차 그리고 나 : 카즈앤미 (Since 1999 : www.carznme.com)

Vaporizer : 베이퍼라이저 (1)
   베이퍼라이저는 명칭에서도 알 수 있듯이, 연료탱크로부터 액체 상태로 공급되는 LPG연료를 공기와 혼합되기 쉽게 기체 상태로 변화 시켜 주는 부품입니다. 연료탱크에서는 LPG연료가 액체 상태로 유지되고 있어야 하므로 보통 5~7기압 정도의 압력을 받고 있는데,공기와 연료가 혼합되는 믹서에서는 대기압 수준의 압력이 되므로,LPG연료는 베이퍼라이저를 통한 감압과정을 거쳐 대기압 수준까지 압력이 떨어지게 되어 있습니다.
   연료탱크에서 믹서까지의 LPG연료의 흐름과정에서 베이퍼라이저가 수행하고 있는 역할을 간단하게 표현하면 아래 그림과 같습니다.

  그림과 같이, 베이퍼라이저는 크게 나누어 1차실과 2차실, 두 부분으로 나누어져 있고, LPG연료의 감압,기화,그리고 조압(압력 조절)이라는 3가지 기능을 수행하고 있습니다.
   먼저, 연료탱크로부터 베이퍼라이저의 1차실로 유입되는 LPG연료는 약 2.3기압 정도의 비교적 높은 압력을 가지고 있습니다. 1차실에 구성되어 있는 압력 조절 기구는 이렇게 높은 압력을 0.3기압 정도까지 감압하게 되어 있습니다. 이때, 액체연료의 기화가 일어나게 되는데,이 기화과정은 주변으로부터 열을 흡수하는 흡열 반응이어서, 계속적으로 열을 공급해주지 않으면 기화가 일어나기 어렵게 되므로,엔진의 냉각수로부터 계속적인 열공급을 하고 있습니다. 이 때문에 겨울철에 엔진의 냉각수온이 특정온도에 도달하기 전까지는 연료탱크에 기체 상태로 있는 LPG연료를 직접 엔진에 공급하는 것입니다.
   2차실은 1차실에서 0.3기압 정도까지 감압된 기체 LPG연료를 대기압 수준까지 다시 압력을 떨어뜨려, 믹서에서 공기와 잘 혼합되게 하는 역할을 합니다. 아래 표에 베이퍼라이저의 1차실과 2차실의 기능과 그곳에서의 연료 상태에 대해서 정리합니다.

피드백 믹서 (3)
   지금까지 2회에 걸쳐, LPG전용 자동차의 Mixer에 대해서 살펴 보았습니다.
믹서에 관련된 부품을 나열하고,그 기능을 설명하였습니다만,이것으로 믹서에 대해 쉽게 이해되리라고는 생각되지 않습니다. 그래서, 아래 그림을 참고로 하여 믹서의 기본 기능인 혼합기의 생성과 엔진으로의 혼합기 흡입량조절에 대해서 설명함으로써,믹서에 대한 이해를 돕고자 합니다.

위의 그림에서 빨간색으로 표현되어 있는 라인들은 연료의 흐름과 통로를 표시합니다.반면에 파란색으로 표현되어 있는 부분은 공기의 흐름을,그리고 보라색으로 표현되어 있는 부분은 혼합기의 흐름이나 통로를 표시합니다.
   앞에서도 언급하였듯이 현재 사용되고 있는 믹서는, 모두 가솔린 자동차의 기화기(Carburetor)에서 사용되는 방식과 유사한 벤츄리(Venturi)타입으로, 이 벤츄리부에 연료의 주 공급통로인 메인노즐(Main Nozzle)이 있습니다.  벤츄리부에 공기의 흐름이 있어 압력차가 생기면 MAS와 Feed-back 솔레노이드밸브를 통한 연료의 공급이 있게 됩니다. 통상의 경우,공급되는 연료의 양은 MAS유량과 Feed-back솔레노이드밸브유량의 합으로 생각해도 무방하지만,액셀레이터를 밟고 있지 않는 경우,즉 드로틀밸브가 닫혀 있는 경우에는 별도의 연료 공급통로인 By-pass통로를 통해 공급되는 연료의 양까지를 합해야 합니다. 드로틀밸브가 닫혀 있어 벤츄리부를 통과하는 공기의 양이 적을 경,우 벤츄리에서 발생되는 압력차가 작아 충분한 연료가 공급되지 않을 수가 있으므로, 이를 보상하기 위해 By-pass통로를 드로틀밸브를 지난 위치에 연결하여 엔진의 부압을 이용하여 연료가 공급되도록 되어 있습니다.
   엔진이 공회전 상태에 있을 때,헤드램프를 켜거나, 에어컨을 켜는 경우,이런 부하들 때문에 추가적인 출력이 요청되는데,아무런 대응을 하지 않는다면 엔진회전수가 떨어져서 엔진의 진동이 심해지거나 시동이 꺼지게 되는 등 안정된 상태를 유지하지 못하게 됩니다.엔진이 이런 부하에 관계없이 안정된 상태를  유지하기 위해서는 부하를 이길 수 있는 출력을 내야 하는데, 이에 필요한 여분의 혼합기 공급이 ISC밸브나 아이들업 솔레노이드밸브를 통하여 이루어집니다. ISC밸브와 아이들업밸브는 서로 대체개념으로서 둘 중 하나를 가지고 시스템을 구성합니다.예를 들면,EF소나타에는 ISC밸브를 사용되고 있으나,카니발(99년식)에는 아이들업밸브가 사용되고 있습니다. LPG연료사용시 발생되는 타르에 의한 통로폐색을 염려하여,그동안 ISC밸브의 사용은 제한적이었으나 점차로 ISC밸브의 사용이 확대되고 있습니다.

