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1 Transactions of KSAE, Vol. 15, No. 6, pp (2007) Copyright C 2007 KSAE /2007/ Top-Feed Type 인젝터의액상분사 LPG 연료분사장치적용 염기태 1) 박정서 1) 배충식 *1) 박정남 2) 김성근 2) 한국과학기술원기계공학과 1) 현대자동차 2) Top-Feed Type Port Fuel Injector for Liquefied Petroleum Gas Liquid Phase Injection Kitae Yeom 1) Jungseo Park 1) Choongsik Bae *1) Jeongnam Park 2) Sungkun Kim 2) 1) Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon , Korea 2) Engine Control System Design Team, Hyundai-Motor Company, Jangduck-dong, Hwaseong-si, Gyeonggi , Korea (Received 2 November 2006 / Accepted 25 May 2007) Abstract : The injection and spray characteristics of top-feed type injector was investigated under liquid phase injection fueled with liquefied petroleum gas (LPG). Different pressures and temperatures of fuel injection system were tested to identify the injection characteristics after hot soaking. MIE-scattering technique was used for verification of successful liquid phase injection after hot soaking. In case of bottom-feed type injector, the injection was accomplished at every experimental condition. In case of top-feed type injector, when the pressure of LPG was over 1.2 MPa, the injection was not executed. However, under the pressure were 1.2 MPa, the liquid phase injection after hot soaking was accomplished. The engine with top-feed type fuel injection equipment was restarted successfully after hot soaking. Key words : LPG(Liquefied Petroleum Gas: 액화석유가스 ), LPi(Liquid Phase LPG Injection: 액상 LPG 분사 ), Injector( 분사기 ) Nomenclature 1) c : specific heat Q : heat release T : fuel temperature V : fuel volume 1. 서론액화석유가스 (LPG: liquid phase injection) 연료분사장치 (LPI: LPG port fuel injection) 는인젝터를이용하여 LPG를액상으로엔진의흡기포트에공급하는방식이다. LPG 액상분사방식은기존의믹서 * Corresponding author, csbae@kaist.ac.kr (mixer) 와기화기 (vaporizer) 대신하여인젝터를사용함으로써정밀한공기연료비제어가가능해지고배출가스의후처리가가능함에따라배기배출물저감및연비성능향상과동력성능이획기적으로개선되었다. 1,2) 또한기화기가사라지고액상의 LPG를흡기포트에분사함으로써겨울철냉시동특성을개선할수있었다. 그러나여름철또는엔진이예열된후정지하였을경우와같이엔진룸의온도가크게상승하는고온방치 (hot soaking) 의경우연료라인내의연료가기화하게되고, 기화된연료가재시동시에인젝터를통해분사될경우시동공기연료비를만족시키지못하는경우가발생할수있다. 3,4) 이에대하여현재 LPG 액상분사차량에적용되 30

