자동차공학

1. 자동차공학 건국대학교 기계공학과 박 정 규 LPG 엔진

2. LPG 차량 개요 및 구성부품 그동안 LPG차량은 뒷쪽 트렁크 부분에 있는 연료탱크가 추돌시 폭발할 위험 가능성 때문에 인기를 끌지 못했다. 그러나 자동차회사들의 꾸준한 기술 투자와 노력으로 안전성과 성능이 개선되고, IMF이후 휘발유 값이 천정부지로 올라가는 바람에 기름 값이 휘발유차량의 20%수준인 저렴한 유지비로 최근 판매가 폭증하고 있습니다. 그런데 LPG차량은 휘발유차와는 달리 관리요령과 사용법 등이 다소 까다로운 편이다.  LPG는 액화석유가스(Liquified Petroleum Gas)의 약자로 상온에서는 가스지만 압력을 가하면 쉽게 액체로 바뀌는 탄화수소를 말한다. 원유 정제과정이나 유전에서 부산물로 생기는 가스를 압축해 액체로 만든다. 일반적으로 LPG는 프로판과 부탄을 주성분으로 하는 혼합물이다. 순수 LPG는 색깔과 냄새, 맛이 없으나 누출사고에 대비해 일부러 불쾌한 냄새를 섞어 놨다. LPG의 비중은 액체상태에선 물보다 가볍지만 기체상태에서는 공기보다 1.5~2배 무거워 낮은 곳에 모이는 성질이 있다. LPG를 사용하는 엔진의 메커니즘은 휘발유 엔진 기본적으로과 같다. 봄베(Bombe)라 불리는 연료탱크에 저장된 액체 상태의 LPG가 연료 필터(Filter), 솔레노이드밸브(Solenoid Valve) 및 연료 파이프 등을 통해 베이퍼라이저(Vaporizer)로 들어가 기화된 다음 공기와 섞여 연소실에서 흡입-압축-폭발-배기 하는 순으로 작동 합니다. 봄베에는 LPG 충전밸브(녹색), 기체 LPG 송출밸브(황색), 액체 LPG 송출밸브(적색) 등 세가지로 기본 밸브로 구성되어 있다.

3. LPG 차량 연료 구성도

4. LPG 엔진의 구성 부품 • LPG 봄베(Bombe) • 2) 기화기(Vaporizer) LPG 탱크에 기체연료만 사용하면 혹한 때에도 시동성을 크게 높일 수 있지만 고속주행 때 출력이 떨어지고 운전성이 나빠지는 등 정상적인 주행을 하기 어렵다. 게다가 LPG탱크 용량에도 문제가 생긴다.  따라서 액체연료(체적이 기체의 약1/250배)를 사용해야 하고, 감압, 증발 조압의 기능을 하는 기화기를 달아야 한다.  주의할 점은 기화기에서 생기는 타르(찌꺼기)를 정기적으로 제거해야 하며, 타르 제거요령은 냉각수가 충분히 더워진후(타르가 굳어 있지 않은 상태) 드레인 코크를 열고 타르를 배출시킨 다음 드레인 코크를 꼭 닫아야 한다. • 3) 믹서 (Mixer) 믹서는 기화기(Vaporizer)에서 기화된 연료를 공기와 혼합해 연소실에서 연소되기에 가장 적당한 비율로 연소실에 공급한다. • 메인 조정 스크류 (MAS-Main Adjust Screw)메인 조정 스크류는 연료유량을 정하기 위한 장치다. LPG는 계절에 따라 비중 및 압력변화에 따른 공연비가 변한다. 때문에 믹서의 연료주입구에 메인 조정 스크류가 달려있다. • 혼합비 조정 스크류 (AAS-Air Adjust Screw)엔진 공회전 때 1차 쓰로틀밸브를 지나 흐르는 혼합기의 양을 조정하는 것이 주기능이다. 또한 기화기의 공회전 혼합비 조정스크류로 일산화탄소 배출량을 조정하는 것이 부기능이다. • 개스차단 밸브(FBM믹서)급감속 때 솔레노이드 밸브가 작동되어 진공이 만들어지면 개스 입구를 막아 더 이상 연료공급이 되지 않도록 한다.

