Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 3 pp. 1229-1235, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.3.1229 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 LPG 차량흡기계통 Cleaning 이엔진및배출가스에미치는영향 홍성인 1, 이승철 2* 1 서영대학교자동차학과, 2 조선이공대학교선박해양 기계과 The Effect of Cleaning the Intake System of LPG Vehicles on Engine and Emissions Sung-In Hong 1 and Seung-Chul Lee 2* 1 Dept. of Automotive Engineering, Seoyeong University 2 Dept. of Naval Architecture & Mechanics, Chosun College of Science & Technology 요약 LPG차량의공기흡입시스템에서먼지입자의대부분은공기청정기를통해제거되지만, 아주작은입자는제거되지않고흡기계통에축적되게된다. 이축적된카본은공회전속도제어와센서신호그리고배출가스에영향을주게된다. 또한엔진채터링현상이나자동변속기의변속시점불량등을야기시킨다. 이연구는세척액을사용하여흡기계통을세척하는것에관한것이다. 워밍업된챠량에서흡입호스를제거하고세척액을사용하여가속시에세척액을흡입장치에분사시켜흡기계통을세척하는것이다. 세척액을사용하여스로틀바디, ISC, 서지탱크, 흡입매니폴드, 흡기밸브, 연소실까지세척함으로서다음과같은실험결과를얻을수있다. 스로틀밸브가정확하게작동되어 TPS의센서신호전압이개선되었으며, 차량이정지하는경우 ISC 시스템은공회전속도제어를원활하게작동하였다. 또한일산화탄소는약 0.15 %, 탄화수소는약 20~100PPM으로각각감소되어배기가스가현저하게개선되었다. Abstract At the LPG vehicle air intake system, most of dust particles in the air cleaner are removed. However very small particles are not removed and accumulated. The accumulation of carbon in air intake system is going to affect the idle speed control and sensor signal. It also causes engine chattering and transmission troubles of automatic transmission. This is study about cleaning up intake system using cleaning chemical. We can clean up the intake system by spraying cleaning liquid onto intake device when the engine is idling after intake hose is removed from warmed up vehicle. We can obtain the following experimental results by cleaning up ISC, surge tank, intake manifold, intake valves and combustion chamber. According to this results, the stroll valve works correctly and power rate of engine is up to the standard, it is smoothy to control the idling speed when a vehicle pulls up. After cleaning up CO grow down about 0.15%, HC does about 20~100 ppm. Key Words : Air intake system, Carbon, ISC, LPG, Throttle body 1. 서론 21세기들어과학기술이나산업이고도로발달함에따라인간의건강과생활환경이점차로악화되어인류의생존을크게위협하고있는공해는그의종류가많으며원인또한복잡다양하다. 그중에서도소위오늘의 3대 공해로지목되고있는대기오염, 수질오염, 소음등은광범위한사회문제로대두되었다 [1,2]. 