피드백 믹서 (2)

전 회에서 피드백 믹서(Feed-back Mixer)의 구성 부품에 대해서 살펴 보았다.
이번 회에서는 피드백 믹서의 구성 부품들 중에서 피드백 솔레노이드 밸브(Feed-back Solenoid Valve), 드로틀 포지션 센서(Throttle Position Sensor),그리고 오토 초크(Auto-Choke)에 대해서 좀 더 자세히 알아 봅니다.

◆ 피드백 솔레노이드 밸브

• 피드백 솔레노이드 밸브는 보조연료통로를 개폐하는 기능을 하는 밸브로, 전자제어 유니트(Electronic Control Unit)의 신호에 의해서 On-Off로 제어 된다.
• Valve On : 연료통로가 열려 연료가 공급되므로 공연비가 농후하게 된다.
• Valve Off : 연료 통로가 닫혀 연료공급이 차단되므로 공연비가 희박하게 된다.

이때, 통상의 피드백 솔레노이드 밸브는 On-Off가 Duty 제어방식에 의해 제어되는데. Duty 제어방식이란, 일정 주파수를 가지고 동일 주기내에서 On,Off를 반복하는 형태로, On-Off의 한 사이클 내에서 On, 또는 Off의 시간을 제어하는 방식을 말한다. 통상 20Hz의 주파수를 사용하며, Duty에 대한 이해를 돕기 위하여, Duty의 정의를 그림으로 표현하면 아래와 같다.

따라서 On Duty방식의 경우 Duty 0%에서는 연료의 공급이 차단되고, Duty가 증가할수록 더 많은 연료가 공급되게 된다. 반대로 Off Duty방식일 경우에는 Duty 100%에서 연료의 공급이 차단된다.

 ◆ 드로틀 포지션 센서(통상 T.P.S라고 한다.)

T.P.S.는 드로틀밸브의 축에 연결되어,드로틀 밸브가 열리는 정도를 전압으로 바꾸어서 엔진제어 유니트로 신호를 보내는 부품이다. 대개 0.5 V ~ 5 V 사이의 신호를 내보낸다. 즉, 운전자가 액셀레이터를 밟지 않아서 드로틀밸브가 닫혀 있을 때는 약 0.5 V의 신호를 내보내고, 액셀레이터를 끝까지 밟아서 드로틀밸브가 완전히 열렸을 경우에는 약 4~4.5 V의 신호를 내보낸다.
    엔진제어 유니트는 이 T.P.S.의 신호레벨로 엔진에 요구되는 부하를 판단하여, 거기에 알맞은 연료량과 점화진각을 제어하는 것이다.

◆ 오토 초크

엔진의 온도가 낮으면, 엔진 내부의 마찰력이 크기 때문에 원활한 회전이 힘들고, 또한 연소도 불안정하다. 이 때문에 겨울철과 같이 낮은 외기온도 환경에서 시동을 거는 경우, 엔진이 난기 되었을 때의 공회전 속도보다 더 큰 엔진회전수로 엔진을 작동시키는데, 이때에는 더 많은 연료량과 공기량이 필요하게 된다.
    그런데 드로틀밸브는 닫혀 있는 상태이므로, ISC라는 공회전속도 조절기를 장착하지 않은 경우에는 인위적으로 드로틀밸브를 더 열어주어야 한다. 이를 위하여, 온도에 따라 부피팽창도가 다른 왁스(Wax)를 사용하여, 낮은 온도에서 드로틀밸브를 강제로 여는 기구를 장착하고 있는데, 이를 오토 초크라고 한다.
    시동시에는 많은 공기량이 엔진으로 공급되도록 드로틀밸브를 열지만, 엔진이 난기 되기 시작하면 점차 드로틀 밸브를 닫는다.  대체로 엔진의 냉각수온이 섭씨 55도정도가 되면 오토초크의 역할은 완료된다.

피드백 믹서 (1)
   자동차 제작사에서 제작하는 LPG전용자동차나, 시중에서 개조하는 LPG겸용자동차나, LPG를 연료로 하는 국내의 모든 자동차에 장착되어 있는 가장 기본적인 LPG용 부품이 믹서(Mixer)이다. 부품의 명칭에서도 알 수 있듯이, 믹서는 엔진이 출력을 내기 위하여 연소시킬 공기와 LPG연료가 적절한 비율로 혼합된 혼합기를 생성 시키는 부품이다.
   믹서는, 액체 LPG연료를 기체상태로 기화 시키는 베이퍼라이저(Vaporizer)에서 대기압보다 약간 낮은 압력상태로 기화된 연료(LPG GAS)를 공기 흡입구를 통해 흡기계로 흡입된 공기와 혼합하여 연소에 적합한 혼합기를 연소실로 공급하는 역할을 한다.
    국내의 자동차 제작사에서 생산되고 있는 LPG전용 자동차 중에서, EF-소나타와 크레도스에 장착된 믹서의 간략한 구조를 아래 그림에 보인다.

