 중요한 역할 을 하여 LPG 자동차에서는 연료펌프가 불필요하게 된다. LPG에서 온도와 증기압의 관계는 온도가 높게 되면 압력도 높으며, 프로판 성분이 많으면 압력이 높게 된다. 프로판 30%일 때는 영하 15 ℃에 서 0.3 bar이고 부탄 100% 일 때는 영상 5 ℃에서 0.3 bar이다.^{2 5 )} 또한 액체량의 다소는 압력에 영향을 주지 않고 프로판과 부탄의 혼합비율 및 온도에 따라 변화한다. 프로판의 잠열은 448.4 kJ/ kg이 고 노말 부탄은 383.1 kJ/ kg이며 LPG가 기화하기 위해서는 액체 온 도에 해당하는 기화열이 빼앗기게 되므로 액체온도는 내려가게 되 고 따라서 증기압도 낮아지게 된다. 프로판 또는 부탄을 액화시키기 위해서는 상온에서 가스의 압력을 그 온도에서의 증기압 이상으로 상승시키거나 상압에서 가스의 온도를 그 압력에서의 비점 이하로 강하시켜야 한다. 프로판 또는 부탄을 액화하면 그 부피는 약 250분 의 1로 줄어든다. 따라서 액체상태로 저장하거나 운반하면 작은 용 기에 대량의 가스를 저장할 수 있게 되므로 취급상 편리하게 되는 것이다. 따라서 규정 질량 이상으로 과충전하게 되면 60℃ 이하의 비교적 낮은 온도에서 액체로 충만하게 되어 그 이상 가열되면 용 기가 파열하게 된다. 용기에 LPG를 85% 이상 충진하지 못하도록 하는 것은 이러한 이유 때문이다.^{1 9 ,2 5 )} T able 2.1은 LP G의 물성치를 나타낸다.

T able 2.1 Chemicophy sical charact er of LP G

It em s

Cla s sification

LP G

P et r ol P r opan e P r o -

py len e n - bu t an e

I - bu t an e

M olecu la form u lar C

H

C

H

C

H

C

H

C

H

Bolin g p oint (℃) - 42.07 - 47.70 - 0.50 - 11.73 128

V apor pr es sur e

(K gf/ cm

, 20℃) 8.0 9.8 2.0 2.95 ・

S pecific g r av it y

Liquid

(15℃) 0.508 0.522 0.584 0.563

0.66

～ 0.75

Ga s (15℃)

du e t o air 1.548 1.453 2.071 2.067 ・

2.1.2 LP G의 연소 특성

LPG의 발열량은 약 50,240 kJ/ kg으로 가솔린의 발열량 약 46,890 kJ/ kg에 비교하면 1 kg당 약 4,186 kJ/ kg이 더 큰 것으로 고압축비 기관에 사용할 경우, 일반 가솔린의 경우 질량기준으로 열효율이 약 105% 정도 높게 되어 있다.^{2 4 ,2 5 )} 이것은 동일 하중으로 주행한 경우 의 연료소비량에 대한 차이로 나타나며 또한 주행거리가 길어지므 로 결국 동일 출력을 얻기 위해서는 연료 소비량이 가솔린의 경우 보다 적게 되므로 경제적이다.^{1 9 ,2 8 )}

LPG를 연소시키기 위해서는 공기량이 지나치게 많거나 적게 되 면 연소가 일어나지 않게 되나 LPG는 프로판과 부탄의 혼합물이므 로 연소한계의 상한과 하한을 정확히 정하기는 매우 곤란하지만 공 기 중에 LPG가 최소한 2 ～ 9%의 범위로 가솔린 1.5 ～ 5.0% 보다 도 넓지만 그 밖의 다른 가연성 가스보다는 훨씬 협소하게 되어 있 다. 점화한계는 이론공연비에 비하여 0.4 ～ 2.0이며 가솔린기관은 0.4 ～ 1.4, 디젤기관은 0.5 ～ 1.4이다.^{2 7 )} 가솔린이 기화에 필요한 공 기량이 14.78 kg인데 비하여 LPG는 15.49 kg이므로 더 많은 공기량 이 필요하다.^{2 4 )} 폭발한계에 의하면 LPG의 위험도는 도시 가스보다 는 훨씬 적으나 가솔린에 비하면 다소 크게 나타난다. LPG의 화염 전파 연소속도는 0.81～0.82 m/ s로서 가솔린의 0.83 m/ s보다 비교적 늦기 때문에 점화시기를 가솔린보다 빠르게 진각시키지 않으면 시 동성이 나쁘게 되고 주행 중 기관의 작동상태가 원활치 못하게 된 다. LPG는 보통온도에서는 항상 인화점 이상으로 존재하며 착화점 은 프로판이 490 ～ 550 ℃로서 가솔린의 360 ～ 380 ℃에 비해 착

화점^{1 9 )}이 높은나 이것은 연소한계나 연소속도와 더불어 LPG가 다른 가연성가스에 비하여 비교적 안전성이 우수하다는 것을 의미하는 것이며, 특히 자동차용 연료로도 취급여하에 따라서는 훨씬 안전한 연료라는 것을 의미한다. LPG의 옥탄가는 가솔린보다 약 10%정도 더 높아 자동차의 연료로서 가솔린보다 우수하다. 체적효율의 감소 에 따른 손실은 옥탄가가 높아 고압축비를 통해 충분히 극복될 수

있다.^{2 0 )} LP G는 프로판이나 부탄같이 포화 탄화수소의 화합물이므로

화학 반응이 거의 없는 매우 안정된 화합물이지만 가솔린처럼 용해 성이 있으며 특히 천연고무나 페인트를 용해시키기 때문에 기구의 설치나 배관을 시공할 때에는 반드시 LPG에 침식되지 않는 재료를 선택하도록 평소부터 각별히 유의하여야 한다. 또한 프로필렌 및 부 틸렌은 산소나 기타 화합물과 결합하기 쉽고 타르나 고무와 같은 물질을 생성하여 고장의 원인이 될 뿐 아니라 침식성이 강하기 때 문에 함유량이 적도록 하여야 한다. LPG는 다른 가연성 가스에 비 하여 무독성이며 옥탄가가 높아서 완전연소가 가능하므로 대기오염 문제에 거의 안전하다고 할 수 있다.

2.1.3 LP G 자동차의 시스템 구성의 특성

LPG 자동차에서 연료의 공급 경로는 가솔린기관과 LP G 기관이 거의 흡사하게 되어 있으나 기본적인 차이점은 연료를 기화시키는 장소와 공급 방식이다. 즉 가솔린의 경우는 카뷰레터에서 분무화 상 태(Atomization )의 액체 혼합가스가 흡입 매니폴드(Intake manifold) 에 흡입되어 그곳에서 기화하게 되어 있지만 LP G는 증발기

(Vaporizer )라는 일종의 가스 조정기에서 완전히 기화되어 가스체의 연료가 전용 혼합기(Mix er )나 본래의 가솔린 카뷰레터에 장치된 아 답터(Adapter )와 같은 일종의 혼합기 장치를 거쳐 완전한 기체연료 로 흡입 매니폴드로 흡입된다.

