자동차공학)LPG 엔진의 연료공급 시스템 (FBM 방식)

LPG 연료공급시스템은 FBM 방식과 LPI 방식이 있고 이 두 시스템의 연료공급계통은 다르다. FMB 방식은 LPG 봄베의 압력에 의해 연료가 베이퍼라이저에 도달하게 된 후 액상에서 기상으로 변환되어 기체상의 연료가 믹서로 공급된다. 이에 대하여 LPI 방식은 연료펌프에 의해 5~15 bar의 고압으로 송출하여 액상 연료를 직접 인젝터를 통하여 분사하는 구조로 되어 있다. 따라서 LPI 시스템은 FBM 방식의 베이퍼라이저, 믹서 등의 부품은 필요 없고 그 대신 LPG용 인젝터, 연료펌프, ECU 및 압력 레귤레이터 등이 필요하게 된다. 두 시스템 중 FBM 방식에 대하여 알아보자.

 

FBM 방식은 무엇인가?

 

1. LPG 봄베

2. LPG 필터

3. 긴급차단 솔레노이드

4. 베이퍼라이저

5. 슬로우 컷 솔레노이드밸브

6. 믹서

 

1. LPG 봄베

LPG 봄베는 FBM방식이나 LPI 방식이나 모두 사용한다. 이것은 LPG를 충전하기 위한 고압 용기이며 기상밸브(황색), 액상밸브(적색), 충전밸브(녹색) 등 3가지 밸브와 용적 표시 시계, 액면 표시계 등의 지시장치가 부착되어 있다. LPG 봄베는 인장강도 41kgf/cm^2의 내압시험과 파괴시험에 견디도록 제작된다. 실제 봄베의 강성은 자동차의 강성보다 매우 커 내압으로는 100kgf/cm^2 정도까지 충분히 견딜 수 있다.

 

2. LPG 필터

LPG 필터는 긴급차단 솔레노이드밸브 앞에 설치되어 타르나 유황분, 저장용기 내의 철분등의 분순물을 여과한다. LPG 필터는 바디, 캡, 필터 엘리먼트, 오링(O-ring)으로 구성되어 있으며 필터 엘리먼트는 분해 및 청소가 가능하고 LPG 증기압에 충분히 견딜 수 있는 강도로 설계된다. 필터 엘리먼트 내부는 다공질의 세라믹 물질로 되어 있어 불가용성의 불순물이나 먼지 등을 여과하고 또한 영구자석이 부착되어 있어 미세한 부유 철분 등을 흡착하도록 되어 있다. LPG 필터는 긴급차단 솔레노이드와 일체가 되어 LPG 솔레노이드 유니트로 제작된다.

 

3. 긴급차단 솔레노이드

자동차 주행 중 돌발사고로 인하여 엔진이 정지하게 되면 엔진 ECU는 OFF되어 엔진룸에 설치되어 있는 액, 기상 솔레노이드밸브와 긴급차단 밸브에 전원을 차단하여 긴급차단 솔레노이드밸브(emergency cut solenoid valve)를 OFF 시킨다.

솔레노이드의 작동은 코일 속에 플런저가 잇고 코일에 전류가 흐를 때 발생하는 자력에 의해 플린저가 지지스프링의 힘을 이겨 움직이면 닫혀 있던 연료통로가 열리게 된다. 전류가 흐리지 않을 때는 LPG 증기압과 지지스프링 힘에 의하여 시트가 플런저에 의해 닫히게 되어 연료는 흐르지 않는다.

 

4. 베이퍼라이저

베이퍼라이저(vaporizer)는 액상의 LPG를 기체로 변환시키는 장치이다. 액상의 LPG가 기체상태로 될 때는 기화 잠열이 필요하므로 베이퍼라이저의 온도가 낮아지고, 고속 주행시에는 충분한 양의 연료를 기화시킬 수 없게 된다. 이를 위하여 베이퍼라이저에는 냉각수 통로가 설치되어 기화에 필요한 열을 공급하고 있으며 1차실, 2차실, 2차록 솔레노이드밸브, 슬로우 컷 솔레노이드밸브로 구성되어 있다.