5. 4) 필터 필터는 휘발유의 연료필터와 같이 연료 중의 각종 불순물을 여과하지만 그 구조는 전혀 다르다. 특히 엘리먼트는 금속 분말을 태워 만든 것 또는 두꺼운 펠트 같은 재질의 여과 재료가 사용되고 LPG의 증기압에도 견딜 수 있는 튼튼한 구조로 되어 있다. 필터 엘리먼트는 붙였다 뗄 수 있고 청소도 할 수 있다. 입구축으로 들어간 LPG는 다공질의 세라믹 엘리먼트로 80μm 이상의 불가용성 이물질을 여과하고, 다시는 필터 엘리먼트 내의 영구자석에 의해 엘리먼트를 통과한 미세한 부유 철분을 흡착하도록 되어 있다. 5) 액체 . 기체 솔레노이드 밸브 액체 . 기체 솔레노이드 밸브는 LPG엔진의 시동성을 좋게 하기 위하여 냉각수 온도(15℃ 기준)에 따라 액상 또는 기상 LPG를 차단/공급하는 역할을 한다. 운전석의 LPG 스위치를 조작해 LPG를 공급하거나 차단할 수 있고 아래 부분에는 필터가 일체식으로 달려있다. 즉 냉각수 온도(15℃ 기준)에 따라 온도가 내려가면 기상 솔레노이드 밸브가 작동, 기체상태의 가스를 베이퍼라이저(기화기)로 연료를 공급시켜 시동성을 좋게 하며 이때 운전석 계기판에는 기상표시등이 켜져 있다. 반대로 온도가 올라가면 기상지시등이 꺼지고 액상솔레노이드 밸브가 작동해 액체상태의 가스를 베이퍼라이저에 공급시켜 엔진 출력 저하를 막아주는 역할을 한다. FBM(Feed Back Mixer) 피드백 믹서는 배출 개스를 최소한으로 줄이면서 적정한 이론 공연비로 운전할 수 있도록 배기개스 중의 산소량을 감지한다. 이를 통해 희박, 과농혼합비를 판정해 ECU가 이론 공연비가 되도록 솔레노이드를 구동, 제어하는 시스템을 말한다.

6. LPG 차량 사용법 • LPG차는 충분히 워밍업한 후 출발하고 기체상태의 LPG를 이용해야 시동이 잘 걸린다. 시동은 LPG스위치를 누른 다음 기온에 따라 초크밸브를 당기고(봄, 가을에는 2분의 1, 겨울에는 끝까지) 클러치 페달을 밟고 시동을 건다. (이는 구형차에 해당하고 카니발, 카렌스 등 요즘 나온 신차에는 자동조절 스위치가 있어 추운 겨울에도 별로 신경쓸 일이 없다) LPG, 가솔린 겸용인 차는 카뷰레터(Carburetor), 플롯(Float), 챔버(Chamber) 등 연료라인에 가솔린이 남아 있으면 LPG와 섞여 시동이 걸리지 않는 경우가 있으므로 주의해야 한다. • 시동을 걸고 출발하기 전엔 반드시 워밍업을 하자. 기화기에서 LPG를 기화시킬 때 열이 부족하면(냉각수가 충분히 덥혀지지 않았다면) 시동이 잘 걸리지 않는다. • 냉각수 온도가 약 40도 이상으로 더워질 때까지 평소에는 3분, 겨울철에는 5분 이상 워밍업 하는게 좋다. 워밍업이 충분치 않아 냉각수 온도가 낮으면 겨울철에는 주행 중 액셀 페달(Accel Pedal)을 힘껏 밟아도 충분히 가속되지 않거나 출력이 쉽게 높아지지 않는 경우가 많다. • 특히 장시간 정차한 직후 이런 현상이 나타나기 쉽지만 워밍업을 되풀이 하면 해결된다. • 영하 5도 이하로 떨어지는 추운 날씨에는 프로판이 30% 정도 혼합된 LPG를 사용하지 않으면 시동 걸기가 힘들어진다. LPG 충전소마다 프로판과 부탄 혼합비율이 다르기 때문에 평소 잘 다니는 충전소는 어떤 지 한번 꼭 확인해 보자. 최저기온이 영하 10도 이하로 떨어지면 프로판이 혼합된 LPG라도 기화기가 얼어붙을 가능성이 높다.

