58
저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국 이용자는 아래의 조건을 따르는 경우에 한하여 자유롭게 l 이 저작물을 복제, 배포, 전송, 전시, 공연 및 방송할 수 있습니다. 다음과 같은 조건을 따라야 합니다: l 귀하는, 이 저작물의 재이용이나 배포의 경우, 이 저작물에 적용된 이용허락조건 을 명확하게 나타내어야 합니다. l 저작권자로부터 별도의 허가를 받으면 이러한 조건들은 적용되지 않습니다. 저작권법에 따른 이용자의 권리는 위의 내용에 의하여 영향을 받지 않습니다. 이것은 이용허락규약 ( Legal Code) 을 이해하기 쉽게 요약한 것입니다. Disclaimer 저작자표시. 귀하는 원저작자를 표시하여야 합니다. 비영리. 귀하는 이 저작물을 영리 목적으로 이용할 수 없습니다. 변경금지. 귀하는 이 저작물을 개작, 변형 또는 가공할 수 없습니다.

중대형LPG액상분사엔진의연소특성향상연구 ... · 2010-10-16 · 저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국 이용자는 아래의 조건을 따르는

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저 시-비 리- 경 지 20 한민

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다 과 같 조건 라야 합니다

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工學碩士學位 請求論文

형 LPG액상분사 엔진의 연소특성 향상 연구

Studyonenhancecombustioncharacteristicsin

Medium dutyLPLIengine

2008년 12월

仁荷大學校 大學院

機械工學科(熱 流體工學 攻)

朴 泳 杓

工學碩士學位 請求論文

형 LPG액상분사 엔진의 연소특성 향상연구

Studyonenhancecombustioncharacteristicsin

Medium dutyLPLIengine

2008년 12월

指 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 流體工學 攻)

朴 泳 杓

이 論文을 朴泳杓의 碩士學位論文으로 認定함

2008年 12月

주심

부심

- i -

요 약 문

유가상승 에 지 자원의 다양화 기존 화석연료에 비하여 온실가스 배출량이

낮은 LPG 연료에 한 심이 높아져 LPG를 이용하는 엔진 차량 개발 연구가

주목을 받고 있다LPG연료는 SI기 의 체 연료로 연구가 진행되어져 승용차에

용이 되어져 왔으나 경유 연료와 비교하여 PM의 배출량이 어 근래에는 형

엔진에 용하는 연구가 진행되고 있다

형 엔진에 LPG연료를 용할 때 엔진의 출력을 경유엔진과 동등한 수 을 만

족시키기 해서는 터보차져를 이용한 과 을 통해 출력을 만족시키게 된다하지

만 과 으로 인하여 배출가스 온도가 높아져 내구성 배출가스 특성이 나빠지고

연비가 악화되기 때문에 희박연소를 통하여 배출가스 온도를 낮추고 연비를 향상시

키게 된다이러한 희박연소 조건에서는 연소의 안정성을 높이기 하여 성층화를

통한 연소특성의 향상이 요하다

본 연구는 59L6기통 형 엔진을 베이스로 하여 제작된 단기통 엔진에 LPG액상

분사 연료공 시스템을 용하여 단기통 엔진 동력계를 구성하 고피스톤의 연소

실 형상을 변경시키며 엔진의 연소 특성을 악하 고스월 특성을 향상을 한

스월컨트롤 밸 를 용하 을때 연소특성의 변화를 악하 으며 연료 분사 특성

에 따른 연소 특성의 변화를 악하여 희박연소 조건에서 엔진의 출력 배출가스

특성을 비교하 고 출력향상을 해 EGR의 용여부에 따른 엔진 출력 변화를 측

정하 다

그 결과 EGR이 용되지 않은 상태에서 난류강도를 증가시킬 수 있는 형상의 피스

톤을 사용시 토크가 최 9 가량 상승하는 것을 확인할 수 있었다 한 연료 분

사시 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 직 분사 하 을 때 토크가 3가량

증가하는 것을 확인할 수 있었다출력특성을 살펴보기 하여 흡기의 난류특성을

강화하고 배기가스 재순환을 제거한 결과 출력의 상승을 확인할 수 있었다하지만

규제에 합한 배출가스 처리를 해서는 EGR을 체하여 배출가스를 처리할 수

있는 기술이 필요할 것으로 단된다

- ii -

Abstract

Nowadaystheresearch on internalcombustion engineand developmentof

automotivevehiclewhichisusing LPG asafuelisfocusing onbecauseof

increasing fuelcostvariety ofenergy resourcesandlowergreenhousegas

emissionthantraditionalfossilfuelLPG fuelhaveappliedtolight-dutyengine

as an alternative fuelofSIengineAndbecause itexhausts lowerPM

concentrationthandieselfueltheresearchonapplytotheheavy-dutyengineis

now proceeding

Tosatisfythesameenginepowerofthepowerofdieselenginewhenappling

LPG fueltoheavy-dutyenginetheturbo-chargertechniqueisneededButas

theresultofover-inhalationthetemperatureofexhaustgasisincreasedlower

thedurabilitycharacteristicsofexhaustgasandfuelefficiencySolean-burn

techniqueisusedtolowertheexhaustgastemperatureandincreasethefuel

efficiencyIn thislean-burn combustion conditionforstablecombustionthe

increase of characteristics of combustion is important by stratification is

important

Inthisresearchwesetthe1-cylinderenginedynamometersystem using59L

6-cylinder heavy-duty engine based 1-cylinder engine and LPG liquified

injectionsystemAschangethegeometryofcombustionchamberofpistonwe

verifiedthecharacteristicsofcombustionofengineAndwealsoverifiedthe

changeofthecharacteristicsofcombustionapplingtheswirlcontrolvalveto

inprove the swirleffectAndusing the resultofchange ofcombustion

characteristicsdueto thecharacteristics offuelinjectionwecompared the

enginepowerandexhaustgasinconditionoflean-durncombustionToimprove

thepowerwealsomeasuredthechangeofenginepowerusing orwithout

EGR

Astheresultincaseofusingpistonwhichhavespecificgeometrythatcan

increasetheintensityofturbulencewecouldfindthatthetorqueincrease9

orlesswithoutEGRAndthetorqueincreasedapproximately3 whendirectly

injecttotheTumbleportdirectionextrudingtheinjectortip

- iii -

In thisresearchwecouldverifiedtheincreasethepowerasaresultof

increasingtheturbulencecharacteristicsandremoveEGRsystemButtosatisfy

the exhaustgas emission regulationsome technique is needed which can

replacetheEGRsystem

- iv -

ListofFigures

Fig 11-1 The consumption of national final energy 2

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels 3

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil 4

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car 4

Fig11-5 The comparison of transport energy [6] 5

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and Light-Duty

Vehicle Fleet 2003 6

출처 IEA(International Energy Agency) 6

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7] 6

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7] 6

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6] 13

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6] 14

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6] 16

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6] 16

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차) 17

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors 17

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors 18

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors 18

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and increase

output power[2] 20

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine 22

Fig 21-2 Engine schematic diagram 22

Fig 21-3 External view of injector 23

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2) 24

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift 24

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port 25

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate 25

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its location

of injection 25

Fig 21-9 rotated injection 3way 26

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies 26

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection angle

and direction 27

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection angle

and direction 28

- v -

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection 28

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble port

injection 29

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl 30

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity 31

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection) 32

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque 33

Fig 22-9 Status of HC with variable torque 34

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR 35

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing 36

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a Piston

Experimental condition(12) 37

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and tumble port

injection 39

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque 40

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque 40

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR 42

Fig33-1 simulation of variable port injection 43

- vi -

ListofTable

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

Table 21-1 Injector Fuel Line specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-2 Base engine specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-3 Piston specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24

- vii -

목 차

약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅱ

List Figure middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅲ

List Table middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅴ

차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅵ

1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11 연 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1-2 연 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

121 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1211 럽 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1212 본 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 13

13 내 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

131 내 LPG 동차 등 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

132 LPG액상 사 술 개발 및 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

14 술상태 취약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

15 연 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21

2 연 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

21 실험 비 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

211 Base Engine middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

22 엔진연 특 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

221 사특 및 Swirl valve에 연 특 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

222 피스 상별 Internal EGR 첨가 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 32

3 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

31 연료 건에 배출가스 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

工學碩士學位 請求論文

형 LPG액상분사 엔진의 연소특성 향상 연구

Studyonenhancecombustioncharacteristicsin

Medium dutyLPLIengine

2008년 12월

仁荷大學校 大學院

機械工學科(熱 流體工學 攻)

朴 泳 杓

工學碩士學位 請求論文

형 LPG액상분사 엔진의 연소특성 향상연구

Studyonenhancecombustioncharacteristicsin

Medium dutyLPLIengine

2008년 12월

指 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 流體工學 攻)

朴 泳 杓

이 論文을 朴泳杓의 碩士學位論文으로 認定함

2008年 12月

주심

부심

- i -

요 약 문

유가상승 에 지 자원의 다양화 기존 화석연료에 비하여 온실가스 배출량이

낮은 LPG 연료에 한 심이 높아져 LPG를 이용하는 엔진 차량 개발 연구가

주목을 받고 있다LPG연료는 SI기 의 체 연료로 연구가 진행되어져 승용차에

용이 되어져 왔으나 경유 연료와 비교하여 PM의 배출량이 어 근래에는 형

엔진에 용하는 연구가 진행되고 있다

형 엔진에 LPG연료를 용할 때 엔진의 출력을 경유엔진과 동등한 수 을 만

족시키기 해서는 터보차져를 이용한 과 을 통해 출력을 만족시키게 된다하지

만 과 으로 인하여 배출가스 온도가 높아져 내구성 배출가스 특성이 나빠지고

연비가 악화되기 때문에 희박연소를 통하여 배출가스 온도를 낮추고 연비를 향상시

키게 된다이러한 희박연소 조건에서는 연소의 안정성을 높이기 하여 성층화를

통한 연소특성의 향상이 요하다

본 연구는 59L6기통 형 엔진을 베이스로 하여 제작된 단기통 엔진에 LPG액상

분사 연료공 시스템을 용하여 단기통 엔진 동력계를 구성하 고피스톤의 연소

실 형상을 변경시키며 엔진의 연소 특성을 악하 고스월 특성을 향상을 한

스월컨트롤 밸 를 용하 을때 연소특성의 변화를 악하 으며 연료 분사 특성

에 따른 연소 특성의 변화를 악하여 희박연소 조건에서 엔진의 출력 배출가스

특성을 비교하 고 출력향상을 해 EGR의 용여부에 따른 엔진 출력 변화를 측

정하 다

그 결과 EGR이 용되지 않은 상태에서 난류강도를 증가시킬 수 있는 형상의 피스

톤을 사용시 토크가 최 9 가량 상승하는 것을 확인할 수 있었다 한 연료 분

사시 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 직 분사 하 을 때 토크가 3가량

증가하는 것을 확인할 수 있었다출력특성을 살펴보기 하여 흡기의 난류특성을

강화하고 배기가스 재순환을 제거한 결과 출력의 상승을 확인할 수 있었다하지만

규제에 합한 배출가스 처리를 해서는 EGR을 체하여 배출가스를 처리할 수

있는 기술이 필요할 것으로 단된다

- ii -

Abstract

Nowadaystheresearch on internalcombustion engineand developmentof

automotivevehiclewhichisusing LPG asafuelisfocusing onbecauseof

increasing fuelcostvariety ofenergy resourcesandlowergreenhousegas

emissionthantraditionalfossilfuelLPG fuelhaveappliedtolight-dutyengine

as an alternative fuelofSIengineAndbecause itexhausts lowerPM

concentrationthandieselfueltheresearchonapplytotheheavy-dutyengineis

now proceeding

Tosatisfythesameenginepowerofthepowerofdieselenginewhenappling

LPG fueltoheavy-dutyenginetheturbo-chargertechniqueisneededButas

theresultofover-inhalationthetemperatureofexhaustgasisincreasedlower

thedurabilitycharacteristicsofexhaustgasandfuelefficiencySolean-burn

techniqueisusedtolowertheexhaustgastemperatureandincreasethefuel

efficiencyIn thislean-burn combustion conditionforstablecombustionthe

increase of characteristics of combustion is important by stratification is

important

Inthisresearchwesetthe1-cylinderenginedynamometersystem using59L

6-cylinder heavy-duty engine based 1-cylinder engine and LPG liquified

injectionsystemAschangethegeometryofcombustionchamberofpistonwe

verifiedthecharacteristicsofcombustionofengineAndwealsoverifiedthe

changeofthecharacteristicsofcombustionapplingtheswirlcontrolvalveto

inprove the swirleffectAndusing the resultofchange ofcombustion

characteristicsdueto thecharacteristics offuelinjectionwecompared the

enginepowerandexhaustgasinconditionoflean-durncombustionToimprove

thepowerwealsomeasuredthechangeofenginepowerusing orwithout

EGR

Astheresultincaseofusingpistonwhichhavespecificgeometrythatcan

increasetheintensityofturbulencewecouldfindthatthetorqueincrease9

orlesswithoutEGRAndthetorqueincreasedapproximately3 whendirectly

injecttotheTumbleportdirectionextrudingtheinjectortip

- iii -

In thisresearchwecouldverifiedtheincreasethepowerasaresultof

increasingtheturbulencecharacteristicsandremoveEGRsystemButtosatisfy

the exhaustgas emission regulationsome technique is needed which can

replacetheEGRsystem

- iv -

ListofFigures

Fig 11-1 The consumption of national final energy 2

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels 3

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil 4

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car 4

Fig11-5 The comparison of transport energy [6] 5

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and Light-Duty

Vehicle Fleet 2003 6

출처 IEA(International Energy Agency) 6

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7] 6

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7] 6

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6] 13

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6] 14

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6] 16

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6] 16

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차) 17

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors 17

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors 18

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors 18

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and increase

output power[2] 20

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine 22

Fig 21-2 Engine schematic diagram 22

Fig 21-3 External view of injector 23

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2) 24

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift 24

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port 25

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate 25

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its location

of injection 25

Fig 21-9 rotated injection 3way 26

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies 26

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection angle

and direction 27

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection angle

and direction 28

- v -

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection 28

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble port

injection 29

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl 30

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity 31

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection) 32

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque 33

Fig 22-9 Status of HC with variable torque 34

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR 35

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing 36

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a Piston

Experimental condition(12) 37

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and tumble port

injection 39

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque 40

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque 40

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR 42

Fig33-1 simulation of variable port injection 43

- vi -

ListofTable

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

Table 21-1 Injector Fuel Line specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-2 Base engine specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-3 Piston specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24