2 Top-Feed Type 인젝터의액상분사 LPG 연료분사장치적용 는고온방치 (hot soaking) 시재시동성개선을위하여연료레일과인젝터내부에서연료가액상으로유지될수있는방법에대한연구를수행하였다. 2. 연구방법 Fig. 1 Top and bottom-feed type injector 고있는인젝터는연료가인젝터솔레노이드를통과하지않고인젝터내부에서발생된기포를쉽게제거할수있도록하기위해 Fig. 1에서나타낸바와같이연료가인젝터의측방또는하방으로공급되는 bottom-feed type 인젝터가사용되고있다. 그러나기존의액상 LPG 분사장치는연료라인이복잡하고연료라인의연결부위가많아연료누출등의문제가발생할수있으며, 인젝터단가가높아차량생산비용이증가하는단점을가지고있다. 액상 LPG 분사장치에서가장중요한것은고온방치 (hot soaking) 후재분사특성이다. 하계의높은기온에서엔진의운전열에의하여연료레일내의연료의온도는상승하게된다. 이러한온도상승은엔진운전중에는연료가펌프에의하여순환되기때문에큰문제가되지않으나, 엔진이정지한이후엔진의운전열에의하여연료레일내의연료의온도는약 90 C 부근까지상승하게된다. 이와같이연료레일내의연료의온도가과다상승하게되면연료레일내의연료가기화하게되고부피가 250배로증가하여엔진재시동시연료량이부족하게된다. 이로인한재시동성불량을해결하기위하여고온방치후재시동시기상의연료가연료순환시작과함께연료레일과인젝터내부로부터빠르게제거되어야한다. 따라서본연구에서는연결부위가비교적적고간단하여연료누출의문제가감소하고, 인젝터의가격이 bottom-feed type 인젝터에비해상대적으로저렴한가솔린용 top-feed type 인젝터와연료레일을 LPG 액상분사에적용시킬경우에대해예상되는문제점들을파악하고자하였다. 이를위하여 LPG 액상분사장치를적용하는경우문제가발생하 연료레일및인젝터내부의연료기화현상을방지하기위하여본연구에서는 top-feed type 연료시스템의열전달해석을통하여연료시스템의필요압력을결정하였으며 LPG를사용하여 top-feed type 연료시스템과 bottom-feed type 연료시스템의재시동특성을비교하였다. 또한기화방지를위한필요압력하에서 top-feed type 인젝터의구동특성을파악하여 top-feed type 인젝터시스템적용시고온재시동특성을개선하고자하였다. 3. Top-feed type과 bottom-feed type 온도특성 3.1 실험장치및실험방법실험엔진은현대자동차델타엔진으로서현재 bottom-feed type의연료계통이장착되어있는 LPG 액상분사엔진이며연료공급계통및인젝터구동회로를 top-feed type 인젝터에맞도록구성하여 bottom-feed type과동일한실험조건하에서 bottomfeed type 인젝터와 top-feed type 인젝터간의고온시동특성을비교분석하는실험을수행하였다. Fig. 2는 bottom-feed type 인젝터연료공급라인내부의연료온도변화특성을파악하기위해구성한실험장치개략도를나타낸다. 그림에서보는바와같이연료공급입구와출구에 2개의열전대를설치하였으며각각의인젝터는인젝터내부의연료입구쪽과출구쪽에 2개의열전대를장착하는방식으로 6개인젝터에총 12개의열전대를설치하였다. 그리고주위온도를모니터링하기위해엔진상부및하부에 2개의열전대를설치하여총 16개지점의열전대를통해연료공급라인상의온도변화특성을파악하였다. 각각의열전대의출력값은 16채널의정보수집장치 (ETAS, ES620 thermoscan) 를통하여취득하였으며취득된데이터는전용프로그램 (ETAS, INCA) 을통하여저장하였다. Fig. 3은 Fig. 2의 bottom-feed type 실험장치와동 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 15, No. 6,

3 Kitae Yeom Jungseo Park Choongsik Bae Jeongnam Park Sungkun Kim Fig. 2 Experimental setup of bottom-feed type LPG injection system Fig. 4 Temperature profiles of bottom-feed type injectors during hot soaking Fig. 3 Experimental setup of top-feed type LPG injection system 일한구성에서연료공급계통을연료레일과 top-feed type 인젝터로변경설치한실험장치개략도로서연료온도의계측을위해장착한열전대들의위치를나타낸다. 그림에서보는바와같이연료공급입구및출구에 2개의열전대를설치하였으며각각의인젝터후단부연료레일부분에열전대 6개를그림과같이설치하여엔진운전시와고온방치시및고온시동시의위치에따른연료레일내부온도변화특성을파악하였다. 실험은 bottom-feed type 및 top-feed type의경우모두토크 40 Nm, 엔진회전속도 1500 rpm의부하조건으로엔진을충분히웜업시킨후엔진을정지시켜연료의온도상승이수렴하는지점에서재시동을행하여고온재시동특성을상호비교하였다. 3.2 실험결과 고온방치 (hot soaking) 특성 Fig. 4는 bottom-feed type 인젝터를장착한엔진의웜업후고온방치시의연료인젝터내부의온도상 Fig. 5 Temperature profiles of top-feed type injectors during hot soaking 승특성을나타낸다. 