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2 工學碩士學位請求論文 중형 LPG 엔진의가연한계확장을위한 연료성층화방안연구 Study on fuel stratification to increase flammable limit of medium duty LPG engine 2008 년 2 월 仁荷大學校大學院 機械工學科 ( 熱및流體工學專攻 ) 朱庚奭

3 工學碩士學位請求論文 중형 LPG 엔진의가연한계확장을위한 연료성층화방안연구 Study on fuel stratification to increase flammable limit of medium duty LPG engine 2008 년 2 월 指導敎授李大燁 이論文을碩士學位論文으로提出함 仁荷大學校大學院 機械工學科 ( 熱및流體工學專攻 ) 朱庚奭

4 이論文을朱庚奭의碩士學位論文으로認定함 年 2 月 主審 : 副審 : 委員 :

5 요약문 LPG( 액화석유가스 ) 는자동차배출가스에의한대기환경오염을개선하고휘발유에대한의존도를낮춰수송용에너지원을다양화할수있는실용적인청정연료가운데하나이다. 국내의 LPG 자동차등록대수는현재 200만대를넘어서전체등록자동차가운데 12% 이상을점유하고있다. 그러나자동차에의한오염물질배출량에서많은부분을차지하고있는중대형자동차에는아직 LPG 자동차가많이보급되고있지않다. LPG 엔진의개발을위해, 작은배기량의경우는기존휘발유엔진을베이스로이용하고, 중대형 LPG 엔진의경우에는동급디젤엔진을베이스로하여개발하고있는실정이다. 따라서엔진의성능을극대화하기위해서는사용하는연료의연소특성이최적화되도록개발하여야하지만, LPG 엔진의경우에는생산규모등의제약으로인하여설계자유도가부족한것이사실이다. 특히동급디젤엔진을베이스로하여개발되는중대형 LPG 엔진의경우에는압축착화연소에최적화하여개발된엔진을이용및개조하여점화착화방식에적합하도록설계변경이이루어져야하기때문에개발에더욱어려움을겪게된다. 따라서본연구는중대형 ( 배기량 5.9리터급, 6기통 ) LPG엔진개발과제의일환으로서베이스디젤엔진에서의 LPG 연료의가연한계를확장시키기위하여연료성층화를위한방안에대해연구하는것을목표로하고있다. 실제엔진을모사하기위한 SCE 장치를설계및제작하여, 유동가시화및연소특성실험을실시하였다. 두개의흡기포트가실린더내부유동에미치는영향을알아보고, 각포트의특성을파악하여텀블포트로의연료분사가성층화에효율적임을확인하였다. 텀블포트쪽으로연료분배를위한방안찾기위해인젝터분사각및위치를변경시켜가며, 각포트의연료분배특성을측정하였다. 전산해석을통해텀블포트분사가이루어진경우, 점화플러그가위치한엔진중심에농후한혼합기를형성으로성층화가잘이루어져가연한계가확장될것이라예상할수있었다. 실제연소특성실험에서텀블포트분사의경우스월포트분사나중앙분사보다가연한계가크게나타났으며, 이를통해텀블포트분사가성층화와가연한계확장에유리함을확인할수있었다 - i -

6 Abstract An LPG(Liquified Petroleum Gas) fuel has a practical potential to reduce pollutant emissions from vehicles and to diversify energy sources as lower dependency of petroleum. The number of registered LPG vehicles in Korea is currently more than two million vehicle and possess over 12% of registered vehicle. But a medium or a heavy duty engine fuelled by LPG has not been widely developed and used. One of the reasons for that is what a base diesel engine needs to be modified for an LPG engine rather than a whole new LPG engine is designed from sketch. This limits the freedom of design for an LPG engine due to limited production capacity, especially for the medium or heavy duty engine, because the design parameters only such as piston cavity and intake port are practically allowed to be replace or modify. In this work, a method of fuel stratification was investigated to increase flammable limit of a based diesel engine. As designed and manufactured SCE(Single Cycle Engine) with motion like real engine, we experienced flow visualization and combustion characteristics. First, we observed mixture flow by two intake ports and find out characteristics of each port. Through this, we noticed that fuel injection to thumble port is efficient to fuel stratification. In oder to find a method for fuel injection to thumble port, we measured characteristics of fuel distribution of each port and carried out computational analysis. It was promised that flammable limit increases because ignition plug located at center of engine are transformed rich mixture and do well stratification at fuel injection to thumble port. Consequently, at the combustion characteristic experiment, flammable limit of swirl port injection is larger than one of thumble port. Through this, we noticed that fuel injection to thumble is efficient to mixture stratification and flammable limit extension - ii -

7 목 차 요약문 ⅰ Abstract ⅱ 목 차 ⅲ List of Figures ⅴ List of Table ⅶ 제1장서론 연구배경 연구동향 국외기술동향 일본의 LPG자동차기술동향 유럽의 LPG자동차기술동향 국내기술동향 국내의중소형 LPG 자동차현황 LPG 액상분사기술의개발현황및적용 연구목표 17 제2장연구내용 SCE 설계및제작 이론적해석및설계 실제엔진과의운동성비교 실험장치구성 유동가시화실험장치 24 - iii -

8 포트분배성측정실험 연소특성측정실험 전산해석모델구축 흡기포트모델링 엔진형상모델링 31 제3장연구결과 유동가시화실험 연료분배성측정 스월포트와텀블포트연료분배특성 분사형태에따른연료분배특성 연료분배성전산해석 흡기포트전산해석 엔진내부유동전산해석 연소특성측정 분사위치에따른연소특성 분사위치에따른가연한계 44 제 4 장결론 46 참고문헌 47 - iv -

9 List of Figures Fig A prospect of energy demand in the world 1 Fig Greenhouse Gas Equivalent Emission of Various Fuels 2 Share of LPG in Total Automotive-Fuel Fig Consumption and Light Duty Vehicle Fleet, 3 Fig The number of registered vehicles in Korea 5 Fig The number of LPG vehicles in the World 6 Fig LPG Vehicle in Japan 8 Fig LPG consumption classified by use purpose in Japan 8 Fig The LPG gaseous MPI system of TANAKA Motors 9 Fig GSI system 10 Fig LPG supply system of Tartarini 11 Fig LPGi bus developed by KIMM 13 Fig LPGi engine and efficiency developed by KIMM 13 Fig LPLi system of Hyundai Motors 14 Fig LPLi Vehicle of Hyundai and Kia Motors 14 Fig LPLi Vehicle of Renault-Samsung Motors ' 15 Fig LPGi Vehicle of GM Daewoo 16 Fig Free-body Diagram for design RCEM 18 Fig Calculation of SCE cam profile 20 Fig Force and Velocity of piston dependent on crank angle 20 Fig Motion of RCEM at 1000 and 2000 rpm 21 Fig Photo of SCE (Front) 22 Fig Photo of SCE (Left Side) 22 Fig Comparison of SCE and real engine 23 Fig Variation of engine rpm 24 - v -