공기와 LPG연료를 혼합하는 방식은, 가솔린자동차의 기화기(Carburetor)에서 사용한 방식과 유사하게, 기체의 흐름속도의 차이에 의한 압력차로 공기 중에 연료를 혼입 시키는 방식으로, 보통 벤츄리(Venturi)라고 불리우는 부품이 이 기능을 수행하고 있다.
    엔진의 운전 조건에 따라 각각 다르게 흡입되는 공기량에 적합한 연료량이 혼입되기 위해서는, 연료량을 적절하게 조절할 수 있는 기능이 요구되며, 이에 따라 LPG차량에 장착되어 있는 믹서는 기본 연료 통로와 보조 연료 통로를 가지고 있다. 기본 연료 통로는, 엔진이 운전되는 동안 흡기계와 베이퍼라이저 사이에 형성되는 압력차에 의해 계속적으로 연료가 공급되는 통로이며, MAS( Main Adjust Screw )에 의해 통로의 면적이 결정된다.
   그러나, 별도의 조절 기능이 없는 기본 연료 통로만으로는, 엔진의 운전 조건이나 상황에 관계없이 항상 적절한 혼합비가 유지하는 것이 곤란하므로, 엔진 제어 장치에 의해 조절이 가능한 피드백 솔레노이드 밸브가 설치된 보조 연료 통로를 통하여, 보다 정밀한 공연비의 조절을 가능하게 하고 있다.
    피드백 솔레노이드 밸브는, ECU에 의해 구동 되는데, 산소센서(Oxygen Sensor)로 부터 입력된 신호에 따라 최적한 공연비가 되도록 보조 연료 통로를 개폐함으로써 연료를 증가 또는 감소시킨다. 이와 같은 기능이 있는 믹서를 피드백 믹서(Feed-Back Mixer)라고 한다.

믹서의 구성은 차종에 따라 약간의 차이가 있지만, 보통의 믹서는 다음 표와 같은 부품들로 구성되어 있다.

   현재 시중에서 운행되고 있는 LPG자동차는 두 종류로 구분될 수 있다. 한 종류는 자동차제작사에서 판매된 가솔린자동차를 LPG겸용자동차로 개조한 차량이고, 다른 한 종류는 자동차제작사에서 LPG전용자동차로 판매된 차량이다. 앞으로 전개될 내용에서 특별하게 언급하지 않는 경우는 모두 LPG전용자동차를 기준으로 함을 미리 밝혀둔다.
   국내 자동차 제작사에서 제작,판매하고 있는 모든 LPG자동차는, 연료와 공기의 혼합이 각 실린더에서 이루어지게 하는 가솔린자동차와는 달리, 에어크리너를 통과한 공기를 곧바로 연료와 혼합시킨 후, 이 혼합기를 모든 실린더에 분배하는 기화기방식을 사용하고 있다. 이에 따라 급가속과 급감속 등과 같은 과도상태에서 연료의 공급에 얼마간의 시간지연이 존재하고, 또한 가솔린자동차에서는 경험하기 어려운 역화(Backfire)현상이 생길 수도 있다. 가솔린자동차와 동일하게 각 실린더에 LPG연료를 분사하는 LPG Injection system은 유럽의 일부 메이커에서 적용을 추진하고 있으나 국내에서는 아직 시도된 바가 없다.
    참고로, 시중에서 개조한 LPG겸용자동차와 LPG전용자동차의 가장 큰 차이점은 엔진의 성능제어에 있다. 개조된 LPG겸용자동차는 연료계를 제외한 다른 부품은 가솔린자동차용을 그대로 차용하고 있고, 엔진제어유니트(ECU)도 가솔린엔진의 것이기 때문에, 엔진제어상 LPG연료에 적합하지 않을 수가 있다. 이 문제는 주로 점화계 및 점화진각제어에서 두드러지게 발생할 수 있다. 그러므로, LPG겸용자동차로 개조할 경우에는 특히 점화플러그의 간극(Gap), 점화플러그의 열가(Heat Range) 등을 포함한 점화계의 구성에 대해서는 신중히 검토하여야 한다. 결과적으로, 개조된 LPG겸용자동차에서는 LPG와 가솔린의 연소특성 차이를 보상할 수 있는 방법이 없으므로, 개조된 LPG겸용자동차는 LPG연료로 주행할 때 LPG전용자동차에 비하여 차량성능이 떨어진다.
    LPG자동차의 연료 공급계는 앞에서도 언급하였듯이 Bombe(LPG Tank)에 저장되어 있는 고압(5~7기압)의 액체상태 연료를 0.3기압으로 감압시킨 후, 이 과정에서 기체상태로 기화된 연료를 믹서(Mixer)의 벤츄리(Venturi)부에서 공기와 혼합 시켜 연소실에 공급하는 시스템이다.
    이제 다음 회부터는 본격적으로 LPG자동차의 연료계 구성 및 구성부품을 설명할 예정이다. 

연소효율이 좋으며,엔진이 정숙하다

LPG는 기체상태로 엔진에 흡입되어 공기와 혼합되므로 혼합상태가 비교적 균일하고 또한 완전연소에 가깝게 연소된다.

경제성이 좋다

가솔린연료에 비하여 연료비가 매우 낮으며, 엔진오일경비 또한 작아 가솔린에 비하여 경제성이 좋다.

연료펌프를 사용할 필요가 없다

연료공급계 내에서 LPG연료가 이송될 때 연료자체의 증기압을 이용하기 때문에, 연료를 공급하기 위한 연료펌프가 사용되지 않는다.

엔진오일의 수명이 길다

LPG는 기체연료로서 실린더 내에서 완전 기화되기 때문에, 엔진오일을 묽게 만들지 않으며, 카본의 생성도 적게 한다. 또한 연료에 첨가제를 넣지 않으므로, 카본이나 회분에 의하여 오일을 오염시키는 일이 없으며, 유황분이 매우 적어, 배기가스로 인한 금속의 부식도 적다.

차를 장시간 사용하지 않을 때에는 연료 송출 밸브를 잠궈 놓는다.

