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LPG엔진
LPG엔진(LPG engine)은 가솔린 대신 LPG 연료를 사용하는 내연기관이다. 가솔린엔진보다 연료비가 저렴하고 유해물질의 발생량도 적으며 엔진의 수명도 긴 장점이 있다. LPG기관으로도 부른다.
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개요[편집]
LPG엔진은 가솔린엔진 속 고압용기에 들어 있는 LPG를 감압기화장치를 통해서 기화기로부터 기관에 흡입시키는 엔진이다. 가솔린엔진과 비교해서 연료비가 싸고, 연소실이나 윤활유의 더러움이 적으며, 엔진의 수명이 길 뿐 아니라 배기가스 속의 일산화탄소(유해가스)도 아주 적어지는 등 장점이 있다.[1] 액체 상태의 연료로 사용하는 것을 LPI엔진이라고 한다. 연료 공급 방법은 다음과 같다. LPG 연료탱크에 저장되어 있는 LPG 연료를 밸브를 통해 베이퍼라이저로 이동한다. 이곳에서 액체 상태의 연료가 기화되어 기체 상태가 된다. 기체 상태로 변한 연료는 믹서라고 부르는 엔진 스로틀바디로 이동해 공기와 혼합되어 엔진의 연소실에 들어가 폭발하며 엔진이 구동한다. 이 방식은 몇 가지의 문제점이 있는데, 온도가 낮은 환경에서 연료 호스에 남아 있는 연료가 얼어 시동이 잘 걸리지 않고, 연료 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한 가스 상태의 연료를 공기와 섞어 사용하기 때문에 기체 상태라는 특성상 정확한 제어가 어렵다.[2]
구조[편집]
LPG 연료탱크[편집]
LPG 연료탱크는 LPG를 충전, 저장, 압송하는 역할을 한다. 흔히 LPG 봄베라고 부른다. LPG 연료탱크는 다음과 같은 구성품으로 되어 있다. 크게 LPG를 저장하고 그 내부압(증기압)으로 LPG를 압송하는 봄베와 LPG가 과충전되지 않게 충전할 수 있는 충진밸브, 그리고 위험 상황에서도 LPG를 연료라인에 안전하게 송출하는 액기상 송출밸브, LPG의 용량을 표시하는 액면 표시장치, 그리고 안전장치의 하나인 긴급차단 솔레노이드 밸브로 구성되어 있다. 봄베는 LPG를 저장하고 연료펌프가 없이도 내부의 증기압(약 3 kg/cm²-20°C기준)으로 LPG를 연료라인으로 압송하는 역할을 한다. 내부압이 높은 이유는 비점이 높은 LPG를 상온에서 액체상태로 보관하기 위해서이다. 따라서 봄베의 설계, 제작, 부착에는 고압가스 안전 관리법(제15조), 동력자원부 고시(63호), 도로운성 차량법(16조)등의 관련법령에 따라야 한다. 봄베는 일반적으로 두께 3.2 mm 이상의 고압가스용 탄소강판을 원통형으로 용접 제작한 것으로 인장강도 41 kg/cm² 이상, 30 kg/cm² 이상의 내압시험과 18.6 kg/cm²의 기밀시험, Lot별 파괴시험을 만족하도록 하며, 고압가스용기 증명을 각인으로 표시하고 있다.[3]
- 구성품
- 액면 표시장치 : LPG의 과충전(Over charge)을 방지하기 위해 봄베 내에 충전된 LPG 양을 확인하기 위해 뜨개식이 사용된다.
- LPG 충전 밸브 : LPG를 충전할 때 사용하는 밸브이다. 충전밸브에 부착된 안전 밸브는 봄베 주위 온도 상승(화재 등)에 의해 봄베의 내압력이 상승하여 24㎏/㎠ 이상이 되면 안전밸브가 작동하여 봄베 내의 LPG 압력을 일정하게 유지시켜 폭팔 등의 위험을 방지하는 일을 한다. 밸브의 색상은 주로 초록색으로 도색한다.
- 송출밸브 : 봄베에 충전된 LPG를 연소실로 공급하는 밸브이다. 아래쪽에는 과류방지 밸브(EFV)가 설치되어 있어 차량에 이상 발생시 LPG의 유출로 인한 사고를 방지한다.[4]
베이퍼라이저[편집]
베이퍼라이저는 LPG 연료탱크로부터 압송된 고압의 액체 연료를 감압시킨 후 기체연료로 기화시켜 엔진 출력 및 연료 소비량에 만족할 수 있도록 압력을 조정하는 기능을 한다. 베이퍼라이저 내의 연료는 액체 상태에서 기체로 될 때 주위에서 증발 잠열을 빼앗아 온도가 낮아지기 때문에 베이퍼라이저의 밸브를 동결시키므로, 이를 방지하기 위해 내부에 온수 통로를 설치하여 냉각수를 순환시켜 기화에 필요한 열을 공급시켜 주도록 되어 있다.[5]
- 기능
- 1차 감압실(고압측) : 봄베로부터 전달되는 액체 LPG를 0.3kg/㎠으로 감압, 기화하여 2차 감압실로 보낸다.
