차단밸브를 부착한 LPLI 인젝터 팁에서의 빙결 현상 연구

Abstract

청정연료의 하나로 사용되는 LPG엔진은 높은 출력, 빠른 응답성능, 정밀한 제어를 위해 기존의 기화기식 믹서 방식에서 액상의 LPG를 흡기 매니폴드에 직접 분사하는 LPLI 방식으로 연료 계통이 발전이 이루어져 TLEV규제에 만족하는 LPLI 인젝터가 개발 생산되고 있다. LPLI 인젝터가 TLEV 규제를 넘어 다가오는 초저공해자동차(ULEV) 규제에 대응하기 위해서는 연료 누설 문제를 해결해야 하며 이를 위해 인젝터에 차단(Shut-off) 밸브를 적용하는 방안이 연구 개발 중이다. 차단밸브 적용 방안이란 차단밸브를 인젝터의 어댑터에 설치하여 연료 이송 튜브를 단속함으로써 연료 누설을 방지하는 방법이다. ULEV 대응을 위한 차단밸브 적용 LPLI 인젝터는 차단밸브의 설치로 인해 TLEV 대응 인젝터에 비하여 연료 이송 튜브가 길어지고 어댑터의 구조가 복잡해졌다. 이러한 변화는 TLEV 대응 인젝터에서는 발생하지 않은 어댑터 팁에서의 빙결현상을 유발할 수 있다. 빙결 현상이란 인젝터 팁 부위가 분사되는 액상 LPG의 기화열 흡수로 인해 과도 냉각되어 흡입공기 중의 습기가 얼어 붙는 현상으로, 여기서 발생한 얼음 조각이 엔진 실린더로 유입되면 불완전 연소를 유발하여 엔진의 출력 저하 및 HC 과다 배출 문제를 일으킨다. 차단밸브 형 인젝터의 빙결현상을 연구하기 위하여 인젝터에 대한 가시화, 배기가스 분석과 인젝터 온도 특성 분석 방법 등을 사용하였다. 다양한 엔진 조건에서의 실험을 통해 차단밸브 형 LPLI 인젝터에서 발생하는 Icing(빙결현상)은 발생 부위에 따라 크게 두 종류로 분류됨을 발견하였다. 첫 번째 Icing은 인젝터 어댑터의 과도한 냉각에 의해 흡입 공기 중 수분이 어댑터의 표면에 얼어붙어 발생하는 Icing으로 인젝터와 매니폴드의 열 전달을 활성화시켜 어댑터의 온도를 높여 줌으로써 방지할 수 있다. 두 번째 Icing은 어댑터 속에 위치한 연료 이송 튜브(테플론 관)에서 발생하는 Icing으로 외부 공기가 인젝터 팁의 연료 분사구 주위로 유입되는 것을 억제하여 방지할 수 있었다. 각 Icing 억제 방법을 인젝터에 적용하여 향상되는 Icing 억제 효과를 엔진 실험을 통해 확인하였다. 차단밸브 형 인젝터 팁에서의 빙결 현상을 연구하여 이때 발생한 빙결 현상은 어댑터와 매니폴드의 접촉 면적 증가를 통한 열 전달 향상과 Shroud를 이용한 외부 공기 접촉 차단 방법으로 방지할 수 있다.