한국산학기술학회논문지 Vol. 10, No. 7, pp. 1433-1438, 2009 LPG/ 가솔린 Bi-Fuel 엔진성능에관한실험적고찰 전봉준 1, 박명호 2* 1 한국폴리텍 IV 대학제천캠퍼스 2 강원대학교기계자동차공학부 An Experimental Study on Engine Performance of LPG/Gasoline Bi-Fuel Jun, Bong Jun 1 and Park, Myung Ho 2* 1 Korea Politechnic ⅣColleges, Dean 2 Dept. of Mechanical & Vehicle Engneering, Kangwon National University, Professor 요약본논문의목적은점화시기의변화가 LPG/ 가솔린겸용차량에미치는영향을살펴보기위한것으로가솔린전용연료모드를 LPG 전용연료모드로진각시킨제어시스템을제안하여엔진회전수 (1500rpm, 2000rpm) 및점화시기 (5,10,15,20 ) 의변화에따른실린더내의가스압력, 압력상승률및열발생률을측정하였다. 그결과실런더내의가스압력및압력상승률은기관의회전속도가 1500rpm 및 2000rpm 모두점화시기가진각될수록증가하였으나, 20 부근에서의압력상승률값만약간낮게나타났다. 또한, 열발생률은 1500rpm에서점화시기가진각될수록증가하였으며 2000rpm의 20 부근에서감소하는경향을볼수있었다. Abstract The purpose of this study is to investigate how the ignition spark timing conversion influences the engine performance of LPG/Gasoline Bi-Fuel engine. We propose the control system which can advance the ignition spark timing in LPG fuel mode more than used in gasoline fuel mode. In order to investigate the engine performance during combustion, engine performance are sampled by data acquisition system, for example cylinder pressure, pressure rise rate and heat release rate, while change of the rpm(1500, 2000) and the ignition timing advance(5,10,15,20 ) As the result, between 1500rpm and 2000rpm, the cylinder pressure and pressure rise rate was increased when the spark ignition was advanced but pressure rise rate at 20 was smaller value. Also, the heat release rate at 1500rpm was increased but it was lower around 20 at 2000rpm. Key Words : LPG(Liquefied Petroleum Gas), Bi-Fuel Engine, Ignition Timing Advance, Cylinder Pressure, Pressure Rise Rate, Heat Release Rate 1. 서론 엔진의설계또는개발에있어서중요하게고려해야할사항은차량의성능에크게영향을미치는엔진출력과연비향상을위한엔진의효율, 환경오염을줄이기위한유해배출물의저감이라고볼수있다. 미국의경우엔진의출력증가를기본적인과제로채택하여 1960년캘리포니아주의자동차배기가스규제및 1967년연방규제등 의법규제정을시작으로 1970년대까지환경문제및공해저감이중요한사회의요구사항이었다. 그이후오일파동으로인한유가상승은엔진설계시연비향상에더욱큰비중을두게하였으며현재는모든분야에서환경오염을줄이는추세에따라희박연소엔진및대체연료를사용한엔진개발등유해배출물억제를위한연구가활발히진행되고있다. 특히, LPG(Liquefied Petroleum Gas) 는여러대체연료중쉽게구할수있는 * 교신저자 : 박명호 (parkmh@kangwon.ac.kr) 접수일 09 년 01 월 06 일수정일 (1 차 09 년 05 월 07 일, 1 차 09 년 06 월 10 일, 3 차 09 년 07 월 16 일 ) 게재확정일 09 년 07 월 22 일 1433
