EMS 개발 - ⑤ LPG 자동차 개발

정말 오랜 만에 엔진 제어 관련된 글을 포스팅 해보려 합니다.

긴 여행을 마치고 블로그에 복귀해서 엔진 제어 글을 쓰는 것은 처음이네요.

이번 포스팅 주제는 엔진 제어 개발 관점에서의 LPG 자동차 개발입니다.

 

* 관련글

 

2010/11/04 - [띠띠빵빵/엔진제어] - EMS 개발 - ④ 자동차 OBD 개발 II

 

2010/10/31 - [띠띠빵빵/엔진제어] - EMS 개발 - ③ 자동차 OBD 개발 I

 

2010/10/28 - [띠띠빵빵/엔진제어] - EMS 개발 - ② 자동차 운전성 개발

 

2010/10/22 - [띠띠빵빵/엔진제어] - EMS 개발 - ① 자동차 시동성 개발

 

 

 

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LPG 충전중

 

1. LPG 연료 특성

 

  먼저 LPG 자동차의 연료로 사용되는 LPG에 대해서 살펴보겠습니다.

LPG는 Liquefied Petroleum Gas의 약자로, 기체상의 탄화수소를 액화시킨 혼합물로써, 프로판(Propane)과 부탄(Butane)으로 구분하여 사용되지만, 자동차 연료로 사용되는 LPG의 경우에는 프로판과 부탄을 적정 비율로 섞어서 사용하게 됩니다.

  프로판의 경우에는 대기압 상태에서 -42.1°C 이하로 냉각시키거나 상온에서 7kg/cm² 이상으로 압력을 가하면 쉽게 액화되며, 부탄은 -0.5°C 이하 냉각 또는 2kg/cm² 이상 압력으로 더욱 쉽게 액화시킬 수 있습니다. 따라서 아래 그림과 같이 자동차용 LPG 연료는 여름용, 겨울용 구분이 있습니다. 보시는 바와 같이 겨울용(15~35 Mol%)이 여름용(10 Mol%)보다 프로판 성분 비율이 더 높습니다. 그 이유는 위에서 언급했듯이 기화점이 프로판의 경우 -42.1°C로써, 부탄(-0.5°C)보다 훨씬 낮기 때문입니다. 우리나라 겨울철 최저 온도가 약 -25°C라고 봤을 때, 겨울에도 프로판은 기체 상태가 될 수 있습니다.

  인젝터에서 분사된 액상의 LPG가 기상으로 증발하여 실린더 내에서 폭발을 일으키는 것이기 때문에 겨울처럼 기온이 낮을 때는 프로판이 많이 섞일수록 시동을 걸기 수월합니다.

 

LPG 품질규격 (출처 : 대한 LPG 협회 홈페이지)

  가솔린의 경우에는 이론 공연비가 14.7 : 1 으로써, 제어 개발 시에도 계산된 공기량 대비 이론 공연비를 반영하여 분사될 연료량을 계산하게 됩니다. 반면에 LPG의 경우에는 이론 공연비를 15.6 : 1 로 산정하여 개발을 합니다. 이것은 연료의 분자식 및 화학반응식을 반영하여 얻어진 값입니다.

 

2. LPG 자동차의 제어 개발

 

  위에서 살펴본 것처럼 국내에서 판매되는 LPG 자동차를 개발하기 위해서는 여름용, 겨울용 2가지 연료를 사용하여 개발하게 됩니다. 그 이유는 프로판과 부탄의 혼합 비율에 따라 연료 특성이 달라지기 때문입니다. 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)의 분자식에서도 볼 수 있듯이 부탄의 경우 탄소(C), 수소(H) 분자가 더 많기 때문에 동일한 조건으로 연료를 태웠을 때 부탄이 더 농후(Rich)하게 됩니다. 따라서 여름용 연료를 태우면 배기가스가 상대적으로 희박(Lean)하고, 겨울용 연료는 농후하기 때문에, 엔진 제어 개발 시에는 그 중간에 개발 타겟을 세우고 개발에 임하게 됩니다.

 

  LPG 성분 비율은 엔진 제어 개발 항목들 중에서도 시동성 개발에 가장 큰 영향을 끼칩니다. 이는 성분 비율에 따라서 연료의 농후한 정도(Richness)가 달라지며, 연료의 기화 특성도 급격히 차이나기 때문입니다.

 

  그리고 가솔린과 비교를 했을 때, 상대적으로 HC, CO는 적게 배출되는 반면에 NOx는 많이 배출되는 경향이 있어, 배기가스 규제를 만족시키기 위한 제어 개발 시에 NOx를 중점적으로 개발하게 됩니다.

 

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