10 Fig Photo of SCE with visualization cylinder 25 Fig Schematic diagram of SCE with visualization cylinder 25 Fig Flow visualization experiment 26 Fig Schematic diagram of fuel distribution measurement 27 Fig Adjustment of injection angle 27 Fig Nozzle Extension 29 Fig Intake port modeling 29 Fig Mesh Generation 30 Fig Engine Modeling 31 Fig Mesh Generation 32 Fig Swirl Port and Thumble Port 33 Fig Flow Characteristic of Swirl Port 34 Fig Flow Characteristic of Thumble Port 35 Fig Distribution of swirl and thumble port 36 Fig Injection ratio of swirl port with intake flow at Fig Injection ratio of swirl port with intake flow at Fig Fuel distribution with injection angle 39 Fig Air Flow with Injection Condition at Btdc Fig Air Flow with Injection Condition at Btdc Fig Pressure of thumble port with excess air ratio 42 Fig Pressure of swirl port with excess air ratio 43 Fig comparison between swirl and thumble port 44 Fig Combustion limit with various injection location 45 - vi -

11 List of Tables Table The comparison of emission regulation (Passenger car) 4 Table The emission and noise characteristics comparison 6 Table The direction of development of low emission vehicle 9 Table LPLi Vehicle of Hyundai and Kia Motors 15 Table LPLi Vehicle of Renault-Samsung Motors 16 Table Experiment condition of fuel distribution 28 Table Operation Condition of RCEM 28 Table Simulation condition of intake port 30 Table Simulation condition engine 32 Table Combustion limit with injection location 44 - vii -

12 제 1 장서론 1.1 연구배경화석연료고갈로인해세계의에너지수급동향은빠른속도로변화하고있으며, 대체에너지개발은필수불가결한과제가되고있다. 현재까지에너지사용은화석연료에많이의존하였으나, 에너지수급불안및화석연료고갈로인한수급량부족과원가상승은대체에너지사용의필요성을더욱증대시키고있다. 1990년대이후부터현재까지 LP가스는점진적으로그사용이증대되어왔으며, 계속적인수요증대와더불어주요대체에너지원으로써위치를공고히하고있다. 수소에너지또한현재는그사용이미소하게증가하고있으나, 2030년에는그수요가급격하게증가할것이며, 2060년에는화석연료를추월할것으로예상된다.(Fig 참조 ) Fig A prospect of energy demand in the world ( 출처 : 에너지경제연구소 ) 에너지수급동향은자동차연료에서도급격하게변화하고있다. 자동차로부터 배출되는오염물질로인한환경오염의심각성이날로증가됨에따라저공해 - 1 -

13 엔진기술의필요성이절실하게요구되고있기때문일것이다. 또한지구온난화현상으로범국가적인차원의배출가스규제및도쿄의정서등의환경규약도큰화두로떠오르고있다. 현재사용되고있는차량연료의온난화가스배출지수는 Fig 1.1-2와같으며, LPG 연료의경우온난화가스의배출량이가장적은것으로나타나있다. 이는 LPG차량의보급이확대된다면환경오염적측면에서많은이점을가질것으로기대된다. Fig Greenhouse Gas Equivalent Emission of Various Fuels ( 출처 : American Pollutant Agency) Fig 1.1-3과같이국내 LPG 차량중수송차량의비율은 12% 정도로낮다. 그러나연료소비율은그보다 3% 많은 15% 를차지하고있다. 이는수송용차량의배기량이승용차에비해크고, 운행시간및운행거리가더길기때문이다. 기존디젤을주연료로사용하고있는중소형상용차량의경우에도전체차량중차지하는비율은낮지만, 연료소비율이나배출가스측면에서더높은비율을차지하고있으므로, 이들차량을 LPG 차량으로생산보급한다면, 배출가스저감측면에서보다효과적일것이다. 국내의자동차생산량은세계 5위를자랑할만큼많은수의차량을생산하고있다. 또한 2000년대의한국의자동차등록대수는매년 5% 가량증가하고있으며, 2006년 6월 31일마감된전국의자동차등록대수가 1500만대를넘어섰다. 1) - 2 -

14 그러나전세계 10 대자동차생산국중에서자동차보급수준은아직여타선 진국에비하여미흡한수준 ( 자동차 1 대당인구수 - 한국 3.3 명, 미국 1.3 명, 일 본 1.7 명 ) 이므로자동차의보급은더욱늘어날것임을예상할수있다. Fig Share of LPG in Total Automotive-Fuel Consumption and Light Duty Vehicle Fleet, 2003(International Energy Agency, 2005) 하지만이미수도권의대기환경은 OECD 국가중에서도가장안좋은수준이다. 특히서울의미세먼지오염도는선진국주요도시에비해 1.7~ 3.5배수준을나타내고있으며, 이산화질소농도는 1.7배수준에달하고있다. 이는선진국에비하여심각한대기오염을나타낼뿐만아니라, 국내다른도시에비해서도매우높은수준이다. 5) 이와같은대기환경오염은서울의높은인구밀도로인하여자동차와에너지소비량의급증, 단위면적당대기오염물질배출량과다등에기인한다. 세계보건기구 (WHO) 는대기오염으로인한사망자수가전세계적으로매년 70만명에이르는것으로추정하고있다. 서울의경우미세먼지로인한초과사망자수가연 9,641명으로추정되고있어, 대기오염노출인구의사망비 - 3 -