차량을 정비하는 등의 작업을 할 때는 주위에 화기가 없고 통풍이 양호한 곳에서 시행한다.

연료탱크인 봄베(Bombe)가 고압용기이기 때문에 정기 검사가 필요하다.

기화기(Vaporizer) 내의 타르제거가 필요하다.

시동을 끌 때 먼저 연료를 차단한다.(추운 날씨의 시동성을 좋게 하기 위하여)

연 료

배출가스

차량성능

대기오염

지구온난화

질소산화물

탄화수소

흑연

이산화탄소

출력

주행거리

가솔린

○

○

○

○

○

○

디 젤

X

○

X

◎

△

◎

LPG

○

○

○

○

△

△

CNG

○

○

○

○

△

X

전기

●

●

●

●

X

X

태양열

●

●

●

●

X

X

  현재 국내에서는 연료가격 측면에서만 LPG가 강조되고 있지만, LPG가 택시의 연료로 사용되고 있는 가장 근본적인 이유는 LPG가 청정연료이기 때문입니다. 대기의 오염은 도시지역에서 더욱 심각하고 또한 택시는 주로 도심을 주행하기 때문에 청정연료인 LPG를 택시의 연료로 사용하고 있는 것입니다.

청정연료로서의 LPG의 위상은 일본과 유럽국가들에서 더욱 확고하게 자리잡아 가고 있습니다. 일본에서도 택시에 LPG를 연료로 사용하고 있고 현재 환경운동의 영향으로 점차 사용영역을 넓혀 가고 있습니다. 유럽의 경우,프랑스,이탈리아,네덜란드 등지에서는 승용차용 LPG전환시스템이 별도의 시장을 형성하고 있으며 르노같은 자동차 제작사의 경우,6개차종의 LPG겸용차량을 생산,판매하고 있습니다. 또한 네덜란드는 도심을 운행하는 배송용 트럭이나 청소차에 LPG시스템의 장착을 의무화하고 있습니다.

지금까지는 LPG연료가 대부분 가솔린자동차에 사용되고 있지만, 도시의 대기오염을 줄인다는 측면에서는 디젤자동차에서 보다 적극적으로 사용되어야 할 것입니다.

종 류

특 징

현 황

LPG자동차

프로판과 부탄을 주성분으로 하는 액체연료로, 연료가격이 안정적임.

택시등에 주로 사용되고 있으며, 연료량 제어를 정밀하게 하는 시스템개발이 주요 과제.배출가스측면에서 유리하여 디젤자동차에의 적용이 진행되고 있음.

CNG자동차

메탄을 주성분으로 하는 압축 천연가스로, 옥탄가가 높아 엔진의 고압축비화가 가능하여 열효율 향상

1회 충진당 주행거리가 짧으나 배출가스측면에서 유리하여 노선버스나 배송차등에 실용화되고 있음. 일부 엔진부품의 내구성 확보와 알데히드의 배출을 줄이는 것이 과제

전기자동차

배출가스,소음,진동면에서 유리하나, 충전에너지원에 대한 환경평가가 필요

동력성능과 1회 주행거리에 제약이 있어 용도가 제한 받고 있음. 고성능,저비용의 배터리 개발과 배터리의 재생시스템 개발 등이 과제

태양열자동차

태양전지로 전기를 발생시켜 모터를 구동하는 전기자동차의 일종

태양전지의 전기전환효율을 향상시키고 저비용화,전지를 설치하는 공간의 확보 등이 과제

  환율이 오르면서 덩달아 오르기 시작한 가솔린 가격이 리터당 천원이 넘어서자, 가솔린차량의 LPG겸용으로의 전환과 LPG자동차 수요증가가 전국적으로 확산되었고, 자동차 제작사에서도 가솔린과 LPG의 겸용차량을 생산 하는 것에 관심을 보이고 있습니다.
그러나 지금까지는 LPG자동차가 택시나 일부 상용차에만 국한 되었기 때문에,대부분의 운전자에게는 큰 관심의 대상은 되지 못했었습니다. 하지만, 향후에도 가솔린과 LPG의 가격차가 클 것으로 예상되고, 아직 정부의 입장이 정리되지 않았지만,자동차 제작사가 가솔린과 LPG의 겸용차량을 생산하기 시작한다면, LPG자동차는 급속하게 일반운전자들의 관심대상이 될 것입니다.
  그러므로, 아직은 운전자들에게 생소하게 여겨지고, 또 폭발의 개연성 때문에 위험한 차량으로 인식되고 있는 LPG자동차에 대한 일반 운전자들의 이해를 넓히는 기회를 이 코너에서 제공하고자 합니다.

  현재 국내에서 자동차의 연료로 사용되고 있는 LPG(Liquefied Petroleum Gas,액화석유가스)는 프로판과 부탄의 혼합가스로 프로판과 부탄의 구성비율은 계절에 따라 차이가 있습니다. 아침,저녁의 온도가 영상의 기온을 유지하는 3월부터 11월 사이에는 부탄 98%의 조성을 유지하고, 그 외의 기간인 겨울에 해당하는 12월부터 2월까지는 낮은 온도에서의 시동에 유리한 부탄 70% + 프로판 30%의 조성을 가지는 LPG연료가 판매되고 있는데, 자동차용 연료로서의 LPG는

   * 상온에서 비교적 낮은 압력으로 액화가 가능하여 보관이 용이
   * 가솔린보다 옥탄가가 높아 노킹에 있어서 가솔린에 비해 유리
   * 연료내 유황성분이 적어, 연료가 타고 남은 물질에 의한 금속체의 부식에 유리하다

위의 장점이 있는 반면에

   * 사용중 정기적으로 연료공급계를 청소하여 타르를 제거해야 하고
   * 연소속도가 가솔린에 비해 늦으므로 엔진역화(백파이어,Back Fire)가  일어날 수 있으며,
   * 현재와 같은 흡기관내 공기/LPG 혼합방식에서는 흡입효율의 감소로 인한 마력의 저하

등의 단점도 있습니다.