발생원인은공장같은산업현장의매연, 배수에의한것, 기계의진동이나소음에의한것, 자동차와같은교통기관의배출가스에의한것등다양하다. 특히현대사회의필수품이라여겨지는자동차배출가스는지구대기환경오염의 50% 이상 * Corresponding Author : Seung-Chul Lee(Chosun College of Science & Technology) Tel: +82-62-230-8200 email: cjf9400@cst.ac.kr Received October 16, 2013 Revised (1st October 27, 2013, 2nd October 28, 2013) Accepted March 6, 2014 1229
한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 2014 의오염원이며, 이로인하여스모그현상과오존층파괴, 지구의온실효과등으로인간의생존을위협할수있는무서운재앙으로다가오고있다. 따라서이미 1950년대에자동차의배출가스에의한공해문제가대두되어배출가스저감에관한연구가활발히진행되었다. 현재도역시매년그규제가강화되고있는한편최근들어저저공해, 저연비도강렬하게대두되어배출가스저감의연구는매우중요한문제의하나가되었다. 또한세계각지역에서자동차배기가스규제가강화되고있는데그중북미캘리포니아주에서는 HC(Hydro Carbon) 의배출량을 1992년기준으로 1996년에도입된저공해차 LEV(Low Emission Vehicle) 의 1/6로 1999년도입된초저공해차 ULEV(Ultra Low Emission Vehicle) 에서는 1/9 로낮추는기준을도입하였으며, 2009년부터평균배출량제도 (Fleet Average Systim) 를도입하여자동차제작사에게 Table 1과같이배출허용기준을적용할수있도록하되, 판매된자동차의탄화수소평균배출량이일정수준이하를만족하도록하였다 [3-5]. [Table 1] Vehicle emission Standards in fleet average system(g/km) Spec. Respondents Percentage Standard 1 0.054 (LEV) *(0.045) 2.61 0.044 Standard 2 0.033 (ULEV) *(0.024) 1.31 0.044 Standard 3 0.00601 (SULEV) *(0.00601) 0.625 0.0125 Standard 4 (ZEV) 0 0 0 * Values for calculating fleet average 이러한자동차배출가스저감에대한세계적인노력으로인하여신차에대한배출가스배출량은감소되고있지만중고차에서발생된배출가스는부품의성능저하등의원인들로배출가스배출량이증가함으로인하여대기환경오염에악영향을미치고있다. 자동차에서전자제어시스템고장의 60% 가흡기계통에서발생하고그중의 50% 정도가스로틀바디에서발생하고있다. SPI(Single Point Injection) 나 FBC(Feed Back Carburetor) 의경우연료분사를카브레터에서분사하므로카브레터부터흡기관흡기밸브까지항상깨끗하지만 MPI(Multi Point Injection) 경우인젝터가흡기밸브바로앞쪽에위치하여상대적으로흡기내부가카본으로인해오염이심하다. 또한 GDI(Gasoline Direct Injection) 의경우도인젝터가실린더헤드에바로설치되어흡입밸브까지도카본 이누적된다. 자동차는출고이후기계적인마모, 점화장치의노후화, 각종전장품의기능저하로출력저하, 매연증가, 연료소비증가, 응답성저하현상등이발생한다. 이러한원인으로인하여 TPS(Throttle Position Sensor) 값의변동으로오토매틱차량의경우변속시점이틀어지며, ISC(Idle Speed Control) 의듀티값변동으로공회전이불안정한상태가되기도한다. 또한전기부하나에어컨보상이잘이루어지지않고, 매연증가및출력저하, ISC의수명단축, 응답성저하, ETS차량의경우이상시린프홈기능이수행되어곧수리를하지않으면사실상주행이불가능한상태에이르기도한다. 일반적으로공기는흡기장치를통하여엔진에흡입되고있으며 1,000km주행시마다 17.6m3의공기가엔진으로유입된다. LPG 기관은농후한혼합기상태에서모든탄소와반응할수있을만큼산소량이충분하지않으면배기생성물질속에 HC와 CO가함유된다. 특히기관을사동할때에는공기와연료의혼합을농후하게한다 [6]. 