[2005 신년특집] LPG 자동차의 개발 동향과 개선 과제
[2005 신년특집] LPG 자동차의 개발 동향과 개선 과제
  • 승인 2005.01.05 00:20
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LPG버스, 세계 시장 공략 멀지 않다
▲ 강건용 한국기계연구원 박사
국내외 LPG자동차 현황



1) LPG자동차는 세계적으로 약 942만여대가 운행 중

2003년 말 기준 약 942여만대가 운행 중이며 우리나라가 172여만대로 세계 1위(LPG사용량-374만톤 세계 1위, 충전소는 1200여개소)로 주로 택시나 RV자동차 등의 중소형차량에 이용되고 있다. 이러한 LPG자동차는 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)가 적게 배출되며 미세입자(PM)는 전혀 생성되지 않을 뿐 아니라 장기간에 나타나는 유해물질인 알데히드, 벤젠 등도 가솔린차량이나 디젤차량에 비해 현저히 적게 배출되기 때문에 세계 각국에서 저공해차로 지정되어 보급이 장려되고 있다.



2) LPG버스는 세계적으로 약 11,000여대가 운행 중

유럽국가, 미국, 중국에서 주로 많이 이용되며 주로 경유차량의 대체용으로 보급이 확대되고 있다. 미국에서는 주로 스쿨버스로 중국에서는 시내버스로 사용 중이다. 2005년경의 보급대수는 약 2만대 이상으로 예상된다.



3) 국내의 LPG버스

유럽의 LPG엔진을 수입해 시범운행(3대)을 2001년부터 1년간 10만km 운행으로 배기가스저감, 소음저감 및 승차감 등에서 양호한 결과를 얻었으나 믹서방식으로 인한 출력부족(240마력급)으로 고출력이 요구되는 한국형 LPG엔진의 개발 필요성을 확인했다.



저공해 LPG엔진 및 버스 개발사업 개요



1) 제3세대 LPG엔진개발 및 환경부 인증

1999년~2002년(3년간), LPG수입사(SK가스/E1)가 56억원을 투자해 주관기관을 한국기계연구원으로해 씨멘스 오토모티브(주), 모토닉(주)의 참여기관과 자동차부품연구원, 서울대, KAIST, 한양대 등 11기관의 컨소시엄을 구성해 개발했다. 최신의 제3세대 LPG 액상분사방식을 적용하고 연소시스템의 최적화를 통한 성층연소방식을 도입해 한국형 대형 LPG엔진을 개발했으며 개발엔진의 출력 및 배기성능을 환경부로부터 인증 받아(2002. 6, 290마력, EURO-IV 배기규제 만족), 경유엔진이나 천연가스엔진과 동급의 출력성능(290마력급)과 유럽의 2005년 배출가스 규제치를 만족하는 저공해성을 보였다.



2) 저공해 LPGi버스 개발

2001년~2003년(2년간), 산자부(청정에너지개발사업), SK가스/E1, 16억원

LPG액상분사식 엔진탑재 LPGi버스를 개발하여 시내버스노선에 투입 운행한 결과, 기존 LPG버스 대비 연비 30% 향상 확인됐다.

ㅇ 저공해 LPGi버스 개발 및 시험운행사업

- 산자부에서 2년간(2001~2003) 16억원의 투입하여 개발된 국산 LPG 액상분사식 엔진을 탑재한 LPGi 버스를 개발하고 이를 대전지역에서 모래주머니를 싣고 노선 시험운행을 실시했으며 그 결과 LPGi버스의 출력, 배출가스 및 내구성능에서도 CNG버스와 대등한 결과를 나타냈다. 실제노선운행 평가(2만5,000km운행)를 통한 경제성·안전성을 입증해 LPGi버스 시내 주행연비 : 1.61km/ℓ, 고속도로 연비 : 2.1km/ℓ를 확인했다. 이는 외국의 동급버스의 연비인 1.25km/ℓ보다 매우 우수한 성능이다.



저공해 LPGi버스 우수성



1) LPGi버스의 우수성

ㅇ 최신 제3세대 액상분사방식 적용

· 종래의 LPG차량(믹서, 제2세대)과 차별성을 갖는 LPG액상분사기술(LPLi, Liquid Phase LPG Injection)의 최신 제3세대 LPG엔진을 개발해 세계최초로 대형엔진에 탑재했으며 겨울철 냉시동성과 출력저하 문제를 해결함은 물론 유해배기가스를 기존 믹서기술에 비해 4분의 1로 현저히 줄이는 장점을 가진다.