  여기에서 엔진역화는, 엔진내부의 연소실에서 일어나야 할 흡입연료가스의 폭발이 흡기관쪽으로 전달되어 흡기관에서 폭발이 일어나는 경우로, 이 폭발력이 강한 경우, 에어크리너가 파손되거나 시동이 꺼지는 등의 현상이 발생하는 것을 말합니다.  이것은,현재 국내 자동차 제작사와 겸용전환 서비스사의 모든 제품에서 사용되고 있는 흡기관내 공기/LPG혼합방식의 가장 큰 기술적 난점이기 때문에 많은 주목을 받고 있습니다. 그러므로 엔진 역화에 대해서는 이 코너에서 별도로 다루는 기회를 마련토록 하겠습니다.

디젤엔진의 배출가스특성

   디젤엔진의 배출가스 성분으로는 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 입자상물질(PM : Particulate Matter),그리고 매연(Soot)이 있습니다. 입자상물질은 흑연의 주요 성분인 고체 형태의 탄소분(Solid)과 청백연의 주요성분인 가용성 유기분(SOF)로 나눌 수 있습니다.
   이들 배출가스 성분들은 연료의 분사시기 및 당량비 등에 따라 그 배출량이 달라집니다.아래에 직접분사식 엔진에서 연료의 분사시기와 당량비의 변화에 따른 HC,NOx,그리고 PM의 배출량을 간단하게 나타냈습니다.

    디젤엔진의 성능향상과 배출가스 개선을 위해 디젤엔진도 가솔린엔진에서처럼 전자제어기술을 도입하여 분사과정과 연소과정을 보다 효과적으로 제어하는 방식으로 발전되고 있습니다.  

디젤엔진의 기초 연소특성

  디젤엔진은 압축행정에서 공기만을 압축하고,압축의 결과로 고온의 상태가 된 공기 중에 고압으로 분사된 연료분무(Fuel Spray)의 자기발화(Self-Ignition)에 의해 연소가 개시됩니다. 이러한 연소형태를 확산연소(Diffusion Combustion)라고 말합니다.
  고압으로 연료가 분무되면,분무상태의 연료와 주위 공기가 만나는 경계부분에서는 크기가 10~30μm정도 되는 연료액적(fuel Droplet)으로 연료가 분열됩니다. 이 작은 연료액적은 고온의 주위 공기로부터 열을 받아 증발하게 됩니다. 그러므로 연료는 고온 중에서 메탄이나 에틸렌과 같이 분자량이 작은 탄화수소로 열분해 되어 공기와의 혼합기를 형성합니다. 이들 탄화수소와 공기의 혼합기가 착화에 필요한 온도(자기 발화 온도)와 농도에 도달한 특정의 장소에서 자기발화하여 이것이 화염핵을 형성하고,형성된 화염핵이 화염을 이루어 연소실 전체로 퍼지면서 연소가 이루어집니다.
  연소실 내에는 연료와 공기가 불균일한 상태로 분포되어 있기 때문에 연료가 농후한 영역에서는 산소가 부족하므로 매연이 발생하기 쉽습니다. 이에 반하여, 이론혼합비 부근의 혼합비로 조성된 영역에서는 섭씨1700도 이상의 고온이 되어, 공기 중의 산소와 질소가 열분해되고 반응하여 질소산화물(NOx)이 생성됩니다. 또한 연료가 극히 적은 영역에서는, 온도가 낮아서 연소반응이 진전되지 못하고 도중에서 정지되므로, 그 결과로 부분산화된 탄화수소나 미연탄화수소가 발생합니다.
  아래 그림에 크랭크축의 각도에 따른 연소실 압력과 열발생율의 변화를 보입니다. 열발생율은 연소실압력을 기본data로 삼아 열역학제1법칙을 사용하여 산출된 값으로 통상 연소의 진행정도를 나타냅니다.

  그림에서 1구간은 착화지연기간이며, 예혼합연소의 특징을 보이는 2구간에서는 급격한 압력상승을 보입니다. 따라서 급격한 열발생에 의한 고온연소에 의해 다량의 NOx가 생성됩니다. 확산연소가 일어나는 구간의 전반부인 3구간에서는 연료분사는 계속되지만 연료와 공기의 혼합속도가 떨어져서 완만한 연소를 하게 되어 매연이 발생하기 쉬운 상태이고,이러한 상태는 연소종료 때까지 계속됩니다.
   그러므로 디젤엔진의 성능을 개선하고 배출가스를 저감하는 데에는,압축행정 말기의 짧은 기간동안에 연료를 미세한 액적으로 만들고,착화에 필요한 조성의 혼합기를 형성 시켜서,착화와 연소를 제어할 수 있는 기술이 중요합니다. 엔진의 기본적인 연소제어인자는 연료분사계,흡기계,연소실 형상 등이 있는데,이를 기본으로 공기유동과 난류를 적극적으로 이용하여 혼합기형성과 연소과정을 최적화하는 기술이 필요합니다.