또한 LPG 자동차의 ECM (Electronic Control Module)은 가솔린기 관의 전자제어(ECU : Electronic Control Unit )와 아주 흡사하다.

LPG 자동차의 장점으로는 CNG와 거의 유사한 청정 연료의 사용 이며, 액체상태로 이동과 공급이 용이한 장점^{2 0 )}이 있다. 상온에서 액 체상태이므로 취급과 운반이 용이하고 냉각이나 가압에 따라 쉽게 변하므로 저장이 용이하다. 기화시 완전한 기체로 공기와 균일한 혼 합이 되는 연료이기 때문에 각 기통으로의 혼합기 분배성이 양호^{2 9 )} 하여 공기연료비를 희박하게 할 수 있다. 연료자체의 증기압으로 압 송하므로 연료 펌프가 필요 없다. 기화흡입을 하기 때문에 가솔린을 사용할 때 발생하기 쉬운 퍼컬레이션(Percolation )이나 증기 폐색 (Vapor lock )현상 등이 일어나지 않는다. 가솔린 기관에 비하여 기 화성이 좋기 때문에 연소가 균일하여 기관 소음이 적다.

옥탄가는 90～125로 높기 때문에 가솔린에 비하여 고출력과 고효 율을 얻을 수 있는 고압축비가 가능하고^{2 6 )} 가연 한계가 적기 때문에 안정적이고 희박연소가 가능하고 가솔린에 비교하여 발열량이 높아 연료소비량을 저감시킬 수 있으며 냉각손실이 적고 내열성이 우수^{2 9 )} 하다. 또한 가솔린에서 문제시되는 노킹이 LPG기관에서는 높은 옥 탄가로 인하여 노킹을 일으키지 않으므로 기관의 수명이 연장^{1 9 )}되며 소음도 적다.

LPG의 황함유량이 매우 적어 기관의 부식이나 오손될 염려^{3 0 )}가 없어서 기관과 점화플러그의 수명이 길고 배기가스에 의한 금속의

부식 및 배기관, 머플러 등의 손상이 적다. 또한 가솔린에 의한 윤 활유의 희석이나 오염이 없기 때문에 실린더의 마모도 적고, 윤활유 는 수명도 길다.^{1 )}

연료조성이 단일성분으로 거의 완전 연소되므로 피스톤, 밸브 및 점화플러그에 탄소 부착이 적고 비점이 낮아^{2 6 )} 실린더 밖에서 기화 하므로 카본의 퇴적이 적어 점화플러그와 기관오일의 수명이 연장 된다. 또한 완전 연소에 의하여 PM의 발생량이 적고 가솔린에 비하 여 CO와 HC가 적으나 NOx의 발생량은 약간 증대한다.

LPG는 기존의 내연기관의 구조를 크게 변형시키지 않고도 적용 이 가능하여 LPG기관으로 개조 비용이 적어서 가솔린기관에 많이 사용되어 왔으며 디젤기관에도 적용이 가능하고 기술적, 경제적으로 실용화의 가능성이 높고 다른 대체연료에 비하여 국내의 LPG 충전 소에 의한 공급이 원활하므로 실용화가 좋다.

LPG 자동차의 단점으로는 인화점이 낮고 비중이 공기보다 무거워 대기중에 노출될 경우 대기중으로 쉽게 확산하지 않고 축적되어 화 재와 폭발의 위험성이 크다.^{2 0 )} 이에 따른 대책으로 고압 연료탱크의 사용으로 차의 중량이 증가되고 큰 용기의 사용으로 트렁크 사용공 간이 적고 기화잠열이 크므로 냉시동성이 좋지 않기 때문에 동절기 시동이 어렵다.^{1 9 )} 혼합기의 단위질량당 발열량은 높지만 단위체적당 발열량은 가솔린은 3890 kJ/ Nm³인데 비하여 LPG는 3700 kJ/ Nm³이 고^{1 )} 충진효율이 저하되기 때문에 가솔린에 비하여 5～10% 정도 출 력저하가 발생하며 압축비를 높일 필요성^{1 )}이 있으며 높은 회전수에 서 공기량을 증가시킬 흡기계통의 개조가 필요하다. 가솔린기관에 비하여 착화지연시간이 길어 점화진각을 더 크게 하여야 하며, 착화 온도가 높아 더 강력한 점화장치가 필요하다. 윤활유의 점도 변화가

크므로 LPG 기관전용 윤활유의 사용이 필요하며 계절에 따라 운전 성이 불균일하여 온도와 연료조성에 따라 배기가스의 조성이 다르 며 질소산화물과 알데히드의 대책이 필요하다.

연료의 취급과 공급절차가 복잡하고 안전상 취급문제가 증발기 내의 타르나 고무와 같은 물질을 수시로 배출할 필요가 있다.^{3 1 )}

국내에서는 LPG 충진소의 부족과^{3 2 )} 가솔린이나 디젤에 비해 동일 체적당 에너지 밀도가 70 ～ 75% 수준으로 낮으므로 한 번 충진으 로 주행거리가 짧기^{2 0 )} 때문에 장거리 운행에 제약을 받는다. 잔류 유분이 있어서 때로는 증발기의 작동을 불량하게도 만든다.^{3 0 )}

2 .2 L P G 자 동 차 의 배 기 가 스 생 성 원 리

2.2.1 일산화탄소(CO)

CO는 무색, 무취 및 무향의 유독성 기체로서 농후한 연공비에서 운전할 때 산소 부족으로 연료가 불완전연소하여 발생한다. 모든 탄 소를 이산화탄소로 변화시키기에 충분한 산소가 존재하지 않을 때 약간의 연료는 연소되지 않고 탄소 중 일부는 CO로 남게 된다.^{3 3 )} CO의 발생을 감소시키기 위해서는 희박상태로 연소시키면 CO를 감 소시킬 수 있다. 디젤기관의 경우 LPG 기관보다 희박상태에서 운전 하기 때문에 CO가 LPG기관보다 더 적게 배출되며 가솔린기관과 비 교하면 이론공연비 또는 희박상태에서 연소되기 때문에 CO가 가솔 린기관보다는 적게 생성된다. LPG기관에서 과농상태에서의 배출가 스 CO 농도는 공연비의 증가와 함께 점차로 증가하며 초희박혼합에 서 배출가스의 CO 농도는 공연비와 함께 거의 변하지 않지만 팽창 과 배기과정 동안 국부적인 공기부족의 부분인 연소실 벽면에서의 퇴적물이나 윤활유 그리고 연소실에서의 틈으로부터 나오는 미연 HC가 부분적으로 산화될 때 CO가 발생하여 증가^{1 )}한다. CO 형성은 HC연소 메카니즘에서 주요 반응단계 중 하나이며 CO 형성의 예로 다음과 같은 경로가 있다.^{3 4 )}

(2.1) R H R RO₂ R CH O R CO CO

여기서 R은 HC기를 나타내며 이런 경로를 통해 연소과정에서 형

성된 CO는 점차 CO²로 산화되기도 한다.

