자동차 용LPI INJECTOR CUT-OFF SOLENOID 기술 개발 · 2011-12-20 · lpg lpi시스템과...

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자동차 용자동차 용자동차 용자동차 용LPI INJECTOR CUT-OFFLPI INJECTOR CUT-OFFLPI INJECTOR CUT-OFFLPI INJECTOR CUT-OFF

기술 개발기술 개발기술 개발기술 개발SOLENOIDSOLENOIDSOLENOIDSOLENOID

연구수행기관연구수행기관연구수행기관연구수행기관

주 대국엔지니어링주 대국엔지니어링주 대국엔지니어링주 대국엔지니어링( )( )( )( )

산업자원부산업자원부산업자원부산업자원부

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제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 자동차 용 개발에 관한 기술개“ LPI INJECTOR CUT OFF SOLENOID

발 개발기가 과제의 최종보고서로 제출합니다”( : 2004.12.~2005.11.) .

2005. 11. 30.2005. 11. 30.2005. 11. 30.2005. 11. 30.

주관기관주관기관주관기관주관기관 :::: 주 대국엔지니어링주 대국엔지니어링주 대국엔지니어링주 대국엔지니어링( )( )( )( ) 대표자 박 국 현 인대표자 박 국 현 인대표자 박 국 현 인대표자 박 국 현 인( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )

참여기업참여기업참여기업참여기업 :::: 하이테크하이테크하이테크하이테크CDKCDKCDKCDK 대표자 박 우 현 인대표자 박 우 현 인대표자 박 우 현 인대표자 박 우 현 인( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )

취탁기관취탁기관취탁기관취탁기관 :::: 사 경북대 공학설계기술원사 경북대 공학설계기술원사 경북대 공학설계기술원사 경북대 공학설계기술원( )( )( )( ) 대표자 안 광 선 인대표자 안 광 선 인대표자 안 광 선 인대표자 안 광 선 인( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )

총괄책임자총괄책임자총괄책임자총괄책임자 ːːːː 대표이사 박국현대표이사 박국현대표이사 박국현대표이사 박국현

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 ːːːː 개발실장 김재현개발실장 김재현개발실장 김재현개발실장 김재현

〃〃〃〃 ːːːː 개발과장 신철환개발과장 신철환개발과장 신철환개발과장 신철환

〃〃〃〃 ːːːː 대 표 박우현대 표 박우현대 표 박우현대 표 박우현

〃〃〃〃 ːːːː 개발계장 이재춘개발계장 이재춘개발계장 이재춘개발계장 이재춘

〃〃〃〃 ːːːː 교 수 권순범교 수 권순범교 수 권순범교 수 권순범

〃〃〃〃 ːːːː 박사과정 이동원박사과정 이동원박사과정 이동원박사과정 이동원

〃〃〃〃 ːːːː 석사과정 박정명석사과정 박정명석사과정 박정명석사과정 박정명

〃〃〃〃 ːːːː 석사과정 이 삭석사과정 이 삭석사과정 이 삭석사과정 이 삭

지역산업진흥사업 관리지침에 따라 보고서 내용을 관련기관에 널리 배포함에 동의합니지역산업진흥사업 관리지침에 따라 보고서 내용을 관련기관에 널리 배포함에 동의합니지역산업진흥사업 관리지침에 따라 보고서 내용을 관련기관에 널리 배포함에 동의합니지역산업진흥사업 관리지침에 따라 보고서 내용을 관련기관에 널리 배포함에 동의합니

다다다다....

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지역산업기술개발사업 보고서지역산업기술개발사업 보고서지역산업기술개발사업 보고서지역산업기술개발사업 보고서

지역산업공통기술개발지역산업공통기술개발지역산업공통기술개발지역산업공통기술개발( )( )( )( )

관리번호관리번호관리번호관리번호

과 제 명과 제 명과 제 명과 제 명 자동차 개발LPI INJECTOR CUT-OFF SOLENOID

키 워 드키 워 드키 워 드키 워 드 Injector/Injector Cut-off Solenoid/LPI/Icing/Engine

개발목표 및 내용개발목표 및 내용개발목표 및 내용개발목표 및 내용

최종목표최종목표최종목표최종목표1.1.1.1.