한국산학기술학회논문지제 10 권제 7 호, 2009 기체연료로가솔린과비교하여옥탄가가높고고압축비를이용할수있으며연료첨가물없이도엔진의노킹을방지할수있는등연료로서의많은장점을가지고있다. 또한, LPG엔진의경우기존엔진에특별한구조변경없이도사용할수있고엔진개조시경제적인장점때문에최근들어 LPG 사용차량은점차증가추세에있다고볼수있다 [1]. 특히, 가솔린기관을 LPG로전환했을경우의연소특성에관한과거연구를살펴보면, Lowi Jr 등은일산환탄소, 탄화수소, 질소산화물및이산화탄소등의주요유해배출물의경우가솔린기관과비교하여 20 60% 정도감소하며, 이는탄화수소가 3배가량증가하는 CNG(Compression Natural Gas) 보다좋은대체연료라고보고하고있다 [2]. 그러나, Gerini 등은 LPG연료가대체연료로서의많은장점을갖고있는반면, 혼합기의단위질량당발열량은높지만단위체적당발열량이가솔린과비교하여 5% 정도작고가스상태로공급되기때문에고부하영역에서 5 10% 정도의출력저하및충전효율의감소를문제점으로지적하였다 [3]. 또한, Sierens 등은액체분사에관한연구에서실험과이론적연구를통하여 MPI 액체분사시스템을개발하였는데, 증발식 LPG 엔진에서는 15% 정도의출력저하를나타내는반면액상분사시스템에서는가솔린과거의유사한출력을유지하며연료소비량및유해배출물의감소또한동시에달성하였음을발표하였다 [4]. 이상의연구를종합하여볼때 LPG 연료는경제적이고청정한연료임이틀림없으나 LPG연료를가스상태로 공급받는현재의 LPG 엔진은점화시기가느린가솔린의것을그대로사용하고있으므로연소지연으로인한엔진출력및차량연비향상은물론배기가스개선에악영향을미칠것으로사료된다. 따라서, 이러한문제점을개선하기위한한방법으로가솔린기관전용전자제어 ECM(Engine Control Module) 을 LPG 연료전용전자에서 ECM으로점화시기를진각시켜 MBT(Minimum advance for the Best Torque) 제어를통한출력향상을도모하는한방법을한예로들수있다 [5]. 즉, LPG 연료의경우연소속도 (Burning Velocity) 가가솔린과비교하여빠르며착화온도가높기때문에상대적으로점화시기가진각되어야하며, 높은옥탄가로인해점화진각에의한노킹의영향또한적다고사료된다. 따라서, 본연구에서는 LPG( 부탄 70%, 프로판30%) 를연료로사용하였을때기관의엔진출력및차량연비향상을목적으로 Gasoline 및 LPG Bi-Fuel 차량의엔진점화시기를변환하여엔진회전수및스로틀개도의변화에따른실린더내의가스압력, 압력상승률및열발생률등에미치는영향에관한비교 검토를수행하였다. 2. 실험장치및실험방법 2.1 실험장치 그림 1은본연구에사용된실험장치의개략도를나타내고있으며실험장치는 MFI DOHC 전자제어엔진, 와류 Pressure meter LPG rail Thermometer Peep glass Manometer LPG pressure line Accumulator ECM Shut-off valve N 2 gas Ignition control L P G [ 그림 1] LPG 연료분사제어시스템개략도 1434
LPG/ 가솔린 Bi-Fuel 엔진성능에관한실험적고찰 식동력계, 스로틀밸브구동장치, 데이터처리장치및기타측정장치로구성하였다. 특히, 본연구에사용된엔진은배기량 2000cc와압축비 9 : 1을갖는 4기통가솔린엔진을사용하였고, 엔진으로부터발생되는출력및부하를제어하고계측하기위한동력계는크랭크축에직렬로연결된와전류방식 (eddy current) 으로흡수식을채택하였으며제원은표 1에나타내었다. 실험장치중 LPG 연료공급은 LPG의액상유지를위하여액화에필요한압력 (20 bar) 이상으로가압하여공급하였으며인젝터의분사압력은고압질소가스로조정하였다. 또한, 엔진의점화시기및연료량등은엔진제어장치 (ECM) 로제어되며 PC를통하여실시간제어와데이터취득이가능하도록설치하였다. 스로틀밸브는개도를정확히제어하기위해스테핑모터를 D/A 컨버터에연결하여컴퓨터에서조작할수있도록하였고, 정방향과역방향으로펄스당 0.9 까지회전및속도조절이가능하며저속에서의슬립을방지하기위해모터축에 10 : 1의감속기를부착풀리에연결하였다. 