LPG 기관에서 점화 시기는 공연비와 함께 CO 발생에 영향을 준 다. 농후한 공연비에서는 CO의 영향은 거의 없으나 잉여 산소가 존 재하는 공연비의 범위에서 점화시기를 늦추면 CO도 재반응하여 감 소되기 시작한다. 점화시기를 더 지연시키면 CO는 급속히 감소^{1 0 )}한 다.

2.2.2 탄화수소(HC)

농후한 혼합기는 모든 탄소와 반응할 수 있을 만큼 산소량이 충 분하지 않으면 배기가스 생성 물질 속에 HC와 CO가 함유된다. 특 히 기관을 시동할 때에는 공기와 연료의 혼합을 농후하게 하므로 이러한 현상이 일어난다.^{3 3 )} 기존 기관의 경우 HC의 대부분이 시동 직후에 배출되는데, 그 요인중 하나인 냉간시 액상의 가솔린이 기화 하기 어려운 점에 기인 하지만 LPG 기관은 연료가 기체상태이기 때문에 냉간 시동 직후 HC의 배출량이 적으며 유황성분 등의 불순 분을 함유하지 않으므로 아황산가스(SO²)를 배출하지 않는다는 이 점이 있다. LPG는 가솔린이나 경유보다 낮은 분자량을 가진 HC를 포함하고 있으며 이 HC는 대부분 C⁴H¹⁰으로 구성하고 있기 때문이 다. LPG 기관의 연소실 내에서의 HC 생성은 낮은 온도의 연소실 표면에 접촉해서 연소가 진행하지 않거나 희박연소일 경우 연소 온 도의 저하로 틈새(Crevice) 사이에 더 용이하게 유입된 HC가 팽창 행정에서 산화되기 어렵게 되어 미연 HC가 증가하며 또한 연소실 에서 느린 혼합 또는 산소부족으로 인하여 국부적인 과농상태로 되 어 화염전파 또는 점화가 일어나지 않거나 느린 반응에 의해서 불

완전연소의 생성물이 만들어지기도 한다.^{3 5 )} LP G 연료는 오일에 용 해되지 않기 때문에 오일 막에 의한 HC 배출량은 적다.^{3 3 )} LP G 기 관에서 점화 시기를 진각시키면 연소의 종료 시기가 빨라지므로 배 기 온도가 저하됨에 따라 HC 발생량도 증가한다.^{1 9 )}

2.2.3 질소산화물(NOx )

질소산화물은 NO, NO², NO³, N²O, N²O³, N²O⁴ 및 N²O⁵ 등이 존 재하나 그 중 연소실에서 생성되는 90%이상이 NO로 되고 있다.

NO는 연소에 의한 고온과 고압에 의해서 질소분자와 산소분자사이 의 반응에 의해서 생성된다.^{1 )} 대기 중으로 방출된 NO는 다음과 같 이 NO²로 산화되며 광화학스모그(Photo- chemical sm og ) 현상을 일

으킨다.^{2 0 )}

(2.2) N O + O3 N O2 + O2

연소에 의한 NO의 발생 원인을 반응된 질소의 종류와 산화 화학 반응에 의해 분류하면^{3 6 )}, T herm al NO 생성은 연소용 공기중의 산 소가 고온에서 유리되어 연소용 공기중의 질소분자를 산화시켜 생 성되며, Prompt NO 생성은 연소시 연료에서 발생되는 탄화수소기 가 연소용 공기중의 질소와 반응하여 생성한다. 또한 Fuel NO 생성 은 연료에 존재하는 화학적으로 결합된 질소성분이 연소과정에서 산화하여 생성한다. T herm al NO는 산소의 농도, 화염온도 및 체류 시간이 적당하기만 하면 고온영역 어디에서나 발생될 수 있으며 대 부분의 연소장치에서 NOx의 대부분을 차지하고 있고 생성량은 연

소온도가 높고 연소영역에서 산소농도가 높을 때 많이 생긴다.^{3 7 )} T herm al NO 생성의 주된 반응식은 Zeldovich^{3 8 )}가 연구한 Zeldovich m echanism으로 알려진 식으로 주어진다. 이 반응식은 연 료와 공기의 혼합물이 이론공연비 부근 또는 연료가 희박한 상태에 서 연소될 때 잘 적용된다.

(2.3) O2 2O

(2.4) O + N2 N O + N

(2.5) N + O₂ N O + O

일반적으로 연소가스 중에서의 산소분자는 약 2000 K 전후의 고 온에서 식(2.3)의 분해반응에 의해 산소원자를 생성하게 된다. 이 산 소원자와 질소원자가 반응하여 식 (2.4)의 NO를 생성하고 동시에 질소원자를 유리한다. 이 질소원자는 산소분자와 반응하여 식 (2.5) 의 NO를 생성하고 산소원자를 발생시켜 연쇄반응을 일으킨다.

Lav oie^{3 9 )} 등은 연료에 대한 산소의 비율이 적어지는 경우 식 (2.4) 의 속도가 느려지고 이 상태에서 OH기가 존재한다면 식 (2.5)의 반 응도 NO 생성에 기여한다고 제안하였다.

(2.6) N + OH N O + H

식 (2.4), (2.3) 및 (2.6)을 합하여 Ext ended Zeldovich mechanism 이라고 부른다.

온도가 일정할 때 공연비가 감소할수록 NO의 평형농도는 증가하

며 공연비가 일정할 때는 온도가 증가할수록 NO의 평형농도는 증 가하나, 실제 연소계에서는 약간 희박한 경우에 얻어진다. 즉, 연료 의 농도가 약간 높을 경우 연소계의 온도가 최대가 되지만 연료에 의해 우선적으로 산소가 모두 소비되어 버린다. 또 공연비가 작아져 서 산소 농도가 증가할지라도 온도저하로 인한 NOx 생성 억제효과 가 산소과잉에 의한 NOx 생성 촉진효과를 능가하므로 NO 농도는 떨어지게 된다.^{4 0 )}

가솔린기관에서 NOx의 발생량은 적지만 LPG 기관은 연소온도가 높아서 NOx 배출량이 가솔린기관보다 많이 배출한다. 그러나 점화 시기를 지연시키면 연소온도가 낮아져 NOx의 배출량도 적게 된 다.^{1 9 )}

2 .3 L P G 자 동 차 의 성 능 에 미 치 는 인 자

2.3.1 벤튜리(Vent uri)의 지름

LPG 혼합기의 벤튜리 지름은 최대 출력을 목표로 하는 연료소비 율과 가속 성능에 영향을 미치며, 가속성, 연료소비량 및 시동성과 관계가 있다. LPG 혼합기의 흡입저항은 적어야 하며, 동일 벤투리 지름도 흡입저항의 차이에 의하여 흡입공기량과 흡입다기관의 부압 에 따라 다르다. 또한 벤튜리 지름은 흡입관부하와 흡입공기량에 영 향을 준다. 벤튜리 형상과 혼합기의 공기통로의 형상에 따라서 흡입 공기량은 다르며 또한 흡입 다기관 부 차이에 따라서도 영향을 받

는다.^{1 9 )}

2.3.2 증발기의 압력과 온도

부탄 및 프로판의 혼합물을 용기에서 액체의 상태로 송출할 때, 그 액의 조성 변화가 없어도 온도 증기압 곡선에 따라서 혼합비율 이 동일해도 용기 온도에 따라 증기 압력은 변화한다.