흡기장치의입구에있는공기청정기에서공기속에들어있는먼지를제거하는데도로상에떠있는먼지는산화규소 (SiO2), 산화알루미늄 (Al2O3) 및산화철 (Fe 2O 3) 등이주성분이며도시에서는카본도포함되어있다. 이러한미세한먼지의농도는도로상황이나기상조건에따라다르지만포장도로에서는 0.0002~0.0005g/ m3이고비포장도로에서는 0.005~0.013g/ m3에달한다. 이와같은먼지는공기청정기에서대부분제거되나아주미세한먼지는스로틀바디를거쳐연소실로유입되는데이와같은미세먼지가흡기장치에퇴적물로부착된다. 또한흡기계통에는제거하지못한공기중의미세먼지뿐만아니라배기가스재순환장치 (EGR) 에의해흡입계통에유입되는배기가스의미연소물질이나오염물질그리고, 냉간시에과도하게분사된연료가실린더내로유입되지못하고스로틀바디및흡기매니폴드에카본퇴적물로형성된다. 이와같은스로틀바디주위의카본스케일은공회전제어, 전 ( 全 ) 부하제어, 그리고감속시의연료희박분사및가속시의연료농후분사제어시에정확한제어가불가능하게된다. 특히공회전제어시에스로틀바디주위의카본스케일때문에스로틀밸브의개패작동이원활하지않아정밀한속도제어가되지않고공회전이매우불안정하다. 결과적으로이와같은카본퇴적물로인하여매연이증가하고출력이저하된다. 이와같은문제를해결하기위해차량의가솔린연료를세척분사장치를이용해흡기장치에분사해줌으로서카본퇴적을방지하고흡기계통, 특히스로틀바디의카본퇴적으로인해센서의출력전압 1230
LPG 차량흡기계통 Cleaning 이엔진및배출가스에미치는영향 변동을막고아이들장치의카본으로인한보상의불안정을막을수있다. 따라서본연구에서는매연증가와출력저하의하나의원인이되는카본퇴적물을세척하여중고자동차의배출가스의저감과출력향상배기가스저감량, 출력변화그리고공회전속도의안정성을분석검토하는데그목적이있다. 2. 흡기장치 Fig. 1 은흡기계통의구성을나타내고있다. 자동차의엔진은연료와공기를혼합한혼합기를연소시켜출력을내는내연기관으로깨끗한공기를흡입하여적정량의연료를분사하여가연한계내의혼합기를만드는것이중요하다. 공기를흡입하는방식에따라서일반에어크리너를사용하는자연흡기와흡입저항이적은오픈형에어크리너를사용하는과급기방식으로분류할수있다. 연소실로흡입되는공기량을계측하여전기적인신호로변환시킨후 ECU에입력하는공기유량센서 (AFS-Air Flow Sensor) 는계측방법에대해서칼만와류식, 맵센서방식, 핫와이어방식, 베인방식등이있다. Fig. 2는 MPI의제어흐름도를나타내고있다. [Fig. 1] Schematic diagram of Intake apparatus Air Fu e l Explusion Exit WTS(Water Temperature Sensor) RPM T P S ( T h r o ttle P o s itio n S e n s o r ) AFS BP S (Barom etic P res s ure S ens or) O 2 Sensor BATT ATS(Air Temperature Sensor) ECU B a s ic in je c tio n Feed back [Fig. 2] Diagram of control flow for MPI 스로틀바디는멜코제어엔진에서는공회전속도를제어하는 ISC(Idle Speed Control) 서보와 TPS(Throttle Position Sensor) 가있다. 스로틀포지션센서 (TPS-Throttle Position Sensor) 는스로틀밸브축과함께회전하며스로틀밸브열림각을감지하는회전식가변저항이다. 스로틀밸브가회전하면스로틀포지션센서의출력전압이변하며 ECU는이전압변화를기초로하여스로틀밸브의개방을감지한다. ECU는출력전압을토대로하여스로틀밸브의열림의변화를계산하여엔진가속상태를판단하고그에따라가속중연료분사량을적절히제어한다. 또한출발이나기어변속과정에서시점이맞지않을때나출발시또는감속시에충격이올때, 자동미션의경우 3속으로 Holding되면서자기진단이 TPS로나올시에는규정값에맞게 TPS를조정해야한다. 아이들스피드액추에이터 (ISA-Idle Speed Actuator) 는스로틀바디에바이패스통로를설치하여 ECU의제어신호에의해공회전속도를제어하는모터로서엔진이공회전할때스로틀밸브가전폐상태에서스로틀밸브를바이패스되는공기에의해공연비가결정되는데엔진의마찰변동이있거나스로틀밸브등에이물질이부착되면공회전속도가변화되기때문에 ISA는이와같은문제가발생되었을때항상최적의공회전속도로제어하여유지시키는기능을한다. 