15 율이 0.09% 로선진국 (0.05~0.07%) 에비해서매우높다. 우리나라의대기오염으로인한사회적비용은연간 45조 5천억원으로추정되고있다. 이에따라대기환경개선을위하여여러가지규제가반드시필요하게되었으며, 현재 수도권대기질환경개선에관한특별법 2) 이시행되고있다. 여기에는다양한오염물질배출원을줄이기위한규제가있는데, 이가운데자동차로부터배출되는배기가스의교통공해를저감시키기위하여엄격한제작차배출허용기준설정, 배출기준을충족하지못하는경유차의운행금지, 다수의차량을보유한사업자에게일정비율이상의저공해차량보유의무화, 취득세, 등록세등관련세제를친환경적으로개편, 제작차관리강화, 시내버스, 통근버스, 마을버스 ( 중형 ), 청소차등을 CNG차또는 LPG차등저공해차량으로대체, 화물트럭등의경유차에매연후처리장치부착의무화등의내용이들어있다. 이러한자동차배출가스규제강화와저감기술의개발등으로자동차에서배출되는오염물질은현저히감소하고있다. 그러나자동차보유대수및주행거리의증가로인하여대기오염은크게개선되고있지않기에저공해자동차의보급이더욱중요하게인식되고있다. Table The comparison of emission regulation for Passenger car (5) 구분 CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) 비고 KTLEV 년 7 월 KLEV KULEV 년, NMOG 제 2 종저공해자동차 년 제 2 종저공해자동차 년 SULEV ~0.53 ~ ~0.016 일본신장기 년, NMHC EURO 년 EURO (?) 년 저공해자동차의종류는 1 종에서 3 종으로나누어지게된다. 제 1 종은오염물질 - 4 -

16 배출이전혀없는무공해자동차로서태양열, 전기, 연료전지자동차등이포함된다. 2종은하이브리드자동차또는가스 (CNG, LPG) 를연료로사용하는대형자동차중기존자동차보다오염물질배출을줄인자동차를의미하며, 제 3종저공해자동차는휘발유, 경유, 가스자동차중오염물질배출을기존자동차보다상당하게줄인자동차를나타낸다. ( 참고문헌 1. 참조 ) 국내에서는 2000 년부터휘발유승용차에대하여 2003년부터 2006년까지기존자동차에비하여 NOx 50%, HC 70% 가저공해자동차 (KLEV) 가단계적으로생산되었으며, 2006 년부터는 KLEV보다 CO 50%, HC 50%, NOx 76% 가더저감된초저공해자동차 (KULEV) 가단계적으로생산보급되고있다.(Table 참조 ) Fig The number of registered vehicles in Korea (1) 저공해자동차의다양한연구개발속에서 LPG를연료로이용하는저공해자동차도계속개발되고있다. 이미한국은 LPG 자동차가많이보급되어있는데 2006년 LPG 차량등록대수가 200만대를돌파하였다.(Fig1.1-4참조 ) 이는 LPG 자동차등록대수가세계에서가장높은수치이며, LPG 연료의보급과사용량역시세계 1위를나타내고있다. 3) (Fig 1.1-5) - 5 -

17 Fig The number of LPG vehicles in the World (3) Table 와 에서와같이 LPG 자동차는휘발유차량이나경유차량에 비하여배기가스및소음특성등에서전체적으로동등우위의특성을나타내고 있음을알수있다. 특히 LPG 자동차 ( 기체분사또는액상분사방식 ) 의환경성 및에너지소비효율특성은경유차량에비해월등하게나타났으며, 경유를이 용하는차량은특히미세입자와소음등의문제점을가지고있다.( 참고문헌. 2 참조 ) Table The emission and noise characteristics comparison (5) 구분 가솔린 LPG/CNG 디젤 HC LPG/CNG COLD 상태 > NMHC LPG < CNG CO > NOx PM > LPG/CNG 증발가스 이산화탄소 > 소음 ( 주 ) 1. ( 재 ) 일본자동차공업회 2. 매우적음, > 적음, 거의동등, < 많음, 아주많음 - 6 -

18 Table The direction of development of low emission vehicle (5) 차종 Hybrid 자동차 LPG 자동차 CNG 자동차 LNG 자동차 DME 자동차 연료전지자동차 소형트럭2) 중형트럭3) 대형트럭4) - 노선버스5) 관광버스6) 승용차 - 주 ) 1. 기호의의미는아래와같음. : 보급단계에있음, 향후성능개선 보급이기대되는자동차 : 개발단계에있음, 향후개발 보급이기대되는자동차 : 적합성에대한결론이나지않았으나개발필요성을부정할수없는자동차 : 일반적으로개발이곤란하다고생각되는자동차 2. 소형트럭 : 주로집배활동에사용되는최대적재량 2톤정도의트럭 3. 중형트럭 : 주로집배활동이나거점도시간수송에사용되는최대적재량 4톤정도의트럭 4. 대형트럭 : 주로간선수송에사용되는최대적재량 10톤정도의트럭 5. 노선버스 : 주로시가지를주행하는승합버스 6. 관광버스 : 주로관광지 / 도시의관광용도에사용되는버스, 주로고속도로를주행하는노선버스자료 : 일본의 LP가스자동차보급촉진협의회 1.2 연구동향 국외기술동향 일본 LPG 자동차기술동향 2002년기준으로일본의 LPG자동차는약 29만대, 충전소는약 1,900여개소가있으며, LPG 자동차대수는다른나라에비해많지않지만매우다양한차종의 LPG 차량을생산및판매하고있다.(Fig 1.2-1) 택배차량, 청소차량등중형경유트럭을대체한 LPG 차량이 1만 3천대이상보급되고있고, 정부및지자체로부터보급이적극적으로장려되고있으며계속적인연구개발이진행중에있다. 일본의타나카모터스에서개발되어현재시험평가중인전자제어식다점기체분사방식의 LPG 공급시스템의성능을살펴보면, 이방식에서는 LPG를기화 - 7 -