- vii -

목 차

약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅱ

List Figure middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅲ

List Table middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅴ

차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅵ

1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11 연 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1-2 연 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

121 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1211 럽 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1212 본 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 13

13 내 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

131 내 LPG 동차 등 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

132 LPG액상 사 술 개발 및 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

14 술상태 취약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

15 연 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21

2 연 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

21 실험 비 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

211 Base Engine middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

22 엔진연 특 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

221 사특 및 Swirl valve에 연 특 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

222 피스 상별 Internal EGR 첨가 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 32

3 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

31 연료 건에 배출가스 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

工學碩士學位 請求論文

형 LPG액상분사 엔진의 연소특성 향상연구

Studyonenhancecombustioncharacteristicsin

Medium dutyLPLIengine

2008년 12월

指 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 流體工學 攻)

朴 泳 杓

이 論文을 朴泳杓의 碩士學位論文으로 認定함

2008年 12月

주심

부심

- i -

요 약 문

유가상승 에 지 자원의 다양화 기존 화석연료에 비하여 온실가스 배출량이

낮은 LPG 연료에 한 심이 높아져 LPG를 이용하는 엔진 차량 개발 연구가

주목을 받고 있다LPG연료는 SI기 의 체 연료로 연구가 진행되어져 승용차에

용이 되어져 왔으나 경유 연료와 비교하여 PM의 배출량이 어 근래에는 형

엔진에 용하는 연구가 진행되고 있다

형 엔진에 LPG연료를 용할 때 엔진의 출력을 경유엔진과 동등한 수 을 만

족시키기 해서는 터보차져를 이용한 과 을 통해 출력을 만족시키게 된다하지

만 과 으로 인하여 배출가스 온도가 높아져 내구성 배출가스 특성이 나빠지고

연비가 악화되기 때문에 희박연소를 통하여 배출가스 온도를 낮추고 연비를 향상시

키게 된다이러한 희박연소 조건에서는 연소의 안정성을 높이기 하여 성층화를

통한 연소특성의 향상이 요하다

본 연구는 59L6기통 형 엔진을 베이스로 하여 제작된 단기통 엔진에 LPG액상

분사 연료공 시스템을 용하여 단기통 엔진 동력계를 구성하 고피스톤의 연소

실 형상을 변경시키며 엔진의 연소 특성을 악하 고스월 특성을 향상을 한

스월컨트롤 밸 를 용하 을때 연소특성의 변화를 악하 으며 연료 분사 특성

에 따른 연소 특성의 변화를 악하여 희박연소 조건에서 엔진의 출력 배출가스

특성을 비교하 고 출력향상을 해 EGR의 용여부에 따른 엔진 출력 변화를 측

정하 다

그 결과 EGR이 용되지 않은 상태에서 난류강도를 증가시킬 수 있는 형상의 피스

톤을 사용시 토크가 최 9 가량 상승하는 것을 확인할 수 있었다 한 연료 분

사시 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 직 분사 하 을 때 토크가 3가량

증가하는 것을 확인할 수 있었다출력특성을 살펴보기 하여 흡기의 난류특성을

강화하고 배기가스 재순환을 제거한 결과 출력의 상승을 확인할 수 있었다하지만

규제에 합한 배출가스 처리를 해서는 EGR을 체하여 배출가스를 처리할 수

있는 기술이 필요할 것으로 단된다

- ii -

Abstract

Nowadaystheresearch on internalcombustion engineand developmentof

automotivevehiclewhichisusing LPG asafuelisfocusing onbecauseof

increasing fuelcostvariety ofenergy resourcesandlowergreenhousegas

emissionthantraditionalfossilfuelLPG fuelhaveappliedtolight-dutyengine

as an alternative fuelofSIengineAndbecause itexhausts lowerPM

concentrationthandieselfueltheresearchonapplytotheheavy-dutyengineis

now proceeding

Tosatisfythesameenginepowerofthepowerofdieselenginewhenappling

LPG fueltoheavy-dutyenginetheturbo-chargertechniqueisneededButas

theresultofover-inhalationthetemperatureofexhaustgasisincreasedlower

thedurabilitycharacteristicsofexhaustgasandfuelefficiencySolean-burn

techniqueisusedtolowertheexhaustgastemperatureandincreasethefuel

efficiencyIn thislean-burn combustion conditionforstablecombustionthe

increase of characteristics of combustion is important by stratification is

important

Inthisresearchwesetthe1-cylinderenginedynamometersystem using59L

6-cylinder heavy-duty engine based 1-cylinder engine and LPG liquified

injectionsystemAschangethegeometryofcombustionchamberofpistonwe

verifiedthecharacteristicsofcombustionofengineAndwealsoverifiedthe

changeofthecharacteristicsofcombustionapplingtheswirlcontrolvalveto

inprove the swirleffectAndusing the resultofchange ofcombustion

characteristicsdueto thecharacteristics offuelinjectionwecompared the

enginepowerandexhaustgasinconditionoflean-durncombustionToimprove

thepowerwealsomeasuredthechangeofenginepowerusing orwithout

EGR

Astheresultincaseofusingpistonwhichhavespecificgeometrythatcan

increasetheintensityofturbulencewecouldfindthatthetorqueincrease9

orlesswithoutEGRAndthetorqueincreasedapproximately3 whendirectly

injecttotheTumbleportdirectionextrudingtheinjectortip

- iii -

In thisresearchwecouldverifiedtheincreasethepowerasaresultof

increasingtheturbulencecharacteristicsandremoveEGRsystemButtosatisfy

the exhaustgas emission regulationsome technique is needed which can

replacetheEGRsystem

- iv -

ListofFigures

Fig 11-1 The consumption of national final energy 2

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels 3

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil 4

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car 4

Fig11-5 The comparison of transport energy [6] 5

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and Light-Duty

Vehicle Fleet 2003 6

출처 IEA(International Energy Agency) 6

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7] 6

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7] 6

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6] 13

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6] 14

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6] 16

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6] 16

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차) 17

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors 17

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors 18

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors 18

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and increase

output power[2] 20

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine 22

Fig 21-2 Engine schematic diagram 22

Fig 21-3 External view of injector 23

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2) 24

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift 24

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port 25

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate 25

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its location

of injection 25

Fig 21-9 rotated injection 3way 26

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies 26

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection angle

and direction 27

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection angle

and direction 28

- v -

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection 28

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble port

injection 29

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl 30

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity 31

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection) 32

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque 33

Fig 22-9 Status of HC with variable torque 34

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR 35

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing 36

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a Piston

Experimental condition(12) 37

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and tumble port

injection 39

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque 40

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque 40

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR 42

Fig33-1 simulation of variable port injection 43

- vi -

ListofTable

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

Table 21-1 Injector Fuel Line specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-2 Base engine specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-3 Piston specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24

- vii -

목 차

약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅱ

List Figure middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅲ

List Table middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅴ

차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅵ

1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11 연 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1-2 연 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

121 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1211 럽 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1212 본 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 13

13 내 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

131 내 LPG 동차 등 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

132 LPG액상 사 술 개발 및 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

14 술상태 취약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

15 연 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21

2 연 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

21 실험 비 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

211 Base Engine middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

22 엔진연 특 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

221 사특 및 Swirl valve에 연 특 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

222 피스 상별 Internal EGR 첨가 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 32

3 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

31 연료 건에 배출가스 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

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vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

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squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