- 2차 감압실(저압측) : 1차 감압실에서 들어온 LPG를 더욱 감압하여 대기압 정도의 압력으로 낯춘다.
- 고정조정 스크루(Idle adjust screw) : 공회전 상태에서 스크류를 돌려 공회전 상태의 CO나 HC의 농도를 조절한다.
- 온수실 : LPG가 액체 상태에서 기체로 될 때 주위로부터 기화열을 흡수하여 밸브를 동결시키는 현상을 방지한다.
- 드레인콕 : LPG연료 조성에는 불 휘발성 물질(타르)이 혼합되어 있어 이것이 베이퍼라이저 내에 고이면 베이퍼라이저의 작동이 불량해진다. 이를 방지하기 위해 드레인콕 레버를 90°열어(1회/월) 타르를 배출시킨다.
- 1차 압력 조정 스크류 : 1차 감압실의 LPG압력을 0.3kg/㎠으로 조정하기 위한 스크류이다.
- 2차 로크 솔레노이드 밸브 : 엔진 작동 시 2차 밸브를 열어 LPG를 공급하고, 엔진 작동 정지 시에는 2차 밸브를 닫아 LPG 공급을 차단한다.
- 저속 차단 솔레노이드 밸브 : 엔진 시동 시 필요한 LPG를 추가 공급하는 장치이다.[4]
믹서[편집]
믹서는 베이퍼라이저에서 기화된 연료를 공기와 혼합하여 연소에 가장 적합한 혼합기를 연소실에 공급하는 일을 한다. 기본 연료량(2차실 연료)은 주조정 나사-1(MAS-1), 공연비 조정은 메인 듀티 솔레노이드 밸브를 통하여 이루어진다. 종류는 크게 기계식 믹서, 전자식 믹서로 나뉜다. 기계식 믹서는 베이퍼라이저에서 완전히 기화된 LPG가 벤튜리에서 발생하는 부압에 의하여 저압호스로 믹서에 도입되고 파워 조정나사로 유량이 조정되어 흡입공기와 혼합되고 실린더에 흡입된다. 전자식 믹서는 피드백 믹서라고 부르며 에어조정나사, 주 조정나사, 피드백 솔레노이드밸브, ISC밸브, 오토초코 등으로 구성된다.[4][6]
솔레노이드 밸브[편집]
솔레노이드 밸브는 연료 중에 있는 각종 불순물을 여과하는 기능을 한다. 두꺼운 펠트(Felt) 같은 재질의 여과재를 사용하여 LPG의 증기압에도 견딜 수 있는 구조로 되어 있고, 필터 엘레멘트는 탈착이 가능하며 청소할 수 있다.
- 액상, 기상 솔레노이드 밸브
액기상 솔레노이드 밸브는 봄베와 엔진룸에 설치된다. 엔진 ECU는 엔진 회전수 신호와 냉각수 온도 신호를 받아 액, 기상 솔레노이드 밸브와 필터를 작동시킨다. 냉각수 온도가 낮을 경우 봄베 내에서 공급되는 액상의 LPG 연료가 잘 기화하지 않는 특성이 있다. 이런 이유로 봄베 내의 기체 LPG를 공급하기 위해 기상 솔레노이드 밸브를 작동시킨다. 기상 솔레노이드 밸브가 작동할 때 차량 운행을 하면 차량의 출력 저하 현상이 발생될 수 있다. 반대로 냉각수 온도가 높을 경우 액상 솔레노이드 밸브를 작동시켜 베이퍼라이저로 액상의 LPG 연료를 공급시킨다. LPG 차량의 연료 필터는 긴급 차단 솔레노이드 밸브, 액기상 솔레노이드 밸브에 각각 한 개씩, 모두 4개가 설치되어 있다. 그리고 필터 내부에 연료 내 금속분을 흡수하기 위해 긴급차단 솔레노이드 밸브 내부에 자석을 설치했다. 필터의 청소 주기는 20,000~40,000㎞이다.[7]
- 슬로우 듀티 솔레노이드 밸브
슬로우 듀티 솔레노이드 밸브는 베이퍼라이저 1차실 압력을 가진 슬로우 연료라인의 연료를 메인 연료라인으로 공급하는 역할을 한다. ECU에 의하여 듀티 제어된다. 듀티량 증가 시 슬로우 연료라인에서 메인 연료라인으로 연료 공급량이 증대되며, 듀티량 감소시 슬로우 연료라인에서 메인 연료라인으로의 연료 공급량은 감소된다. 베이퍼라이저 1차실의 연료는 슬로우 컷 솔레노이드 밸브를 통하여 피드백 믹서에 장착된 슬로우 듀티 솔레노이드 밸브와 시동 솔레노이드 밸브를 통해 연소실로 공급된다. 슬로우 듀티 솔레노이드 밸브는 메인 듀티 솔레노이드 밸브와 함께 엔진 ECU의 제어 신호에 의해 열림량이 같게 조절된다.[8]
- 컷 오프 솔레노이드 밸브
컷 오프 솔레노이드 밸브는 액기상 솔레노이드 밸브와 베이퍼라이저 사이에 설치되어 있으며, 엔진 회전수 신호에 의해 작동된다. 베이퍼라이저의 2차 록 솔레노이드 밸브와 동일한 조건으로 작동된다. 컷 오프 솔레노이드 밸브는 모든 LPG 차량에 장착되어 있지 않고 일부 차량에만 설치된다. 설치한 목적은 엔진이 충분히 워밍업된 상태에서 운전자가 시동을 끄고, 짧은 시간 내에 다시 재시동을 할 경우 베이퍼라이저 내의 압력이 상승돼서 연료공급량 과다로 인한 시동 불량 현상을 방지하기 위해서이다. 만약 엔진이 회전 중 시동을 껐을 경우, LPG 연료는 베이퍼라이저와 기상 솔레노이드 밸브 사이에 남아있게 된다. 이럴 경우 엔진에서 발생된 열로 인하여 갇혀 있던 연료는 압력이 상승되어 베이퍼라이저 1차실로 공급되어져 베이퍼라이저 1차실의 압력을 상승시키게 된다. 이때 시동을 켰을 경우 연료량 과다로 인하여 시동 불량 및 지연 현상이 발생된다.[9]