기존 출구에 누설 방지용 전자 솔레노이드를 설치 시동을 끈 후에도 실린더injector ,

속으로의 누설이 완전히 방지되어 엔진 휴지시 누설로 인하여 발생했던 시동성 불량 시,

동 시 불완전 연소에 의해 유해 가스의 배출 등의 문제를 해소할 수 있는 자동차용LPI

를 개발하고자 하였고 기존 네덜란드 비알레 의 시스템Injector Cut-off Solenoid , LPI社

용 와 누설 방지용 가 장착된 새로운 를 설계injector Injector Cut-off Solenoid injector

및 제작하여 분사 성능을 평가하였다.

개발내용 및 결과개발내용 및 결과개발내용 및 결과개발내용 및 결과2.2.2.2.

누설 방지용 를 장착한 에 대하여 성능 시험을 수행Injector Cut-off Solenoid injector

하였다 의 가 강화 고무로 제작되었기 때문에 금속. Injector Cut-off Solenoid valve seat

제 과 달리 누설이 완전히 차된되었다 실험의 모든 경우에 있어서 기존needle . injector

와 동일한 유량이 확보되었으며 테플론 튜브 직경을 크게 할수록 압력 강하가 낮아서,

실린더 내로 액상이 가 잘 분사되었다 플런저 형상은 별모양 구형 방향 편치형LPG . , 6 , 2

의 순서로 좋은 분사 성능을 나타내었다 분사구 형상에 있어서 가공한 경우가 가. taper

장 좋은 성능을 가졌으나 가공상의 어려움으로 인하여 동일한 성능을 나타내는 직경

길이 의 테플론 튜브를 선택하였다 열전달 면적을 확대시키기 위해1.0mm 2mm .

부 직경을 키운 경우 은 발생하였지만 큰 덩어리로 발달하지 못하고 즉시adapter icing ,

이탈되어 에 의한 부적절한 현상을 줄이는 효과를 얻었다 의 내구성 시icing . Valve seat

험을 통하여 만 회 이상 작동하여도 기밀 성능에 이상없는 적절한 재료임이 판명되었6

다.

기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과3. ( )3. ( )3. ( )3. ( )

본 과제의 개발이 성공적으로 완수되면 현재 세계 시장 규모가 억원 국내 시장규415 ,

모는 억원으로 추산되며 연간 차량 증가율이 정도로 파악되어 성장성이 있으므70 10%

로 그 시장성은 충분하다고 판단되며 향후 엔진 출력의 증대에 대한 연구를 심층적으로,

수행한 후 중대형 승용차 이외의 중소형 승용차 등에도 확대 적용하여 수출 증대 및 유,

해 배기가스 저감에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

적용분야적용분야적용분야적용분야4.4.4.4.

현재 본사가 그 개념에 대한 내용을 국내 특허 출원 중이며 각종 시작품을 제작하고,

있고 일부 모델은 실제 현대 기아 자동차의 렌트 영업용 자, GRANDEUR-XG, OIRUS( ,

동차 에 장착되어 운행되고 있다 또한 기술 개발이 완료되면 그 성능의 우수성을 바탕으) .

로 하여 내수 및 해외 수출을 확대할 방침이다.

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목 차목 차목 차목 차

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

초 록초 록초 록초 록

목 차목 차목 차목 차

제 장 개 요제 장 개 요제 장 개 요제 장 개 요1111

제 절 연구의 배경 및 내용제 절 연구의 배경 및 내용제 절 연구의 배경 및 내용제 절 연구의 배경 및 내용1111

연구의 필요성연구의 필요성연구의 필요성연구의 필요성1.1.1.1.

제 절 관련 기술의 동향제 절 관련 기술의 동향제 절 관련 기술의 동향제 절 관련 기술의 동향2222

국내 관련 기술의 동향국내 관련 기술의 동향국내 관련 기술의 동향국내 관련 기술의 동향1.1.1.1.

국외 관련 기술의 동향국외 관련 기술의 동향국외 관련 기술의 동향국외 관련 기술의 동향2.2.2.2.

제 절 연구 개발 시 예상 파급 효과 및 활용 방안제 절 연구 개발 시 예상 파급 효과 및 활용 방안제 절 연구 개발 시 예상 파급 효과 및 활용 방안제 절 연구 개발 시 예상 파급 효과 및 활용 방안3333

수급 동향 및 전망수급 동향 및 전망수급 동향 및 전망수급 동향 및 전망1.1.1.1.

가 세계 수급 동향 및 전망가 세계 수급 동향 및 전망가 세계 수급 동향 및 전망가 세계 수급 동향 및 전망....

나 국내 수급 동향 및 전망나 국내 수급 동향 및 전망나 국내 수급 동향 및 전망나 국내 수급 동향 및 전망....