이 論文을 朴泳杓의 碩士學位論文으로 認定함

2008年 12月

주심

부심

- i -

요 약 문

유가상승 에 지 자원의 다양화 기존 화석연료에 비하여 온실가스 배출량이

낮은 LPG 연료에 한 심이 높아져 LPG를 이용하는 엔진 차량 개발 연구가

주목을 받고 있다LPG연료는 SI기 의 체 연료로 연구가 진행되어져 승용차에

용이 되어져 왔으나 경유 연료와 비교하여 PM의 배출량이 어 근래에는 형

엔진에 용하는 연구가 진행되고 있다

형 엔진에 LPG연료를 용할 때 엔진의 출력을 경유엔진과 동등한 수 을 만

족시키기 해서는 터보차져를 이용한 과 을 통해 출력을 만족시키게 된다하지

만 과 으로 인하여 배출가스 온도가 높아져 내구성 배출가스 특성이 나빠지고

연비가 악화되기 때문에 희박연소를 통하여 배출가스 온도를 낮추고 연비를 향상시

키게 된다이러한 희박연소 조건에서는 연소의 안정성을 높이기 하여 성층화를

통한 연소특성의 향상이 요하다

본 연구는 59L6기통 형 엔진을 베이스로 하여 제작된 단기통 엔진에 LPG액상

분사 연료공 시스템을 용하여 단기통 엔진 동력계를 구성하 고피스톤의 연소

실 형상을 변경시키며 엔진의 연소 특성을 악하 고스월 특성을 향상을 한

스월컨트롤 밸 를 용하 을때 연소특성의 변화를 악하 으며 연료 분사 특성

에 따른 연소 특성의 변화를 악하여 희박연소 조건에서 엔진의 출력 배출가스

특성을 비교하 고 출력향상을 해 EGR의 용여부에 따른 엔진 출력 변화를 측

정하 다

그 결과 EGR이 용되지 않은 상태에서 난류강도를 증가시킬 수 있는 형상의 피스

톤을 사용시 토크가 최 9 가량 상승하는 것을 확인할 수 있었다 한 연료 분

사시 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 직 분사 하 을 때 토크가 3가량

증가하는 것을 확인할 수 있었다출력특성을 살펴보기 하여 흡기의 난류특성을

강화하고 배기가스 재순환을 제거한 결과 출력의 상승을 확인할 수 있었다하지만

규제에 합한 배출가스 처리를 해서는 EGR을 체하여 배출가스를 처리할 수

있는 기술이 필요할 것으로 단된다

- ii -

Abstract

Nowadaystheresearch on internalcombustion engineand developmentof

automotivevehiclewhichisusing LPG asafuelisfocusing onbecauseof

increasing fuelcostvariety ofenergy resourcesandlowergreenhousegas

emissionthantraditionalfossilfuelLPG fuelhaveappliedtolight-dutyengine

as an alternative fuelofSIengineAndbecause itexhausts lowerPM

concentrationthandieselfueltheresearchonapplytotheheavy-dutyengineis

now proceeding

Tosatisfythesameenginepowerofthepowerofdieselenginewhenappling

LPG fueltoheavy-dutyenginetheturbo-chargertechniqueisneededButas

theresultofover-inhalationthetemperatureofexhaustgasisincreasedlower

thedurabilitycharacteristicsofexhaustgasandfuelefficiencySolean-burn

techniqueisusedtolowertheexhaustgastemperatureandincreasethefuel

efficiencyIn thislean-burn combustion conditionforstablecombustionthe

increase of characteristics of combustion is important by stratification is

important

Inthisresearchwesetthe1-cylinderenginedynamometersystem using59L

6-cylinder heavy-duty engine based 1-cylinder engine and LPG liquified

injectionsystemAschangethegeometryofcombustionchamberofpistonwe

verifiedthecharacteristicsofcombustionofengineAndwealsoverifiedthe

changeofthecharacteristicsofcombustionapplingtheswirlcontrolvalveto

inprove the swirleffectAndusing the resultofchange ofcombustion

characteristicsdueto thecharacteristics offuelinjectionwecompared the

enginepowerandexhaustgasinconditionoflean-durncombustionToimprove

thepowerwealsomeasuredthechangeofenginepowerusing orwithout

EGR

Astheresultincaseofusingpistonwhichhavespecificgeometrythatcan

increasetheintensityofturbulencewecouldfindthatthetorqueincrease9

orlesswithoutEGRAndthetorqueincreasedapproximately3 whendirectly

injecttotheTumbleportdirectionextrudingtheinjectortip

- iii -

In thisresearchwecouldverifiedtheincreasethepowerasaresultof

increasingtheturbulencecharacteristicsandremoveEGRsystemButtosatisfy

the exhaustgas emission regulationsome technique is needed which can

replacetheEGRsystem

- iv -

ListofFigures

Fig 11-1 The consumption of national final energy 2

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels 3

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil 4

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car 4

Fig11-5 The comparison of transport energy [6] 5

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and Light-Duty

Vehicle Fleet 2003 6

출처 IEA(International Energy Agency) 6

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7] 6

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7] 6

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6] 13

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6] 14

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6] 16

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6] 16

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차) 17

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors 17

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors 18

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors 18

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and increase

output power[2] 20

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine 22

Fig 21-2 Engine schematic diagram 22

Fig 21-3 External view of injector 23

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2) 24

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift 24

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port 25

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate 25

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its location

of injection 25

Fig 21-9 rotated injection 3way 26

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies 26

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection angle

and direction 27

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection angle

and direction 28

- v -

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection 28

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble port

injection 29

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl 30

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity 31

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection) 32

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque 33

Fig 22-9 Status of HC with variable torque 34

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR 35

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing 36

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a Piston

Experimental condition(12) 37

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and tumble port

injection 39

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque 40

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque 40

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR 42

Fig33-1 simulation of variable port injection 43

- vi -

ListofTable

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

Table 21-1 Injector Fuel Line specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-2 Base engine specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-3 Piston specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24

- vii -

목 차

약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅱ

List Figure middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅲ

List Table middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅴ

차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅵ

1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11 연 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1-2 연 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

121 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1211 럽 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1212 본 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 13

13 내 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

131 내 LPG 동차 등 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

132 LPG액상 사 술 개발 및 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

14 술상태 취약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

15 연 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21

2 연 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

21 실험 비 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

211 Base Engine middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

22 엔진연 특 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

221 사특 및 Swirl valve에 연 특 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

222 피스 상별 Internal EGR 첨가 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 32

3 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

31 연료 건에 배출가스 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

- i -

요 약 문

유가상승 에 지 자원의 다양화 기존 화석연료에 비하여 온실가스 배출량이

낮은 LPG 연료에 한 심이 높아져 LPG를 이용하는 엔진 차량 개발 연구가

주목을 받고 있다LPG연료는 SI기 의 체 연료로 연구가 진행되어져 승용차에

용이 되어져 왔으나 경유 연료와 비교하여 PM의 배출량이 어 근래에는 형

엔진에 용하는 연구가 진행되고 있다

형 엔진에 LPG연료를 용할 때 엔진의 출력을 경유엔진과 동등한 수 을 만

족시키기 해서는 터보차져를 이용한 과 을 통해 출력을 만족시키게 된다하지

만 과 으로 인하여 배출가스 온도가 높아져 내구성 배출가스 특성이 나빠지고

연비가 악화되기 때문에 희박연소를 통하여 배출가스 온도를 낮추고 연비를 향상시

키게 된다이러한 희박연소 조건에서는 연소의 안정성을 높이기 하여 성층화를

통한 연소특성의 향상이 요하다

본 연구는 59L6기통 형 엔진을 베이스로 하여 제작된 단기통 엔진에 LPG액상

분사 연료공 시스템을 용하여 단기통 엔진 동력계를 구성하 고피스톤의 연소

실 형상을 변경시키며 엔진의 연소 특성을 악하 고스월 특성을 향상을 한

스월컨트롤 밸 를 용하 을때 연소특성의 변화를 악하 으며 연료 분사 특성

에 따른 연소 특성의 변화를 악하여 희박연소 조건에서 엔진의 출력 배출가스

특성을 비교하 고 출력향상을 해 EGR의 용여부에 따른 엔진 출력 변화를 측

정하 다

그 결과 EGR이 용되지 않은 상태에서 난류강도를 증가시킬 수 있는 형상의 피스

톤을 사용시 토크가 최 9 가량 상승하는 것을 확인할 수 있었다 한 연료 분

사시 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 직 분사 하 을 때 토크가 3가량

증가하는 것을 확인할 수 있었다출력특성을 살펴보기 하여 흡기의 난류특성을

강화하고 배기가스 재순환을 제거한 결과 출력의 상승을 확인할 수 있었다하지만

규제에 합한 배출가스 처리를 해서는 EGR을 체하여 배출가스를 처리할 수

있는 기술이 필요할 것으로 단된다

- ii -

Abstract

Nowadaystheresearch on internalcombustion engineand developmentof

automotivevehiclewhichisusing LPG asafuelisfocusing onbecauseof

increasing fuelcostvariety ofenergy resourcesandlowergreenhousegas

emissionthantraditionalfossilfuelLPG fuelhaveappliedtolight-dutyengine

as an alternative fuelofSIengineAndbecause itexhausts lowerPM

concentrationthandieselfueltheresearchonapplytotheheavy-dutyengineis

now proceeding

Tosatisfythesameenginepowerofthepowerofdieselenginewhenappling

LPG fueltoheavy-dutyenginetheturbo-chargertechniqueisneededButas

theresultofover-inhalationthetemperatureofexhaustgasisincreasedlower

thedurabilitycharacteristicsofexhaustgasandfuelefficiencySolean-burn

techniqueisusedtolowertheexhaustgastemperatureandincreasethefuel

efficiencyIn thislean-burn combustion conditionforstablecombustionthe

increase of characteristics of combustion is important by stratification is

important

Inthisresearchwesetthe1-cylinderenginedynamometersystem using59L

6-cylinder heavy-duty engine based 1-cylinder engine and LPG liquified

injectionsystemAschangethegeometryofcombustionchamberofpistonwe

verifiedthecharacteristicsofcombustionofengineAndwealsoverifiedthe

changeofthecharacteristicsofcombustionapplingtheswirlcontrolvalveto

inprove the swirleffectAndusing the resultofchange ofcombustion

characteristicsdueto thecharacteristics offuelinjectionwecompared the

enginepowerandexhaustgasinconditionoflean-durncombustionToimprove

thepowerwealsomeasuredthechangeofenginepowerusing orwithout

EGR

Astheresultincaseofusingpistonwhichhavespecificgeometrythatcan

increasetheintensityofturbulencewecouldfindthatthetorqueincrease9

orlesswithoutEGRAndthetorqueincreasedapproximately3 whendirectly

injecttotheTumbleportdirectionextrudingtheinjectortip

- iii -

In thisresearchwecouldverifiedtheincreasethepowerasaresultof

increasingtheturbulencecharacteristicsandremoveEGRsystemButtosatisfy

the exhaustgas emission regulationsome technique is needed which can

replacetheEGRsystem

- iv -

ListofFigures

Fig 11-1 The consumption of national final energy 2

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels 3

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil 4

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car 4

Fig11-5 The comparison of transport energy [6] 5

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and Light-Duty

Vehicle Fleet 2003 6

출처 IEA(International Energy Agency) 6

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7] 6

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7] 6

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6] 13

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6] 14

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6] 16

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6] 16

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차) 17

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors 17

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors 18

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors 18

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and increase

output power[2] 20

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine 22

Fig 21-2 Engine schematic diagram 22

Fig 21-3 External view of injector 23

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2) 24

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift 24

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port 25

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate 25

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its location

of injection 25

Fig 21-9 rotated injection 3way 26

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies 26

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection angle

and direction 27

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection angle

and direction 28

- v -

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection 28

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble port

injection 29

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl 30

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity 31

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection) 32

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque 33

Fig 22-9 Status of HC with variable torque 34

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR 35

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing 36

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a Piston

Experimental condition(12) 37

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and tumble port

injection 39

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque 40

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque 40

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR 42

Fig33-1 simulation of variable port injection 43

- vi -

ListofTable

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

Table 21-1 Injector Fuel Line specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-2 Base engine specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-3 Piston specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24

- vii -

목 차

약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅱ

List Figure middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅲ

List Table middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅴ

차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅵ

1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11 연 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1-2 연 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

121 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1211 럽 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1212 본 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 13

13 내 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

131 내 LPG 동차 등 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

132 LPG액상 사 술 개발 및 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

14 술상태 취약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

15 연 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21

2 연 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

21 실험 비 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

211 Base Engine middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

22 엔진연 특 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

221 사특 및 Swirl valve에 연 특 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

222 피스 상별 Internal EGR 첨가 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 32

3 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

31 연료 건에 배출가스 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

- ii -

Abstract

Nowadaystheresearch on internalcombustion engineand developmentof

automotivevehiclewhichisusing LPG asafuelisfocusing onbecauseof

increasing fuelcostvariety ofenergy resourcesandlowergreenhousegas

emissionthantraditionalfossilfuelLPG fuelhaveappliedtolight-dutyengine

as an alternative fuelofSIengineAndbecause itexhausts lowerPM

concentrationthandieselfueltheresearchonapplytotheheavy-dutyengineis

now proceeding

Tosatisfythesameenginepowerofthepowerofdieselenginewhenappling

LPG fueltoheavy-dutyenginetheturbo-chargertechniqueisneededButas

theresultofover-inhalationthetemperatureofexhaustgasisincreasedlower

thedurabilitycharacteristicsofexhaustgasandfuelefficiencySolean-burn

techniqueisusedtolowertheexhaustgastemperatureandincreasethefuel

efficiencyIn thislean-burn combustion conditionforstablecombustionthe

increase of characteristics of combustion is important by stratification is

important

Inthisresearchwesetthe1-cylinderenginedynamometersystem using59L

6-cylinder heavy-duty engine based 1-cylinder engine and LPG liquified

injectionsystemAschangethegeometryofcombustionchamberofpistonwe

verifiedthecharacteristicsofcombustionofengineAndwealsoverifiedthe

changeofthecharacteristicsofcombustionapplingtheswirlcontrolvalveto

inprove the swirleffectAndusing the resultofchange ofcombustion

characteristicsdueto thecharacteristics offuelinjectionwecompared the

enginepowerandexhaustgasinconditionoflean-durncombustionToimprove

thepowerwealsomeasuredthechangeofenginepowerusing orwithout

EGR

Astheresultincaseofusingpistonwhichhavespecificgeometrythatcan

increasetheintensityofturbulencewecouldfindthatthetorqueincrease9

orlesswithoutEGRAndthetorqueincreasedapproximately3 whendirectly

injecttotheTumbleportdirectionextrudingtheinjectortip

- iii -

In thisresearchwecouldverifiedtheincreasethepowerasaresultof

increasingtheturbulencecharacteristicsandremoveEGRsystemButtosatisfy

the exhaustgas emission regulationsome technique is needed which can

replacetheEGRsystem

- iv -

ListofFigures

Fig 11-1 The consumption of national final energy 2

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels 3

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil 4

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car 4

Fig11-5 The comparison of transport energy [6] 5

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and Light-Duty

Vehicle Fleet 2003 6

출처 IEA(International Energy Agency) 6

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7] 6

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7] 6

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6] 13

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6] 14

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6] 16

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6] 16

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차) 17

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors 17

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors 18

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors 18

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and increase

output power[2] 20

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine 22

Fig 21-2 Engine schematic diagram 22

Fig 21-3 External view of injector 23

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2) 24

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift 24

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port 25

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate 25

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its location

of injection 25

Fig 21-9 rotated injection 3way 26

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies 26

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection angle

and direction 27

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection angle

and direction 28

- v -

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection 28

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble port

injection 29

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl 30

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity 31

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection) 32

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque 33

Fig 22-9 Status of HC with variable torque 34

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR 35

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing 36

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a Piston

Experimental condition(12) 37

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and tumble port

injection 39

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque 40

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque 40

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR 42

Fig33-1 simulation of variable port injection 43

- vi -

ListofTable

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

Table 21-1 Injector Fuel Line specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-2 Base engine specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-3 Piston specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24

- vii -

목 차

약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅱ

List Figure middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅲ

List Table middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅴ

차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅵ

1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11 연 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1-2 연 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

121 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1211 럽 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1212 본 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 13

