자동차공학)LPG 엔진의 연료공급 시스템 (LPI 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 LPI 방식에 대하여 알아보자.

LPI 방식은 무엇인가?

LPG 액상 연료 분사방식의 연료공급시스템은 펌프 모듈, 펌프 드라이버, 레귤레이터 유니트, 인젝터로 구성되어 있다.

 

1. 펌프모듈

2. 펌프 드라이버

3. 레귤레이터 유니트

4. 인젝터

 

1. 펌프모듈

연료펌프는 LPI PCM(IFB)의 신호를 받는 펌프 드라이버에 의해 포화증기압 상태의 LPG를 가압하여 인젝터로 강제 압송하는 역할을 하며 가솔린 연료펌프와 마찬가지로 안전과 기능적인 이유로 연료에 잠겨 작동한다. LPI시스템의 연료 펌프는 가솔린 자동차의 연료 펌프와 다르게 엔진의 운전 상태에 따라 5단계의 속도로 회전한다. 통상적인 연료의 분사압력은 연료라인에서 연료의 온도상승과 압력 강하가 발생하기 때문에 포화증기압 이하로 떨어지지 않도록 탱크 내의 압력에 따라 5~15bar(연료 탱크 내의 통상적인 압력인 1~10bar 대비 +5bar를 유지)를 유지하고 있다. ECM은 압력과 온도 특성과 압력 레귤레이터에서 송출된 자료를 분석하여 인젝터의 연료 분사량을 결정한다. 이것은 LPG 프로판/부탄의 조성이 온도에 따라 압력이 변화하게 되고, 프로판과 부탄의 비점이 각각 -45도, -0,5도이므로 액상 상태로 연료 분사량을 결정하기 어렵기 때문에 연료 탱크 내에 설치된 연료펌프를 구동시키고, 압력 조절기 유니트에 내장된 온도 및 압력 센서로서 LPG 연료상태를 예측하여 보다 정밀하게 연료량을 결정하여 분사가 가능하도록 되어 있다. LPI시스템의 연료 펌프는 크게 펌프 부분과 멀티밸브 부분으로 나뉘어 있다. 연료 펌프 부분은 연료 컷 솔레노이드 밸브, 매뉴얼(수동) 밸브, 릴리프 밸브, 과류방지 밸브로 구성된다.

 

- 과류 방지 밸브(EFV check valve) : 자동차 사고 등으로 인하여 연료 라인이 파손되었을 때, 연료 탱크로부터 연료 송출을 차단하여 연료 방출로 인한 위험을 방지하는 역할을 한다.

 

- 수동 밸브(manual valve) : 장시간 동안 자동차를 운행하지 않을 경우 수동으로 연료라인을 차단하게 해주는 밸브이다.

 

- 릴리프 밸브(relief vavle) : 연료 공급라인의 압력을 액상으로 유지시켜 열간 재시동성 지연을 개선시키는 역힐을 하며,

                                            개구부에 연결된 플레이트와 스프링의 힘에  의해 연료 압력이 20+2kgf/cm^2, 20-2kgf/cm^2에

                                            도달하면 연료를 연료탱크로 재순환시킨다.

 

- 리턴 밸브(return valve) : 압력 1kgf.cm^2 이하에서 열려 연료가 탱크 내로 복귀하게 한다.

 

2. 펌프 드라이버

펌프 드라이버(BLDC 모터)는 연료 펌프 속에 내장되어 펌프의 구동 속도를 엔진 상황에 따라 5단계(500, 1000, 2000, 2800 rpm)로 제어하는 역할을 하며, 연료 펌프가 장착된 부분에 돌출되어 설치되어 있다. 펌프의 회전속도를 5단계로 제어하는 가장 큰 이유는 리턴되는 연료량을 최소(10~15%)로 하여 탱크(봄베) 내 온도 상승을 최소화하고 부하에 따른 회전수 변화로 연료 펌프의 수명을 연장하기 위함이다.

 

3. 레귤레이터 유니트

압력 조절기(pressure regulator)는 연료 탱크에서 송출된 고압의 연료를 다이아프램과 스프링의 균형을 이용하여 연료라인의 압력을 연료 탱크의 압력보다 항상 +5bar로 유지하는 역할을 한다. 또한 연료 압력 조절 이외에 연료 분사량을 보상하기 위한 LPI 가스 압력센서(GPS), LPI 가스 온도 선세(GTS) 및 연료 차단 솔레노이드 밸브를 내장하고 있어 연료 라인의 연료 공급/차단을 제어하는 기능을 한다. 압력 레귤레이터의 스프링 챔버실은 출구 측 압력과 연결되어 있어 항상 연료 탱크의 압력이 형성되며, 연료 압력이 규정 압력을 초과할 때에는 다이아프램이 밀려 올라가게 되고, 이때 연료는 리턴라인을 지나 연료 탱크로 복귀하게 된다.

 

4. 인젝터

LPI용 인젝터는 연료가 하단으로 들어가 중앙 부위로 나오는 보톰 피드(bottom feed)방식이다. 이 방식은 연료가 인젝터의 코일부를 거치지 않아 가열이 적으며 기포가 발생하더라도 기상 연료는 위쪽으로 빠지므로 베이퍼 록(vapor lock)에 유리하다. 인젝터는 포드(pod)에 의해 흡기 매니폴드에 설치된다. 포드는 인젝터를 고정시키고 잉여 연료를 리턴 시키기 위해 사용되는 부품으로써 단열성이 우수한 재질로 만들어진다. 인젝터는 아이싱(icing)을 억제할 수 있는 노즐이 장착되고 연료의 벽면 부착(wall wetting)의 억제와 공기 냉각(air cooling)효과를 얻도록 흡기 포트 쪽을 향하도록 설치된다.