자동차공학

건국대학교 기계공학과 박 정 규

LPG 엔진

LPG 차량 개요 및 구성부품

그동안 LPG 차량은 뒷쪽 트렁크 부분에 있는 연료탱크가 추돌시 폭발할 위험 가능성 때문에 인기를 끌지 못했다 .그러나 자동차회사들의 꾸준한 기술 투자와 노력으로 안전성과 성능이 개선되고 , IMF 이후 휘발유 값이 천정부지로 올라가는 바람에 기름 값이 휘발유차량의 20% 수준인 저렴한 유지비로 최근 판매가 폭증하고 있습니다 . 그런데 LPG 차량은 휘발유차와는 달리 관리요령과 사용법 등이 다소 까다로운 편이다 .  LPG 는 액화석유가스 (Liquified Petroleum Gas) 의 약자로 상온에서는 가스지만 압력을 가하면 쉽게 액체로 바뀌는 탄화수소를 말한다 . 원유 정제과정이나 유전에서 부산물로 생기는 가스를 압축해 액체로 만든다 . 일반적으로 LPG는 프로판과 부탄을 주성분으로 하는 혼합물이다 .

  순수 LPG 는 색깔과 냄새 , 맛이 없으나 누출사고에 대비해 일부러 불쾌한 냄새를 섞어 놨다 . LPG 의 비중은 액체상태에선 물보다 가볍지만 기체상태에서는 공기보다 1.5~2 배 무거워 낮은 곳에 모이는 성질이 있다 . LPG 를 사용하는 엔진의 메커니즘은 휘발유 엔진 기본적으로과 같다 . 봄베 (Bombe) 라 불리는 연료탱크에 저장된 액체 상태의 LPG 가 연료 필터 (Filter), 솔레노이드밸브 (Solenoid Valve) 및 연료 파이프 등을 통해 베이퍼라이저 (Vaporizer) 로 들어가 기화된 다음 공기와 섞여 연소실에서 흡입 - 압축 - 폭발 - 배기 하는 순으로 작동 합니다 .

봄베에는 LPG 충전밸브 ( 녹색 ), 기체 LPG 송출밸브 ( 황색 ), 액체 LPG 송출밸브 ( 적색 ) 등 세가지로 기본 밸브로 구성되어 있다 .

LPG 차량 연료 구성도

LPG 엔진의 구성 부품

1) LPG 봄베 (Bombe)

2) 기화기 (Vaporizer)    LPG 탱크에 기체연료만 사용하면 혹한 때에도 시동성을 크게 높일 수 있지만 고속주행 때 출력이 떨어지고 운전성이 나빠지는 등 정상적인 주행을 하기 어렵다 . 게다가 LPG 탱크 용량에도 문제가 생긴다 .   따라서 액체연료 ( 체적이 기체의 약 1/250 배 ) 를 사용해야 하고 , 감압 , 증발 조압의 기능을 하는 기화기를 달아야 한다 .   주의할 점은 기화기에서 생기는 타르( 찌꺼기 ) 를 정기적으로 제거해야 하며 , 타르 제거요령은 냉각수가 충분히 더워진후 ( 타르가 굳어 있지 않은 상태 ) 드레인 코크를 열고 타르를 배출시킨 다음 드레인 코크를 꼭 닫아야 한다 .

3) 믹서 (Mixer)     믹서는 기화기 (Vaporizer) 에서 기화된 연료를 공기와 혼합해 연소실에서 연소되기에 가장 적당한 비율로 연소실에 공급한다 .

메인 조정 스크류 (MAS-Main Adjust Screw)메인 조정 스크류는 연료유량을 정하기 위한 장치다 . LPG 는 계절에 따라 비중 및 압력변화에 따른 공연비가 변한다 . 때문에 믹서의 연료주입구에 메인 조정 스크류가 달려있다 .

혼합비 조정 스크류 (AAS-Air Adjust Screw)엔진 공회전 때 1 차 쓰로틀밸브를 지나 흐르는 혼합기의 양을 조정하는 것이 주기능이다 . 또한 기화기의 공회전 혼합비 조정스크류로 일산화탄소 배출량을 조정하는 것이 부기능이다 .