그림에는편의상엔진의후면뱅크부분인 1번, 3번, 5번실린더인젝터에대한결과만나타내었다. 그림에서알수있는바와같이엔진정지후연료레일내의연료온도가상승하며약 2000초 ( 약 33분 ) 부근에서온도상승이수렴하는것을알수있다. 또한연료온도 45 C 부근에서온도상승이없는구간이나타나고있으며이는연료레일내의연료가액상에서기상으로바뀌는상변화 (phase change) 구간으로판단된다. Fig. 5는 top-feed type 인젝터에대한고온방치시의연료온도상승특성을나타낸다. top-feed type의경우 bottom-feed type의경우에비해고온방치시연료온도가수렴하는기간이약 1100초 ( 약 18분 ) 정도로짧게나타나고있음을알수있으며이러한특성은 bottom-feed type의경우에비해 top-feed type의경우가연료레일로부터연료로의열전달량이많다는것을나타낸다. top-feed type 인젝터에장착되는 32 한국자동차공학회논문집제 15 권제 6 호, 2007

4 Top-Feed Type Port Fuel Injector for Liquefied Petroleum Gas Liquid Phase Injection 연료레일의재질이열전도율 (heat conductivity) 이높은알루미늄인점과연료레일이엔진몸체와단열성분없이직결되어있음으로인해엔진정지시엔진몸체로부터연료레일로의열전달량이크게되며이로인해연료레일내부연료의온도상승이빠르게진행되는결과를나타내고있다 고온시동 (hot start) 실험결과 Fig. 6은 bottom-feed type의고온방치후연료레일내연료의온도가충분히수렴한후재시동시에측정한연료의온도변화를나타내며고온재시동크랭킹 (cranking) 시작시펌프에의해가압된낮은온도의연료가고온방치시연료레일내에머물던고온의기상연료들을밀어내는퍼징 (purging) 과정동안의연료레일각지점의온도가낮아지는특성을보여주고있다. bottom-feed type의경우약 2초의연료펌프작동후고온시동시약 4.5초의크랭킹후시동이이루어졌으며그이후각지점의온도값은 정상상태를나타내었다. Fig. 7은 top-feed type의경우에대한고온시동실험결과를나타내고있으며고온재시동시도후약 170초 ( 약 2분 50초 ) 동안여러번의크랭킹시도후에시동이이루어지는특성을나타내고있다. 이는실제차량의경우사실상시동이불가능한상태를나타내고있다고할수있다. 이와같은결과를 bottom-feed type의경우와비교해볼때 top-feed type 의경우퍼징기간동안온도강하속도가 bottom-feed type에비해느리며강하량도적게나타나고있다. 고온방치실험결과로서 top-feed type의연료레일의높은열전도율은연료로의열전달량을크게하며고온재시동시퍼징기간동안연료레일내부의연료온도강하를방해하고있는것으로판단된다. 이와동시에연료레일내부에형성된기포가효과적으로제거되지못하는이유로인해고온시동시인젝터로부터흡기포트내로충분한연료가공급되지못하는특성을나타내는것으로판단된다. 4. 고압분무특성 Fig. 6 Temperature profiles of bottom-feed type injectors during hot start 4.1 실험장치및실험방법본연구에사용된실험장치는 Fig. 8에서나타내었다. 액상 LPG 분사장치를모사하기위하여더미헤드 (dummy head) 와흡기매니폴드에각각 topfeed type 연료공급장치와 bottom-feed type 연료공급장치를장착할수있도록구성되어있다. 연료의압력은고압의질소가스로 LPG연료탱크를가압하여실험에서요구되는연료압력을맞추어줄수있도록구성하였으며, 실제연료공급장치와동일한실험조건을모사하기위해연료순환펌프 (fuel pump) 를장착하여 LPG연료탱크로부터연료레일내로연료가순환할수있도록구성하였다. 액상 LPG 연료분사장치의고온재시동조건을모사하기위하여각각 2 kw와 3 kw의히터 (heater) 를사용하여더미헤드와주변공기를가열하였다. 실험조건은 Table 2에나타내었다. Fig. 7 Temperature profiles of top-feed type injectors during hot start Table 1 Experimental conditions (high pressure spray test) Fuel temperature [ C] 16~91 Fuel pressure [MPa] 0.68~1.8 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 15, No. 6,

염기태 박정서 배충식 박정남 김성근 Fig. 8 Experimental apparatus (high pressure spray test) 가열된연료의온도와압력을계측하기위해연료라인에각각 16개의열전대와 2개의압력센서 (piezo-resistive type) 를장착하였다.