19 Fig LPG Vehicle in Japan 7) Fig LPG consumption classified by use purpose in Japan ( 출처 : 일본 LPG 협회 ) - 8 -

20 시키기위하여베이퍼라이져에서엔진냉각용의라디에이터냉각수를이용하여가스를가열하고이과정에서압력을발생시켜압력이높아진 LP가스를전자제어로조정한인젝터로부터적절한양과타이밍으로필요한시간에엔진의흡기관에서분사하는방식이다. 이러한방식이일본에서처음개발되었고, 가압방식의베이파라이져가생산되지않아서이탈리아로바토사의가압가능한베이퍼라이져를이용하였고, LPG 용인젝터도없었기때문에케이힌제천연가스용인젝터를연료공급에사용하였다. 가솔린인젝터 LPG 인젝터 O 2 센서 LPG 베이퍼라이져 공기 LPG 솔레노이드 릴레이 LPG 용 LPG 게이지 연료펌프연료센서게이지 가솔린용 Fig The LPG gaseous MPI system of TANAKA Motors ( 출처 : LPG가액체로연료탱크에들어있는상태에서기체로된부분은액체가기체로된상태에서압력이발생한것이기때문에이압력을일단 0( 대기압 ) 으로하지않고이용하는것이인정되지않고있다. 이때문에 LPG자동차연료의주성분인부탄이겨울철에기화하기곤란하여기화기를냉각수나히터등으로가열하여기화하기쉽도록하는정도밖에할수없었다. 그러나 1999년 9월 30일부터는고압가스보안법이개정되어차량에서가압하는것은적용대상에서제외되었기때문에액상 / 기상에서가압하는것이가능하게되었다

21 2000년 10월경부터닛세키미쓰비시 ( 주 ) 에서전자제어액체분사방식인네덜란드의비알레사제품을도입하여일본에서보급사업을시작하였다. 초기성능평가를위하여토요타의크라운 (2,491cc) 을 LPG액체분사방식 ( 가솔린과겸용의바이퓨얼방식 ) 으로 86대를개조하여모니터링사업을하였고, 매우만족스러운결과를보였으나, 추후모든비알레 LPi시스템의내구성에서문제가발생함으로써일본의비알레시스템도입계획은전면취소되었다. 아이상공업 ( 주 ) 에서개발하여 2007년토요타자동차에적용예정인액체분사방식의 LPG공급시스템은초기의개발과정에서는프로판의함량이높은연료에대하여고온재시동성, 아이들안정성, 그리고부탄연료의경우에는아이싱과관련하여문제점이있었으나현재이상과같은주요문제점을기술적으로극복한상황이라고알려져있다 유럽 LPG 자동차기술동향유럽에서 LPG의경쟁력을향상시키는데크게도움이된것은유럽의 LPG연료매망과유통망의구축으로, 현재유럽에서는 10,000여개이상의 LPG충전소가있으며점진적인증가할것으로예상되고있다. Fig GSI system 7) 네덜란드의 Necam/Koltech 사에서개발된 GSI (Gaseous Sequential Injection) 시스템은전자제어다점기체분사방식을적용한것으로, 기체분사용인젝터를사용하였다.(Fig 1.2-4) 배기가스 ( 시험차종 1.8 L 승용차, 프로판 / 부탄 =50/50) 는 LEV는만족시키고있으나, 질소산화물의경우에는 EURO4를만족시키지못하

22 고이경우에연비는 (L/100km) 또는 8.71(km/L) 를나타내고있다. 부품의내구성은약 8억사이클 ( 또는 350,000km) 의조건으로테스트되었고, 현재약 700여대의자동차에적용되어보급되고있다. 그러나기체분사방식으로인하여저온시에액상방지를위하여프로판의함량이최소약 20% 이상이되어야하는문제점이있다. 이탈리아의 Tartarini 사는 ETAgas Injection 시스템이라는전자제어다점기체분사 ( 디스트리뷰터사용 ) 방식의 LPG연료공급시스템을개발하였다. (Fig 1.2-5) 인젝터대신에기계식분배기인디스트리뷰터를사용하는방식으로서, 최근에자동차엔진에플라스틱매니폴드의사용이증가함에따라개발이촉진되었다. Fig LPG supply system of Tartarini 7) 유럽에서는특유의 LPG자동차의사용환경으로인하여가솔린과 LPG 연료모두를사용이가능한바이퓨얼방식의연료공급시스템이보급되어왔다. 현재소형차에적용보급되고있는분사방식의연료공급시스템은전부바이퓨얼방식을채용하고있고, 향후모노퓨얼방식의생산보급에관한움직임은현재까지나타나지않고있다. 이러한액상분사방식의개발배경을살펴보면, 네덜란드정부와 TNO는 1990년에결정된 EC배기가스규제의제안으로강화된배기가스규제를당시의 LPG기술로달성하는것은곤란하다고판단하였고이에따라 TNO에서믹서방식을대체할수있는 LPG연료공급방식의기초개발을개시하였다. 기초연구에서는기체분사방식과액체분사방식의두가지방식의연구가수행되었고, 모두기초연구가완료되어기초특허를취득한후에상품화가추진되었다

23 액체 LPG분사는가솔린의분사시스템을베이스로그대로이용하는것이가능하고, 액체분사시의기화열에의한연소온도의저하및관성과급효과를이용함으로써가솔린차와동급의성능구현 ( 운전성, 연비, 배기가스성능 ) 이가능하였으며, 여러가지기술상의문제점 ( 개조후의유지보수의불필요, 백화이어등 LPG 특유의불량해결, 성능보증, OBD시스템대응 ) 도해결하는것이가능하였다. 또한, 액체분사시의기화열에의한아이싱은가솔린시동으로방지하였고, 연료배관중의기포발생은가압펌프로압송과순환을하여해결하였다그리고베이스컴퓨터의출력신호를이용하여제어계의간소화를실현하였다 국내기술동향 국내의중소형 LPG자동차현황국내의 LPG자동차는 2006년현재약 196만여대정도가보급되어세계 1위의 LPG자동차를보유하고있지만, 가솔린차량에비해저공해성은크게구현되지못하고있는실정이다. 이것은최근까지국내 LPG 엔진기술이 1980년대실용화된제2세대기술인믹서방식으로서응답속도가느리고수동으로조작이가능한가스믹서방식이기때문이다. KAMA 2005년자료에의하면 2000년부터 2006년 6월까지등록된국내의중소형 (2.5톤 ~4.5톤 ) LPG자동차는약 32만여대로연간 7만여대가등록되고있다. 가장대수가많은차종은현대 / 기아자동차의 e-마이티와 e-카운티이고, 이둘은 2.5톤급으로연간 2만대가생산되며이중 50% 는내수, 50% 은수출되고있다. 4.5톤급의경우, 2006년현재, 약 7만여대가등록되어있으며, 연간 5,000여대가생산되며이중 90% 는내수, 10% 은수출되고있다. 가장대수가많은차종은현대 / 기아의 4.5톤 CARGO이며나머지는거의 33인승급중형버스이다 LPG액상분사기술의개발현황및적용국내의 LPG자동차기술에대한관심이매우저조한가운데한국기계연구원의 LP가스엔진연구사업단은 LPG자동차보급협의회의지원아래 1999년에설립되어 LPG액상분사방식으로운전되는대형 (11리터급) 저공해 LPG 엔진의개발에착수하였다. 3년간의연구결과, LPG 액상분사방식을국산화하여 11리터급대형