7. 휘발유 겸용차는 사전에 가솔린으로 시동을 걸어 충분히 워밍업된 후 LPG로 전환하는 것도 좋다. 그러나 겸용차라도 항상 LPG를 사용토록 습관화하고 가솔린은 LPG가 떨어졌을 때나 매우 추운 날에만 쓰는 습관이 필요하다. • 주행 중에는 높은 rpm을 유지해야 엔진성능을 제대로 끌어낼 수 있다. 휘발유차보다 500~1,000 rpm으로 엔진 회전수를 높인 다음 기어를 변속한다. • 시동을 끌 때는 공회전 상태에서 LPG스위치를 꺼 엔진을 멈추고 시동 스위치를 잠금 위치에 놓는다. • 겨울에는 남아있는 가스가 얼어붙어 다음날 시동이 걸리지 않을 수 있으므로 히터 스위치를 쿨(Cool)로 돌려 놓아야 한다. • 장시간 주차할 때는 지하주차장 등 밀폐된 곳이나 직사광선이 쬐는 곳은 가급적 피하고 차 안에서 가스냄새가 날 때는 즉시 환기시킨다. • 운전이 끝나고 차를 주차할 경우 용기의 액체 송출밸브를 완전히 잠그고 배관내 LPG를 모두 소비하는 것과 점화스위치 끄는 것을 습관화해야 한다.

8. LPG 엔진의 국내외 적용 동향 및 향후 개발 전망 국내외 적용 동향 국내상황 LPG적용 전면 자율화와 부분 자율화 팽팽히 대립중임. 향후 1500cc미만의 신차에 LPG 허용 방침이나 아직 미확정 된 상태임. 미국 프로판가스차 법적인 근거에 의해 차량등록을 정해 놓고 있지 않음. 보급대수 : 대략 30 ~40만대 (대부분 개조차량, 주로 PICK UP차량 ) 개조비용과 연료비절감 잇점 없음. 사회간접자본 부족(충전소)으로 미국3대 자동차회사 판매실패 일본 LPG차량개조에 대한 법적규제 없음. 택시 95% 적용, 충전소 부족으로 보급이 늦음. 향후 개발 전망 현 LPG엔진의 거의 대부분은 Mixer type엔진이며 이 믹서형 엔진에서는 공연비 조정문제와 NOx배출가스 문제가 존재하기에 자꾸만 엄격화되는 배출가스 규제를 만족하기 위하여는 새로운 연료공급시스템이 필요하며, 현재 Liquied Injecter type LPG엔진 개발이 시도되고 있다.