표 2에스테핑모터와모터구동 D/A 컨버터장치의제원을나타내었다. 정적상태에서의실린더내의압력과열발생률의측정은 100kHz 용량의 16채널 A/D 컨버터가사용되었으며제원은표 3과같다. [ 표 1] 엔진제원 Item Specifications Type In-line 4-cylinder DOHC Displacement volume 1997 [ cc ] Bore[ mm ] Stroke[ mm ] 85 88 Compression ratio 9.0:1 Firing order 1-3-4-2 Fuel injection type Intake port injection 12 V, 14.7 Ω, 4-hole Fuel injector Current control : Saturation Type [ 표 2] 스테핑모터와모터구동 D/A 컨버터제원 Item Specifications Type DC 4.7 V(1.8 A) Stepping Power output Max. 7.35kW Motor Maker SANYO Model PCL-838 Operating mode Two pulse mode (CW/CCW) Pull-up voltage +5V, +12V, external D/A Pul-up resistor 4.7kΩ Convertor Digital Input voltage Min. 2.0 V Max. 5.0 V Bus connector I/O address range Maker Advantech Co., LTD [ 표 3] A/D 컨버터제원 Item Specifications Model CHE-74 Input Channel 16 Channel Transducer Connected Strain Gage Type Sensor Gage Resister 120, 350 Calibration Signal 1 mv/v Bridge Supply Voltage 0.5V DC to 5V DC adjust Output Signal 5V DC Accuracy Class 0.1% F.S Supply Voltage AC 110 or AC 220V Sampling Rate Dynamic(0.001s/Channel) Data Bit 12bits Acquition Module 100kHz Desk Top 486/50Mhz, HDD 320 MB Printer GP Laser Maker Chen He Co., LTD. Ignition timing Ignition system Valve timing BTDC 5 at idling speed Direct ignition system IVO 26 BTDC IVC 46 ABDC EVO 55 BBDC EVC 9 ATDC 2.2 실험방법본실험은액상분사식 LPG 엔진의점화시기의변화가기관성능에미치는영향을규명하기위하여 KS( 한국산업규격 ) 의기관성능시험규정에따라서엔진회전수 1500rpm 및 2000rpm에서스로틀밸브의개도를 30%, 점화시기는 TCM을설치하여수동모두에서 5,10, 15,20 진각시켰으며기관의운전은인젝터분사압력 3bar, 냉각 1435
한국산학기술학회논문지제 10 권제 7 호, 2009 수온도 80±2, 흡기온도 15±1 의상태에서실험을수행하였고또한기관의성능특성에미치는영향을규명하기위하여정상운전, 부하상태에서의실린더내의가스압력, 압력상승률및열발생률에대한값을측정하였다. 3. 실험결과 3.1 실린더내의가스압력그림 2는엔진회전수 1500rpm, 스로틀개도 30%, 점화시기를 5,10,15,20 까지진각시키면서실린더내의압력발생을측정하여점화진각이기관의연소압력에미치는영향을나타낸것으로그림에서볼수있듯이점화시기가진각될수록실린더내의가스압력은선형적으로증가하였고, 진각양이증가할수록최고값이상사점에근접하는경향을나타내었다. 즉, 이것은실린더내의압력은흡기량, 공연비가일정할때점화시기를진각시킬수록최고압력이높아지고또한최고압력의위치도상사점 (TDC) 에가까워진다는이론과잘일치하고있으며, 점화진각량이 5 일때보다 20 일때약 2.65bar정도높게나타났다. 그림 3은엔진회전수가 2000rpm, 스로틀개도 30% 에서그림 2와동일한방법으로진각시키면서실린더내의압력발생에대한데이터를얻어점화진각이기관의연소압력에미치는영향을나타낸것이다. 