사용 현황[편집]
2003년 단종된 LPG엔진을 사용하는 현대 포터가 20년 만에 부활했다. 2024년 1~2월 LPG 포터는 각각 4,768대, 6,093대씩 판매된 반면 전기 포터는 4대, 262대가 팔렸다. 1~2월은 전기차 보조금이 확정되지 않은 판매 비수기 기간인 점을 감안해도 압도적인 판매량 차이를 보인다. LPG차량 시장도 커지고 있다. 카이즈유데이터연구소에 따르면, 2024년 2월 대한민국에 등록된 디젤차는 전년 동월 대비 55.3% 줄어든 1만 1,523대를 기록했다. 반면 LPG차량은 같은 기간 137.7% 급증한 1만 1,730대로 등록 대수에서 처음 디젤 차량을 제쳤다. 이처럼 LPG엔진을 사용하는 화물차가 전기 화물차보다 주목받는 이유는 더 좋은 편의성을 가졌기 때문으로 보인다. 현재 포터2 일렉트릭은 100kW 기준 급속충전 시 최대 47분이라는 긴 시간이 소요된다. 뿐만 아니라 1회 충전거리는 211㎞로, 포터를 몰고 장거리를 뛰는 소상공인은 자주 충전해야 하는 번거로움이 있다. 그래서 350kW급 급속충전 기능을 사용해 최대 18분이면 80%까지 충전되는 일반 전기 승용차 차주들과 충전 문제로 갈등을 빚기도 한다. 저렴한 유지비도 장점으로 꼽힌다. 대한LPG협회에 따르면 1톤 LPG 트럭으로 연간 1만 8,000㎞ 주행 시 동급 디젤 모델보다 약 70만 원 절감할 수 있다.[10]
각주[편집]
- ↑ 〈LPG엔진〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 라르테즈, 〈자동차 엔진 종류별 구동 원리(디젤,가솔린,LPG,하이브리드)〉, 《라르테즈》, 2022-01-06
- ↑ 호동 모터스, 〈봄베 가스통 구조〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- ↑ 4.0 4.1 4.2 〈LPG 연료장치 구성품의 구조 및 특징〉, 《강주원 자동차 홈》
- ↑ 호동 모터스, 〈베이퍼라이저〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- ↑ 호동 모터스, 〈피드백 믹서〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- ↑ 호동 모터스, 〈액상 기상〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- ↑ 호동 모터스, 〈슬로우 튜티 솔레노이드 밸브〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- ↑ 호동 모터스, 〈컷 오프 솔레노이드 밸브〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- ↑ 최수진 기자, 〈"전기차보다 낫다"…'LPG 포터' 20년 만의 화려한 부활〉, 《한국경제》, 2024-03-14
참고자료[편집]
- 〈LPG엔진〉, 《네이버 지식백과》
- 〈LPG 연료장치 구성품의 구조 및 특징〉, 《강주원 자동차 홈》
- 호동 모터스, 〈봄베 가스통 구조〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- 호동 모터스, 〈피드백 믹서〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- 호동 모터스, 〈액상 기상〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- 호동 모터스, 〈베이퍼라이저〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- 호동 모터스, 〈슬로우 튜티 솔레노이드 밸브〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- 호동 모터스, 〈컷 오프 솔레노이드 밸브〉, 《네이버 블로그》, 2006-07-07
- 라르테즈, 〈자동차 엔진 종류별 구동 원리(디젤,가솔린,LPG,하이브리드)〉, 《라르테즈》, 2022-01-06
- 최수진 기자, 〈"전기차보다 낫다"…'LPG 포터' 20년 만의 화려한 부활〉, 《한국경제》, 2024-03-14
같이 보기[편집]