ㅇ 핵심기술에 대한 특허확보 및 기술이전

· 한국기계연구원 LP가스엔진연구사업단에서 저공해 LPGi버스 기술에 대한 국내외 59편의 논문을 발표했으며 관련특허는 25건을 출원했다. 자동차제작사 및 관련부품 생산업체와의 유기적인 협력체계를 이뤄 기술지원 또한 매우 활발히 이뤄져 총 17건이 기술이전 됐고 현재 LPLi관련 세계 최고의 기술력을 가지고 있으므로 최적의 수출보급시기를 맞이하고 있다.



2) CNG 위주의 정부정책의 대안제시 필요

ㅇ 실제노선 시험운행을 통한 경제성 및 안전성 입증

3개월간, 대전지역 실제노선에서 모래주머니를 탑재하고 운행 (25,000km)

LPGi버스 시내 주행연비 : 1.61km/ℓ, 고속도로 연비 : 2.1km/ℓ

이상의 결과는 기존 LPG버스의 연비인 1.25km/ℓ보다 30% 향상된 성능이다.

이를 바탕으로 경제성 검토결과 1년간 직접 운영비는 CNG버스가 유리하며 사회적비용까지 고려하면 LPGi버스와 CNG버스가 비슷하며 경유버스에 비하여 매우 유리하다.



3) LPG 액상분사(LPLi) 시스템, 제3세대 연료공급방식



LPG 액상분사식(Liquid Phase LPG injection, LPLi) 연료공급방식이란 기존의 LPG 믹서시스템이 액상연료를 기화시켜 기계적인 방법으로 기체연료를 엔진에 공급하는데 비해 LPG 연료를 연료펌프를 이용해 가압으로 액상상태를 유지한 후 이를 이송해 전자식 인젝터를 통해 고압정밀 분사하는 제3세대 연료공급방식을 말한다.

LPLi 방식의 장점으로는 연료밀도가 증가해 엔진의 출력이 10-15% 상승하고 전자식 정밀제어로 인해 배기가스 유해물질이 현저히 저감된다. 또한 고압분사로 LPG 미립화가 촉진돼 겨울철 냉시동성 문제 해결과 겨울철 워밍업 전 엔진의 토오크 불안정성이 완전히 해결된다. 그리고 고압정밀제어 연료분사로 인해 운전자가 느끼는 가속성 및 차량의 응답성이 현저히 상승한다. 따라서 지금까지 LPG 차량에서 나타났던 출력부족과 냉시동성 문제 등이 가솔린차량 수준으로 향상되며 LPG 연료가 갖는 청정성을 차량에서 그대로 구현시킬 수 있는 선진기술이라 할 수 있다.

여기서 지금 우리가 LPG 자동차에서 현재 사용하는 믹서방식은 가솔린 자동차에서 기화기에 해당된다고 볼 수 있겠고 LPLi 방식은 가솔린 MPI 방식에 해당되는 기술이다. 지금까지 LPG 연료의 청정성에만 의지해 연료공급 시스템의 기술발전이 가솔린 자동차보다 늦어진 것이다.

결론적으로 차량실험 결과에 의하면 LPG 믹서차량에 비해 LPLi 방식의 차량은 출력성능이 약 15% 정도 증가해 동급 가솔린차량과 대등한 가속성능 및 출력을 내고 있으며 연비도 약 7~9% 개선되는 것으로 평가되고 있다. 배출가스성능도 2006년 규제예정인 ULEV을 만족할 수 있는 대안으로 제시되고 있다.



국내의 문제점 및 해결방안



LPG자동차는 세계적으로 920만대 운행 중에 있으며 유럽을 비롯한 선진국에서는 대형 경유차량의 대체용으로 보급이 확대되고 있다. 주로 소형차에 적용되고 있는 우리나라와는 많이 다른 상황이다. LPG자동차는 연료의 청정성으로 인해 직접규제물질인 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)는 적게 배출되며 미세입자(PM)가 전혀 생성되지 않을 뿐 아니라 장기간에 나타나는 유해물질인 알데히드, 벤젠 등도 가솔린차량이나 디젤차량에 비해 현저히 적게 배출되기 때문에 세계 각국에서 저공해차로 지정돼 보급이 장려되고 있기 때문이다.