가솔린엔진의 기초 연소특성

가솔린엔진은 흡기관 내에 연료를 분사하거나 또는 기화기를 통해 연료와 공기를 미리 혼합하고,압축행정의 후반부에 점화플러그로 강제 점화 시켜 연소를 개시합니다. 이러한 연소형태를 예혼합연소(Pre-Mixed Combustion)라고 하며,액체의 탄화수소연료를 어떻게 빨리 기화 시키고 공기와 균일하게 혼합 시키는가가, 엔진성능의 향상과 유해한 배기가스의 배출을 억제하는 데에 있어서 중요한 요소가 됩니다.

이 예혼합기를 점화 시키면,맨 처음에 점화된 화염핵(Flame Kernel)을 형성 시킨 다음에,화염면에서 아직 연소되지 않은 미연소혼합기로 열에너지를 전달함과 동시에 활성화학종(Active Chemical Species)을 증식 시키면서 화염이 발달되어,점차 화염이 진행하여 실린더 벽면까지 도달하게 됩니다. 화염이 실린더 벽면에 도달하게 되면 연소는 완료됩니다.이때 화염이 진행하는 속도를 화염전파속도(Flame Propagation Speed)라고 하며,특히 정지된 혼합기 내에서의 전파속도를 연소속도라고 합니다.연소속도는 혼합기의 농도,온도,그리고 압력의 영향을 크게 받으며,그 중에서도 혼합기농도는 연소현상 자체를 지배하는 인자입니다.

혼합기의 농도를 표시하는 방법으로 가장 많이 사용되고 있는 것이,공기와 연료의 질량비를 나타내는 공연비인데, 어떤 연료의 완전연소를 위한 이론적인 공연비를 이론공연비라고 하며,가솔린의 이론공연비는 14.7입니다. 즉,가솔린 1Kg을 완전연소 시키기 위해서는 공기 14.7Kg이 필요합니다. 또,실제공연비와 이론공연비의 비(Ratio)를 공기과잉률(λ)이라고 하며, 공기과잉율의 역수를 당량비(φ)라고 합니다. λ>1인 경우는 연료가 이론공연비의 경우보다 적은 상태를 나타내는 것으로 연료희박상태라고 하고,반대로 λ<1인 경우는 연료가 이론공연비의 경우보다 많은 상태를 나타내는 것으로 연료과농상태라고 합니다.

화염이 안정적으로 전파하여 혼합기가 연소 되기 위해서는 혼합기농도가 어느 범위 안에 있어야 합니다. 이 범위를 연소한계라고 하는데, 혼합기 농도가 이 범위 밖에 있으면 연소가 진행되지 않습니다. 연료가 연소한계보다 더 많이 있어도 화염은 전파되지 않습니다. 이때,연소한계의 희박측을 하한계,그리고 과농측을 상한계라고 칭합니다.

위 그림은 가솔린엔진에서 엔진회전수가 2000rpm일 때의 연소실압력 변화를 보인 것입니다. 파란선은 점화를 하지 않은 경우,피스톤의 압축에 의한 압력변화를 보인 것이고,빨간선은 혼합기를 점화시켜 연소가 일어나도록 한 경우의 압력변화를 보인 것입니다. 점화 유,무에 따라 압력이 달라지는 점부터 혼합기가 발화되었다고 생각할 수 있고,점화에서 발화까지의 시간차를 발화지연이라고 합니다. 점화순간부터 연소실 압력이 최고에 도달할 때 까지 2ms이하의 시간이 소요됩니다. 이 짧은 시간 내에 연소를 종결 시키면서 유해한 배출가스의 발생을 억제하기 위해서는 점화시기의 최적화,실린더 내의 가스유종 최적화 등의 기술이 사용됩니다. 압축비를 높게 하면,성능을 개선할 수 있고 따라서 연료소비율도 개선할 수 있으나,너무 높게 하면 이상연소현상인 녹킹(Knocking)이 생겨서 성능이 떨어지고 엔진의 고장을 유발할 수 있습니다.

디젤엔진의 연료장치

차량용 디젤기관은 연료소비량이 적고,연료가격이 안정적인 점에서 연료경제성이 다른 자동차용 연료에 비하여 좋은 편입니다. 세계적으로 보아도 트럭 및 버스는 대부분은 디젤엔진을 사용하고 있고 최근에 각광을 받고 있는 RV차량에도 디젤엔진의 적용비율은 높습니다. 그러나 우리나라의 경우에는 디젤엔진의 연소배출물 중 매연에 의한 도심대기의 오염이 심한 형편이어서 디젤엔진에 대한 일반적인 인식은 그다지 좋지 못합니다. 현재 세계적으로 디젤엔진에 대한 제작기술이 가장 앞서 있는 지역은 유럽지역으로, 유럽지역의 승용차나 소형화물차량의 디젤엔진기술은 향후 10년간 강력한 기술자본의 역할을 할 것으로 예상되고 있습니다.

디젤엔진의 연료장치는, 엔진의 성능을 최대한 발휘하면서 유해가스의 배출을 억제하고 안정된 주행을 확실하게 행하기 위하여, 필요한 연료분사량을 적정한 분사시기에 확실하게 분사 시키는 것을 요청 받고 있습니다. 디젤엔진의 연소방식은 별도의 점화장치를 사용하지 않고 연료가 자발 점화 및 연소되기 때문에, 분사된 연료는 연소에 적합한 크기의 액체덩어리(액적:Droplet)들로 잘게 쪼개져 분무 되어야 합니다. 고압 상태로 압축된 연소실내로 연료를 직접 분사하므로 연료는 보통 1000기압 이상의 압력으로 분사되며, 5~15마이크로미터 정도의 직경을 가지는 크기의 액적(Droplet)으로 분무를 형성시키는 것이 필요합니다.