 

1차실 : 1차실은 연료의 압력을 연료의 소비량, 출력의 관점에서 2가지를 만족시킬 수 있도록 1차 압력 조절기구를 갖고 있으며 연료의 압력을 약 3kgf/cm^2으로 감압한다. 작동원리는 LPG 봄베 내의 고압(7~10kgf/cm^2)의 연료가 필터와 솔레노이드밸브를 통해 베이퍼라이저의 입구까지 봄베압으로 유입되고, 1차 밸브 시트(seat)를 통과하면서 약 0.3kgf/cm^2으로 감압되어 1차실로 들어오게 된다. 연료의 유입이 계속됨에 따라 압력이 0.3kgf/cm^2보다 높아지면 1차 다이아프램은 상부로 올라간다. 이때 다이아프램에 연결된 후크가 1차 밸브레버를 위로 끌어당겨 1차 밸브를 닫아 연료의 유입을 차단하여 1차실의 압력을 일정하게 유지시킨다. 

 

1차압 밸런스 기구 : 봄베 내의 압력은 외기온도와 연료조성에 따라 변동되고 이 압력은 1차 압력에 영향을 주므로 이를 방지하기 위하여 밸런스 다이어프램과 밸런스로드로 구성되는 1차압 밸런스 기구가 설치되어 있다. 봄베 압력이 높게 되면 다이아프램에 걸리는 압력도 높게 되어 밸런스 로드를 통하여 1차 밸브가 닫히는 쪽으로 작동되어 연료 통로가 좁아지고, 반대로 압력이 낮아지면 반대로 작동하게 되어 1차실의 압력이 항상 일정하게 유지하게 된다.

 

2차실 : 1차실의 약 0.3kgf/cm^2의 연료는 2차 밸브와 밸브 시트 사이를 통과하면서 거의 대기압까지 감압되는 곳이다. 엔진이 회전하고 있을 때 믹서의 벤츄리부에서 발생한 부압에 의해 2차 밸브가 열려 연료는 믹서로 유입된다. 엔진이 정지하게 되면 진공실의 진공이 해제되어 진공록 다이아프램이 아래쪽으로 작동하여 2차 밸브를 닫으므로 연료 유입은 차단된다.

 

5. 슬로우 컷 솔레노이드밸브

전기적으로 솔레노이드밸브를 열어 주며, 시동 시 및 타행(내리막) 주행 시에 필요한 연료량을 추가적으로 공급해 주어 시동성 향상 및 시동 꺼짐을 방지하는 역할을 한다.

 

6. 믹서

믹서는 베이퍼라이저에서 기화된 연료를 공기와 혼합하여 연소에 가장 적합한 혼합기를 연소실에 공급하는 역할을 한다. 피드백 전자제어방식의 유무에 따라 기계식 믹서와 전자식 믹서로 구분한다. 전자식 믹서의 연료 제어는 주조정 스크류(MAS)와 메인 듀티 솔레노이드, 스타트 솔레이노이드에 의해 정해지며 각 센서로 부터 신호에 따라 ECU에 구동된다. 장치별 주요 기능은 다음과 같다.

 

메인 조정 스크류 : 연료 유량을 조저아기 위한 것으로서 가솔린 차에서 메인 제트크기와 같은 역할을 한다. 임의로 조정 시 공연비 제어가 불량해지고 연료 소모, 출력 저하의 원인이 된다.

 

메인 듀티 솔레노이드 : 보조 연료 통로를 개폐하여 공연비를 제어한다.

 

슬로우 듀티 솔레노이드 : 시동 시 각종 부하 시 부족한 연료를 믹서에 공급하여 엔진이 최적의 공연비가 될 수 있도록 엔진 ECU의 신호에 따라 ON/OFF 듀티 제어하여 보조 연료 통로를 개폐한다.

 

스타트 솔레노이드 : 엔진 시동 시, 주행 중 감속시 등의 조건하에서 ECU의 신호에 따라 ON/OFF 제어되어 시동성 향상 및 타행 주행중 시동 꺼짐을 방지하는 역할을 한다.

 

아이들 스피드 컨트롤 액추에이터(ISCA) : 엔진 공회전시 아이들 회전수 안정성을 확보하기 위해 믹서의 스로틀 밸브에 의해 혼합기양을 제어한다. 파워 스티어링, 에이컨 부하 ON시 등의 각종 엔진 부하에 따른 아이들 회전수 저하를 엔진 ECU에서 감지하여 보상되도록 제어하는 전자식 보상장치이다.