통상열림코일의열림량을 ISA듀티로표시한다. ISA서보에는 ISC모터와모터포지션센서인 MPS(Motor Position Sensor) 및아이들스위치 (Idle Switch) 가있다. MPS는공회전속도를조정하는데있어서 ISC 모터의플런저위치를 ECU로피드백시키는주요한센서로서아날로그제어방식은컴퓨터로는정확히제어하기어려운특성을갖고있다. 이러한이유로시동꺼짐현상도종종발생한다. 그래서 DOHC의경우디지털방식인스텝모터를쓰게된것이다. Idle Speed 컨트롤의엔진회전수제어는엔진온도에따라초기시동직후초기 Idle 속도를제어하는 Cranking Idle, 정상온도의엔진에서평상시의아이들제어인 Fast Idle, 에어컨이나파워핸들로부하가걸릴때의 Idle Up, 액셀러레이터페달을급감속할때에스로틀밸브가서서히닫히게할목적으로하는 Dash Port 제어등이있다. ISC 모터와 MPS의관계에서 MPS 값의변화는정확히규정대로여야하며측정결과가규정치와차이가나면결국커넥터나스로틀바디내의카본등외란적문제가존재한다. 시동의꺼짐은꼭배선의접속불량에만있는것이아니고스로틀바디에카본이끼어도발생한다. 이때의특징은 MPS의값이높아져서한계치인 2V 이상으로나오기때문에고장으로간주되는것이다. 카본의영향으로엔진회전이급감속되어도, MPS가이를인지하지못하다가 1231
한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 2014 갑자기회전수를보정하려할때에는이미엔진회전수가복구가불가능할정도로내려가는상황이되기도한다. 엔진에서연료를얼마만큼분사하느냐는출력과환경오염에많은영향을미치며엔진의수명과도직접관련이되어있다. 따라서인젝터에서연료분사를하는직접영향을주는모든센서들은아주민감하고정확히작동되어야하고특히엔진에흡입되는공기량의정확도는무척중요하다. 대기압센서 (BPS-Barometer Pressure Sensor) 는대기압력을검출하여전압으로변환한신호를 ECU로보내면 ECU는이신호를이용하여차량의고도를산출하여현재상태에적정한혼합비가되도록연료분사량을조정함과동시에점화시기를조정한다. 세척후일정거리를주행한후 Idle상태에서세척전과후의데이터를분석그결과를그래프로나타내었다. 본실험에서실시한실험차량은국내에서생산되어현재운행중인차량들을대상으로실험을실시하였으며주행거리는모두 60,000km 이상인차량이다. Fig. 6,7은세척액을분사시키기전과후의사진이다. [Fig. 6] Throttle body before cleaning 3. 실험방법 본실험은 Fig. 3과같이 Warm-up된차량에서 Idle중에 Fig. 4와같이자기진단기를이용하여 ISC등서비스데이터를확인기록하고 Fig. 5와같이배출가스측정기를이용하여측정후가속을하면서흡기장치세척액을분사시켜흡기장치를세척하는방법으로실시하였다. 실험에사용한세정액은국내에서몇가지모델이유통되고있으나, 본실험에서는 H사에서판매하고있는제품으로톨루엔 (C 6H 5CH 3), 자일렌 (C 6H 4(CH 3) 2), 유기용제, 레몬향등을함유한제품을사용하였습니다. [Fig. 7] After cleaning throttle body 따라서분사위치의설정은실험을통해서스로틀밸브의전면에분사를해야가장좋은세척효과가나오므로흡입인테이크호스를제거하고분사를실시하였다. 세척연료가분사될때스로틀바디전면을적시도록해야만흡기관성에의해연료가흡기장치로흡입되어들어가면서내부가세척되게된다. 4. 결과및고찰 [Fig. 3] Schematic diagram of Intake cleaning system 본연구에사용된자동차는여러회사의다양한자동차를대상으로주행거리가 60,000km 이상인차들을선택하여실험을실시하였다. Fig. 8은각자동차의세척분사전과분사후의 TPS값을측정하여그래프로표시하였다. TPS는스로틀바디, 스로틀샤프트와함께회전하며스로틀밸브각을감지하는회전식가변저항으로 ECU는이전압변화를기초로하여스로틀밸브의열림을감지한다. 이출력전압을토대로하여 ECU는스로틀밸브개방의변화를계산하여엔진가속과감속상태를판단하고그에따라가속과감속중연료분사량을적절히보정한다. [Fig. 4] HI-DS [Fig. 5] GAS Analyzer 1232