5 염기태 박정서 배충식 박정남 김성근 Fig. 8 Experimental apparatus (high pressure spray test) 가열된연료의온도와압력을계측하기위해연료라인에각각 16개의열전대와 2개의압력센서 (piezo-resistive type) 를장착하였다. 분무형상가시화를통하여인젝터에서고온재시동초기액상의 LPG분사가이루어지는여부를확인하기위해액상의분무를가시화할수있는 Mie-scattering 기법을이용하고고속카메라 (Phantom, 5000 f/s, 90 μs) 를사용하여 10회의분무를연속적으로촬영하였다. 4.2 고온방치 (hot soaking) 후재분사특성 Fig. 9는약 1000초동안의고온방치후연료온도가 90 C에이른후연료펌프가연료를순환시킨후 1초뒤부터엔진회전속도 300 rpm조건인 0.4초간격으로분사를실시한경우에대한연료레일의연료압력과분사시기를나타내었다. 그림에나타낸연료분사시기는연료펌프가연료를순환시키고연료레일내의압력이충분히떨어지지않고압력변동이있는상태에서순차적으로연속분사한경우이다. Fig. 10에각각의분사시기에대한 Mie-scattering 결과를나타내었다. 실험결과고온재분사시첫회분사에서액상의분무가관측되지않음을알수있다. 2회분사에서충분치는않으나액상의 LPG가분사되는형상을보였으며, 3회분사의경우액상의 LPG 분사량이크게증가하는형태를나타냈다. 고온방치후재분사시초기분사가이루어지지않는이유는연료레일과연료탱크중간의밸브가 Fig. 9 Fuel pressure and injection signals on restart after hot soaking 차단됨으로인해연료레일의압력이과다상승하여인젝터의니들 (needle) 이연료의압력과리턴스프링 (return spring) 의장력을극복할만큼의힘을발휘하지못함으로써니들이열리지못하기때문으로판단된다. 그러나 3회이후인 1.1 MPa 이하에서액상의연료가분사되는이유는다음과같이볼수있다. top- feed type 연료시스템은연료레일의아래부분에인젝터가장착되는구조를갖고있다. 따라서연료레일과인젝터내부에서발생하는기포는연료레일부분으로부상하게되며인젝터내부에는액상의연료가계속남아있게된다. 따라서재분사를위하여펌프가연료를밀어내는과정 (purging) 에의해연료레일상부에존재하고있는기상의연료들은연료탱크로돌아가며인젝터내부의액상의연료는분사되게된다. 34 한국자동차공학회논문집제 15 권제 6 호, 2007

96 MPa 의 분사량이 적게 나타나는 점으로 미루어 보아 인젝터 니들이 완전하게 열리 지 못한다는 것 알 수 있다. 또한, 분사기간 2 ms인 (b) 2nd injection 경우에 대해서도 연료압력 1.18 MPa인 경우 연료압 력 0.