개스차단 밸브 (FBM 믹서 )급감속 때 솔레노이드 밸브가 작동되어 진공이 만들어지면 개스 입구를 막아 더 이상 연료공급이 되지 않도록 한다 .

 

 4) 필터 필터는 휘발유의 연료필터와 같이 연료 중의 각종 불순물을 여과하지만 그 구조는 전혀 다르다 . 특히 엘리먼트는 금속 분말을 태워 만든 것 또는 두꺼운 펠트 같은 재질의 여과 재료가 사용되고 LPG의 증기압에도 견딜 수 있는 튼튼한 구조로 되어 있다 . 필터 엘리먼트는 붙였다 뗄 수 있고 청소도 할 수 있다 . 입구축으로 들어간 LPG 는 다공질의 세라믹 엘리먼트로 80μm 이상의 불가용성 이물질을 여과하고 , 다시는 필터 엘리먼트 내의 영구자석에 의해 엘리먼트를 통과한 미세한 부유 철분을 흡착하도록 되어 있다 .

  5) 액체 . 기체 솔레노이드 밸브 액체 . 기체 솔레노이드 밸브는 LPG 엔진의 시동성을 좋게 하기 위하여 냉각수 온도 (15 ℃ 기준 )에 따라 액상 또는 기상 LPG 를 차단 / 공급하는 역할을 한다 . 운전석의 LPG 스위치를 조작해 LPG를 공급하거나 차단할 수 있고 아래 부분에는 필터가 일체식으로 달려있다 . 즉 냉각수 온도 (15 ℃기준 ) 에 따라 온도가 내려가면 기상 솔레노이드 밸브가 작동 , 기체상태의 가스를 베이퍼라이저 (기화기 ) 로 연료를 공급시켜 시동성을 좋게 하며 이때 운전석 계기판에는 기상표시등이 켜져 있다 . 반대로 온도가 올라가면 기상지시등이 꺼지고 액상솔레노이드 밸브가 작동해 액체상태의 가스를 베이퍼라이저에 공급시켜 엔진 출력 저하를 막아주는 역할을 한다 .    FBM(Feed Back Mixer)    피드백 믹서는 배출 개스를 최소한으로 줄이면서 적정한 이론 공연비로 운전할 수 있도록 배기개스 중의 산소량을 감지한다 . 이를 통해 희박 , 과농혼합비를 판정해 ECU 가 이론 공연비가 되도록 솔레노이드를 구동 , 제어하는 시스템을 말한다 .

LPG 차량 사용법

• LPG 차는 충분히 워밍업한 후 출발하고 기체상태의 LPG 를 이용해야 시동이 잘 걸린다 . 시동은 LPG 스위치를 누른 다음 기온에 따라 초크밸브를 당기고 ( 봄 , 가을에는 2 분의 1, 겨울에는 끝까지 ) 클러치 페달을 밟고 시동을 건다 . ( 이는 구형차에 해당하고 카니발 , 카렌스 등 요즘 나온 신차에는 자동조절 스위치가 있어 추운 겨울에도 별로 신경쓸 일이 없다 ) LPG, 가솔린 겸용인 차는 카뷰레터 (Carburetor), 플롯 (Float), 챔버 (Chamber) 등 연료라인에 가솔린이 남아 있으면 LPG 와 섞여 시동이 걸리지 않는 경우가 있으므로 주의해야 한다 .

• 시동을 걸고 출발하기 전엔 반드시 워밍업을 하자 . 기화기에서 LPG 를 기화시킬 때 열이 부족하면 ( 냉각수가 충분히 덥혀지지 않았다면 ) 시동이 잘 걸리지 않는다 .

• 냉각수 온도가 약 40 도 이상으로 더워질 때까지 평소에는 3 분 , 겨울철에는 5 분 이상 워밍업 하는게 좋다 . 워밍업이 충분치 않아 냉각수 온도가 낮으면 겨울철에는 주행 중 액셀 페달 (Accel Pedal) 을 힘껏 밟아도 충분히 가속되지 않거나 출력이 쉽게 높아지지 않는 경우가 많다 .