국내에서는 저공해차량에 대한 개념이 아직 확산되지 않고 있다. CNG버스가 5천여대 보급 중에 있어 저공해차량에 대한 관심을 갖게 했지만 수량 면에서 미미하기 때문이다. LPG자동차 또한 현재 172만 여대가 보급되고 있지만 가솔린차량에 비해 저공해성은 크게 구현되지 못하고 있는 실정이고 이것은 국내 LPG엔진기술의 낙후성에 기인한다고 본다. 현재 적용되는 기술은 1980년대 실용화된 제2세대 기술인 믹서방식으로서 응답속도가 느리고 수동으로 조작이 가능한 카브레타 방식이라고 할 수 있다. 이것은 정부에도 책임이 있으며 LPG자동차의 배기가스 규제를 가솔린차량과 같은 수준으로 이끌어가지 못한 것이 문제라고 생각한다.

다행스럽게 이러한 문제의 해결책으로 KIMM의 LP가스엔진연구사업단을 시작으로 새로운 LPLi연료기술이 국산화 개발되었고 이를 자동차 제작사에서 승용차량에 적용 상용보급을 시작한 것은 매우 고무적인 일이다. 또한 정부에서도 저공해자동차 개발을 적극유도하고 보급이 가능하도록 정책을 입안하고 있으며 외국에서와 같이 저공해자동차제도를 도입하고 차기 배기가스 규제치를 만족하는 모든 자동차를 저공해자동차로 지정해 인센티브 부여를 통해 보급을 확대하고자 하는 법안을 준비 중인 것은 매우 바람직한 일이며 이를 통해 값싸고 편리한 저공해자동차가 더 많이 보급되는 풍토가 조성될 것으로 보인다.



KIMM LP가스엔진연구사업단의 개발사업, 향후계획



1) 시작차 시험운행(제주)

· 2005년~2006년(1년간), 대한LPG산업환경협회(LPG수입사)

· LPGi버스 시작차량 1대를 제주시 공영시내버스 노선에서 시험운행 실시예정

· 2003년 12월 제주시와 협약식



2) NIS (국가기술혁신체계) 사업 선정

· 국가기술혁신품목 선정되어 대형 국책사업으로 진행 중

· Cash-Cow 역할, 범정부 차원에서 실용화 및 수출 집중지원

· LPG버스 시범운행사업

- 주요 부품의 모듈화기술로 상품화된 LPG버스의 시범운행(10대 규모)을 통한 제품의 신뢰성/경제성 입증(제주시)

- LPG버스의 전국적인 운행확대 및 이를 근거로 정부에서 LPG버스의 보급지역 및 인센티브제도 확정

· LPG버스 부품 모듈화/상용화 개발사업

- 시작차량용 EMS 및 촉매장치의 상품모듈 상용화 개발

- 경유버스의 LPG버스로의 엔진/연료시스템 변환 모듈화 기술개발을 통한 LPG버스의 상품성/가격 안정화

저공해 LPGi버스

보급정책 제정



3) 일본과의 국제공동연구 수행 (첨부자료 참고)

· 2004.10~11 (32일간)의 동경지역 시범운행사업의 성공적 수행

· 일본 측의 적극적인 대형 LPG엔진에 대한 수요 및 공동연구 러브콜



LPG자동차에 대한 소감



앞으로는 청정연료 시대다. 청정연료를 만드는 기술을 가진 나라가 차량개발의 주도권을 가질 수 있을 것이다. 우리가 만든 친환경 LPG버스는 자동차 강국인 일본에서도 수입을 검토할 정도로 우수한 기술력을 갖춘 높은 수준의 버스로 세계시장으로 공략을 시작했다. 이러한 연구결과를 국내에서도 적극적인 보급 활성화를 통해 연구가 연구로만 끝나는 것이 아니라 그러한 결과가 상용화를 통하여 다시 국민 속으로 들어가 삶의 질을 향상시킬 때 연구자로서의 자부심을 느낄 수 있으며, LPG버스의 세계시장 공략이 그러한 노력의 일환이 되기를 바란다.


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