6 Top-Feed Type 인젝터의 액상분사 LPG연료 분사장치 적용 (a) 1st injection Fig. 11 Quantity of injected liquid LPG as a function of injection duration at various fuel pressure 분사기간이 동일할 경우 연료압력이 증가할수록 분사량이 증가하는 경향이 정상적인 것이지만, 분 사기간 4 ms 인 경우, 연료압력 1.18 MPa의 분사량 보다 연료압력 1.96 MPa 의 분사량이 적게 나타나는 점으로 미루어 보아 인젝터 니들이 완전하게 열리 지 못한다는 것 알 수 있다. 또한, 분사기간 2 ms인 (b) 2nd injection 경우에 대해서도 연료압력 1.18 MPa인 경우 연료압 력 0.81 MPa 인 경우에 비해 분사량이 적게 나타나 고 있으며, 이 구간에서 top-feed type인젝터는 정상 작동을 이루지 못하는 것으로 판단된다. 따라서 이 론 공기연료비 운전을 통하여 엔진을 시동하는 경 우와 아이들 운전을 하는 경우 초기 시동 시 5 ms 이 상의 분사 기간 동안 연료를 분사하여야 필요한 13 mg/stk 연료가 연소실에 공급되며 아이들(idle)시 7.5 mg/stk의 연료를 공급하기 위하여 3~3.7 ms의 연료 분사 기간이 필요함을 확인할 수 있었다. (c) 3rd injection Fig. 10 Mie-scattering images of liquid LPG injection of top-feed type injector at different fuel pressure for injection duration of 2 ms. (a) 1st injection (b) 2nd injection (c) 3rd injection 5. Top-feed type 연료 시스템 열전달량 예측 Fig. 12는 연구에 사용된 실험 장치를 나타내고 있다. 실험 엔진은 4기통 가솔린 스파크 점화 엔진 으로 각 기통의 위치에서 열전달량을 예측하기 위 4.3 냉간 분사 특성 하여 인젝터의 위치에 각각 4개의 열전대 (thermo- Fig. 11에 연료 레일의 압력과 분사기간에 따른 couple)를 장착하였다. 분사량을 도시하였다. 연료 레일의 압력이 0.81 MPa 연료 온도를 측정한 결과는 Fig. 13에 나타내었다. 인 경우 분사 시간이 1.7 ms 이상으로 증가하여야 연 엔진이 완전히 웜업(warm up)된 이후 700 rpm 으로 료가 정상적으로 분사되며 연료 레일의 압력이 초 동안 측정하여 열평형이 이루어진 후 400 초 MPa인 경우는 분사 시간이 2 ms 이상으로 증가해야 의 온도를 사용하여 열전달량을 예측하였다. 연료가 정상적으로 분사됨을 알 수 있다. 가솔린을 연료로 하는 엔진 시스템의 연료 온도 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 15, No. 6,

7 Kitae Yeom Jungseo Park Choongsik Bae Jeongnam Park Sungkun Kim 6. 고온방치후재시동특성 Fig. 12 The experimental setup for heat transfer estimation of top-feed type fuel injection system Fig. 13 The fuel temperature of top-feed type fuel injection system during idle condition Table 2 The temperature and heat transfer of top-feed fuel system Section Heat transfer LPG Temperature Tank~4th injector W C 3rd~4th injector W C 2nd~3rd injector W C 1st~2nd injector W C 를측정한후연료레일의구간별온도변화를측정한후열평형상태에서구간별열전달량을식 (1) 을이용하여예측하였다. 연료의질량은엔진제어시스템에서사용하는연료의분사량을측정한후전용프로그램 (ETAS, SAM2000) 을이용하여데이터를저장하였다. (1) 그리고얻어진열전달량을바탕으로 LPG를연료로사용하는경우같은공기량을흡입할때필요로하는연료의질량을구한후상승하는연료의온도를예측하였다. 예측된열전달량과연료온도는 Table 2 에나타내었다. 고온방치실험에서확인된결과를바탕으로엔진이정지하였을때연료레일내부연료의온도는 80oC 부근으로상승하며이때부탄이 100% 인 LPG 의경우연료레일내부압력이 1 MPa 까지상승함을 Fig. 14에나타낸 LPG의온도에따른증기압력곡선에서확인할수있었다. 따라서연료레일내의연료기화를막기위하여연료레일내의압력이 LPG의증기압력보다높거나 LPG의온도가낮아야한다. 이에따라 5 장에서계산된열전달량을바탕으로 30 분동안고온방치되었을경우열전달량이약 24 kj 이다. 그러나 4장의연구결과에따르면 top-feed type 인젝터의고압분사가불가능하기때문에연료레일의열용량을키우는방안이적합할것으로판단하였다. 따라서연료레일은열전달을받은후에온도증가를억제하기위하여연료레일내의연료의부피를증가시키고자하였다. 