13 내 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

131 내 LPG 동차 등 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

132 LPG액상 사 술 개발 및 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

14 술상태 취약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

15 연 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21

2 연 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

21 실험 비 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

211 Base Engine middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

22 엔진연 특 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

221 사특 및 Swirl valve에 연 특 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

222 피스 상별 Internal EGR 첨가 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 32

3 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

31 연료 건에 배출가스 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

- iii -

In thisresearchwecouldverifiedtheincreasethepowerasaresultof

increasingtheturbulencecharacteristicsandremoveEGRsystemButtosatisfy

the exhaustgas emission regulationsome technique is needed which can

replacetheEGRsystem

- iv -

ListofFigures

Fig 11-1 The consumption of national final energy 2

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels 3

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil 4

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car 4

Fig11-5 The comparison of transport energy [6] 5

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and Light-Duty

Vehicle Fleet 2003 6

출처 IEA(International Energy Agency) 6

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7] 6

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7] 6

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6] 13

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6] 14

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6] 16

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6] 16

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차) 17

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors 17

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors 18

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors 18

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and increase

output power[2] 20

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine 22

Fig 21-2 Engine schematic diagram 22

Fig 21-3 External view of injector 23

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2) 24

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift 24

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port 25

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate 25

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its location

of injection 25

Fig 21-9 rotated injection 3way 26

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies 26

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection angle

and direction 27

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection angle

and direction 28

- v -

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection 28

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble port

injection 29

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl 30

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity 31

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection) 32

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque 33

Fig 22-9 Status of HC with variable torque 34

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR 35

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing 36

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a Piston

Experimental condition(12) 37

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and tumble port

injection 39

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque 40

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque 40

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR 42

Fig33-1 simulation of variable port injection 43

- vi -

ListofTable

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

Table 21-1 Injector Fuel Line specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-2 Base engine specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-3 Piston specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24

- vii -

목 차

약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅱ

List Figure middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅲ

List Table middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅴ

차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅵ

1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11 연 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1-2 연 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

121 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1211 럽 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1212 본 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 13

13 내 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

131 내 LPG 동차 등 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

132 LPG액상 사 술 개발 및 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

14 술상태 취약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

15 연 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21

2 연 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

21 실험 비 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

211 Base Engine middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

22 엔진연 특 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

221 사특 및 Swirl valve에 연 특 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

222 피스 상별 Internal EGR 첨가 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 32

3 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

31 연료 건에 배출가스 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

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vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

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squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

- iv -

ListofFigures

Fig 11-1 The consumption of national final energy 2

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels 3

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil 4

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car 4

Fig11-5 The comparison of transport energy [6] 5

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and Light-Duty

Vehicle Fleet 2003 6

출처 IEA(International Energy Agency) 6

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7] 6

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7] 6

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6] 13

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6] 14

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6] 16

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6] 16

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차) 17

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors 17

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors 18

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors 18

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and increase

output power[2] 20

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine 22

Fig 21-2 Engine schematic diagram 22

Fig 21-3 External view of injector 23

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2) 24

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift 24

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port 25

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate 25

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its location

of injection 25

Fig 21-9 rotated injection 3way 26

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies 26

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection angle

and direction 27

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection angle

and direction 28

- v -

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection 28

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble port

injection 29

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl 30

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity 31

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection) 32

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque 33

Fig 22-9 Status of HC with variable torque 34

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR 35

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing 36

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a Piston

Experimental condition(12) 37

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and tumble port

injection 39

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque 40

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque 40

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR 42

Fig33-1 simulation of variable port injection 43

- vi -

ListofTable

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

Table 21-1 Injector Fuel Line specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-2 Base engine specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-3 Piston specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24

- vii -

목 차

약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅱ

List Figure middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅲ

List Table middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅴ

차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅵ

1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11 연 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1-2 연 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

121 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1211 럽 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1212 본 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 13

13 내 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

131 내 LPG 동차 등 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

132 LPG액상 사 술 개발 및 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

14 술상태 취약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

15 연 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21

2 연 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

21 실험 비 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

211 Base Engine middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

22 엔진연 특 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

221 사특 및 Swirl valve에 연 특 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

222 피스 상별 Internal EGR 첨가 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 32

3 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

31 연료 건에 배출가스 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

- v -

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection 28

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble port

injection 29

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl 30

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity 31

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection) 32

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque 33

Fig 22-9 Status of HC with variable torque 34

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR 35

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing 36

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a Piston

Experimental condition(12) 37

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and tumble port

injection 39

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque 40

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque 40

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR 42

Fig33-1 simulation of variable port injection 43

- vi -

ListofTable

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

Table 21-1 Injector Fuel Line specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-2 Base engine specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-3 Piston specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24

- vii -

목 차

약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅱ

List Figure middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅲ

List Table middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅴ

차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅵ

1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11 연 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1-2 연 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

121 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1211 럽 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1212 본 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 13

13 내 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

131 내 LPG 동차 등 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

132 LPG액상 사 술 개발 및 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

14 술상태 취약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

15 연 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21

2 연 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

21 실험 비 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

211 Base Engine middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

22 엔진연 특 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

221 사특 및 Swirl valve에 연 특 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

222 피스 상별 Internal EGR 첨가 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 32

3 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

31 연료 건에 배출가스 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

- vi -

ListofTable

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6] middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

Table 21-1 Injector Fuel Line specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-2 Base engine specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

Table 21-3 Piston specification middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 24

- vii -

목 차

약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅱ

List Figure middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅲ

List Table middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅴ

차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅵ

1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11 연 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1-2 연 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

121 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1211 럽 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1212 본 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 13

13 내 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

131 내 LPG 동차 등 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

132 LPG액상 사 술 개발 및 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

14 술상태 취약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

15 연 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21

2 연 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

21 실험 비 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

211 Base Engine middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

22 엔진연 특 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

221 사특 및 Swirl valve에 연 특 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

222 피스 상별 Internal EGR 첨가 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 32

3 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

31 연료 건에 배출가스 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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barrel stratification SAE 920678 1992

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경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

- vii -

목 차

약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅱ

List Figure middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅲ

List Table middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅴ

차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ⅵ

1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11 연 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1-2 연 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

121 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1211 럽 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

1212 본 술개발동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 13

13 내 술 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

131 내 LPG 동차 등 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 15

132 LPG액상 사 술 개발 및 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

14 술상태 취약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

15 연 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21

2 연 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

21 실험 비 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

211 Base Engine middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 23

22 엔진연 특 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

221 사특 및 Swirl valve에 연 특 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

222 피스 상별 Internal EGR 첨가 실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 32

3 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

31 연료 건에 배출가스 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

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performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

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LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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barrel stratification SAE 920678 1992

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경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

- viii -

32 P-V diagram 통한 피스 과 EGR 향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 43

33 연료 사실험에 한 해 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 45

4 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 47

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 50

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

1

제1장서 론

11연구배경

국제 인 원유에 지 수요증가와 수 의 불균형으로 연료가격이 격히 상승하

고 있다교토의정서 이후 강화되는 배출가스 규제들에 발맞춰 세계 자동차 업

계는 연비를 높여 Co2발생량을 이고배출가스 특히 NOx와 PM(미세먼

지)의 배출량 감에 을 맞추어 기술을 개발하고 있다 그러나 국내 기

오염 실태는 선진국에 비해 크게 악화되어있으며 새로이 규정되고 있는 배출가

스 기 에 못 미치는 실정이다

이러한 원유에 한 공 불안과 가격상승 그리고 배출가스 감을 한 기술

개발을 해 새로운 에 지원의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다 재 개발

되고 있는 에 지원의 조건은 친환경 으로 이용 할 수 있으며가격이 렴하

고 공 이 원활하여 쉽게 구할 수 있는 에 지원이 가장 이상 인데 표 인

친환경 에 지인 수소에 지의 경우 기존의 자동차 산업설비 등에서 호환되

어 사용하기가 어렵고물을 분해하는 등 수소생산에 들어가는 에 지가 수소

이용으로 얻을 수 있는 에 지에 비해 상 으로 커서 경제성이 떨어지는 면

이 있다LP가스의 경우 원유생산시 부산물로 생산되며매장량 자체가 풍부

하고 액화시켜 수송할 수 있는 등 수송성과 생산성이 뛰어나며기존에 사용하

고 있는 가솔린디젤 기 을 개조하여 LPG기 으로 사용 할 수 있는 장 이

있다 한 LPG가스 자동차는 PM등 주요 배출가스들의 배출이 원유에 비해

은 것으로 나타나 차후 세계가 원유에서 수소에 지로의 에 지 환시 연결

고리가 되어 수 있는 연료라 할 수 있다

국제 인 에 지 수 은 08년 재 매우 빠르게 변화하고 있다배럴당 100달

러선이 무 진 이후에 110(북해산 랜트유 기 )달러 이상으로 거래되고 있으

며그 상승폭은 향후 매장량과 수요에 따라 어떻게 될지 쉽게 가늠하기 힘든

실정이다

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

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performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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barrel stratification SAE 920678 1992

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[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

2

Fig 11-1 The consumption of national final energy

LPGIncomingofkorea[11]

그래 는 일반 인 국내 에 지 소비량을 나타낸 그래 로 에 지원으로써

의 석탄석유 소비량은 2000년 이후 거의 한계에 도달한 상태이며추가로 발

생되는 에 지 소비요구량은 기와 가스가 담당을 하고 있다LPG수입량 역

시 2000년을 기 으로 격히 상승하는 것을 알 수 있다

석유자원을 체 할 수 있는 에 지원을 찾는 이유는 석유자원 고갈 수요증

가에만 원인이 있는 것은 아니다 재 사용되고 있는 차량 연료의 온난화 가

스 배출 지수는 Fig11-2와 같으며 LPG의 경우 온실가스 배출량이 가장

은 것을 알 수 있다

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

3

Fig 11-2 Greenhouse Gas Equivalent Emissions of Various Fuels

출처 APA(AmericanPollutantAgency)

재 서울의 미세먼지 오염도는 선진국 주요도시와 비교하여 17~35배 수 이

고이산화질소 농도는 17배 수 에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진

국의 주요 도시는 물론 국내 다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다서울

의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641명으로 추정되어 노출인구

에서 조기 사망비율이 009로 선진국(005~007)에 비해서 매우 높은 수

이다 한 우리나라의 기오염으로 인한 사회 비용은 연간 45조 5천억

원으로 추정되어 시 한 책이 요구되고 있다

정부는 lsquo수도권 기질 환경 개선에 한 특별법rsquo이 시행하여 각종 규제를 통한

오염물질 배출을 감소를 유도하고 있지만높은 인구 도로 인한 배출원 증가

자동차와 에 지 소비량의 증단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등 다

양한 원인에서 발생된 오염물질 자동차로부터 배출되는 배기가스가 기오

염의 주요인이 되고있다이를 해결하기 해서 엄격한 배출허용기 설정배

출기 을 충족하지 못하는 경유차의 운행 지다수의 차량을 보유한 사업자에

게 일정비율 이상의 공해 차량 보유 의무화취득세등록세 등 련 세제를

친환경 으로 개편제작차 리 강화시내버스통근버스마을버스청소차

등을 CNG나 LPG등으로 체버스나 수송용 디젤차량에 한 DPF장착 의무

화등의 규정이 들어있다

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

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[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

4

Fig 11-3 The comparison of CO2 and oil

출처 일본 (재)지구환경산업기술연구기구2002

Fig 11-4 The comparison of emission regulation for Nonpassenger car

(출처 최신 경유차 일본차량검사 회 측정 자료

CNG차 공해차가이드북 2003 환경성경제산업성국토교통성

LPG차 일본자동차연구소 조사자료)

그림에서 보듯이 LPG는 일반 으로 사용되는 석유와 석탄에 비해 종합 인

온실가스 배출이 다는 것을 알 수 있다 한 PM배출량이 경유차량에 비해

서 10이하로 배출되고NOx배출량역시 1 미만으로 배출가스 감효과가

탁월하다고 볼 수 있다

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

5- v -

140207

277 255 246 240 22 21

520

547466

429 435 447 465 469

144

91 116

127 118 110 109 102

63 69

86 65112 124 125 127 132

10 08 07 05 05 06 06

10059 68

70 69 68

53

48

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

81 90 95 00 01 02 03 04

휘발유 경 유 B-C유 JA-1유 부 탄 기타유종

Fig11-5 The comparison of transport energy [6]