LPG 차량흡기계통 Cleaning 이엔진및배출가스에미치는영향 [Fig. 8] Relationship between TPS and automobiles measured for cleaning injection before and after 또한엔진의공회전영역을인식하는데중요한정보가된다. 또한 TPS 값은자동차변속시점에매우중요한역할을한다. Fig. 8 나타난바와같이실험된모든차종에서클리닝분사전과후에따라많게는 64mv에서적게는 10mv 정도 TPS 출력전압이낮게발생함을확인할수있다. 흡기장치의카본누적시에는 TPS의출력전압상승으로변속시점의변화와쇼크가일어나는현상이발생하게된다. ISC는스로틀밸브를바이패스하는공기통로를제어하여흡입공기량을조정한다. 스로틀바디에장착되어있으며엔진 ECU에서듀티로제어하도록되어있다. 공회전, 전기적부하, 에어컨부하, 고도, ATS, WTS, 신호등을참고신호로운전전영역에서흡입공기량을보정한다. 가속페달을밟게되면흡입공기는스로틀밸브를통해서흡입하게된다. 하지만공회전상태에서는스로틀밸브가닫히게되므로흡입공기는바이패스통로를통해서흡입하게된다. 공회전조절밸브는바이패스에설치되어통로를여닫는시간을듀티제어하게된다. 따라서흡기장치에카본누적시 ISC에의한 RPM 보상불량및시동꺼짐현상이발생할수있다. Fig. 9는클리닝분사전과후에각자동차에대한 ISC값이약 6% 정도씩적게나타나고있음을알수있었다. 이러한결과로인하여클리닝분사시카본이제거되어 ISC 제어가정확하고가속및감속응답성이향상됨을알수있었다. 또한흡기장치에카본누적시는 TPS 신호의부정확성과 ISC 제어의불안정으로전체적엔진의제어가불안정으로전체적엔진의제어가불안정하게되어연료소모량이증가되고출력저하가발생하지만흡기장치세척효과로인하여연료소모량이감소되고출력이증가될것으로기대된다. Fig. 10은세척전과후에각차종의배기가스중에 CO 를측정하여그래프로나타낸그림이다. Fig. 10의그래프에나타난바와같이세척후의일산화탄소양은클리닝전에비해약 0.15% 정도적게배출된다는것을알수있었다. 이러한원인은첫째스로틀바디에퇴적되었던카 본이제거되면서 TPS 값이규정값으로정상화되었다. ECU는 TPS의신호를받아열림량을감지하는데만약카본으로인해 TPS값이 20mv 상승되었다면 ECU는당연히인젝터를통해연료량을증가시키기때문이다. 두번째는 ISC가규정 DUTY치에있다는것이다. 카본으로인해 DUTY가상승또는하강했다는것은아이들상태를안정시키기위해 ECU가 RPM을상승시키게된다. 실험결과세척후 RPM이 20~30RPM 정도로다운된것도이를입증하는것이다. 당연히공회전상태에서 RPM이상승했다는것은연료가농후하게공급됐다는증거라사료된다. [Fig. 9] Relationship between ISC and automobiles measured for cleaning injection before and after [Fig. 10] Relationship between CO and automobiles measured for cleaning injection before and after [Fig. 11] Relationship between HC and automobiles measured for cleaning injection before and after 1233
한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 2014 Fig. 11은각차종의클리닝인젝터분사전후의배출가스인미연탄화수소값을나타낸그래프이다. Fig. 11 에나타난바와같이세척전보다분사세척후에배출된탄화수소가약20~100ppm정도적게배출된것을확인할수있었다. 이러한원인도일산화탄소가적게배출되는것과같은원인으로세척인젝터로인한스로틀바디의카본이제거되면서 TPS값과 ISC값이규정값으로정상화되면서완전연소율이증가하여미연탄화수소가적게배출된다고생각된다. 미연탄화수소는인체에는수백 ppm 정도가되어야영향을주지만식물에게는더적은양으로도큰피해를주기때문에깨끗하고쾌적한환경을만들기위해서는자연과인간에게피해를주는배출가스의공해물질은제거되어야한다. 5. 결론 본논문은 LPG자동차엔진의흡기장치세척에관한것으로서세척액을흡기장치에분사시켜스로틀바디, 흡기매니폴드와흡기포트의카본퇴적물을세척하여세척전 후의공전제어, TPS와 ISC의전압신호와배기가스배출량등을고찰한후다음과같은결론을얻었다. (1) 흡기계통에세척액을분사시켜스로틀바디를비롯한흡기장치, 실린더내의카본퇴적물을제거함으로서공회전속도제어장치및연료분사장치가안정화되었다. (2) 스로틀밸브의정밀한작동과스로틀위치센서의시그널전압이정확하게엔진 ECU에전달되어엔진의성능이안정되었다. (3) ISC의정상적인작동으로차량정지지공회전속도제어와규정공회전속도제어를원활하게하여신차와같은성능이유지되었다 (4) 세척액분사후에일산화탄소는약 0.15%, 탄화수소는약 20~100ppm으로각각감소하였다. (5) 엔진오일교환시에흡기계통을세척한다면환경측면이나자동차관리에도많은도움이되리라사료된다. 