• 특히 장시간 정차한 직후 이런 현상이 나타나기 쉽지만 워밍업을 되풀이 하면 해결된다 .

• 영하 5 도 이하로 떨어지는 추운 날씨에는 프로판이 30% 정도 혼합된 LPG 를 사용하지 않으면 시동 걸기가 힘들어진다 . LPG 충전소마다 프로판과 부탄 혼합비율이 다르기 때문에 평소 잘 다니는 충전소는 어떤 지 한번 꼭 확인해 보자 . 최저기온이 영하 10 도 이하로 떨어지면 프로판이 혼합된 LPG 라도 기화기가 얼어붙을 가능성이 높다 .

• 휘발유 겸용차는 사전에 가솔린으로 시동을 걸어 충분히 워밍업된 후 LPG 로 전환하는 것도 좋다 . 그러나 겸용차라도 항상 LPG 를 사용토록 습관화하고 가솔린은 LPG 가 떨어졌을 때나 매우 추운 날에만 쓰는 습관이 필요하다 .

• 주행 중에는 높은 rpm 을 유지해야 엔진성능을 제대로 끌어낼 수 있다 . 휘발유차보다 500~1,000 rpm 으로 엔진 회전수를 높인 다음 기어를 변속한다 .

• 시동을 끌 때는 공회전 상태에서 LPG 스위치를 꺼 엔진을 멈추고 시동 스위치를 잠금 위치에 놓는다 .

• 겨울에는 남아있는 가스가 얼어붙어 다음날 시동이 걸리지 않을 수 있으므로 히터 스위치를 쿨 (Cool) 로 돌려 놓아야 한다 .

• 장시간 주차할 때는 지하주차장 등 밀폐된 곳이나 직사광선이 쬐는 곳은 가급적 피하고 차 안에서 가스냄새가 날 때는 즉시 환기시킨다 .

• 운전이 끝나고 차를 주차할 경우 용기의 액체 송출밸브를 완전히 잠그고 배관내 LPG 를 모두 소비하는 것과 점화스위치 끄는 것을 습관화해야 한다 .

LPG 엔진의 국내외 적용 동향 및 향후 개발 전망

국내외 적용 동향

국내상황 LPG 적용 전면 자율화와 부분 자율화 팽팽히 대립중임 . 향후 1500cc미만의 신차에 LPG 허용 방침이나 아직 미확정 된 상태임 .

미국 프로판가스차 법적인 근거에 의해 차량등록을 정해 놓고 있지 않음 . 보급대수 : 대략 30 ~40 만대 ( 대부분 개조차량 , 주로 PICK UP 차량 ) 개조비용과 연료비절감 잇점 없음 . 사회간접자본 부족 ( 충전소 ) 으로 미국 3 대 자동차회사 판매실패

일본 LPG 차량개조에 대한 법적규제 없음 . 택시 95% 적용 , 충전소 부족으로 보급이 늦음 .

향후 개발 전망

현 LPG 엔진의 거의 대부분은 Mixer type 엔진이며 이 믹서형 엔진에서는 공연비 조정문제와 NOx배출가스 문제가 존재하기에 자꾸만 엄격화되는 배출가스 규제를 만족하기 위하여는 새로운 연료공급시스템이 필요하며 , 현재 Liquied Injecter type LPG 엔진 개발이 시도되고 있다 .

LPG 자동차 관리 및 점검법

• 가스를 충전할 때는 용량의 85% 를 넘지 않게 한다 . 충전중엔 반드시 엔진을 멈춰야 하며 차가 움직이지 않도록 제동장치를 확실히 해야 한다 . 충전이 끝났더라도 호스를 분리할 때까지는 절대 시동을 걸어선 안되며 밸브잠금 상태를 반드시 확인하자 .

• 연료특성상 타르가 생기므로 한 달에 한번 정도 타르 배출용 드레인 코크를 열어 베이퍼라이저에 생긴 타르를 청소해준다 . 타르를 제거하지 않으면 시동이 잘 걸리지 않고 출력이 떨어진다 . 타르를 빼는 방법은 시동을 건 다음 수온계 바늘이 움직이면 베이퍼라이저 밑에 달린 코크를 돌리면 된다 . 청소 후에는 드레인 코크를 반드시 잠궈 열어놓은 채 시동거는 일이 없도록 한다 .