Fig11-6의 그림과 같이 우리나라의 경우 LPG자동차의 보유 수보다 연료소

비량이 높다이는 수송용 자동차의 향으로 수송용자동차는 일반 자동차보다

큰 배기량과 긴 운행거리를 가지고 있기 때문이다디젤자동차의 경우도 마찬

가지로 체 차량 디젤자동차가 차지하는 비 은 낮으나 배기가스나 연료소

비가 더 높은 비 을 차지하는바 이를 LPG로 체하여 사용한다면 배기가스

부분에서의 상당한 개선을 기 할 수 있을 것이다

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

6

Fig11-6 Share of Autogas in Total Automotive-Fuel Consumption and

Light-Duty Vehicle Fleet 2003

출처 IEA(International Energy Agency)

11-7 The number of LPG vehicle in the korea[7]

Fig11-8 The number of LPG vehicle in the world [7]

재 LPG 차량은 세계 으로 약 1126만 가 보 이며 국내에 약 220만

(2006년 기 )가 보 되어 국내의 LPG자동차 등록 수와 자동차용 LPG연

료의 사용량은 세계 1 를 하고 있으며Fig11-8과 같이 우리나라는 세계

최고의 LPG차량 보유국가로 연료충 소 부품회사 인 라가 잘 갖추어져

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

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LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

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[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

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경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

7

있어 소형LPG차량 보 시 차량가격 운행비용면에서 외국에 비해 경쟁력

이 있다

Table11-1과 11-2는 디젤휘발유LPGCNG 차량의 배출가스와 소음특성

등을 분석한 것으로 LPGCNG 차량의 성능이 다른 연료에 비해 유사하거나

비교우 에 있음을 확인 할 수 있다 한 LPG차량의 환경성 에 지 소비

효율 특성이 경유에 비해 월등히 높은 것으로 나타났으며경유차량의 PM과

소음특성에 문제를 효과 으로 응할 수 있다

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

8

Table 11-1 The direction of development of low emission vehicle 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료 지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량 4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스주로 고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

9

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

COLD상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주)

1(재)일본자동차공업회 2≫ 매우 음gt 음≒ 거의동등lt많음≪아주많음

Table 11-3 The number of LPG vehicle auto-gas and recharged place[7]

국가오토가스

소비량(천톤)

자동차

보 수( )충 소 개소

북미 985 290000 5160

남미 1663 820200 3500

유럽 7300 7310000 30166

동 381 125000 60

아 리카 354 177750 413

아시아태평양 8523 3639581 8281

합계 19206 12362531 47580

한국 4018 2047400 1432

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

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performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

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LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

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squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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barrel stratification SAE 920678 1992

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경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

10

1-2연구동향

121국외 기술 황

1211유럽의 기술개발동향

유럽에서 LPG의 경쟁력을 향상시키는데 크게 도움이 된 것은 유럽의 LPG연료

매망과 유통망이 구축된 것으로 재 유럽에서는 10000여개 이상의 LPG충

소가 있으며 진 인 증가가 상된다

재 액상분사방식의 연료공 시스템으로서 가장 많이 보 되어 사용되고 있

는 시스템이 네덜란드 비알 사의 LPi시스템이다이 방식은 자제어 다 액상

분사방식이다배기가스는 다음에 나타낸바와 같이 ULEV까지 만족시킬 수 있

는 특성을 보여주고 있다

Table12-1 Comparison of emission Vialle LPLi system vehicle[6]

항 LEV규 ULEV규 EURO4BMW318i

(LPi)

Volvo70

25 (LPi)

CO(gkm) 261 13 10 012 004

HC(gkm) 0056 0034 01 001 002

NOx(gkm) 019 019 008 001 005

액체 LPG분사는 가솔린의 인젝션시스템 제어계를 베이스로 그 로 이용하는

것이 가능하고액체분사시의 기화열에 의한 연소온도의 하 성과 효과

를 이용함으로써 가솔린차와 같은 성능을 얻는 것이 가능하 다여러 가지 기

술상의 문제 도 해결되었다액체분사시의 기화열에 의한 아이싱은 가솔린 시

동으로 방지하 고연료배 의 기포발생은 가압펌 로 압송과 순환을 하여

방지하 고 그리고 베이스 컴퓨터의 출력신호를 이용하여 제어계의 간소화를

실 하 다

LPi시스템은 네캄사의 MEGA와는 반 로 애 터마켓에서의 개조를 목표로

하 다따라서 LPG차 개조에서의 여러 가지 문제를 해결하는 수단으로 개발

되었다즉가솔린과 동등의 성능확보(운 성연비배기가스 성능)개조후의

메인터 스 리화 (조정의 불필요)BackFire등 LPG 특유의 불량 해결성능

보증OBD시스템에 응 등의 문제 을 LPi시스템으로 해결하는 것이 가능하

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

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performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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barrel stratification SAE 920678 1992

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[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

11

게 되었다

비알 사의 형액상분사LPG시스템(LPisystem)을 이용한 형LPG엔진은

DAF사에서 제작 보 되고 있다이러한 버스의 운행 를 네덜란드의 아인트

호벤시에서 살펴본다아인트호벤시에는 체 79 의 버스 가운데 17 의 LPi

버스가 운행 에 있다LPG 충 소는 시내에 약 90개소가 있으나 형차량용

은 한 곳만 있다충 에는 약 4분이 소요되고 있다

아인트호벤시에서 버스의 년간 주행거리는 약 80000km이고정원은 약 정원

84명이다버스의 당 가격은 약 1억7천만원이고이 가운데 엔진의 가격은 약

천3백만원이다 재 유지보수면을 보면49000km 운행 후에 스 크 러그

화코일을 교체하는 등의 정기 인 유지보수 이외에는 특기할 문제는 없었

다 한 40000km 주행후에는 연료 라인의 휠터를 교환하 고연료탱크는 10

년간 사용 후 검이 요구되고 있다

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

12

Table 12-2 Specification Vialle LPi system engine[6]

엔진 식

엔진사양

직 8 통 지

흡 내 LPG액상 (timed) 사

사시간 최 180oCA 내

주 도 -25oC에 +70oC 지

연료 비알 12grs 지 량

연료 프 비알 HD LPi pump 24V

연료 휠 10마 크 휠 착

연료 사 압 연료탱크압보다 5~8 압 가압

연료탱크 크직경 300 320 360 600mm

가변

엔진 어 리

VialleZytek 24V HD

아 들 도 어

웨 스트게 트 어

과 폭주 어

변 하 출

연료 차단

연료사 량 출

프 도 어 출

람다

6개 도

3개 압

OBD II 프

EEPROM 재프 그래밍

8개 코 드라 버

8개 드라 버

CAN과 RS 링크

하 출

실 킹 어

주탱크 닛 연료라 어 블리

연료 ECU

액상분사방식의 개발배경을 살펴보면네덜란드 정부와 TNO는 1990년에 결정

된 EC배기가스규제의 제안으로 강화된 배기가스규제를 당시의 LPG기술로 달

성하는 것은 곤란하다고 단하 고 이에 따라 TNO에서 믹서방식을 체할

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

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performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

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LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

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squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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barrel stratification SAE 920678 1992

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경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

13

수 있는 LPG연료공 방식의 기 개발을 개시하 고기 연구에서는 기체분사

방식과 액체분사방식의 두 가지 방식의 연구를 수행모두 기 연구가 완료되

어 기 특허를 취득한 후에 상품화가 추진되었다액체 LPG분사는 가솔린의

분사시스템을 베이스로 그 로 이용하는 것이 가능하고액체분사시의 기화열

에 의한 연소온도의 하 성 과 효과를 이용함으로써 가솔린차와 동 의

성능구 (운 성연비배기가스 성능)이 가능하 으며여러 가지 기술상의 문

제 (개조후의 유지보수의 불필요백화이어 등 LPG특유의 불량 해결성능보

증OBD시스템 응)도 해결되었다

1212일본의 기술개발동향

2004년 기 으로 일본의 LPG자동차는 약 29만 충 소는 약 1900여개소가

있으며 LPG자동차의 수는 그리 많지 않지만 매우 다양한 차종의 LPG차량이

있다

Fig12-1 LPG consumption classfied by use purpose in Japan[6]

2000년 10월경부터 닛세키 미쓰비시(주)에서 자제어 액체분사 방식인 네덜란

드의 비알 사 제품을 도입하여 일본에서 보 사업을 시작하 고 기 성능평

가를 하여 토요타의 크라운(2491cc)을 LPG액체분사방식(가솔린과 겸용의 바

이퓨얼 방식)으로 86 를 개조하여 모니터링 사업을 하 고 매우 만족스러운

결과를 보 으나추후 모든 비알 LPi시스템의 내구성에서 문제가 발생함으

로써 일본의 비알 시스템 도입계획은 취소되었다

일본에서는 이상과 같은 네덜란드 비알 사의 액체 LPG분사 시스템을 도입하

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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barrel stratification SAE 920678 1992

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[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

14

여 본격 인 보 에 앞서서 모니터링사업을 수행하고 있는 한편일본 국내 기

술에 의한 액체분사방식의 LPG공 시스템을 개발하고 있다아이상공업(주)에

서 개발하여 토요타자동차에 용 정인 시스템의 개략 인 구조는 Fig

12-2와 같다 기의 개발 과정에서는 로 의 함량이 높은 연료에 하여

고온 재시동성아이들 안정성그리고 부탄 연료의 경우에는 아이싱과 련하

여 문제 이 있었으나 재 이상과 같은 주요 문제 을 기술 으로 극복한 듯

하다 기에 도입된 기체 인젝터의 추가도 재의 시스템에서는 사용하지 않

는 방식으로 개발 에 있다개발에 있어서는 비알 사의 LPi시스템을 벤치마

킹하여 성능이 비교 평가되었고가까운 장래에 토요타 자동차에 용되어 생

산 보 될 정으로 있다

Fig12-2 The LPLi system of Japan Technology[6]

13국내기술 황

131국내 LPG자동차 등록 황

국내의 LPG자동차는 2006년 재 약 210만 여 정도가 보 되어 세계 1 의

LPG자동차를 보유하고 있지만 가솔린차량에 비해 공해성은 크게 구 되지

못하고 있는 실정인데이것은 최근까지 국내 LPG엔진기술이 1980년 실용화

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

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performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

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LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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barrel stratification SAE 920678 1992

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[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

15

된 제2세 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한

가스믹서 방식이기 때문이다

본 연구에 상이 될 형차량은 KAMA 2005년 자료에 의하면 2000년부터

2006년 6월까지 등록된 국내의 소형(25톤~45톤)LPG자동차는 약 32만여

로 연간 7만여 가 등록되었는데 그 가장 수가 많은 차종은 기아자동

차의 e-마이티와 e-카운티이고이들은 25톤 으로 연간 2만 가 생산되며 이

50는 내수50은 수출되고 있다45톤 의 경우2006년 재약 7만여

가 등록되어 있으며연간 5000여 의 생산되며 이 90는 내수10은

수출되고 있다

가장 수가 많은 차종은 기아의 45톤 CARGO이며 나머지는 거의 33인

승 형버스이다

132LPG액상분사기술의 개발 황 용

국내의 LPG자동차 기술에 한 심이 매우 조한 가운데 한국기계연구원

(KIMM)의 LP가스엔진 연구사업단은 LPG자동차 보 의회의 지원아래 1999

년에 설립되어 LPG액상분사방식으로 운 되는 형(11리터 ) 공해 LPG엔

진의 개발에 착수3년간의 연구결과LPG액상분사방식을 국산화 개발하여 11

리터 형 LPG엔진의 개발에 성공하 고2001년부터 2년 동안의 버스탑재

사업을 통하여 경유버스 동 의 출력과 CNG버스의 동 의 공해성을 갖는

LPG버스의 개발에 성공하 다

개발 성능은 일산화탄소와 질소산화물 등 유해 배기가스 발생을 경유차량에 비

해 최소 2분의 1까지 으며 미세먼지는 최 100분의 1까지 감하 으며

출력 한 2백90PS(마력)에 토크가 1백10m으로 기존 엔진과 동등한 수 이

며 연비의 경우 기존 엔진에 비해 8~10 정도 향상시켰다

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

16

Fig13-1 LPGi bus developed by KIMM[6]

Fig13-2 LPGi engine and efficiency developed by KIMM[6]

LPG자동차 보 의회는 LPG버스의 청정성과 우수성을 알리기 하여 2002

년 9월 LPG 버스 3 를 경기도 남양주와 충남 아산 제주도에서 각 1 씩

상용 운행하고 있으며특히 경기도 남양주 충남 아산의 LPG 버스는 2001

년 5월부터 시범운행이 시작되었고 각각 1년간 시범운행 평가를 수행하 다

이 LPG 버스는 2000년 3월 독일 MAN사에서 도입한 형 LPG 엔진을 장착

하 으며 운행지역 선정은 환경부의 요청에 따라 CNG 버스가 운행되지 않으

며 운송회사 차고지 부근에 LPG충 소가 치해 있는 지역을 상으로 결정

되었다

LPG버스의 시범운행 평가결과 1년간 약 10만 킬로를 주행하 고이 기간 동

안 특별한 고장이나 문제 이 없었던 것으로 나타났으며 이후 자동차 제작사들

도 공해 LPG차 개발을 한 LPG액상분사식 엔진연구에 극 나서서 당

정보다 빨리 2003년부터 차세 LPG자동차 출시가 이루어지고 있는 실정이

자동차가 지난 99년부터 LPG 용엔진인 LPi엔진 개발을 마치고 자사의

그랜 XG10 이상에 장착해 성능시험 내구성 테스트를 하는 등 앞서 나

갔고르노-삼성자동차도 자사의 형차 모델인 신형 SM55 에 독자 으로

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

17

개발한 LPLi엔진을 장착성능 주행테스트를 2005년 상반기에 진행하는등

자동차 제작사들의 기술개발이 빠르게 진행되었다

Fig13-3 LPLi system of Hyundai Motors (출처 동차)