9. LPG 자동차 관리 및 점검법 • 가스를 충전할 때는 용량의 85%를 넘지 않게 한다. 충전중엔 반드시 엔진을 멈춰야 하며 차가 움직이지 않도록 제동장치를 확실히 해야 한다.충전이 끝났더라도 호스를 분리할 때까지는 절대 시동을 걸어선 안되며 밸브잠금 상태를 반드시 확인하자. • 연료특성상 타르가 생기므로 한 달에 한번 정도 타르 배출용 드레인 코크를 열어 베이퍼라이저에 생긴 타르를 청소해준다. 타르를 제거하지 않으면 시동이 잘 걸리지 않고 출력이 떨어진다. 타르를 빼는 방법은 시동을 건 다음 수온계 바늘이 움직이면 베이퍼라이저 밑에 달린 코크를 돌리면 된다. 청소 후에는 드레인 코크를 반드시 잠궈 열어놓은 채 시동거는 일이 없도록 한다. • LPG차의 타이어 공기압은 확인해야 한다. 가솔린차와 타이어 공기압이 다를 수 있기 때문이다 . • 엔진오일도 반드시 LPG 전용 제품을 사용토록 한다. 누적 주행거리가 1,000km를 넘어설 때마다 정기적으로 점검하는 것을 생활화해야 한다. • 차 안으로 스며드는 LPG냄새에 주의해야 한다. • 가스누출을 오래 방치해 실내로 많은 양이 스며들 경우 운전자가 의식을 잃어 대형참사를 일으키기도 한다. 흔히 배기가스에도 LPG에 첨가된 냄새가 그대로 남아 있기 때문에 냄새가 나더라도 무관심한 경우가 있으나 조심해야 한다. LPG 누출여부는 항상 살펴야 한다. LPG 스위치를 눌러 연료를 공급한 뒤 시동키를 'ON'에 놓은 상태에서 베이퍼라이저 주변이나, 파이프 연결부 등에 비눗물을 칠해보아 거품이 생기면 LPG가 샌다는 증거다. • 여름철 바깥온도가 높은 시간에 장시간 주차할 때는 배관에 남아 있는 LPG를 모두 소비 하고 용기의 액체 송출밸브를 완전히 잠궈야 한다. 특히 몹시 더운 날 용기가 직사광선을 받게 되면 용기표면 온도가 40도를 넘어 위험하므로 그늘진 곳에 주차해 봄베 내부온도 상승을 막아 주는게 좋다.

10. 타르제거와 함께 필터 청소 LPG차는 냉각수 온도(15℃ 기준)에 의해 연료공급 방식에 큰 영향을 받는다.  따라서 항상 냉각수 점검에 관심을 기울여야 한다. 냉각수 양을 점검하고 새는 곳이 없는지 확인할 필요가 있다.  또한 LPG차는 가솔린차에 비해 시동성이 좋지 않아 배터리 소모가 많다. 반대로 얘기하면 배터리 용량이 부족할 경우 시동걸기에 곤란을 겪게 된다는 것이다.  또한 LPG차는 연소실 부근의 온도가 상당히 높기 때문에 점화 플러그, 배선 등 점화계통에 대한 관심을 기울여 전문업소에서 정기적으로 점검을 받는 것이 좋다. 이와 함께 1년에 한 번 정도 LPG 필터를 청소하거나 교환해 주어야 한다. 필터는 LPG 용기 내의 녹이나 LPG 중의 불순물들이 모여 연료통로를 막을 수 있으므로 관심을 갖고 점검해 주어야 할 부분이다.     주차할 때 주의 LPG차를 타는 운전자들이 가장 걱정하는 것은 LPG 누설문제이다.  그러나 LPG 누설은 크게 걱정하지 않아도 된다.  단지 LPG 냄새가 나는 것은 불완전 연소가 발생했을 때 머플러를 통해 나는 것일 수 있고 에어클리너 불량이거나 연소불량에 의해 냄새가 나는 것이 대부분이다.  만일 다른 차에 비해 냄새가 많이 난다면 배기가스 점검이나 튠업을 통해 연소상태를 확인받는 것이 좋다. 그러나 LPG차는 주차할 때 주의를 기울여야 한다. 액체 LPG는 4℃의 물보다 가볍지만 기체 LPG는 0℃ 1기압의 공기보다 약 1.5~2배 정도 무겁다. 따라서 밤새 주차하거나 장기간 주차할 때는 지하 주차장 등 밀폐된 장소에 주차하지 않는 것이 좋다.  만일 LPG가 공기 중에 누설되었을 때에는 낮은 장소에 고여 인화 사고의 원인이 될 수 있으므로 항상 통풍이 잘되는 곳에 주차시킨다는 생각을 갖고 있어야 한다.