이 논문은 호서대 산업안전기술센터가 지난 8개월(1998, 11. 17∼1999. 6. 11)여간 연구한 최종보고서로 동방에너지(주)의 의뢰로 삼성종합화학에서 생산되는 LPG가 자동차 연료로 적합한가에 대한 타당성 연구이다. <편집자주>
5) 믹서
믹서는 베이퍼라이저에서 기화된 연료를 공기와 혼합하여 연소에 가장 적합한 혼합기를 연소실에 공급하는 역할을 하며, 구조는 그림 19와 같이 1배럴 1벤튜리 수평식이다.
연료제어는 주 조정 스크류와 피드백 솔레노이드에 의해 정해지며, 피드백 솔레노이드는 각각의 센서로부터의 신호에 따라 ECU에 의해 구동된다.
2.4.2 시험 내용 및 방법
2.4.2.1 시동성 시험
시판 LPG의 경우 동절기에 시동성이 문제가 되기 때문에 30%까지 프로판을 혼합하여 사용하고 있다. S-LPG의 경우 프로판을 전혀 혼합하지 않은 상태에서 시동성을 확인하기 위하여 시험기간 동안에 하루 중 기온이 가장 낮은 새벽시간에 실시하였다.
2.4.2.2 도로 주행시험 및 타르 발생량
S-LPG의 자동차 연료 타당성을 검증하기 위하여 주행시험은 6개월 동안에 총 32,000km에 대하여 실시하였다. 주로 주행 중 기관의 정지나 연료공급장치에서 특히 페이퍼라이저에서 LPG의 누설 등이 있는지를 수시로 점검하였다.
또한, 타르는 매 3,000km마다 드레인 콕크를 통하여 수집한 다음 양을 측정한 후 저장하여 보관하였다.
2.4.2.3 섀시 동력계 시험
본 시험에 사용된 섀시 동력계는 (주)환웅기전(MD-100)에서 미국의 MUSTANG Co. 동력계를 개조하여 제작한 수냉식 동력계이며, 섀시 동력계의 개략도는 그림 20과 같다.
1) 주행 모드시험
주행 모드시험에는 임의 속도 모드, 정속도 모드, 정토크 모드, FTP 72, ECE/EC모드, 10 모드 등이 있는데, S-LPG를 사용한 경우와 시판 LPG 동절기용(프로판 16% 혼합)과 시판 LPG 하절기용(프로판 0%)을 사용한 경우에 대하여 동일조건하에서 재연성이 있어야 하므로 운전자에 기능에 따라 시험 결과가 많이 좌우되므로 본 실험에서는 임의 속도 모드를 선택하여 실시하였다. 임의 모드 속도 설정은 0~100km/h까지 400초 동안 설정하여 반복 시험을 실시하였다.
또한, 연료소비량은 주행 모드시험을 하는 동안에 S-LPG를 사용한 경우와 시판 LPG 동절기용(프로판 16% 혼합)과 시판 LPG 하절기용(프로판 0%)을 사용한 경우에 대하여 동일조건하에서 측정하였다.
2) 배기가스
배기가스 측정은 S-LPG를 사용한 경우와 시판 LPG 동절기용(프로판 16% 혼합)과 시판 LPG 하절기용(프로판 0%)을 사용한 경우 각각에 대하여 20~140km/h까지 20km/h씩 속도를 변화시켜 동일조건하에서 배기가스를 측정하였다. 배기가스 측정의 정확도를 위하여 TRONIC(G750) 배기가스 분석기와 HORIBA(MEXA-554JK) 배기가스 분석기를 동시에 사용하여 측정하였다.
2.4.3 시험 결과 및 고찰
2.4.3.1 시동성 시험
S-LPG를 연료로 사용한 자동차에 대한 시동성 시험조건은 습도 39~90%, 대기온도 -12℃∼+32℃에서 150회 이상 실시하였는데 시동성은 매우 양호하였다. 그러므로 시판 LPG경우 동절기에 시동성을 위하여 프로판을 30% 혼합하여야 되지만 S-LPG의 경우 동절기에도 대기온도 -12℃까지는 프로판을 혼합하지 않아도 난기시동성에 문제가 없을 것이다.
대기온도 -12℃ 이하인 경우에 시험은 조건상 시험할 수가 없었으나 앞으로 실험을 통하여 검증할 필요가 있다.
2.4.3.2 주행시험
주행시험은 S-LPG를 연료로 사용하여 주행거리 약 32,000km에 대하여 실시하였다. 주행시험 중 기관 정지 등의 문제는 전혀 발생하지 않았으며, 연료공급장치에도 가스누설 등의 이상 징후가 발생하지 않았다. 또한, 엔진오일의 희석정도를 수시로 점검하고 정기적으로 10,000km 주행 후 교환하였는데, 기존 LPG 연료 사용 자동차와 차이가 없었다.
표 14는 주행거리 약 32,000km에 대한 주행시험에서 채취한 타르 발생량을 나타낸 것이다. 표에서 보는 바와 같이 처음에는 S-LPG의 경우시판 LPG 수준 1.5ppm보다 상당히 많은 타르가 나왔으나, 연구기간 중에 운전 및 공정개선 등의 효과로 타르의 발생량이 현저히 감소하는 결과를 얻을 수 있었다.
2.4.3.3 섀시 동력계 시험
1) 주행 모드 시험
그림 21은 S-LPG를 사용한 경우와 시판 LPG 동절기용(프로판 16% 혼합)과 시판 LPG 하절기용(프로판 0%)을 사용한 경우 각각에 대하여 주행 모드시험 결과를 자동차 속도에 따른 구동 토크와 구동 출력과의 관계를 나타낸 것이다.
그림 21에서 보는 바와 같이 40, 60, 80, 100km/h 각각에서 구동 토크와 구동 출력이 같은 경향을 보이면서 시판 LPG 동절기용(프로판 16% 혼합)보다 S-LPG와 시판 LPG 하절기용(프로판 0%)이 평균 6%의 출력 향상을 보이고 있음을 알 수 있다. 그러므로 S-LPG가 동절기에는 평균 6%의 출력 향상을 보인다고 할 수 있다. 이는 프로판 혼합에 따른 출력 감소라고 사료된다.
또한, 연료소비량은 S-LPG를 사용한 경우 평균 8.7km/ℓ, 시판 LPG(프로판 0%)를 사용한 경우 평균 8.5km/ℓ, 시판 LPG(프로판 16% 혼합)를 사용한 경우 평균 8.3km/ℓ의 소비량을 보이고 있음을 알 수 있었다. 그러므로, S-LPG가 시판 LPG(프로판 0%)보다는 평균 2%, 시판 LPG(프로판 16% 혼합)보다는 평균 5%의 연료 절약효과가 있다. 이는 S-LPG를 사용한 경우 연소특성이 개선되었기 때문이라고 사료된다.
2) 배기가스
그림 22~24는 자동차의 속도에 따른 CO, HC, NOx의 배출량 측정 결과를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 모두 허용기준(CO:1.2% 이하, HC:400ppm이하, NOx:기준 없음)보다 유해 배기가스가 현저히 감소함을 알 수 있으며, 특히 S-LPG의 경우가 시판 LPG보아 적게 나타나고 있다.