24 LPG 엔진의개발에성공하였고, 2001년부터 2년동안의버스탑재사업을통하여경유버스동급의출력과 CNG버스의동급의저공해성을갖는 LPG버스의개발에성공하였다. 일산화탄소와질소산화물등유해배기가스발생을경유차량에비해최소 2분의 1까지줄였으며, 미세먼지는최대 100분의 1까지저감하였다. 출력또한 290PS( 마력 ) 에토크가 110kgm으로기존엔진과동등한수준이며연비의경우기존엔진에비해 8~10% 정도향상되었다. Fig LPGi bus developed by KIMM 7) Fig LPGi engine and efficiency developed by KIMM 7) 또한 LPG자동차보급협의회는 LPG버스의청정성과우수성을알리기위하여 2002년 9월부터 LPG 버스 3대를경기도남양주와충남아산및제주도에서각 1대씩상용운행하고있다. 특히경기도남양주및충남아산의 LPG 버스는 2001년 5월부터시범운행이시작되었고, 각각 1년간시범운행평가를수행하였

25 다. 이 LPG 버스는 2000년 3월독일 MAN사에서도입한대형 LPG 엔진을장착하였으며, 운행지역선정은환경부의요청에따라 CNG 버스가운행되지않으며운송회사차고지부근에 LPG 충전소가위치해있는지역을대상으로결정하였다. 시범운행평가결과 1년간약 10만킬로를주행하였고, 이기간동안특별한고장이나문제점이없었던것으로나타났다. Fig LPLi system of Hyundai Motors 7) Fig LPLi Vehicle of Hyundai and Kia Motors( 츨처 : 현대자동차 )

26 Table LPLi Vehicle of Hyundai and Kia Motors ( 츨처 : 현대자동차 ) Grandeur XG Grandeur NF Sonata Opirus Lotze 배기량 2656 cc cc 2656 cc 1998 cc 엔진형식 2.7 LPLi 2.7 LPLi DOHC LPLi V6 LPLi DOHC LPLi 최대출력 (ps/rpm) 최대토크 (kg.m/rpm) 연비 (Auto) (km/ L) 165/ / / / / / / / / / Bomb size ( L ) 72(85% charged) 72(85% charged) 72(85% charged) 72(85% charged) 72(85% charged) 자동차제작사들도저공해 LPG차개발을위한 LPG액상분사식엔진연구에적극나서서당초예정보다빨리 2003년부터차세대 LPG자동차출시가이루어졌다. 현대자동차가지난 99년부터 LPG전용엔진인 LPi엔진개발을마치고자사의그랜저 XG 10대이상에장착해성능시험및내구성테스트를하는등앞서나가자, 르노-삼성자동차도자사의중형차모델인신형 SM5 5대에독자적으로개발한 LPLi엔진을장착, 성능및주행테스트를 2005년상반기에진행하였다. 특히, 르노-삼성의경우 SM5가택시용으로인기를끌고있다는점에착안, LPLi전용엔진을탑재할경우연비개선및냉시동성향상등성능개선을도모할수있어상당한시너지효과를기대하여 2005년하반기부터 LPLi New-SM5 택시양산에들어갔다. Fig LPLi Vehicle of Renault-Samsung Motors( 출처 : 삼성자동차 )

27 Table LPLi Vehicle of Renault-Samsung Motors( 출처 : 삼성자동차 ) M/T A/T 배기량 1998 cc 1998 cc 엔진형식 DOHC LPLi DOHC LPLi 최대출력 (ps/rpm) 136/ /5800 최대토크 (kg.m/rpm) 18.6/ /4800 연비 (Auto) (km/ L) Bomb size ( L ) GM- 대우자동차는기체분사차량 (LPGi) 을적용한차량을양산하여판매중이며, 점차차종을확대해갈예정이라고알려져있다. Fig LPGi Vehicle of GM Daewoo( 출처 : GM 대우자동차 ) 이처럼가스사의대형 LPLi 엔진및버스개발과별도로자동차제작사들이차세대 LPG자동차에관심을기울임에따라정부의수도권대기환경개선에관한특별법시행에따른수도권대기질개선특별대책등과맞물려국내 LPG차량의차세대형전환이가속화될가능성도예상된다. 국내의최대 LPG부품회사인모토닉 ( 주 ) 과 LPG차량 EMS제작사인씨멘스오토모티브 ( 주 ) 에서는국내양산화에대비한기술개발을꾸준히진행하여현대자동차의 LPi차량에대한지원을하고있다. 차기 LPG자동차의배출가스규제에대응하기위한 SULEV대응 LPG자동차개발프로젝트 (ECO-STAR) 가환경부의지원아래 2004년부터시작되어 3대자동차제작사및부품회사가참여하여기술개발을추진중에있으며, 2006년부터는현대자동차가참여하는 1톤 LPLi 트럭개발프로젝트가신규과제로시작할예정이다

28 1.3 연구목표동급디젤엔진을베이스로하여개발되는중대형 LPG 엔진의경우에는압축착화연소에최적화하여개발된엔진을이용및개조하여점화착화방식에적합하도록설계변경이이루어져야하기때문에개발에더욱어려움을겪게된다. 따라서압축착화에최적화하여설계된디젤엔진을베이스로하여점화착화의 LPG 엔진을개발할경우연비확보및배기가스저감이무엇보다중요하다. 따라서본연구는중대형 ( 배기량 5.9리터급, 6기통 ) LPG엔진개발과제의일환으로베이스디젤엔진에서의 LPG 연료의가연한계를확장시키기위하여연료성층화를위한방안에대한연구를최종목표로하고있다. (1) 실제엔진과유사한작동조건을가진 SCE 장치를설계및제작하고, 각실험간균일한 rpm으로의작동이가능하게하여유동가시화실험및연소특성실험을실시한다. (2) 내부유동가시화실험을통해두개의흡기포트의내부유동에미치는영향을알아보고, 각포트의특성을파악한다. (3) 각포트의연료분배성을확인하고, 분사조건별실험을통해연료분배특성을변형시킬수있는방법을도출한다. (4) 전산해석을통해분사조건에따른흡기포트및내부유동특성을알아보고, 성층화에유리한분사조건을선별한다. (5) 분사조건별연소특성및가연한계증가여부를확인한다