현재 일반적으로 사용되고 있는 연료 분사시스템에서의 연료흐름을 살펴보면,

• 연료는 연료탱크에서 피드펌프(Feed Pump)에 의해 필터로 보내지고,필터를 거친 연료는 분사펌프로 공급됩니다.
• 분사펌프내의 플런져에 의해 순간적으로 고압의 상태가 된 후 분사파이프를 통해 연료분사노즐로 압송됩니다.
• 연료분사노즐에 연료압력이 미치게 되어 밸브열림압력 이상의 압력이 될 때 노즐의 끝부분이 열려서 연료가 분사됩니다.

그림에서 하늘색의 화실표는 저압 연료의 흐름을 표시한 것이며, 파란색의 화살표는 고압연료의 흐름을 표시한 것입니다.

근래 들어 새롭게 개발된 Common Rail방식의 연료분사장치는 전자제어방식으로 전자밸브인 노즐의 개폐를 제어하는 장치로 고압(1200기압 이상)의 연료를 저장 해두는 축압실(Common Rail)을 가지고 있습니다. 이 방식은 전기신호를 통해 연료분사량,분사시기,분사압력을 자유롭게 선택할 수 있고,또한 1회의 분사를 단속적으로 제어하여 2단계로 분사하는 등의 분사패턴도 제어 가능합니다. 이 Common Rail 시스템은 2003년 이후의 강화된 배기가스규제를 만족시킬 수 있는 유효한 수단으로 알려져 있으며, 각 자동차제작사 들은 이 시스템을 적용하기 위한 기술개발을 추진하고 있습니다.

가솔린엔진의 연료공급장치

연료공급방식의 분류

1970년대 이후,자동차용 엔진에 대하여 출력을 높일 것과 배기가스를 정화시킬 것이 요구되어, 이를 만족시키기 위한 방법으로 연료분사방식이 채용되기 시작되었다. 연료분사방식이 채용되기 전에는 연료공급장치로는 기화기(carburetor)가 사용되었었다. 연료분사방식은 기계식과 전자식으로 분류될 수 있으며,전자식은 SPI(Single Point Injection)과 MPI(Multi-Point Injection)방식으로 나눌 수 있다. SPI는 한 위치에서만 연료의 분사가 이루어져서 혼합기가 각 기통으로 분배되는 방식으로, 드로틀바디에 연료를 분사하는 TBI(Throttle Body Injection)도 SPIdml 일종이다. MPI는 각 기통별로 별도의 인젝터를 장착하여 연료를 분사하는 방식으로 현재 판매되고 있는 대부분의 가솔린승용차에서 채택되고 있는 방식이다. 연료공급방식에 따른 분류방법을 아래 그림에 정리하여 보인다.

전자기술의 발전과 동반하여 고성능,저연비,저공해 등의 요구 성능을 만족시키는 MPI방식은 이제 지구온난화와 관련한 이산화탄소의 저감을 위하여 현재의 흡기포트 분사방식보다 연료의 소모를 줄일 수 있는 ‘기통내 직접분사방식(GDI;Gasoline Direct Injection)’으로 변화를 꾀하고 있다. Guswo 국내에서 시판되고 있는 자동차 중에서 에쿠우스4.5리터가 GDI방식을 채택하고 있으나,이는 일본 미쓰비시엔진을 수입탑재한 경우이고,향후에 국내기술이 발전되면 점차 GDI엔진의 탑재가 확대될 것으로 예상되고 있다.

 흡기포트 분사방식과 GDI

   흡기포트 분사시스템은 연료펌프,디스트리뷰션파이프,압력조절기,그리고 인젝터로 구성되어 있다. 연료펌프에서 압송된 연료는, 압력조절기에서 2.5~4bar 정도로 압력이 조절되어 디스트리뷰션파이프로 보내지고, 이 디스트리뷰션파이프에서 각 기통에 장착되어 있는 인젝터로 배분된다. 인젝터는 ECU에서 보내오는 신호에 의해,엔진회전수에 동기되어 간헐적으로 흡기포트내로 연료를 분사한다. 이때 분사되는 연료량은 인젝터의 밸브가 열려 있는 시간에 의해 조절된다. 따라서 ECU는 연료가 분사되는 Timing과 인젝터 밸브의 열림시간을 제어하고 있다. 인젝터에 요구되는 기능은 연료량의 조절성,연료의 미립화,연료의 분무형상,그리고 연료라인의 기밀성유지 등이다. 흡기밸브의 숫자 및 배치형태,흡기포트의 형상,그리고 인젝터의 장착위치 등에 따라 연료분무형상을 적절하게 제어해야 하며 이를 위하여 연료가 분무되는 인젝터팁의 분무공(Hole)의 형상이 달라질 수 있다.
   GDI는 현재 일본이 전세계적으로 가장 앞서있다. 미쓰비시, 도요타, 닛산 등이 이미 일본 내에 차량을 판매하고 있다. GDI는 연료를 실린더 내에 직접분사하므로 더 높은 연료압력이 필요하다. 그래서 흡기포트분사방식에 비하여 더 많은 부품으로 구성되어 있다. GDI의 연료계 주요 부품은,저압연료펌프,고압연료펌프,디스트리뷰션 파이프,연료압력센서,그리고 고압인젝터이다. 저압펌프에서 압송된 연료는 고압펌프에 내장된 압력조절기에 의해 2.5~3.5bar정도로 조절된다.고압펌프에서 승압된 연료는 디스트리뷰션 파이프로 압송되는데,이때 압송되는 연료의 양은 기통 내로 분사되는 연료량에 상당하는 양이다. 디스트리뷰션 파이프 내의 연료압력은 연료압력센서의 신호에 의해 feed-back제어되어 80~130bar범위에서 가변제어된다.이 방식에서는 연료의 양을 정밀하게 조절하는 것과 연소안정성에 영향을 미치는 연료분무특성을 확립하는 것이 중요한 점이다.