시장 현황 및 사업화 전망시장 현황 및 사업화 전망시장 현황 및 사업화 전망시장 현황 및 사업화 전망2.2.2.2.

가 시장 규모가 시장 규모가 시장 규모가 시장 규모....

나 사업화 추진 형황 및 향후 추진 계획나 사업화 추진 형황 및 향후 추진 계획나 사업화 추진 형황 및 향후 추진 계획나 사업화 추진 형황 및 향후 추진 계획....

사업화 추진 형황 및 향후 추진 계획사업화 추진 형황 및 향후 추진 계획사업화 추진 형황 및 향후 추진 계획사업화 추진 형황 및 향후 추진 계획1)1)1)1)

매출 실적 및 계획매출 실적 및 계획매출 실적 및 계획매출 실적 및 계획2)2)2)2)

무역 수지 개선 효과무역 수지 개선 효과무역 수지 개선 효과무역 수지 개선 효과3)3)3)3)

제 장 기술 개발의 목표 및 범위제 장 기술 개발의 목표 및 범위제 장 기술 개발의 목표 및 범위제 장 기술 개발의 목표 및 범위2222

제 절 기술 개발 목표제 절 기술 개발 목표제 절 기술 개발 목표제 절 기술 개발 목표1111

제 절 개발 기술의 평가 방법 및 평가 항목제 절 개발 기술의 평가 방법 및 평가 항목제 절 개발 기술의 평가 방법 및 평가 항목제 절 개발 기술의 평가 방법 및 평가 항목2222

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제 절 개발의 내용 및 범위제 절 개발의 내용 및 범위제 절 개발의 내용 및 범위제 절 개발의 내용 및 범위3333

부품 소재의 형상 및 명칭부품 소재의 형상 및 명칭부품 소재의 형상 및 명칭부품 소재의 형상 및 명칭1.1.1.1. ㆍㆍㆍㆍ

시스템 계통도시스템 계통도시스템 계통도시스템 계통도2.2.2.2.

부품의 기능부품의 기능부품의 기능부품의 기능3.3.3.3.

핵심 기술핵심 기술핵심 기술핵심 기술4.4.4.4.

제 장 실험 장치 및 방법제 장 실험 장치 및 방법제 장 실험 장치 및 방법제 장 실험 장치 및 방법3333

제 절 실험 장치제 절 실험 장치제 절 실험 장치제 절 실험 장치1111

제 절 실험 및 측정 방법제 절 실험 및 측정 방법제 절 실험 및 측정 방법제 절 실험 및 측정 방법2222

제 절 유동 가시화 방법제 절 유동 가시화 방법제 절 유동 가시화 방법제 절 유동 가시화 방법3333

제 장 실험 결과 및 고찰제 장 실험 결과 및 고찰제 장 실험 결과 및 고찰제 장 실험 결과 및 고찰4444

제 절 엔진 휴지시 누설 방지제 절 엔진 휴지시 누설 방지제 절 엔진 휴지시 누설 방지제 절 엔진 휴지시 누설 방지1111

제 절 형상 최적화제 절 형상 최적화제 절 형상 최적화제 절 형상 최적화2222

실험 대상의 정리실험 대상의 정리실험 대상의 정리실험 대상의 정리1.1.1.1.

유량 측정 결과유량 측정 결과유량 측정 결과유량 측정 결과2.2.2.2.

형상 최적화 실험 결과형상 최적화 실험 결과형상 최적화 실험 결과형상 최적화 실험 결과3.3.3.3.

제 절 저감제 절 저감제 절 저감제 절 저감3 Icing3 Icing3 Icing3 Icing


저감 실험 결과저감 실험 결과저감 실험 결과저감 실험 결과2. icing2. icing2. icing2. icing

가 열전달 면적 확대 방식가 열전달 면적 확대 방식가 열전달 면적 확대 방식가 열전달 면적 확대 방식....

제 절 중요 부품의 내구성 평가제 절 중요 부품의 내구성 평가제 절 중요 부품의 내구성 평가제 절 중요 부품의 내구성 평가4444

진동 내마모 시험진동 내마모 시험진동 내마모 시험진동 내마모 시험1.1.1.1.

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론5555

부 록부 록부 록부 록

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제 장 개 요제 장 개 요제 장 개 요제 장 개 요1111

제 절 연구의 배경 및 내용제 절 연구의 배경 및 내용제 절 연구의 배경 및 내용제 절 연구의 배경 및 내용1111

연구의 필요성연구의 필요성연구의 필요성연구의 필요성1.1.1.1.