증발기는 기관 냉각수에 의해 대부분 연료의 증발 잠열과의 열교 환이 이루어지며, 동절기 시동시에 열교환을 담당하는 냉각수가 차 가운 상태로서 1차실 내에는 액체가 다량 유입되어 그 온도에서 포 화되어 있는 가스를 사용하여 기관에 공급하고 있다.

기온 - 15℃에서 60% 프로판을 사용할 때, 증발기 냉각수 온도가 48℃가 되면 정상으로 유지되므로 이것은 시동 후 최저 5분간 워밍

업이 요구된다.^{1 9 )}

워밍업 이전에 주행하면 다량의 LPG 연료를 소비하므로 1차실의 열교환량이 부족할 때 증발기에 아이싱 현상이 일어나므로 주의가 요구된다. 중・고속으로 주행시 증발기 1차실에는 40%이상의 액체 가 존재하기 때문에 중・고속 주행시 급감속하여 연료 소비를 거의 차단하면 증발기 2차 밸브가 닫히게 되므로 1차실에서의 열교환이 급히 진전되어, 1차실 압력이 비정상적으로 높아진다. 이 때 높은 1 차실 압력으로 인하여 다시 2차 밸브를 열어 액상으로부터 기화된 액체 연료가 혼합기가 농후하게 되며, 혼합기가 농후함에 따라 CO 및 HC 발생이 급격히 증가되고, 이중 HC 과다에 따라 후연소 현상 이 발생된다.^{19 )}

2.3.3 점화시기

가솔린 기관에 LPG 연료를 적용할 경우 점화플러그의 점화에서 화염전파 개시까지의 크랭크각이 크다. 수냉식 직렬 4기통 4사이클 1.9 l 의 자동차용 기관을 사용하여 지압계에 의해 측정한 기통 내압 과 크랭크각을 반복한 결과^{1 9 )}에 의하면 LPG 연료는 점화플러그에서 점화는 크랭크 각도로 상사점 전 61°이지만, 화염전파 개시 크랭크 각도는 BT DC 21°이었고 가솔린에서의 점화시기는 BT DC 53°이 지만, 착화시기는 LPG 연료와 동일한 BT DC 약 21°이었다.

LPG 연료에서는 착화 지연시의 크랭크 각은 크기 때문에 LP G 연료 구동 기관에서는 점화시기를 가솔린의 경우보다도 진각이 필 요하다. 보통, 가솔린기관의 점화시기는 노킹(Knocking )을 고려하여 결정하고 있지만, LPG 연료 기관의 경우에는 LPG 연료의 반노크성

의 특고급 가솔린 연료와 동일한 정도이므로 점화시기의 진각이 요 구된다. 가솔린 점화 특성과 LPG 연료 점화 특성은 각 회전 속도에 있어서 최고 출력을 얻는데 차이가 있지만, 외국 LPG 연료 자동차 의 점화 진각은 가솔린기관의 점화 진각을 평행 이동시켜 사용하고 있다. 또한 점화시기는 공연비와 함께 연소에 미치는 영향이 매우 크며, 점화시기를 진각시키면 연소 최고 온도가 높아져 NOx가 증가 된다.

2.3.4 흡입공기의 온도

LPG 연료를 사용하는 기관의 기화기에 공급되는 혼합비가 대기 온도 및 대기 압력에 의해 변화한다. 흡입 공기 온도와 관련하여 온 도가 상승하면 흡입 공기 밀도가 감소하며, 기관의 체적 효율이 저 하되므로 출력도 감소한다. 기관에 공급되는 공연비도 농후하게 된 다.

전부하 운전에서는 점화 진각을 최적 위치에 조정하고 기화기에 유입되는 공기 온도는 21 ～ 54 ℃까지 변화시킬 때 출력 저하를 각각의 회전속도에서 측정하고, 특히 3400 rpm의 경우 온도 10 ℃ 상승함에 있어서 약 2%의 출력 저하를 나타내고 있다. LPG 자동차 에서 고회전시의 출력이 가솔린기관 기화기 사용할 때에 비하여 약 3.5 ～ 5%정도 낮아진다. 이와 같은 차이를 적게 하기 위해 LP G 자 동차에서 공기와 연료의 혼합기의 온도를 낮추면 출력과 연비가 좋 아진다. 흡입공기 온도가 21 ～ 54 ℃ 상승시 공급 공연비는 약 1 정도 농후하게 된다. 동일 온도 범위에 대하여 가솔린기관에서는 0.7정도 농후하게 된다.^{1 9 )}

2.3.5 기화열

가솔린기관보다 기화열이 큰 LPG 자동차에서는 가솔린기관과 동 일한 공연비 일 때 LPG 연료가 가솔린기관에 비하여 약 3℃ 정도 온도 강하를 보이고 있으며, LPG는 공연비가 작을수록, 즉 농후한 혼합기가 될수록 흡기관내 혼합기의 온도는 거의 선형적으로 강하 하고 있다. 이는 혼합기중에 LPG의 성분이 많을수록 기화잠열의 영 향이 커지고, 이에 따라 흡입공기의 온도가 더욱 낮아지게 되기 때 문이다. 또한 기관 회전속도가 증가할수록 혼합기량이 많아지고 LP G 연료량도 증가하기 때문이며, 여기에서 오는 압력강하의 영향 도 포함되는 것으로 생각된다.^{4 1 )}

가솔린기관과 LPG 자동차를 비교하면 흡입공기량은 가솔린기관 의 경우 약 10%정도 많음을 보여주고 있다. 이것은 LPG와 가솔린 의 비체적이 서로 다른 영향으로서, LPG는 기화기를 지나는 동안 기화하여 공기와 혼합되고, 반면에 가솔린은 분무 상태로 공기와 혼 합되고 기화하므로 LPG가 가솔린에 비해 혼합기중에서 차지하는 체적 비가 커지고, 이에 따라 흡입공기량이 감소한 것이다.^{4 2 )} 또한, LP G 연료가 가솔린에 비하여 잠열에 의한 온도 강하가 크고 LP G 는 기체상태로 공기와 혼합하고, 반면에 가솔린은 분무상태로 공기 와 혼합하므로 혼합기에서 공기의 질량율은 LPG의 경우가 가솔린 에 비하여 적다. 따라서 동일 체적 유량의 혼합기에서 LPG인 경우 가 가솔린에 비하여 흡입공기량이 적으므로 체적 효율이 저하^{4 3 )}되어 출력이 낮아지는 것으로 생각된다.