결과를살펴보면점화시기가 5 에서 15 까지진각될수록가스압력또한선형적으로증가하였으나, 진각량이 20 의경우큰변화가없었는데, 그원인으로진각량이큰경우폭발압력에의한마찰손실발생이원인으로사료된다. [ 그림 2] 실린더내의압력발생곡선 ( 스로틀개도 30%, 1500rpm) [ 그림 3] 실린더내의압력발생곡선 ( 스로틀개도 30%, 2000rpm) 3.2 실린더내의압력상승률그림 4와그림 5는엔진회전수를각각 1500rpm 및 2000rpm으로설정하고, 스로틀개도 30%, 점화시기를 5,10,15,20 까지진각시켰을때실린더내의압력상승률에미치는영향을나타낸것이다. 두결과모두점화시기가진각될수록실린더내의압력상승률도선형적으로증가하면서 TDC에접근하였으나, 점화진각이 20 부근에서약간낮아지는것은실린더내의가스압력과같이점화진각이클수록 TDC전에서최고압력이형성되어마찰손실이증가한결과라사료된다. [ 그림 4] 실린더내의압력상승률 ( 스로틀개도 30%, 1500rpm) 1436
LPG/ 가솔린 Bi-Fuel 엔진성능에관한실험적고찰 4. 결론 가솔린엔진에 LPG 액상분사장치를적용하기위한연구로서 Gasoline 및 LPG Bi-Fuel 차량의엔진점화시기를변환하여엔진회전수및스로틀개도의변화에따른실린더내의가스압력, 압력상승률및열발생률을비교 분석한결과다음과같은결론을얻어낼수있었다. [ 그림 5] 실린더내의압력상승률 ( 스로틀개도 30%, 2000rpm) 3.3 실린더내의열발생률 그림 6과그림 7은엔진회전수 1500rpm 및 2000rpm 에서스로틀개도 30%, 점화시기를 5,10,15,20 까지진각시켰을때실린더내의열발생률에미치는영향을나타낸것으로그림 7의경우점화시기가진각될수록열발생률은증가하였으며 2000rpm의경우점화시기가진각될수록열발생률의증가폭은 20 일때보다작게나타났다. 1. 실린더내의가스압력은엔진회전수가 1500rpm일때점화진각량이 5 일때보다 20 일때가최대압력이약 2.65bar정도높게나타났으며 2000rpm의경우점화시기가 5 에서 15 까지는진각될수록실린더내가스압력이선형적으로증가됨을확인할수있었다. 2. 압력발생률은 1500rpm 및 2000rpm 모두점화시기가진각될수록실린더내의압력상승률도선형적으로증가하였으며, 점화진각이 20 부근에서약간낮아지는경향을볼수있었다. 3. 실린더내의열발생률은 1500rpm에서점화시기가진각될수록증가하였으며 2000rpm의경우 20 부근에서약간감소하는경향을볼수있었다. 참고문헌 [ 그림 6] 실린더내의열발생률 ( 스로틀개도 30%, 1500rpm) [1] 지덕림, LPG 자동차연료장치의구조기준 (I/II), 가스안전. pp.39, 1999. [2] A. Lowj Jr. and W.P.L. Carter, A method for evaluating the atmospheric ozone impact of actual vehicle emissions, SAE paper 900710, 1990. [3] A. Gerini, G. Monnier and R. Bonetto, Lltra low emission vehicle using LPG engine fuel, SAE paper 961079, 1996. [4] R. Sierens, An experimental and theoretical study of liquid LPG injection, SAE paper 922363, 1992. [5] 전봉준외, LPG 및가솔린겸용차량의엔진점화시기변환제어시스템개발, 한국박용기관학회지, 제 27권, 제1호, pp.117-123. 2003. [ 그림 7] 실린더내의열발생률 ( 스로틀개도 30%, 2000rpm) 1437
한국산학기술학회논문지제 10 권제 7 호, 2009 전봉준 (Bong-Jun Jung) [ 정회원 ] 2009 년 7 월현재 : 한국폴리텍 IV 대학제천캠퍼스학장 < 관심분야 > 열유체, 내연기관분야, 에너지분야 박명호 (Myung-Ho Park) [ 정회원 ] 1987 년 2 월 : 강원대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1992 년 2 월 : 강원대학교대학원기계공학과 ( 공학석사 ) 1996 년 3 월 : 九州工大대학원기계공학과 ( 공학박사 ) 2002 년 3 월 ~ 현재 : 강원대학교기계자동차공학부교수 < 관심분야 > 열유체, 연소분야, 에너지분야 1438