29 제 2 장연구내용 2.1 SCE 설계및제작 이론적해석및설계공기, 연료의홉합기의성층화특성을알아보기위하여실제엔진의피스톤과엔진헤드를이용하여 1회의흡입, 압축, 팽창과정을갖는 SCE(Single Cycle Engine) 을설계및제작하기위하여이론적인해석을통해접근하였다. 해석을위해서 Fig 2.1-1과같은자유물체도 (Free body diagram) 을통해운동방정식을도출하였다. Fig Free-body Diagram for design RCEM Cam shaft 와 gear 의운동방정식은식 (2-1) 과같이나타낼수있다. (2-1)

30 또한 driving piston 과 rack 의운동방정식은식 (2-2) 와같이표현된다. (2-2) 피스톤에서 cam 에가해지는힘 에대해나타내면, (2-3) ± (2-4) (2-5) 여기서, gear gear (2-6) 이다. 식 (2-1) ~ (2.4) 를이용하여힘 에대해나타내면 ± (2-7) 가된다. 위의해석에서 cam은타원으로가정하여계산하였으나, 실제 cam의형상은타원의모양을가지고있지않는다. 그리고실제엔진과같은피스톤운동을재현하기위해서는 cam의형상설계가중요한요소가된다

31 Fig Calculation of SCE cam profile Force [N] F_actuator F_ psiton Acceleration Velocity Acceleration[m/s 2 ] Rack velocity [m/s] Crank angle[deg] Fig Force and Velocity of piston dependent on crank angle

32 본연구에서는 SCE장치에서엔진과동일한조건의압축이가능한 Cam을 Fig 2.1-2와같이설계하였다. 설계된 cam 형상에의해피스톤및기어에움직임이결정된다. 캠의형상에따라피스톤을 TDC와 BDC로이동할수있다. 이의정확한예측을위해크랭크앵글에따른피스톤및 actuator 의힘과피스톤의운동속도와가속도를계산하여 Fig 2.1-3에나타내었다. 그리고 Cam의이동에따른 RCEM의운동을 1000, 2000 rpm에서의실제차량의피스톤운동과비교하여 Fig 2.1-4에나타내었다. 위와같이설계된 SCE 장치는 Fig ~ 과같이설치되었다. 장치는공압실린더의운동을랙에전달하여캠을회전시킴으로써피스톤운동을일으킨다 Piston lift [mm] Cam lift [mm] time [ms] RCEM lift motion 1000rpm lift motion 2000rpm cam lift motion RCEM cam lift motion Fig Motion of RCEM at 1000 and 2000 rpm

33 \ Fig Photo of SCE (Front) Fig Photo of SCE (Left Side)

34 2.1.2 실엔진과의운동성비교 SCE 장치는공압실린더의팽창되는힘으로실제엔진과유사한피스톤운동특성을재현하는것이목적이므로, 여러번의실험을진행하면서측정된 SCE 장치에서의피스톤운동과실제엔진과의운동성을비교하여 Fig 2.1-7에도시하였다. 실제엔진에서의운동은 600rpm에서계산하여적용하였다. SCE 장치는실린더압력을이용하여실제구동 rpm을결정하는것이기때문에각실험간실린더압력에따라약간의편차가발생할수있다. 각실험간의편차는아래 Fig 2.1-8과같으며, 평균적으로 600 rpm에가깝게진행되었음을확인할수있다. Fig Comparison of SCE and real engine

35 rpm 500 엔진회전수 시험횟수 Fig Variation of engine rpm 2.2 실험장치구성 유동가시화실험장치희박연소상태에서연소안정성을향상시키기위해서는성층화와난류강도향상이필수적이다. 각포트로의연료분배특성변화에따른성층화특성파악이필요하기때문에실린더내부유동을알아보기위하여 SCE 장치에가시화실린더를부착하였다. Fig 2.2-1은해당장치의사진을나타내고, Fig 2.2-2에장치구성도를나타내었다. 흡기구를통해형광물질을투입하고, 실린더내부에레이저광원을이용하여 Fig 2.2-3과같이경사면 45 로촬영면을만들고, 고속카메라를이용하여한싸이클동안의실린더내부공기유동을관측하였다

36 엔진헤드 가시화실린더 Fig Photo of SCE with visualization cylinder 가시화실린더 엔진헤드 Cam 기어및랙 이송용공압실린더 Fig schematic diagram of SCE with visualization cylinder

37 (a) fuel injection equipment (b) measurement sheet Fig flow visualization experiment 포트분배성측정실험성층화를위해서는스파크플러그주위에농후한혼합기가형성되어야하므로, 스월포트보다는텀블포트쪽으로많은연료를주입하여야한다. 연료주입은인젝터의분사각이나위치에따라변화하기때문에이에대한영향을알아보기위해위실험을실시하였다. 실험장치는 Fig 2.2-4과같이흡기매니폴드전단에과급기를장착하여과급기 rpm변화에따라흡입공기의유량을변화시켜가며흡기관에흡입공기를공급하였다. 그리고흡기매니폴트와과급기사이에유량계를설치하여흡기유량을측정하고, 헤드의각포트별로열선식유량계와가스분석기를이용하여개별포트에서의출구유량및 LPG 농도를측정하였다. Fig 2.2-5와같이인젝터를위에서언급한조건과동일하게상하, 좌우로움직여분사각을조절해가며유량및 LPG 농도를바탕으로연료량을계산하였으며, 실험조건은 table 2.2-1과같이상하각도를 125 와 140 로고정하고좌우각도를 -15 부터 15도간격으로증가시켜가며흡기유량에따른각포트에서의연료분배성을측정하였다