• LPG 차의 타이어 공기압은 확인해야 한다 . 가솔린차와 타이어 공기압이 다를 수 있기 때문이다 .

• 엔진오일도 반드시 LPG 전용 제품을 사용토록 한다 . 누적 주행거리가 1,000km 를 넘어설 때마다 정기적으로 점검하는 것을 생활화해야 한다 .

• 차 안으로 스며드는 LPG 냄새에 주의해야 한다 .

• 가스누출을 오래 방치해 실내로 많은 양이 스며들 경우 운전자가 의식을 잃어 대형참사를 일으키기도 한다 . 흔히 배기가스에도 LPG 에 첨가된 냄새가 그대로 남아 있기 때문에 냄새가 나더라도 무관심한 경우가 있으나 조심해야 한다 . LPG 누출여부는 항상 살펴야 한다 . LPG 스위치를 눌러 연료를 공급한 뒤 시동키를 'ON' 에 놓은 상태에서 베이퍼라이저 주변이나 , 파이프 연결부 등에 비눗물을 칠해보아 거품이 생기면 LPG 가 샌다는 증거다 .

• 여름철 바깥온도가 높은 시간에 장시간 주차할 때는 배관에 남아 있는 LPG 를 모두 소비 하고 용기의 액체 송출밸브를 완전히 잠궈야 한다 . 특히 몹시 더운 날 용기가 직사광선을 받게 되면 용기표면 온도가 40 도를 넘어 위험하므로 그늘진 곳에 주차해 봄베 내부온도 상승을 막아 주는게 좋다 .

타르제거와 함께 필터 청소

LPG 차는 냉각수 온도 (15 ℃ 기준 ) 에 의해 연료공급 방식에 큰 영향을 받는다 .   따라서 항상 냉각수 점검에 관심을 기울여야 한다 . 냉각수 양을 점검하고 새는 곳이 없는지 확인할 필요가 있다 .   또한 LPG 차는 가솔린차에 비해 시동성이 좋지 않아 배터리 소모가 많다 . 반대로 얘기하면 배터리 용량이 부족할 경우 시동걸기에 곤란을 겪게 된다는 것이다 .   또한 LPG 차는 연소실 부근의 온도가 상당히 높기 때문에 점화 플러그 , 배선 등 점화계통에 대한 관심을 기울여 전문업소에서 정기적으로 점검을 받는 것이 좋다 .

이와 함께 1년에 한 번 정도 LPG 필터를 청소하거나 교환해 주어야 한다 . 필터는 LPG 용기 내의 녹이나 LPG 중의 불순물들이 모여 연료통로를 막을 수 있으므로 관심을 갖고 점검해 주어야 할 부분이다 .    

주차할 때 주의

LPG 차를 타는 운전자들이 가장 걱정하는 것은 LPG 누설문제이다 .   그러나 LPG 누설은 크게 걱정하지 않아도 된다 .   단지 LPG 냄새가 나는 것은 불완전 연소가 발생했을 때 머플러를 통해 나는 것일 수 있고 에어클리너 불량이거나 연소불량에 의해 냄새가 나는 것이 대부분이다 .   만일 다른 차에 비해 냄새가 많이 난다면 배기가스 점검이나 튠업을 통해 연소상태를 확인받는 것이 좋다 .

그러나 LPG 차는 주차할 때 주의를 기울여야 한다 . 액체 LPG 는 4℃의 물보다 가볍지만 기체 LPG는 0 1℃ 기압의 공기보다 약 1.5~2 배 정도 무겁다 . 따라서 밤새 주차하거나 장기간 주차할 때는 지하 주차장 등 밀폐된 장소에 주차하지 않는 것이 좋다 .   만일 LPG 가 공기 중에 누설되었을 때에는 낮은 장소에 고여 인화 사고의 원인이 될 수 있으므로 항상 통풍이 잘되는 곳에 주차시킨다는 생각을 갖고 있어야 한다 .