2.3.6 공연비

흡입 과정중 실린더 내로 유입되는 흡입 공기량은 기관의 출력에 직접적인 영향을 미치므로 출력 향상을 위해 흡입과정에 관한 연구 가 활발히 이루어지고 있다.^{4 4 )}

LPG 자동차에서 공기와 연료의 혼합비 변화에 따른 흡입공기량 에 의해 흡기 온도에 미치는 영향은 매우 크므로 공연비가 출력에 매우 큰 영향을 준다고 볼 수 있다. 공연비 변화에 대한 흡입상태 변화를 살펴보면, 공연비가 변함에 따라 연료의 기화 열량이 변화하 여 흡기 온도의 변화를 가져오며, 또한 흡입 공기량에 영향을 주기 때문에 기관 출력에도 영향을 미친다.

LPG 자동차가 가솔린 기관에 비하여 대체적으로 출력이 저하하 는 것은 연료의 단위 질량당 발열량은 LPG가 가솔린보다 크지만, 이론 공연비는 LPG가 15.6 : 1이고 가솔린은 14.7 : 1이기 때문에 혼합기의 단위체적당 발열량이 상대적으로 낮아지기 때문이다.^{4 5 )}

2 .4 전 자 제 어 장 치 (E CM )

자동차의 기술의 개발에 따라서 LPG 자동차도 전자제어를 도입 한 전자제어식 연료시스템으로부터 촉매기술가 이에 따른 공연비 조절을 원활하게 하기 위하여 전자제어를 도입하게 되었다. 가솔린 기관의 전자제어를 도입한 전자제어 기화기와 LP G 자동차의 ECM (Electr onic Contr ol Module)은 매우 유사하다.

이론 공연비의 제어는 공연비 피드백 방식으로 실행되고 있다. 피 드백이란 오디오 장치의 앰프에 사용되는 네거티브 피드백 출구의 신호를 입구에 보내는 것과 같이 배기계의 산소센서에서 출력되는 신호에 의해 입구의 공연비를 제어한다.

부탄과 프로판의 혼합물인 LPG 가스 연비식은

(2.7) Cn H m + ( n + m

4 ) O2 n CO2 + m

4 H2O

에 의해 프로판이 15.62 : 1, 부탄이 15.38 : 1이 된다.^{1 9 )}

LPG도 가솔린과 같이 완전 연소하면 물과 이산화탄소로 배출되 어 인체에 무해하다. 그러나, 연소 과정에서 열에너지에 의한 공기 중의 질소가 산화에 의해 발생하는 질소산화물이나 불완전 연소에 의한 일산화탄소와 탄화수소 등 많은 유해물질을 배출하는 가스의 3가지 성분을 동시에 정화시키는 삼원 촉매에 의해 모두 무해한 물 질로 바꿀 수 있다.

자동차의 주행상태에 따른 공연비의 제어를 실시하는 것으로는

MAIN DUT Y SOL, SLOW DUT Y SOL의 DUT Y 제어와 F/ C S OL의 DUT Y 제어와 F/ C S OL ON (연료차단) / OF F (연료공급) 제 어를 수행한다.

이론공연비 제어 이외에도 ECM에는 자동차의 주행상태에 따라 가장 적정한 점화 시기의 제어와 점화 트랜지스터의 통전시간의 제 어를 실시하는 점화제어, 공회전시의 기관 회전수의 안정화를 도모 하고 Linear Solenoid를 제어하는 ISC(Idle Speed Control)제어, 증 발기의 2차 밸브를 제어하고 연료의 공급 / 차단을 실시하는 2nd LOCK S OL제어, 연료 탱크로부터의 연료흡입하여 연료 통로 절환 을 실시하는 기상 / 액상 RELAY 제어, EGR SOL을 제어하여 배기 가스 중의 NO^x의 저감을 목적으로 하는 EGR 제어, 2차 AIR SOL 을 제어하여 배기가스중의 HC, CO의 저감을 목적으로 하는 2차 AIR 제어 등으로 구성되어 있다.

전기부하제어는 A/ C CUT RELAY 제어는 시동성 향상, 출력영역 의 동력성능향상을 위하여 A/ C CUT RELAY 제어, COOLING F AN 제어는 기관 냉각용의 냉각 팬의 제어를 실시하는 제어이다.

O² HEAT ER 제어는 O² S en sor를 활성화시키기 위하여 O² HEAT ER를 제어하고 A/ T T CU 통신처리는 A/ T 차 T r an smission Control Unit 와의 통신처리를 실시하고 고장진단처리는 시스템의 고 장유무의 진단 및 안전 처리를 실시한다.

2 .5 L P G 자 동 차 개 발 현 황 과 배 기 가 스 규 제

자동차의 동력원으로 주로 사용된 고갈성 자원인 석유의 고갈과 전세계적으로 자동차에 의한 환경 문제와 세계 각국의 자동차 배출 가스 규제가 강화됨에 따라서 이에 대처하기 위해서 미래의 자동차 는 석유를 연소시키는 현재의 방식으로부터, 하이브리드 방식을 경 유하여, 연료전지식 그리고 축전지식의 전기로 구동하는 자동차가 최첨단 자동차로 예상^{4 6 )}된다. 이에 대한 대체에너지 자동차로서 CNG, LNG 등과 같은 천연가스^{4 7 ,4 8 )}, LP G^{4 9 )}, DME (Dim ethyl Ether ), 식물유 에스테르^{5 0 )} 및 메탄올^{2 1 )} 등에 대한 연구가 활발하게 진행되 고 있다.

LPG 자원은 현재 2가지의 공급경로^{13 )}로 보급되고 있다. 하나는 석유정제로부터이고, 다른 하나는 천연가스의 가스 정제로부터이다.