Grandeur

XGGrandeur NF Sonata Opirus Lotze

배 량 2656 cc 2656 1998 cc 2656 cc 1998 cc

엔진 식 27 LPLi 27 LPLi DOHC LPLi V6 LPLiDOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1655400 1655400 1406000 1645800 1406000

최 크(kgmrpm) 2504000 2504000 1904250 2484000 1904250

연비(Auto) (km L) 75 75 87 65 88

Bomb size ( L )72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

72(85 charged)

Fig13-4 LPLi system Vehicle of Hyundai and Kia Motors

(출처 동차)

르노-삼성의 경우 택시용으로 LPLi용엔진을 탑재할 경우 연비개선 냉시

동성 향상 등 성능개선을 꾀할 수 있어 상당한 시 지효과를 기 하여 2005년

하반기부터 LPLiNew-SM5택시양산에 들어갔다

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

18

MT AT

배 량 1998 cc 1998 cc

엔진 식 DOHC LPLi DOHC LPLi

최 출 (psrpm) 1365800 1365800

최 크(kgmrpm) 1864800 1864800

연비(Auto) (km L) 101 88

Bomb size ( L ) 85 85

Fig 13-5 LPLi system vehicle of Renault-Samsung Motors

(출처 삼성자동차)

GM- 우자동차는 기체분사차량(LPGi)을 용한 차량을 재 양산 이다

Fig 13-6 LPLi system vehicle of GMDAT Motors

(출처 지엠 우 동차)

이처럼 가스사의 형 LPLi엔진 버스개발과 별도로 자동차제작사들이 차세

LPG자동차에 심을 기울임에 따라 정부의 수도권 기환경 개선에 한

특별법 시행에 따른 수도권 기질개선 특별 책 등과 맞물려 국내 LPG차량의

차세 형 환이 가속화될 가능성도 상되며국내의 최 LPG부품회사인 모

토닉(주)과 LPG차량 EMS제작사인 씨멘스 오토모티 (주)에서는 국내 양산화

에 비한 기술개발을 꾸 히 진행하여 자동차의 LPi차량에 한 지원을

하고 있다고 한다

차기 LPG자동차의 배출가스 규제에 응하기 한 SULEV 응 LPG자동차

개발 로젝트(ECO-STAR)가 환경부의 지원 아래 2004년부터 시작되어 3

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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barrel stratification SAE 920678 1992

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[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

19

자동차제작사 부품회사가 참여하여 기술개발을 추진 에 있으며 2006년부

터는 자동차가 참여하는 1톤 LPLi트럭개발 로젝트가 신규과제로 시작

할 정이라고 한다

14 기술상태의 취약성

LPG연료의 청정성 안 성경제 인 장 때문에 오래 부터 자동차 연료

로서 사용되어 왔으며 련기술의 발 기술개발이 이루어져 왔다 재

국내에서 생산 사용되고 있는 LPG자동차는 제제어 믹서방식에서 액상분

사기술(제3세 기술)로 세 교체가 이루어지고 있다 자제어 믹서방식은 배

기가스 규제의 강화에 따라 기존의 피드백 믹서 시스템으로는 배기가스를 감

시키는 것이 곤란하게 됨에 따라 개발된 시스템으로연소특성의 개선삼원

매 포함그리고 가스유량이 비교 정 하게 제어되는 방식이지만가솔린차의

자제어 연료분사와 같은 정 한 연료제어는 불가능하고약 10~20의 출력

이 하되며백화이어 문제가 있으며겨울철 냉시동성 문제와 겨울철 워 업

엔진의 토오크 불안정성 문제 등의 취약성을 보이는등의 한계를 노출하고

있다

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

20

15연구 목표

형 차량에서 배출되는 기오염물질(특히 PM)을 감하기 한 방법들 에

는 기존 디젤베이스 엔진을 화착화 방식으로 환하는 것이 있다하지만

화착화방식의 엔진을 이론공연비에서 사용하게 될 경우 열부하가 증가되어 엔

진의 내구성에 문제를 가지고 오게 되며 한 LeanBurn인 디젤에 비해 연비

의 악화가 심해져 경제성이 매우 나빠지게 된다

따라서 형 화 착화 방식의 엔진에서는 희박연소방식을 많이 사용하게 되

는데Fig15-1에서 같이 엔진을 이론공연비에서 운 할 경우(상태1)높은

출력을 얻을 수 있지만 배기가스의 온도 상승으로 인해 내구성에 문제가 발생

할 수도 있다그래서 희박상태로 운 을 하여 배기가스 온도를 낮추게 되면

출력이 격히 떨어지게 되므로엔진을 과 하여 출력을 증가 할 수 있는 방

식의 엔진 개발이 필요하게 된다

E x h a u s t t e m p e r a t u r e [ ]

6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0

Po

we

r [P

S]

1 6 0

1 8 0

2 0 0

2 2 0

2 4 0

2 6 0

2 8 0

3 0 0

1

2

3

4

Fig15-1 Lean burn strategy to reduce exhaust temperature and

increase output power[2]

본 논문에서는 소형 LPG엔진 개발에서 엔진의 연소 안정성을 향상시키고 연

료 성층화를 좀 더 원활하게 할 수 있는 방법을 연구하 다

1분사특성에 따른 연소특성 변화

성층 혼합기의 형성 이에 따른 연소 특성의 개선 가능성을 조사하기 하

여 흡기 포트에서 연료의 분사 치를 변화시키며 이에 따른 특성을 조사하

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

21- xxi -

1)흡기 에서 연료분사각도와 분사 방향을 달리하여 흡기포트 스월포트와

텀블포트로의 연료분배특성과 공기혼합특성을 변화시켜 토오크를 측정하

2)성층연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기포트 텀블포트 방향으

로 인젝터 연장 을 제작하여 분사 후 연소특성을 조사하 다

2Swirlvalve 향

희박연소에서는 연소 속도가 하되기 때문에 희박 연소시 연소 속도의 증가

는 요한 문제이고[45]여기서는 연소 속도를 증가시키기 하여 스월 강화

밸 를 흡기포트에 용하 다

1)스월비를 높이기 해 흡기 에 스월밸 를 장착하여 화시기 변화에 따

른 토오크를 측정하 다

3피스톤 형상 변화

Pistonbowl형상 변경을 통한 최 연소실 형상을 용하기 해서 기존양산

형 피스톤의 형상을 Fig21-4처럼 다르게 제작하여 연소성능을 측정하 다

4배출가스 감과 EGR의 향

Fig처럼 목표한 출력과 열부하에 의한 내구성그리고 배출가스 기 을맞추

기 하여 EGR과 NonEGR상태로 연소실험을 진행하 으며 실험조건

체에서 배출가스를 측정하 다

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

22

제2장 연구내용

21실험 장비

211BaseEngine

본 연구에 사용된 엔진은 Fig21-1와 같으며 베이스 6기통 엔진과 같은 보어

times스트로크를 가지고실린더 헤드는 베이스 6기통 엔진과 동일한 것을 사용하

여 헤드 형상이 변경되어도 실험이 가능하도록 구성하 다피스톤은 압축비

93의 피스톤을 사용하 으며 단면은 Fig21-4와 같다엔진의 세부사항은

Table21-2와 같다

Fig 21-1 External view of a single cylinder engine

Fig 21-2 Engine schematic diagram

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

23

Fig 21-3 External view of injector

항 목 사 양

FuelLine 괴압력 110bar이상

기 성능 Noleakage

Line열 도율 003WmK

Table 21-1 Injector Fuel Line specification

항 사 양

Type SinglecylinderNAengine

Boretimesstorke 100times125mm

Compressionratio 93

IVOIVC bTDC21degaBDC33deg

EVOEVC bBDC562degaTDC222deg

Maxpower 240PS2300rpm(baseengine)

Maxtorque 82kgm2500rpm(baseengine)

Table 21-2 Base engine specification

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

24

항 Piston 1 Piston 2

연 실 피 1178 10616

탐랜드 삭 mm 10mm

Squish area 168935

Surface area 110389

Bowl area 934955

갤러리 무 times

Table 21-3 Piston specification

Fig 21-4 Sectional view of a piston used in this work(1 2)

피스톤은 모두 93의 동일한 압축비로 제작되었으며2번 피스톤의 경우 형상

디자인에 의한 강도보증을 해 오일갤러리가 없는 피스톤으로 가공하 다

NOx 감을 해 기존 양산형 캠축에는 InternalEGR을 사용하고 있는바 본

연구에서는 EGR이 COV와 출력 그리고 배출가스에 어떤 향을 미치고있는지

알아보기 해 EGR이 있는 캠축과 EGR이 없는 캠축을 사용하여 연소상태를

측정하 다InternalEGR의 밸 리 트는 다음 그림 Fig21-5와 같다

Crank angle(o)

0 100 200 300 400 500 600 700

Pis

ton

lift

[mm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

Va

lve lift[m

m]

0

5

10

15

20Piston

Intakevalve

Exhaustvalve

InternalEGR

Fig 21-5 Internal EGR Valve lift

그동안 LPG엔진 연구 개발에서와 마찬가지로본 연구에서 사용된 베이스

엔진은 상용 디젤엔진이기 때문에 스월 강화를 하여 엔진 헤드의 흡기 포드

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

25

형상의 개선스월 강화 밸 의 용피스톤 형상의 개선 등의 책이 필요하

며본 연구에서는 먼 엔진 헤드의 흡기 포트 형상 변경을 시도하 으나실

린더당 4밸 엔진인 계로 흡기 포트 형상 변경에 의한 스월 강화가 용이하

지 않았다따라서 희박 연소 개선을 하여 필요한 강한 스월을 형성하기

하여 Fig21-6과 같은 스월 밸 를 흡기 포트에 설치하 고각 밸 의 치

에 따른 스월비 유량계수를 측정하 다

Fig21-7에 나타낸 바와 같이 스월 밸 를 용하지 않은 경우(스월비 12)

에 비하여 스월 밸 번호3에서 제일 높은 스월비(16)가 측정되었고이때 유

량 계수는 약 3 감소하 다

Fig21-8에는 텀블 포트(그림에서 흡기측에 가까운 포트)에 근 하여 분사가

되도록 인젝터 을 연장한 모습과 분사 치를 나타내었다

3 2 1 4 5

Fig 21-6 Cylinder head with swirl valve at intake port

Fig 21-7 Measured swirl numbers and their coefficient of flow rate

Fig 21-8 Elongated injection tip for tumble port injection and its

location of injection

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

26

Fig 21-9 rotated injection 3way

실험에 앞서 연료분사 개시 종료 시기는 혼합기 형성에 향을 주게 되고

일반 으로 분사 종료는 흡기 밸 가 최 로 열렸을 경우에 종료하는 것이 가

장 합한 것으로 알려져 있다

분사 종료 시기(EOI)에 따른 토오크 변화를 우선 조사하 고Fig21-10에 나

타낸 바와 같이 흡기 밸 가 최 로 열린 치(2755obTDC)에서 분사가 종료

되었을 경우에 최 토오크를 나타내고 있다여기서는 분사 종료 시 으로 이

기 을 용하 고각 실험에서 공연비에 따라 분사 개시 시 을 결정하 다

EOI(bTDC)

220 240 260 280 300 320 340

To

rqu

e(k

g-m

)

36

37

38

39

40

41

42

Fig 21-10 Change of toque as EOI varies

22엔진연소 특성실험

221분사특성 Swirlvalve에 따른 연소특성 변화

흡기 에서 연료 분사각도와 분사 방향에 따라 2개의 흡기포트로의 연료 분배

특성 공기와의 혼합 특성이 변화하게 된다인젝터의 연료 분사의 특성과

흡기매니폴드 내부의 스월밸 에 따른 연소 특성의 변화를 찰하기 하여 다

음과 같이 4가지 형태로 분사조건을 변화시켜 연소변화를 측정하 다

(1)baseinjectortip(injectionangle150deg)

-양산상태의 인젝터를 이용하여 기존의 분사특성을 측정

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

27

(2)tumbleportinjection(Fig21-5)