38 Fig schematic diagram of fuel distribution measurement Fig Adjustment of injection angle

39 Table Experiment condition of fuel distribution 분류 Case 1 Case 2 흡입공기유량 (Kg/h) 인젝터분사각상하각도좌우각도 Base (125 ) Base+1 5 (140 ) -15, 0, 15-15, 0, 연소특성측정실험각조건별연소특성을측정하기위해 Fig 2.2-1과동일하게실험장치를구성하고, 실린더의재질을연소가가능하도록스테인리스로교체후실험을수행하였다. 인젝터드라이버를이용하여연료분사량을조절하고공기과잉률을변화시켜가며 Table 2.2-2와같은작동조건으로실험을수행하였다. 분사조건은위 table 2.2-1와같으며, 추가로텀블포트로연료이송을증가시키기위해 Fig 과같이노즐을연장하여실험을추가실시하였다. Table Operation Condition of RCEM 분류 시험조건 Bore 100mm Storke 125mm 압축비 9.5 연료분사시기 btdc 300 점화시기 btdc 60 엔진회전수 596±18 rpm 엔진헤드온도 80 연료분사압력 7.5 bar

40 Fig Nozzle Extension 2.3 전산해석모델링 흡기포트모델링인젝터분사각도에따른분사특성을파악하고실험과의경향성비교를위해전산해석을수행하였다. 해석전, Fig 2.3-1과같이흡기포트를모델링하고, Mesh를생성하여 Fig 2.3-2와같이나타내었다. 해석조건은 Table 2.3-1에서확인할수있다. 먼저인젝터분사각도에따른흡기포트에서의분사특성및부탄농도분포에대해해석을수행하였다. Fig Intake port modeling

41 Fig Mesh Generation Table Simulation condition of intake port 항목 Conditon Program STAR-CD Number of Grid Turbulence Model Standard k-ε 1 Air Inlet Boundary 2 Butane Condition Outlet Mixture Wall Condition 353 K

42 2.3.2 엔진형상모델링인젝터분사각도에따른엔진내부유동을파악하여분사조건에따른혼합기형성을보기위해전산해석을수행하였다. 해석전, Fig 2.3-3과같이흡기포트를모델링하고, hybrid mesh를생성하여 Fig 2.3-4와같이나타내었다. 해석조건은 Table 2.3-2과같다. center injection, swirl port injection, thumble port injection, swirl port injection(nozzle) 이 4가지조건에대해각각모델링과 mesh 생성을하였으며, mesh 를제외한나머지해석조건은동일하게주었다. Fig Engine modeling

43 Fig Mesh Generation Table Simulation condition of engine Boundary condition 항목 Program Condition STAR-CD Number of grid Turbulence Model Inlet Outlet Wall condition Standard K-ε 1 Air 2 Butane Mixture 353K

44 제 3 장연구결과 3.1 유동가시화실험 a b Fig Swirl Port and Thumble Port Fig 3.1-1은헤드에연결된흡기포트를나타내며, 두개의포트로구성되어있음을확인할수있다. 이 2개의포트가각각실린더내부유동에어떤영향을주는지알아보기위해하나의포트만을개방하여흡입공기를주입시켰을때, a 포트에서는 Fig 3.1-2와같이실린더내부에스월유동이증가하였고, b포트로의분사시 Fig 3.1-3과같이텀블유동이발생하였음을확인할수있었다. Fig 3.1-2와 Fig 3.1-3은총 100ms 동안, 한싸이클을고속카메라로촬영한내부유동을 6ms 간격으로화면캡쳐하여시간에따른순서대로나타낸것이다. 이를통해두포트는각각실린더내부에다른영향을주며긴포트인 a포트가스월포트의역할을하고, 짧은포트인 b포트가텀블포트의역할을한다는것을알수있었다

45 Fig Flow Characteristic of Swirl Port(100ms, time order)

46 Fig Flow Characteristic of Thumble Port(100ms, time order)

47 3.2 연료분배성측정 스월포트와텀블포트연료분배율 200 Tumble port mass flow rate[kg/h] Swirl port mass flow rate[kg/h] Fig Distribution of swirl and thumble port 희박혼합기의연소는점화플러그주위로의혼합기형성을통한성층화가이루어져야가능하다. 이는흡입공기의난류형성의중요하다는것을말해주며, 분사각도조절을통해두포트에적절한연료가분배되었을때이루어진다. 분사각도조절을통한연료분배특성을측정하기전에중앙분사시각포트의공기분배율을알아보는것이우선일것이다. 과급기의모터회전수를변화시켜흡기유량을증가시켜가며각포트별공기분배율을측정한결과, Fig 3.2-1과같이스월포트와텀블포트간의공기분배성은흡입공기유량에관계없이 49.3:51.7의비로거의균등하게공급된다는것을확인할수있었다

48 분사형태에따른연료분배특성 injection angle : 125 o Swirl port flow fraction[%] kg/h 310kg/h 140kg/h Injector rotate angle(deg) Fig Injection ratio of swirl port with intake flow at 125 Fig 3.2-2과같이초기스월포트에서의유량과비교하여모터회전수가증가하여흡입공기유량이증가하면스월포트의연료분배성이증가하고, 인젝터회전각도가커져텀블포트방향으로분사가이루어지면텀블포트로유입되는연료량이증가한다는것을확인할수있었다. 이는흡입공기유량증가시유속이빨라져공기유동방향이스월포트쪽으로많이유입되며, 텀블포트방향으로분사시스월포트보다텀블포트로의거리가짧아져많은양이텀블포트로유입되었기때문이라할수있다. 이는아래 Fig 3.2-3에서도확인할수있는데, 상하각도를 140 로변경했을시, 흡입공기유량이나좌우각도변화에따른공기분배성이상하각도 125 일때보다큰폭으로변하기는하지만흡입공기유량증가에따른스월포트로의연료분배성증가, 텀블포트쪽으로분사하였을시, 텀블포트로의연료유입이증가하는비슷한경향이발생함을알수있다

49 injection angel : 140 o Swirl port flow fraction[%] kg/h kg/h kg/h Injector rotateangle(deg) Fig Injection ratio of swirl port with intake flow at 연료분배성전산해석 흡기포트전산해석먼저인젝터분사각도를 125 로고정하고분사를하여분사특성을확인하고, 인젝터분사각도를좌, 우로 15 씩변화시켜가며텀블및스월포트의연료성분의농도분포와혼합기의속도분포를확인하여비교하였다. 각조건에따른해석결과는 Fig (a) ~ (c) 에도시하였다. 3.2절에서실시한실험결과와유사하게분사각을좌로 15 변화시키면, 텀블포트쪽으로혼합기유동이진행되고분사각을우로 15 변화시키면스월포트쪽으로혼합기진행됨을확인할수있다