선행연구에서 ASM2525모드정밀검사법을이용하여 CO. HC를비롯 NOX. O 2.CO 2. 까지측정하지못한점이아쉽고, 향후새시다이나모를이용하여토크, 마력, 연비측정및카본누적량에따른경보음발생시점에대하여연구하고자합니다. References [1] C. H. Lee, "An Experimental Study on Characteristics of Emissions and Fuel Economy in LPG Vehicle Applied Liquid phase Infection", M. S. Thesis, Department of mechanical Engineering, Chungnam National University, pp. 9-12, 2009. [2] S. H. Cho, "A Study on the emission characteristics of four cylinder diesel-lpg dual fuel engine with a mechanical fuel supply" Ph. D Thesis Department of Mechanical Engineering INHA UNIVERSITY, pp.3-4, 2012 [3] Y. C. Lee, "A Study on Performance and Emission Characteristics of a CI LPG Engine With Blending Rates of Cetane Number Enhancing Additive", Ph. D, Automtive Engineering Kookmin Universtity, pp. 3, 2011 [4] J. H. Park, J. T. Sun, S. M. Kim, J. S. Kim, D. I. Kang, Y. S. Lim, B. Y. Han, "Estimation on the Emission Reduction of SULEV LPG Vehicles" Journal of Korean Society for Atmospheric Environment Vol. 28, No. 1, pp. 68, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.5572/kosae.2012.28.1.068 [5] C. U. Kim, M. S. Shin, S. K. Baik, "Improverment of leakage Performance of LPG Injector" Journal of the Korean Institute of Gas Vol. 16, No. 6, pp. 23-24, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.7842/kigas.2012.16.6.23 [6] A. Wildgen and J. Straub, "The Boiling Mechanism in Superheated Free Jets", International Journal of Multiphase Flow, Vol. 15. No. 2, pp.193-207 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0301-9322(89)90070-0 홍성인 (Sung-In Hong) [ 정회원 ] 1990 년 8 월 ~ 1996 년 2 월 : 기아자동차 ( 주 ) 엔진부근무 2000 년 6 월 ~ 2006 년 5 월 : 자동차정비전문점대표 2005 년 2 월 : 조선대학교대학원기계공학과 ( 기계공학석사 ) 2009 년 8 월 : 조선대학교대학원기계공학과 ( 기계공학학박사 ) 2004 년 3 월 ~ 2008 년 2 월 : 서영대학교자동차과겸임교수 2008 년 3 월 ~ 현재 : 서영대학교자동차과교수 < 관심분야 > 열전달, 자동차배출가스 1234
LPG 차량흡기계통 Cleaning 이엔진및배출가스에미치는영향 이승철 (Seung-Chul Lee) [ 정회원 ] < 관심분야 > 기계설계, 기계제조 2003 년 2 월 : 조선대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2005 년 2 월 : 조선대학교대학원기계공학과 ( 공학석사 ) 2010 년 8 월 : 조선대학교대학원기계공학과 ( 공학박사 ) 2012 년 3 월 ~ 현재 : 조선이공대학대학교선박해양 기계과강의전담교수 1235