-흡기 밸 에 가깝게 분사한 경우에 혼합기 형성에 변화를 수 있고이

에 따라 성층 연소의 가능성을 조사하기 하여 2개의 흡기 포트 가운데

텀블 형성에 주로 기여하는 포트로 인젝터 을 연장하여 분사한 경우의

연소 특성 변화를 조사

(3)rotateinjection(injectortip2(injectionangle125deg))(Fig21-7)

-양산인젝터의 분사각을 앙을 기 으로 25도로 변경하여 좌 우 앙을

이루며 연료가 들어갈 수 있도록 배치하여 분사

(4)Swirlvalve(Fig21-4)

-흡기매니폴드에 3번 스월어 터를 부착하여 TumbleSwirlport방

향 Swirlport방향으로 흡기를 유도하여 분사

Fig22-1에는 분사각도 분사방향을 변화한 경우의 화 시기 변화에 따

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화

(λ=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고베이스에 비하여

분사각도를 25deg상승시켜 흡기 앙과 스월포트 방향으로 분사한 경우 토크가

감소함을 확인 할 수 있다이에 비하여 텀블 포트를 향하여 분사한 경우에 공

기과잉율 15에서는 베이스와 비슷하나 공기과잉율 16인 경우 최 토크베이스

보다 높으며 화시기를 지각한 경우에 베이스 경우에 비하여 토크가 상승함을

확인 할 수 있다

Ignition tim ing (bT DC )

10 20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

15

20

25

30

35

40

Base l15

Base l16

In jection to center l15

In jection to center l16

In jection to tum ble port l15

In jection to tum ble port l16

In jection to swirl port l15

In jection to swirl port l16

Fig 22-1 Change of torque as the ignition timing varies with injection

angle and direction

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

28

공기과잉율 16에서 화시기에 따른 IMEP의 COV를 비교하여 보면 스월포

트를 향해 분사한 경우를 제외하고 낮은 값을 나타내었고텀블포트를 향하여

분사한 경우 넓은 화시기 범 에 하여 낮은 COV 값을 나타내어 성층화에

의하여 연소가 안정되었음을 알 수 있다 (Fig22-2)

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

B ase

In jection to

tum ble port

In jection tocenter

In jection to

sw ir l port

Fig 22-2 Comparison of COV as the ignition timing varies with injection

angle and direction

Tumbleportinjection의 경우 우선 분사 치의 변화로 인한 최 EOI를 조사

하 고결과를 Fig22-3에 나타내었다엔진 회 수 2000rpm일 경우에 최

의 EOI는 공기과잉율 변화와 계없이 베이스의 경우(Fig21-7참조)와 마찬

가지로 흡기 밸 가 최 로 열리는 2755obTDC임을 알 수 있다

EOI(bTDC)

250 260 270 280 290 300

Torq

ue

(kg

m)

20

22

24

26

28

30

32

l=16 with tum ble port in jection

l=15 with tum ble port in jection

Fig 22-3 Change of toque as EOI varies with tumble port injection

Fig22-4에는 텀블 포트로 근 하여 분사하 을 경우에 화 시기 변화에 따

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

29

른 토오크 변화를 나타내었다엔진 회 수는 2000rpm이고공기과잉율 변화(λ

=15 16)에 따라 토오크 변화가 나타남을 볼 수 있고이로부터 MBT 화

시기를 구할 수 있다베이스 경우와 비교하여 최 토크가 3정도 증가하 음

을 확인 할 수 있다

Ign ition tim ing (bTDC )

20 3 0 40 50 60

To

rque

(kg

m)

20

25

30

35

40Tum ble port in jec tion l15

Tum ble port in jec tion l16

B ase l16

Base l15

Fig 22-4 Change of torque as the ignition timing varies with tumble

port injection

스월비를 높이기 하여 흡기 에 스월 밸 를 장착한 경우에 화 시기 변화

에 따른 토오크를 측정하 다(Fig22-5)이로부터 엔진 회 수 2000rpm일

경우에 공기과잉율 변화(λ=15 16)에 따른 MBT 화시기를 구할 수 있다

여기서 스월 밸 용 시 토크변동은 크지 않음을 확인할 수 있다베이스 경

우와 비교하여 각 공기과잉율에 따른 MBT 화 시기는 약 10도 지각되었고

화시기가 지각될수록 베이스에 비하여 토크가 낮아져 운 범 가 축소되었

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

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[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

30

Ign it ion tim ing (bT D C )

10 20 3 0 40 50 60

To

rqu

e(k

gm

)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

B ase l1 5 B ase l16

S wirl va lve l1 5

S wirl va lve l1 6

Fig 22-5 Change of toque as the ignition timing varies with a swirl

222피스톤형상별 InternalEGR첨가 실험

피스톤 형상 1과 2를 이용하여 RPM 2000공연비(1516)EGR(NonEGR)조

건에서 토크를 측정하 다(Fig22-6)같은 실험조건에서 피스톤 2번의 MBT토

크가 93가량 높게 나오는 것을 알 수 있었다이는 난류강도가 강화된 형상으

로 제작된 2번 피스톤에서 연료성층화가 활발히 일어난것이 토크의 증가로 이

어진 것으로 측되나 추가 으로 검증 할 수 있는 실험을 요한다

Ign tion tim ing (bT D C )

10 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

28

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

P iston 1_15

P iston2_15

l=1 5

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

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[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

31

Ign ition T im ing(d T D C )

1 0 20 30 40 50 60 70

Torq

ue(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P is to n1 _16 P is to n2 _16

l=1 6

Ig n tio n tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

Torq

ue(k

gm

)

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

P iston 1 w ith iE G R

P iston 1 w o iE G R

P iston 2 w ith iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=1 5

Ign ition T im in g(bT D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

To

rqu

e(k

gm

)

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

P isto n 1 w ith iE G R

P isto n 1 w o iE G R

P isto n 2 w ith iE G R

P isto n 2 w o iE G R

l= 16

Fig 22-6 change of toque as the ignition timing varies with a Piston cavity

각 피스톤 12에 캠축에 EGR을 용하여 IMEP를 측정하 으며EGR이

용되지 않은 Base 상태와 비교하 다비교결과 배기가스의 유입이 없는

NonEGR캠축을 사용한 실험조건에서 IMEP가 상승함을 알 수 있었으며16

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

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Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

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vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

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[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

32

상태에서는 2번 피스톤이 15상태에서 근사하나 1번 피스톤이 IMEP측정치

가 높았다 한 피스톤 1번의 경우 IMEPEGR유무에 크게 향을 받지 않

았으나2번의 경우 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다

Ign ition tim ing (bT D C )

20 30 40 50 6 0

IME

P(b

ar)

44

4 8

5 2

5 6

6 0

6 4

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=15

Ig n itio n tim in g (b T D C )

20 30 4 0 50 60

IME

P(b

ar)

4 0

4 4

4 8

5 2

5 6

6 0

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig 22-7 Change of IMEP as the ignition timing (base injection)

각 피스톤당 토크별 NOxHC배출량을 측정한 결과 (Fig22-822-9) 상

로 MBT 이후의 NOx배출량은 역 상을 보 다이는 MBT이후 연소온도

감소로 인하여 NOx발생이 어드는 것으로 보인다

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

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                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

33

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

NO

x(p

pm

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P iston 1

with iEG R

Piston 1 wo iEG R

Piston 2 with iEG R

Piston 2 wo iEG R

l=15

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

P iston 2 with iEGR

P iston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-8 Status of Nox with variable torque

Torque(kgm )24 26 28 30 32 34 36 3 8 4 0 4 2 44

HC

(pp

m)

40

80

120

160

200

240

P is ton 1with iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P is ton 2 with iE G R

P is ton 2 wo iE G R

l=15

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

34

Torque(kgm )15 20 25 30 35 40 45

HC

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

Piston 1with iEGR

Piston 1 wo iEGR

Piston 2 with iEGR

Piston 2 wo iEGR

l=16

Fig 22-9 Status of HC with variable torque

HC배출량의 경우 공기과잉률 15에서의 MBT 이후 역 상은 뚜렷하게

찰할 수 있었으나 16의 경우 일정하게 감소되고 유지되는 모습을 볼 수 있었

다이는 희박상태로 인한 향을 받은 것으로 해석되며토크가 증가할수록 일

정하게 유지되는 경향을 보인다

Ig n itio n tim ing (b T D C )

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

CO

V(

)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

P is to n 1 w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l= 1 5

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssure

(ba

r)

20

30

40

50

60 P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1

w o iE G R

P is to n 2 w o iE G R

l=1 5

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

35

Ign ition tim in g(bT D C )

20 30 40 50 60

CO

V(

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P is ton 1 w ith iE G R

P is ton 2 w ith iE G R P is ton 1

w o iE G R

P is ton 2 w o iE G R

l=1 6

Fig22-10 Comparison of COV as Lambda number with EGR NonEGR

피스톤별 연소안정성(COV)를 계산한 결과 Fig22-10와 같은 결과를 보 다

계산 결과 공기과잉률 15에서는 1이 근소하게 좋은 것으로 보이나 좀더 희박

한 조건으로 갈수록 피스톤간의 그 차이가 어들었으며2의 경우 MBT이후

화시기에서도 상 으로 안정된 상태를 유지하 다

Ign ition tim ing(bT D C )

20 3 0 40 50 6 0

Ma

xim

um

pre

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20

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l=1 5

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Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

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l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

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5 5

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P is to n 1

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l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

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4 0

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P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

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560

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B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

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Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

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560

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Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

36

Ign ition tim ing (bT D C )

2 0 30 4 0 50 6 0

Ma

xim

um

pre

ssu

re(b

ar)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0P is ton 1

w ith iE G R

P is ton 2

w ith iE G R

P is to n 1 w o iE G R

P is to n 2

w o iE G R

l=1 6

Fig 22-11 Change of maximum pressure with Ignition Timing

Fig22-11은 최 압력과 Ignition Timing 과의 상 계를 그린 것으로

P-V 다이어그램에서와 비슷한 피스톤 1의 최 압력이 2보다 높았다하지만

P-V 그래 를 살펴보면 기 의 체 일의 나타내는 면 은 2번 피스톤이 좀

더 큰것을 알 수 있으며 EGR의 향역시 받고 있는 것으로 나타났다

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

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V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

37

M axim um p ressu re tim ing (aT D C )

5 1 0 1 5 2 0 2 5

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is to n 1

w ith iE G R

P is to n 2

w ith iE G R

P is ton 1 w o iE G R P is to n 2

w o iE G R

l= 1 5

M axim um pressure tim ing(aT D C )

5 10 15 20 25

IME

P(b

ar)

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

6 5

7 0

P is ton 1 w ith iEG R

P is ton 2 w ith iE G R

P is ton 1 wo iE G R

P iston 2 w o iE G R

l=15

Fig 22-12 Change of IMEP as the Maximum pressure varies with a

Piston Experimental condition(12)

Fig22-12은 Maximum Pressuretiming와 IMEP의 상 계를 나타낸 것이

다최고압력 이 공연비 15에서는 aTDC10도 후로 가장 안정되는 상태를

보이며16에서는 aTDC10도 이후에서 안정 인 상태를 보임을 알 수 있다

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

38

제3장 결과분석

31연료조건에 따른 배출가스 향 분석

우선 연소조건에 한 배출가스 특성을 비교 분석해보면배기가스의 온도는

처음에 언 한 것처럼 엔진의 내구성과 배출가스의 조성(NOxHCCO2CO

등)에 한 계가 있다이번과 같이 디젤베이스 엔진을 화착화방식으로

환한 경우 출력과 내구성을 해 한 배출가스 온도 조 이 필수 인데

(Fig21-7참고)이런 조 에 따른 배출가스 특성의 변화를 살펴보았다

Fig3-1은 화시기 공기과잉율에 따른 배출가스 온도를 나타내었다base

와 비교했을 때 injectortip2를 사용하여 텀블포트 방향으로 분사한 경우 배

기가스 온도를 낮출 수 있음을 확인 할 수 있다배출가스 온도 변화에 따른

배출가스 배출특성의 변화는 Fig3-2 Fig3-3에서 NOx HC배출 특성

변화를 각각 나타내었다동일한 토오크 범 에서 베이스의 경우와 비교하여

인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향으로 연료를 분사한 경우 동일한 NOx배

출량에서 토크를 약간(약 3)증가 시킬 수 있음을 알 수 있다 스월 밸 를

용한 경우에는 NOx배출량이 베이스와 차이를 나타내지 않았으며injector

tip2를 용한 경우 공기과잉율 15에서는 흡기 앙과 텀블포트를 향하

을 때 더 NOx배출이 증가하 고공기과잉율 16에서는 모든 분사 방향에서

NOx배출이 증가하 다

Ign it ion t im ing(b TD C )