50 (a) Center injection (b) Right injection (c) Left injection Fig Fuel distribution with injection angle 엔진내부유동전산해석텀블포트및흡기포트중앙분사, 그리고인젝터팁을연장하여텀블포트쪽으로연료를분사한조건에대해엔진내부유동에대한전산해석을수행하였다. BTDC 10, BTDC 20 의경우에대해 4가지조건을비교해본결과, 텀블포트쪽으로연료의유입량이많을수록시간이지남에따라중앙부근에농후한혼합기가형성됨을확인할수있었다. 전산해석수행결과는아래 Fig ~ 3 에나타내었다. 8)

51 (a) Center injection (b) Swirl port injection (c) Thumble port injection (d) Thumble port injection(nozzle) Fig Air Flow with Injection Condition at BTDC

52 (a) Center injection (b) Swirl port injection (c) Thumble port injection (d) Thumble port injection(nozzle) Fig Air Flow with Injection Condition at BTDC

53 3.4 연소특성측정 분사위치에따른연소특성분사각도을조절하여포트별연료분배성을조절할수있으나, 흡기유량증가시연료분배특성이변하기때문에유량에관계없이일정한분배특성을가질수있도록인젝터노즐을연장하여하나의포트로만분사가이루어지도록하였다. SCE 실린더를이용하여실린더공압 9bar, 즉 600rpm에서의분사조건별공기과잉률변화에따른실린더내부압력을측정하였다. Fig 3.4-1은텀블포트로연료를주입시킨상태로공기과잉률 1.0 ~ 3.4 까지변화시켜가며내부압력을측정한것이고, Fig 3.4-2은스월포트로연료를주입시켜 1.0 ~ 2.9 까지변화시켜가며, 실린더압력을측정한결과이다. 두압력그래프를통해공기과잉률상승에따라최대압력이낮아지고, 최대압력점이지각됨을알수있다. Pressure[bar] Tumble port injection l1.0 l1.2 l1.4 l1.6 l1.8 l2.0 l2.2 l2.4 l2.6 l2.8 l3.0 l3.1 l3.2 l3.3 l Crank angle[deg] Fig Pressure of thumble port with excess air ratio

54 Pressure[bar] Swirl port injection l1.0 l1.2 l1.4 l1.6 l1.8 l2.0 l2.2 l2.4 l2.8 l Crank angle[deg] Fig Pressure of swirl port with excess air ratio 두포트연료분사의차이점을알아보기위해측정된결과를 Fig 3.4-3에도시하였다. 두연료분사조건의최대압력을비교했을시, 텀블포트쪽으로분사가이루어지는것이스월포트보다최대압력이높고최대압력점이진각됨을알수있다. 이를통해텀블포트쪽으로많은연료가유입되는것이성층화에보다유리하다는것을확인할수있었다

55 40 thumble port swirl port 30 Pressure[bar] Crank angle[deg] Fig Comparison between swirl and thumble port 분사위치에따른가연한계분사위치별공기과잉률에따른최대압력결과를종합하여아래 Fig 3.4-4에분사위치에따른가연한계를도시하였다. 분사위치에관계없이공기과잉률이증가함에따라최대압력은점점낮아지고, 최대압력점이지각된다는것을알수확인할수있다. 또한측정압력편차가커지므로연소안정성이떨어진다는것도알수있다. 분사위치별가연한계는 Table 3.4-1과같으며, 텀블포트쪽으로연료를공급하는경우가연한계가 3.2로가장높게나타났으며, 이는텀블포트로유입된연료가스파크플러그주변으로모여성층화가이루어진것으로파악할수있다. Table Combustion limit with injection location 분사형태 Thumble Port Swirl Port Center injection 가연한계 (λ)

56 40 Tumble port injection Combustion pressure[bar] Swirl port injection Center injection Tumble port injection Swirl port injection Center injection Excessive air/fuel ratio [l] Fig Combustion limit with various injection location

57 제 4 장결론 실제엔진과동일한작동조건에서의실험을위해 SCE를설계및제작하였다. 실린더공압 9bar일때, 실제엔진 600rpm 과동일한조건으로작동됨을확인하였고, 전실험에걸쳐 SCE는균일한 rpm으로작동됨을확인할수있었다. SCE 장치를이용하여실린더내부유동을관찰하고분사조건별연소특성을측정하였다. 유동가시화실험을통해두개의흡기포트가실린더내부유동에각각다른영향을주며, 흡기포트중하나는스월포트, 다른하나는텀블포트를나타낸다. 2개의포트중 1개의포트만을개방하여관찰한내부유동을통해, 긴포트는스월포트, 짧은포트는텀블포트임을알수있었다. 분사각을변화시켜연료분배성을조절할수있었으나, 연료유량변화시분배특성이변화하므로원하는포트로의연료주입을위해서노즐의연장이필요하기때문에, 노즐을연장하여하나의포트로만연료를분사하며연소특성을비교한결과가연한계는텀블포트로분사한경우가 λ=3.2로가장크고, 스월포트, 중앙분사순으로나타났다. 그리고연소안정성은각조건에대해공기과잉률이증가할수록떨어진다는것을확인할수있었다. 실험결과와의비교를위해실험조건과동일한조건을주고, 분사각을변화시키며흡기포트내부에대해전산해석을수행한결과실험결과와동일하게분사방향에근접한포트로연료가많이유입됨을확인할수있었다. 또한텀블포트분사시, 점화플러그가위치한엔진중앙부위에서농후한연료혼합기가형성됨을확인하였다. 이를통해텀블포트로분사실험결과가연한계의확장은성층화가잘이루어진결과임을알수있었다. 인젝터노즐을확장하여텀블포트쪽으로많은연료를분사하면, 점화플러그주위에농후한혼합기가형성되어엔진내부에성층화가이루어지고, 이를통해가연한계가확장됨을최종적으로확인할수있었다

58 참고문헌 [1] 국내차량등록대수, 통계청, [2] 수도권대기질환경개선에관한특별법, 환경부, [3] 대한 LPG 산업환경협회, [4] 대기오염물질국가배출량, 국립환경과학원, [5] 저공해자동차분류, 자동차와환경, [6] LP 가스엔진연구사업단보고서, 한국기계연구원, [7] 저공해대형 LPG 엔진개발최종연구보고서, 한국기계연구원 [8] 엔진실린더내부유동해석을통한정상유동실험결과의분석, 고등기술연구원