지금까지의 자동차에서는 연료 탱크 내의 기화된 를 베이퍼라이저LPG LPG

믹서 등을 통하여 연료를 실린더 내로 공급하여 연소시켜 출력(vaporizer), (mixer)

을 얻는 방법을 사용하여 왔다 그러나 이와 같은 경우에는 엔진 출력의 한계 엔진. ,

시동의 불량 및 대기 오염에 대한 제약 등이 있었다 이와 같은 단점을 보완하고자.

최근 들어 새로이 적용하고 있는 방법이 액체 인젝LPI(Liquid Petroleum Injection,

션 으로 액체인 를 실린더에 직접 분사하는 것으로 현재 일부 용) system LPG , LPG

자동차에 장착되고 있다.

액상 연료 분사 방식은 연료 탱크의 압력에 의존한 기계식 연료 방식과LPG LPG

는 달리 연료 탱크 내에 연료 펌프를 설치하여 연로 펌프에 의해 고압 으, (5~15bar)

로 송출되는 액상 연료를 인젝터 로 분사하여 엔진을 구동하는 구조로 되(injector)

어있다.

액상의 연료를 분사하므로 믹서 형식의 엔진의 구성품인 베이퍼라이저 믹서, LPG ,

등은 필요 없게 되었으며 새롭게 적용되는 구성품은 고압 봄베 내장형 연injector,

료 펌프 특수 재질의 연료 공급 파이프 전용 연료 압력을 조절해주는, , LPI ECU,

레귤레이터 등이 적용 되었다.

시스템과 시스템에 대한 구조적인 차이점을 알기 위해 에 가가각의LPG LPI Fig.1

개략을 나타내었다.

본 시스템을 적용할 경우 겨울철의 냉간 시동성 향상 정밀한 연료 제어로 배LPI , ,

출 가스 저감 연료의 고압 액상 분사 시스템으로 타르 생성 및 역, LPG INJECTOR

화 발생 문제 개선 및 가솔린 엔진과 동등 수준의 뛰어난 동력 성능을(BACK-FIRE)

얻을 수 있는 장점이 있다.

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그러나 현재 차량에 장착된 시스템은 연료 탱크 내의 액체 연료를 고압LPG LPI

펌프로써 액체를 직접 공기 흡입실에 분사하는 시스템으로 흡기관에 장착된,

는 시동을 끈 후에도 배관 속에 잔류한 에 대한 완전한 기밀 처리가INJECTOR LPG

되지 않아 시간의 경과와 더불어 실린더로의 잔류 의 유입에 의해 의 농도LPG LPG

가 과도하게 되어 시동성이 불량하거나 시동 시 불완전 연소에 의해 다량의 유해

가스가 배출되고 있다.

본 과제에서는 기존 출구에 누설 방지용 전자 솔레노이드를 설치 시동을injector ,

끈 후에도 실린더 속으로의 누설이 완전히 방지되어 상기 문제점들을 해소할 수 있

는 자동차용 를 개발하고자 한다 더불어 기존 네덜LPI Injector Cut-off Solenoid .

란드 비알레 의 시스템용 와 누설 방지용LPI injector Injector Cut-off Solenoid社

가 장착된 새로운 를 설계 및 제작하여 분사 성능을 평가하였다injector .

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(a) LPG system

(b) LPI system

와 시스템의 구조 비교와 시스템의 구조 비교와 시스템의 구조 비교와 시스템의 구조 비교Fig. 1 LPG LPIFig. 1 LPG LPIFig. 1 LPG LPIFig. 1 LPG LPI

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제 절 관련 기술의 동향제 절 관련 기술의 동향제 절 관련 기술의 동향제 절 관련 기술의 동향2222

국내 관련 기술의 동향국내 관련 기술의 동향국내 관련 기술의 동향국내 관련 기술의 동향1.1.1.1.

현재 시스템은 현대 기아 자동차의 에 일부 렌트 영LPI , GRANDEUR-XG, OPIRUS ( ,

업용 자동차 장착되어 운행되고 있을 뿐이며 시스템의 핵심 부품인 연료 펌프 모) ,

터 및 는 전량 수입에 의존하고 있다 이 경우 엔진을 끈 후 잔류 의injector . LPG

연소실로의 누설을 완벽히 차단할 수 있는 장치가 없는 가 사용되고 있는injector

실정으로 엔진 정지 후 실린더 내로의 누설로 인해 시동시 불완전 연소된 유해 배,

기가스 발생하여 환경오염을 초래하는 등 여러 가지 문제를 야기하고 있다.