1997년 LP G의 생산량의 61%는 천연가스의 분해에서 공급되어지고

있고^{1 4 )}, 천연가스의 가채년수는 약 65년으로 계산하고 있다.^{1 5 )} 이러

한 이유로 LPG는 석유계 연료이지만 장래 연료의 하나로 중요시되 고 있다.^{5 1 )}

1999년도 세계 LPG 생산량은 약 1.93억 톤으로 98년에 비해 4.4%

증가하였으며 전 세계적으로 가스정제에 의한 LPG공급은 지역적으 로 편차는 있지만 공급량의 약 62% 정도를 차지하고 있다. 1999년 도 세계 LPG 소비량은 1.91억 톤을 넘어서 98년에 비해 4.7% 증가 하였다. 자동차용 가스에 대한 각국 정부 지원으로 전 세계 소비량 이 10% 증가하였는데 프랑스, 터키, 이란 및 한국이 대표적이다.^{5 2 )}

미국과 유럽에서는 전자식제어를 사용한 연료공급방식으로 인젝

터를 사용하여 가솔린기관의 배출량보다 현저하게 저감^{2 1 )}하는 기술 을 보고하고 있으며 일본은 중대형 자동차로 LPG 희박연소 기관^{2 9} 과 LPG에 세탄가를 향상시키는 첨가물을 첨가하여 디젤기관에 대 체하는 연구^{5 3 )}가 진행되고 있으며 자동차회사에 의한 생산도 시작^{5 4 )} 되었다. 국내의 LPG 자동차는 대부분 가솔린기관을 대체하여 영업 용 택시에 많이 사용하고 있다. LPG 자동차는 2000년 기준으로 전 세계에서 5백만대 정도가 운행되고 있으며, 사용방식으로는 LPG만 을 사용하는 mono- fuel, 가솔린과 LPG를 각각 필요에 따라 사용하 는 bi- fuel 및 디젤과 LPG를 함께 태우는 dual- fuel 방식 등이 있 다. 일본과 국내에서는 mono- fuel 방식의 자동차를 생산하고 있으나 일부 개조된 bi- fuel 방식을 사용하고 있고 유럽에서는 대형 LPG 자동차는 mono- fuel 방식을, 중소형 LPG 자동차에서는 개조된 bi- fuel 방식을 주로 사용하고 있으나 중소형 LP G 자동차에 대해서 도 m ono- fuel 방식으로 변화될 것으로 보이고 있다. dual- fuel 방식 은 북미의 대형상용차에 주로 적용되는 방식으로 일본에서도 이에 대한 적용의 연구가 진행되고 있으며 매연 저감이 우수한 것으로 보고되고 있다.^{5 5 )}

전세계적으로 LPG 자동차가 가솔린기관에 비하여 연구개발의 미 흡으로 배출가스가 더 많이 배출되는 문제점을 가지고 있었고 이에 대한 대책 기술의 개발에 의하여 LPG 자동차는 3단계로 구분되어 지는 연료시스템 적용 단계를 거쳐서 개발되어왔다. 제 1 단계인 카 뷰레터를 사용하는 카뷰레터 시스템을 지나서, 전자제어를 도입한 제 2 단계 전자제어식 연료시스템과 제 3 단계 다점분사 시스템 (Multi- point injection sy st em s )^{2 2 )}으로 이어져 오면서 공연비 조절과 출력저하의 문제를 해결해 왔다. 국외에서는 이와 같은 기술의 적용

이 활발하여 전자제어를 주축으로 하여 공연비 제어가 필수인 촉매 기술의 적용으로 가솔린기관에 비교하여 LPG 자동차의 배출가스를

저감^{2 0 )}하고 있으나 국내에서는 아직 미비한 실정이다.

LPG 자동차에 대한 배출가스 규제는 아직까지는 전세계적으로 가솔린 기관과 동일한 규제치를 사용하고 있다. T able 2.2에 현행 국내외의 LPG 승용차의 규제치를 나타내었다.

T able 2.2 LPG light duty v ehicle exhau st em is sion st andards

Cou nt r y CO (g/ km )

H C (g/ km )

N Ox

(g/ km ) T est m ode

U . S . A . 1.06 0.03 0.13 F T P - 75

E . U . 2.3 0.12 0.15 E CE - 15 + E UDC

Japan 0.67 0.08 0.08 10・15 m ode

K or ea 2.11 0.16 0.25 CV S - 75

Ⅲ . 실 험 장 치 및 실 험 방 법

3 .1 실 험 장 치

전자제어장치와 연료분사시스템을 장착하여 배출가스의 배출특성 을 측정하기 위한 전체적인 실험장치의 개략도와 사진을 Fig . 3.1과 Phot o 3.1에 각각 나타낸다.

1. Con tr ol sy st em 6. A ir filt er t r ap

2. E x h au st em is sion an aly zer 7. Con st ant v olu m e s am pler 3. Coolin g fan 8. S am ple b ag

4. Dr iv er ' s aid 9. E x h au st blow er 5. Ch a s sis dy n am om et er

F ig . 3.1 Schem atic diagram of em is sion m easuring apparat us

Phot o. 3.1 Phot ograph of emission m easuring apparatu s

3.1.1 실험기관

(1) 기관

본 연구에서는 국내에서 많이 사용되고 있는 1500cc급 가솔린 기 관을 LPG 기관으로 개조하여 사용하였으며 사용된 기관의 사양은 T able 3.1에 나타내었다.

T able 3.1 Specification of t est engine

M odel F E DOH C

T y pe Ga solin e, 4cy cle Displacem ent 1,836cc Com pr es sion R at io 9.2 : 1

Com pr es sion pr es su r e

S t an dar d 1,294kP a - 2500r pm M in im um 981kP a - 250rpm

V alv e T im in g

In

Open BT D C 10°

Close A BDC 55°

E x it

Open BBDC 55°

Close A T DC 10°

Idle S peed 800 ± 50 r pm

F irin g or der 1- 3 - 4- 2

(2) 증발기(Vaporizer )

봄베에서 보내져온 고압의 액체연료를 감압하여 기체연료로 기화 를 시켜 기관의 출력 및 연료소비량을 동시에 만족하도록 하기 위 하여 사용한다. LPG 연료는 액체에서 기체로 될 때 주위에서 증발 잠열을 빼앗아 온도를 강하게 저하시킬 때는 증발기 밸브를 동결시 켜 기관에 최적한 연료를 공급시킬 수가 없게 되므로, 이에 대한 방 지책으로 증발기와 온수 통로를 설치하여 기관의 냉각수를 순환시 켜 기화하는 데에 필요한 열을 공급하고 있다.

액상의 LPG 가스를 기화시키는 동시에 감압하는 1차실, 다시 대 기압 부근까지 감압하여 압력을 조절하는 2차실로 구분되어 있으며, 1차실에는 1차압조절기구, 1차압 밸런스기구 및 아이들 공연비 조절 기구(Idle adju st screw )로 구성하고 있고, 2차실은 2차압 조절기구 와 2차 포크 솔레노이드로 구성되어 있다. LPG 가스를 기화시키기 위한 열원으로 사용하는 기관냉각수를 순환시키는 워터자켓(Wat er j acket ) 및 연료 유량을 제어하는 진공(Vacuum )실을 구비한 구조이 다. 본 실험에서 사용한 증발기는 T able 3.2와 Phot o. 3.2와 같다.