10 20 30 40 50 60 70

Exha

ust

tem

pe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640

660

680

700

B aseS wirl va lveT um b le po rt in je ctionIn jectio n to centerIn jectio n to tum ble p ortIn jectio n to sw irl port

l=1 5

39

Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

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Ignition tim ing(bTDC)

10 20 30 40 50 60 70

Exhau

st te

mpe

ratu

re(o

C)

560

580

600

620

640Base

Swirl valveTumble port in jection

Injection to centerInjection to tumble port

Injection to swirl port

l=16

Fig 31-1 Comparison of exhaust temperature with swirl valve and

tumble port injection

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

NO

x(p

pm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 BaseSwirl valveTum ble port injectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

l=15

(a) λ=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

NO

x(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

l=16BaseSwirl va lveTum ble port in jectionIn jection to centerIn jection to tum bleportIn jection to swirl port

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(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

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0

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Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

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(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

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V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

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0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

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감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

40

(b) λ=16

Fig 31-2 Comparison of NOx emissions with torque

THC의 배출 특성 결과는 Fig3-3과 같이스월 밸 를 용하거나 연료를 스

월 포트 방향으로 분사한 경우에 THC의 배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고

텀블 포트방향으로 연료를 분사한 경우에 THC배출량이 상 으로 높게 나

타남을 알 수 있다

따라서 토오크NOx그리고 THC배출 특성을 최 화해야만 EURO-5수 의

배출 허용기 (ETC모드)을 만족하면서 목표 정격 토오크 출력을 만족시킬

수 있는 엔진을 개발할 수 있음을 알 수 있다

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38 40

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

BaseSwirl va lve

T um ble port in jec tionInjection to center

Injection to tum bleportInjection to swirl port

l=15

Torque(kgm )

26 28 30 32 34 36 38

TH

C(p

pm

)

0

200

400

600

800

1000

l=16Base

Swirl valveTum ble port injection

In jection to centerIn jection to tumbleport

In jection to swirl port

Fig 31-3 Comparison of THC emissions with torque

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

41

32P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 향

피스톤별 연소시 각 화시기별 평균 P-V 다이어그램을 그려보았다그래 를

살펴보면최고 압력은 1 피스톤에 EGR 용된 상태가 가장 높으나 Fig

22-12처럼 당시 IMEP를 살펴보면 가장 낮음을 알 수 있다토크와 IMEP를

고려하 을때 가장 연소특성이 뛰어난 것은 2피스톤에 EGR이 용되지 않

은 조건이 가장 양호한 연소특성을 나타내었다 간그림은 PV 다이어그램의

배기흡입행정일때 나타낸 그림으로 EGR조건사이에서 공통 인 형태로 P-V선

도가 그려지는데 이는 EGR의 향으로 생각되며연소효율에 향을 미친다

Volume(m 3)

000010 000015 000020 000025 000030

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1e+6

2e+6

3e+6

4e+6

5e+6

6e+6Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG R

Psiton 2 wo iEGR

Volume(m3)

000090 000095 000100 000105 000110 000115 000120

Pre

ssure

(bar)

0

1e+5

2e+5

3e+5

4e+5

5e+5

Psiton 1 with iEG RPsiton 1 wo iEGRPsiton 2 with iEG RPsiton 2 wo iEGR

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V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

42

V o lum e(m 3 )

00 0 0 0 0 00 0 2 0 0 0 0 4 00 0 0 6 0 00 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2

Pre

ssu

re(b

ar)

0

1 e+ 6

2 e+ 6

3 e+ 6

4 e+ 6

5 e+ 6

6 e+ 6

P s ito n 1 w ith iE G RP s ito n 1 w o iE G R

P s ito n 2 w ith iE G R

P s ito n 2 w o iE G R

Fig 32-1 Comparison of pressure with Piston conditions and EGR

일반 으로 배출가스 특히 NOx를 감하기 해 엔진의 연소에 좋지 않지

만 EGR을 사용하는것이 보편 이다하지만 연비악화와 출력 하등의 문제가

발생하기 때문에 Urea등을 후처리로 NOx를 제거하는 감장치들이 나오고

있고 한 형차에서는 일부 시행 인 기술들도 있다본 연구의 상인

형 LPG 차량에서는 디젤베이스의 엔진과 유사한 출력과 연비를 얻기 하여

EGR을 제거하 을때의 엔진성능을 측정해보았다

피스톤 형상이 최 화되었고EGR이 용되지 않았을 때 높은 토크출력을 나

타냄을 알 수 있었다디젤차량에서의 SCR같이 향후 LPG차량에 용될 수

있는 효과 인 NOx 감장치가 개발된다면 LPG의 디젤 체가 가속화될 것

으로 생각된다

33연료 분사실험에 한 해석 고찰

본 연구에서는 baseinjectionswirladaptertumbleportinjectionrotation

injection실험을 진행하 고 결과 으로 인젝터 을 연장하여 텀블포트 방향

으로 인젝션한 실험결과가 토크성능 향상과 배기가스 온도조 로 나타났다스

월강도를 강화시킨 스월 어 터 실험의 경우오히려 기 의 운 성능이 떨어

진 것으로 나타났으며injection방향을 15도씩 돌려 각기 스월포트와 텀블포

트 그리고 base방향으로 분사했을때의 연소조건도 base에 비해 크게 향상되

지는 못하 다

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

43- xliii -

이 상에 하여 이론 으로 확인해 보고자 Star-CD를 이용하여 rotate

injection과 연장 을 이용한 텀블포트 직 분사를 묘사해본 결과 연장 을 이

용한 텀블포트 인젝션의 연료성층화가 매우 활발히 이 지는 것을 확인할 수

있었다

Fig33-1 simulation of variable port injection

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

44

4결 론

본 연구는 상용화된 59리터 디젤베이스 엔진을 LPGMPI엔진으로 개조하여

EURO-5수 의 배출허용기 과 기존 엔진의 출력과 동등한 수 의 출력을 유지

할 수 있는 엔진을 만드는 기 연구로써 베이스 6기통 엔진을 바탕으로 단기통

엔진 시스템을 구축하여 토크변화에 따른 배출가스 특성을 측정 분석하 고

희박연소 화착화방식으로의 개조로 인한 연소특성 문제를 개선하기 해서 스

월 강화 밸 와 텀블포트 분사 그리고 인젝터 분사각도변경 실험을 수행하 다

난류강도강화를 해 스월밸 를 부착하여 연료를 포함한 흡기가 스월포트방향

으로 들어가도록 유도하 는데 COV와 출력에서 좋지않은 특성을 나타내었다

한 인젝터 분사각 변경에서도 기존 베이스각도에서의 분사보다 연소특성 개선

이 크지 않은 것을 확인할 수 있었다

텀블포트 분사의 경우 화시기별 토크에서 기존 베이스보다 토크특성이 약

3가량 좋은 특성을 보 으며 배기가스온도를 낮추는 효과를 거둔바 목표로 하

는 과 형 화착화방식의 엔진 제작시 매우 요하게 사용할 수 있을 것이다

피스톤형상별 특성은 기본형인 1과 2를 비교한 결과 2의 토크특성이 약 9

가량 상승하 다이에 EGR을 제거하여 각 피스톤변화에 따른 엔진연소특성을

확인한 결과 IMEP 토크특성은 EGR을 제거한 상태가 가장 높은 것으로 나

타났다이는 피스톤 형상변경이 가장 큰 향을 미치는 것으로 출력감소 요인

인 EGR을 제거하고 한 연소실 내의 난류강도를 강하게 할 수 있도록 오일갤

러리부를 제거한 향상된 피스톤형상을 사용하 기 때문으로 보인다

한 배출가스 측면에선 NOx의 경우에는 λ=15에서 베이스인 경우와 비교하여

동일한 토오크 범 에서 텀블포트 분사를 용한 경우에 NOx배출량 낮은

역이 있음을 알 수 있었다THC의 배출 특성에서는 스월 밸 를 용한 경우에

THC배출량을 제일 낮게 유지할 수 있고텀블 포트 분사의 경우에는 THC

배출량이 상 으로 높게 나타남을 알 수 있었다

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

46

참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

45

감사의 글

아무것도 모르고 저에게 연 실은 고향 같은 곳이었습니다 연 실 일이 힘들고 고

될 때는 정말 대 다 힘들다고 생각하기도 했 만 래도 실 들과 함께 엔 을 만들

고 리 손으 만든 실험 장비를 돌리면서 새 데이터를 견하고 런 것들이 하

나둘 늘어갈 때마다 느끼는 람과 뿌듯함이 제 삶을 더 더 풍 게 만드는 거름이

된 것 같습니다

너무나도 부족한 저에게 이 게 좋은 연 를 할 수 있게 해주신 이대엽 수님께 심

으 감사드리고 연 실에서 것에 만족하 않고 사회에 가서 좀 더 나은 모습으

찾아뵙겠습니다

연 실 들의 업무를 조율하시고 많은 연 사항을 처리하시는 홍성태 팀장님 감사합니

항상 연 실 들이 고민과 문을 큰형처럼 아주신 이태 연 사님 연 에 큰 도

이 되 못하고 졸업하게 되 만 정말 동안 감사했습니다

학부때부터 알고 냈다는 이유 제게 많이도 시달리셨던 (쩔어)승환형 연 분야가

좀 달라서 많은 시간 같이는 못 냈 만 래도 힘들때 마다 의 할 수있는 연 실의

기둥이 되어주셔서 감사해

제가 대학 을 입학하면서부터 졸업할 때까 모든 것을 친절하고 알기쉽게() 알

(꽃) 호씨 정말 고마 어 남은 학위기간동안 건강하시고 좋은 연 하시길 빌어

대 단기통때부터 나 함께 냈던 환씨 둘이 참 고생 많았는데 이젠 상철이랑

더 좋은 실험하길 랄께 동안 많이 챙겨주고 살펴 것에 10분의 일도 못하고

가는 것 같아 미안하네

언제나 어른스럽고 것이 너무나도 많았던 (NOx)철숙형 좀더 빨리 친해졌으면 좋았

을텐데 너무 아쉽고 동안 고마 어 리 모두 하는데 잘 갔으면

맨날 하는데도 잘 아주는 면접동기 리 (마라도나)이 씨 이제 리 모두 좋

은데가서 으면서 자 ㅋㅋ

연 실 막내 면하게 해 리 (쌩까)상철이 학부연 생으 들어 서 고생많이 하는

데 래도 항상 는 얼 연 실 사람들 잘 도 서 고맙다

마 막으 부족한 논문이 만 이 논문을 내기까 항상 저를 걱정해주시고 켜주신

아 어머니 동생들 혜 태에게 감사드립니다

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참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌

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참고문헌

[1] S Goto D Lee K Shakal N Harayama F Honjyo and H Ueno

Performance and emissions of an LPG lean-burn engine for heavy duty

vehicles SAE 1999-01-1513 1999

[2] C Kim D Lee S Oh K Kang H Chol and K Min Enhancing

performance and combustion of an LPG MPI engine for heavy duty

vehicles SAE 2002-01-0449 2002

[3] R Chiriac R Raud D Niculescu and N Apostolescu Development of a

LPG fueled engine for heavy duty vehicles SAE 2003-01-3261 2003

[4] A Raju A Ramesh and B Nagalingam Effect of intensified swirl and

squish on the performance of a lean burn engine operated on LPG SAE

2000-01-1951 2001

[5] Y Kiyota K Akishino and H Ando Concept of lean combustion by

barrel stratification SAE 920678 1992

[6] 공해 LPG 엔진 개발 최 보고 한 계연 원

[7] 한 LPG 산업 경 httpwwwklpgorkr

[8] 수도 질 경 개 에 한 특별법

경 httpwwwmegokr

[9] 립 경과학원 httperemissgokr

[10] 차량 내 생산 한 동차공업 httpwwwkamaorkr

[11] 내 에 지 수 비

에 지경 연 원 httpwwwkeeirekrindexhtml

  • 제1장 서론
    • 11 연구배경
    • 1-2 연구동향
      • 121 국외 기술 현황
        • 1211 유럽의 기술개발동향
        • 1212 일본의 기술개발동향
            • 13 국내기술현황
              • 131 국내 LPG 자동차 등록현황
              • 132 LPG액상분사기술의 개발현황 및 적용
                • 14 현 기술상태의 취약성
                • 15 연구 목표
                  • 제2장 연구내용
                    • 21 실험 장비
                      • 211 Base Engine
                        • 22 엔진연소 특성실험
                          • 221 분사특성 및 Swirl valve에 따른 연소특성 변화
                          • 222 피스톤형상별 Internal EGR 첨가 실험
                              • 제3장 결과분석
                                • 31 연료조건에 따른 배출가스영향 분석
                                • 32 P-V diagram 을 통한 피스톤과 EGR의 영향
                                • 33 연료 분사실험에 대한 해석적 고찰
                                  • 제4장 결론
                                  • 참고문헌