   가솔린엔진은, 연소개시 전에 미리 공기와 연료를 혼합 시켜 얻어진 혼합기를 전기적으로 발생시킨 불꽃으로 점화하여 연소시킨다. 옛날에는 기화기(Carburetor)로 혼합기를 형성시켰지만 최근에는 전자식 연료분사장치를 이용하여 혼합기를 형성시킨다. 더 나아가 실린더 내에 연료를 직접 분사하는 가솔린 직접분사엔진도 실용화되어 있다.

디젤엔진은, 고압의 인젝터를 사용하여 연료를 실린더 내에 직접분사하고, 높은 압축압력에서 얻어지는 고온 때문에 분사된 연료가 발화되는 연소방식을 취하고 있다.

좀 더 자세히 가솔린엔진과 디젤엔진의 특징을 비교해 본다.

1. 압축비 : 가솔린엔진은 노킹(Knocking)을 피하기 위하여,통상 압축비를 8~12정도로 설정하고 있다. 디젤엔진은 연료를 자기발화 시키기 위하여 17~23정도의 높은 압축비를 사용한다.
2. 실린 더내 최고압력 : 가솔린엔진의 실린더내 최고압력은 60~80기압이지만, 터보를 장착할 경우는 100기압을 초과할 수도 있다. 디젤엔진은 실린더 내 최고압력이 보통 90기압정도이고 터보를 사용하면 150기압정도가 된다.
3. 출력제어방식 : 엔진에서 발생되는 출력을 조절하는 방식이 가솔린엔진과 디젤엔진에서 서로 다르다. 가솔린엔진은 드로틀밸브(Throttle valve)에 의하여 엔진으로 공급되는 공기량을 제어하고, 엔진으로 공급되는 공기량에 알맞은 연료를 공급하여 출력을 조절하는 반면에,디젤엔진에서는 엔진에 공급되는 연료분사량을 제어하여 출력을 조절한다. 디젤엔진에서도 일부는 드로틀밸브를 사용하지만 이것은 엔진회전수의 지나친 상승을 막고 진동을 제어하기 위한 것이다.
4. 점화방식 : 가솔린엔진에서는 스파크플러그의 전기적 불꽃을 이용하여 혼합기에 점화한다. 따라서,연료로는 공기와 잘 섞이도록 휘발성이 높은 가솔린이 사용된다. 디젤엔진에서는 높은 압력의 분위기 내에서 연료의 자기착화로 연소가 개시되기 때문에, 자기착화성 즉,세탄가가 높은 경유를 연료로 사용한다.
5. 연료공급방식 : 가솔린엔진은 전자제어방식 연료분사장치를 주로 사용하고 있으며, 흡기관내에 약 2.5기압~4기압정도의 압력으로 연료를 분사시킨다. 디젤엔진에서는 연소실 내로 연료를 직접 분사하기 때문에 고압분사장치를 사용한다. 현재 1000기압이 넘는 고압분사장치도 실용화되고 있으며, 출력상승과 배출가스 개선을 위하여 전자제어방식이 활발히 도입되고 있다.
6. 엔진의 구조 : 디젤엔진이 높은 압력하에서 운전되기 때문에, 엔진의 각 부분에 있어 기계적인 응력과 열부하가 가솔린엔진에 비교하여 더 높다. 그러므로, 엔진의 구조적 부품이나 운동부품의 강성과 강도가 가솔린엔진에 비하여 더 크다.

이상의 내용을 간단하게 표로 정리하면 아래와 같다.

계 통

주 요 부 품

기         능

실린더 헤드

및

실린더 블럭

실린더 헤드

연소실,흡배기 통로,밸브계 장착위치 등을 형성

실린더 헤드 커버

밸브계 보호,윤활유 비산 방지

실린더 헤드 가스켓

실린더외부로의 가스 누기 방지

실린더 블럭

피스톤,크랭크샤프트의 보호,지지

오일 팬

윤활유 회수

크랭크샤프트 베어링

크랭크샤프트 지지

주 운동계

피스톤

연소실형성 및 가스압력을 왕복운동력으로 변환

커넥팅 로드

피스톤에서 크랭크샤프트로 힘 전달

크랭크샤프트

왕복운동력을 회전력으로 변환

밸브계

흡배기밸브

흡배기 통로의 개폐

밸브 스프링

밸브 지지 및 밸브의 정위치 안착성 확보

캠샤프트

밸브 개폐시기 제어

로커 암

캠샤프트의 작동을 밸브에 전달

냉각계

냉각수펌프

냉각수의 순환

라디에이터

냉각열의 대기로의 방출

써모스탯

엔진내부의 냉각수 온도 제어

윤활계

오일펌프

윤활유의 순환

오일 필터

윤활유 중의 불순물 제거

오일 쿨러

윤활유의 냉각

흡기계

흡기 매니폴드

흡기 통로 및 흡기관성효과 부여

드로틀밸브

흡입공기량 제어

에어크리너

흡입공기 중의 분진 제거

배기계

배기 매니폴드

배기가스의 통로 및 배기맥동 제어

촉매

유해배기가스의 정화

점화계

점화플러그

혼합기의 점화

이그나이터

점화에너지의 공급

연료계

인젝터

연료분사

연료펌프

연료공급

퓨얼레일

연료관내 급유압력 유지 및 맥동 제거

연료 필터

연료 중의 불순물,수분 제거