T able 3.2 Specification of vaporizer

It em s Con t en t

S ize

Diam et er / 135 m m

Dept h 167 m m

W idt h 100 m m

H eig ht 160 m m

W eight 1.20 k g

Gen er al S pecification

V ap or izer T y pe Redu ced P r es su r e F u el Cut S olen oid T y pe V olt ag e 7.0 ～ 15.0 V

2n d Diam et er

Diam et er / 131 m m

S tr ok e 10 m m

T y pe M et al Cov er 1st Room diam et er S ealin g T y pe 1st Room pr es sur e adju st m ent P os sible

1st Room pr es sur e 0.4 ± 0.03 k g/ cm

Ou tlet diam et er / 14.5 m m

1st S t a g e out diam et er / 7 m m

Phot o. 3.2 View of v aporizer

(3) 혼합기(Mix er )

증발기에서 기화된 LPG 가스와 공기를 혼합하여 기관에 공급하 는 장치로서 혼합기는 기계식(Open loop)과 전자제어(Close loop ) 두 종류로 나눌 수 있는 데 본 실험에서 사용한 전자제어 혼합기는 배기가스를 최소한으로 줄이고 적정한 이론공연비로 운전하기 위해 배기가스 중의 산소량을 감지하여 ECU에 보내면 ECU에서는 공연 비를 판정하여 이론공연비가 되도록 연료주입구에 설치된 피드백 솔레노이드밸브를 구동하여 제어하는 혼합기로서 요즘 대부분의 혼 합기에 적용되는 혼합기를 사용하였다. 사용한 혼합기는 Photo. 3.3 과 같은 혼합기로서 기관 부하에 적합한 혼합기량이 적당한 혼합비 로 공급될 수 있도록 기화된 연료를 공기와 혼합시켜 연소에 가장 적합한 혼합기를 연소실에 공급하는 장치이다.

Phot o. 3.3 View of m ix er

(4) ECM 및 제어장치

전자식 연료분사 인젝터를 사용하여 LPG의 연료분사량을 조절할 수 있게 하였으며 공기량 센서 및 기타 센서를 이용하여 기관의 운 전상태에 적합한 연료분사량의 실시간 계산이 가능하게 하여 연료 의 효율적인 제어가 가능하게 하였다. Fig . 3.2는 ECM 연료공급시 스템 구성도를 나타내었고 Photo. 3.4에는 ECM을 나타낸다. 따라서 배기가스 규제를 만족시킬 수 있을 뿐만 아니라, 가솔린과 비슷한 기관 성능을 낼 수 있다. 그리고 기관 흡기계에 LPG의 잔류가스가 거의 존재하지 않음으로 기관의 역화를 방지할 수 있다.

F ig . 3.2 S chem at ic diagr am of ECM

Phot o. 3.4 View of ECM

3.1.2 측정장치

배기가스 측정장치에는 차대동력계, 보조운전장치, 시료채취장치, 희석터널, PM 측정장치 및 배기가스 분석기로 구성되어 있다.

(1) 기관동력계

본 실험에서 실차의 적용에 대한 차대동력계는 직류동력계 (Clayt on사, MDC- 48- CT F )로 관성휠(Inertia w eight ), 동력흡수계 (Pow er absorpt ion unit ), 제어기(Controller )로 구성되어 있으며 차 대동력계 제원은 T able 3.3에 나타내었다.

T able 3.3 Specification of chassis dynam om et er

It em S pecificat ion s M odel M DC - 48- CT F P ow er A b s or pt ion 201.1 kW

In er t ia r an g e 2200 ～ 13200 k g M ax im um r oll sp eed 145.4 m/ s

Roll size 189.0 m m

운전보조장치는 운전자가 자동차로 도로에서 주행하는 상태로 운 전할 수 있도록 화면에 운행상태를 표시해 주는 장치이다.

(2) 배기가스 분석장치

전자제어 LPG자동차 배기관에서 배출되는 CO, HC 및 NOx 등 가스상물질을 측정하기 위한 자동 배기가스 분석기(HORIBA사의 MEXA - 9200, CVS - 9100)로서 그 제원은 T able 3.4와 같다.

T able 3.4 Specificat ion of exhau st gas analyzer

Item s Specification s M odel MEXA - 9200, CVS - 9100 Component

of int er est

CO CO

NO T HC NOx

M easuring

principle NDIR NDIR NDIR HFID CLD M easuring

concentration r ange

0 ～ 3000ppm

0 ～ 20%

0 ～ 5000ppm

0 ～ 50000ppm C

0 ～ 10000ppm

Repeatability With ±1% of Fu el S cale per 8 hour s (at ambient t emper atur e differ ence of 5℃) Zer o drift With ±1% of Fu el S cale per 8 hour s

(at ambient t emper atur e differ ence of 5℃) Span drift With ±1% of Fu el S cale per 8 hour s

(at ambient t emper atur e differ ence of 5℃) Noise Within ±1% of Fu el S cale

Linearity With ±1% of F . S 90%

Respon se Appr ox . 1.5～3 sec Appr ox . 1.5sec Ambient

t emper atur e T emper atur e 5～35℃, r elativ e humidity : les s th an 80%

3 .2 실 험 방 법

3.2.1 실험조건

본 실험에서는 국내 소형자동차 시험모드인 CVS 75모드에서 자 동차를 온도 조건이 20±5℃로 조절된 실험실에서 12시간 이상 안 정화시킨 후 20시간의 Soaking time을 갖는 상태에서 CVS - 75 실험 방법에 의하여 실험하였다. CVS - 75 모드의 운전조건은 Fig . 3.3과 같고 실험순서는 Fig . 3.4에 나타낸다.

F ig . 3.3 Driving cy cle for CVS - 75 t est procedur e

F ig . 3.4 CVS 75 m ode procedur e

3.2.2 배기가스 실험

전자제어 인젝터를 적용한 후의 배기가스 규제치 만족을 확인하 기 위하여 국내 제작자동차 배출허용기준의 검사방법 및 절차에 관 한 규정에 따라 시험모드인 CVS - 75 실험방법에 의하여 온도 조건 이 25±5℃로 조절된 실험실에서 20시간의 soaking time을 갖는 상 태 후에 각 주행모드에 따른 3개의 페이스별로 NOx , CO, HC를 각

각 측정한 후 배기가스 계산법^{5 6 )}에 의하여 결과 값을 얻었다.

배기가스 계산법에 사용한 식은 식(3.1)과 같다.

(3.1) Yw m = 0 .43 [ ( Yc t + Ys ) / ( Dc t + Ds) ]

+ 0 . 57 [ ( Yh t + Ys) / ( Dh t + Ds ) ]

여기서

Y_{w m} = CO, CO2, NOx , HC, CH4 및 NMHC 가중 배출가스 질량 (g/ km )

Yc t = 저온시동시험의 초기단계에서 배출가스 질량 (g/ 시험단계) Y_{h t} = 고온시동시험의 초기단계에서 배출가스 질량 (g/ 시험단계) Ys = 저온시동시험의 안정단계에서 배출가스 질량 (g/ 시험단계) Dc t = 저온시동시험의 초기단계에서 주행거리 (km )

D_{h t} = 고온시동시험의 초기단계에서 주행거리 (km ) Ds = 저온시동시험의 안정단계에서 주행거리 (km ) 이다.