식 (1) 을이용하여계산한결과 24 kj의열전달후에연료의온도상승을 35 C 이내로억제하기위해서는약 0.5*10-3 m 3 의부피를갖는연료레일이필요하며 15oC 이내로억제하기위해서는약 1.2*10-3 m 3 의부피를갖는연료레일이필요함을알수있었다. 따라서본연구에서는연료의온도증가를 20 C로제한하여약 1.0*10-3 m 3 의부피를갖는연료레일을선정하였다. 또한고온방치후연료의온도가 70oC까지증가하는상황에서증기압력이약 1 MPa이므로연료압력을 1.05 MPa로설정하였다. Fig. 15는 Fig. 5에나타낸 top-feed type 연료시스 Fig. 14 The vapor pressure of LPG with respect to fuel temperature 36 한국자동차공학회논문집제 15 권제 6 호, 2007

8 Top-Feed Type Port Fuel Injector for Liquefied Petroleum Gas Liquid Phase Injection Fig. 15 Fuel pressure, temperature and engine speed at re-start after hot soaking using top-feed type injector 템에개선된연료레일을장착하고고온방치후재시동시엔진회전속도와연료레일내부연료의온도와압력을나타내었다. 고온방치이후연료펌프를 bottom-feed type 연료시스템과같이 2초간작동시켜연료레일내부의기화된연료를제거시킨후크랭킹하여엔진재시동이가능함을확인하였다. 그러나초기시동시필요한연료량을분사하기위해 bottom- feed type 연료시스템의경우에비하여연료분사기간을증가시킬필요가있었다. 7. 결론 가솔린용 top-feed 연료공급시스템을 LPG액상분사로의적용성을검토하기위해 LPG액상분사방식에서가장문제가되는고온재시동시연료레일내부기포제거를위하여연구를수행하였으며결론은다음과같다. 1) Top-feed type 연료시스템의온도변화를측정하여연료레일의구간별외부에서열전달량을계산하였고온도상승량을예측할수있었다. 2) 냉간에서연료압력변화에따른가솔린용 top-feed type 인젝터의 LPG 연료분사량을시험한결과연료레일의압력이 0.81 MPa 인경우분사시간이 1.7 ms 이상으로증가하여야연료가정상적으로분사되며연료레일의압력이 1.18 MPa인경우는분사시간이 2 ms 이상으로증가해야연료가정상적으로분사되었다. 3) 엔진에연료공급장치를 top-feed type으로재구성한후고온방치시험결과고온방치이후연료펌프를 2초간작동시켜연료레일내부의기화된연료를제거이후크랭킹하여엔진재시동이가능함을확인하였다. 4) 가솔린용 top-feed type 인젝터를고압의 LPG액상분사시스템에사용하고자할경우인젝터솔레노이드코일에공급되는전력을증가시켜니들구동력을향상시킬필요가있다. 후 기 본연구는환경부 Eco-STAR Project ( 무 저공해자동차사업단 ) 의지원및과학재단의우수연구센터 (ERC) 의지원아래수행되었으며, 이에관계기관에감사의뜻을표합니다. References 1) S. Oh and C. Bae, Mixture Distribution and Flame Propagation in a Heavy-duty Liquid Ppetroleum Gas Engine with Liquid Phase Injection, Int. J. Engine Research, Vol.5, No.6, pp , ) A. Sobiesiak, M. Hoag and M. Battoei- Avarzaman, Injector Durability and Emissions from Liquid LPG Port Injected Spark Ignition Engine, SAE , ) W. Lee, I. Kim and S. Yang, Development of HMC Mono LPG Injection System, Spring Conference Proceedings, KSAE, pp , ) B. Lutz, R. Stanglmaier, R. Matthews, J. Cohen and R. Wicker, The Effects of Fuel Composition, System Design, and Operating Conditions on In-System Vaporization and Hot Start of a Liquid-Phase LPG Injection System, SAE , Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 15, No. 6,

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17(2)-00(268).fm w ywz 17«2y(2012)/ 1 AMESim» CRDi l 2 p w if * Á le * Áfld ** Analysis of Dynamic Characteristics in Two-stage Injection for CRDi Injectors Based on AMESim Environment Insu Jo, Jiwon Kwon and Jinwook Lee