Ⅳ . 결 과 및 고 찰

4 .1 기 관 성 능 결 과

4.1.1 출력

F ig . 4.1은 전자제어 적용에 따른 LP G 자동차의 출력에 대한 영 향을 알아보기 위해 기관회전속도에 따라 측정한 결과를 나타낸 것 이다.

F ig . 4.1 Comparison of engine pow er bet w een LP G with/ w ithout ECM

F ig . 4.1에서 보는 바와 같이 전자제어를 적용하였을 경우 전반적 으로 약 5%정도 향상되었으며, 중・고속영역에서는 우수한 결과를 얻었다. 전자제어에 따른 최적공연비제어와 증발기의 연료증발잠열

과의 열교환이 우수하고 체적효율저하에 따른 흡입공기온도 및 압 력을 최적으로 제어하였기 때문으로 생각한다.

4.1.2 토오크

F ig . 4.2는 전자제어 적용 유무에 따른 LPG 자동차의 토오크 곡 선을 기관회전수에 따라 측정한 결과를 나타낸 것이다.

F ig . 4.2에서 나타난 바와 같이 전자제어를 적용함에 따라 출력과 마찬가지로 토오크 값이 전반적으로 높아지는 것을 알 수 있었고 이것은 전자제어 적용에 따른 희박혼합 연소영역의 감소에 따른 것 으로 생각한다.

F ig . 4.2 Comparison of engine t or que bet w een LP G with/ without ECM

4.1.3 연료소비율

F ig . 4.3은 CVS - 75 모드 운전조건에서 동급의 가솔린 자동차와 전자제어 적용여부에 따른 LPG자동차의 총 연료소비율을 나타낸 것이다. LPG자동차는 가솔린 자동차와 비교했을 때 가스상태의 흡 입공기와의 혼합이 좋고 혼합기가 각 기통으로 분배가 가솔린의 경 우보다 양호하기 때문에 연료소비율이 약 1.3%정도 높게 나왔고 LP G자동차에서 전자제어 장치가 있을 때가 없을 때보다 연료량 제 어에 의하여 연비가 향상되는 결과를 볼 수 있었다.

F ig . 4.3 F E r esult s at CVS - 75 m ode driving condition

4 .2 배 기 가 스 배 출 결 과

4.2.1 질소산화물

연소에 수반하여 발생하는 질소산화물은 화염이 고온으로 인해서 생기는 T hermal NO와 화염면의 라디칼에서 생기는 Prompt NO, 그 리고 연료속에 화학적으로 결합되어 있는 질소성분이 산화되어 생 기는 Fuel NO가 있는데 기관내에서는 높은 화염온도에 이르고, 화 염면 영역은 화염후류영역에 비해 작은 영역이므로 발생하는 대부 분의 질소산화물은 주로 T hermal NO로 생각해도 무방하다. NO생 성반응은 다른 연소생성물에 비하여 생성이 완만하기 때문에 고온 에서 유지되는 시간이 짧으면 NO는 평형농도보다도 훨씬 더 낮은 값에 멈추게 된다. NO의 분해반응 또한 완만하여 연소실에서 발생 한 NO는 거의 정지된 상태 그대로 배출된다.

LPG 기관에서의 질소산화물 생성은 가솔린기관의 생성반응과 비 슷하다. 즉 화염이 예혼합기 속을 통과하면 온도가 급변하여 T herm al NO는 주로 화염 뒤쪽인 후화염에서 발생한다. F ig . 4.3은 전자제어 적용에 따른 LPG자동차의 Phase 단계별 질소산화물 배출 량을 나타낸 것으로 저온시동 초기단계에서 촉매장치의 정화성능 저하에 따른 비교적 높은 NOx 배출특성을 보여주고 있다. Fig . 4.4 는 전자제어 적용유무에 의한 질소산화물 배출량을 미국 EPA와 국 내의 질소산화물 규제치와 비교한 것으로서 전자제어 적용에 따른 최적공연비 제어에 의하여 질소산화물배출이 약 0.05% 정도 향상되 었고, 2002년까지의 국내 질소산화물 규제치는 만족하였으나 미국의 규제치는 초과하였다. 따라서 향후 이에 대한 저감기술개발이 수행

되어야 할 것이다.

F ig . 4.4 NOx char act eristic by CVS - 75 m ode at each t est phase

F ig . 4.5 Comparison bet w een exhaust emission regulation and experim ent al NOx emission by CVS - 75 m ode

4.2.2 일산화탄소

일산화탄소(CO)는 농후한 공연비일수록 산소부족에 의한 불완전 연소로 급격히 증가한다. 또한 CO의 생성은 이산화탄소의 열해리에 의해서 생성된다. 따라서, 배출되는 CO는 불완전연소에 의하여 생성 된 CO와 열해리에 의하여 생성된 CO와의 합이 된다. 열해리는 공 연비에 따라 해리도가 다르며, 따라서 해리에 의한 생성농도도 공연 비에 따라 달라진다.

F ig . 4.6은 일산화탄소에 관하여 CVS - 75모드로 시험한 결과를 나 타낸 것으로 저온시동 초기단계에서 삼원촉매 변환효율의 차이에 의해 많은 양이 배출되었으나, 삼원촉매가 충분히 활성화된 저온안 정화단계부터는 75%정도 적게 배출되었다. LPG자동차에서 CO배출 량은 흡입공기 온도, 점화시기 등에 많은 영향을 받는다. 과농 공연 비에서는 CO의 영향은 거의 없으나 잉여 산소가 존재하는 공연비 15:1의 범위에서 점화시기를 늦추면 CO도 재반응하여 감소하며 점 화시기를 더 늦추면 CO가 급속히 감소되나 토오크의 저하도 현저하 게 감소한다. 또한 LPG가스는 각종 탄화수소의 혼합물인데 CO는 그 조성변화에 영향을 거의 받지 않는다. Fig . 4.7은 전자제어 적용 유무에 의한 일산화탄소 배출량을 미국 EPA와 국내의 규제치와 비 교한 것으로서 전자제어 적용에 따른 정밀한 공연비 제어에 의하여 일산화탄소배출이 약 10% 정도 향상되었고, 질소산화물과 마찬가지 로 2002년까지의 국내 질소산화물 규제치는 만족하였으나 미국의 규제치에는 만족하지 못했다. 따라서 향후 이에 대해서도 저감기술 개발이 수행되어야 할 것이다.

F ig . 4.6

C

F ig . 4.7 Comparison bet w een exhaust emission regulation and experim ent al CO emission by CVS - 75 m ode