본 과제에서는 출구에 를 장착하여 엔진의 정지injector Injector Cut-off Solenoid

와 더불어 연료 배관 내 잔류한 가 연소실로 누설되는 것을 완벽히 차단될 수LPG

있도록 하는 용 를 개발하는 것이다 용 에 대LPG LPI . LPI Injector Cut-off Solenoid

해서는 주 대국엔지니어링이 그 개념에 대한 내용을 국내 특허를 출원한 상태이며( )

시작품을 위해 개발을 진행 중인 상태이다.

국외 관련 기술의 동향국외 관련 기술의 동향국외 관련 기술의 동향국외 관련 기술의 동향2.2.2.2.

엔진의 시동을 끈 후 실린더로의 누설을 완벽히 차단할 수 있는 Cut-off Solenoid

가 장착되어 있지 않은 시스템의 원천 기술 공급사는 네덜란드의 비알레 이LPI 社

며 이에 대한 부품을 세계적으로 공급하고 있다 그러나 비알레 의 경, . injector社

우 엔진을 끈 후 잔류 의 연소실로의 누설은 에 의해 이루어지므로, LPG needle

과 금속제 사이를 통하는 누설이 완벽히 차단할 수 없다 즉 후술하는needle seat .

바와 같이 엔진 휴지 시 누설을 완벽히 차단할 수 있는 등과 같Cut-off Solenoid

은 장치가 장착된 시스템은 아직 생산하지 못하고 있는 실정이다LPI .

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제 절 연구 개발 시 예상 파급 효과 및 활용 방안제 절 연구 개발 시 예상 파급 효과 및 활용 방안제 절 연구 개발 시 예상 파급 효과 및 활용 방안제 절 연구 개발 시 예상 파급 효과 및 활용 방안3333

수급 동향 및 전망수급 동향 및 전망수급 동향 및 전망수급 동향 및 전망1.1.1.1.

가 세계 수급 동향 및 전망가 세계 수급 동향 및 전망가 세계 수급 동향 및 전망가 세계 수급 동향 및 전망....

아직까지는 엔진 시동 성 향상 및 시동 시 공해 배출을 대폭 줄일 수 있는 Injector

가 장착된 용 가 개발된 예는 없다 그러나 아래Cut-off Solenoid LPG LPI Injector .

의 별첨 자료 의 국 내외의 자동차 시장의 규모로 볼 때 본 과제의 개발이1 LPGㆍ

성공적으로 완수되면 그 시장성은 충분하다고 사료된다.

특히 년부터 국내의 차량에 적용되는, 2006 LPG ULEV(Ultra Low Emission Vehicle

초저공해 자동차 와 의 엄격한 환경에 대한 엄격한 기준 때문에 본 개발품: ) EURO5

이 엔진의 필수 조건으로 전량 장착될 경우 그 이익은 상당할 것으로 판단된LPI

다 현 시점 기통의 기준 자동차의 수명을 평균 년 연 증가율을 로 하. 4 LPG 8 , 10%

고 본 사가 공급한다고 예상한 경우의 수요와 공급을 다음의 도표에 기술하였5%

다.

단위 억원( : )

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나 국내 수급 동향 및 전망나 국내 수급 동향 및 전망나 국내 수급 동향 및 전망나 국내 수급 동향 및 전망....

기존 자동차의 출력을 높이고 시동 성을 향상시키기 위해 시스템으로 전LPG LPI

환 되고 있는 시점에다가 국내외적인 환경오염에 대한 규제 때문에 Injector

가 장착된 시스템으로 되어야 하는 당위성 때문에 대량의 국Cut-off Solenoid LPI

내 소요가 예상된다.

특히 년부터 차량에 적용되는 초저공2006 LPG ULEV(Ultra Low Emission Vehicle :

해 자동차 의 엄격한 환경기준 때문에 본 개발품이 엔진의 필수 조건으로 전량) LPI

장착되어야 할 것으로 예상됨 여기서도 차량 대당 개의 가 사용되. LPG 1 4 injector

고 개당 만원이며 연 의 성장이 있으며 본사가 전 공급량의 를 공급한다1 10% 40%

고 예상한 경우의 수요와 공급을 나타내면 다음 표와 같다 국내의 경우도 세계의.

경우와 동일한 방법으로 산출하였다.

단위 억원( : )

구 분기술개발

착수년 년+2

기술개발

착수년 년+4

기술개발

착수년 년+5

수 요 70 84 92

공급생산 28 33 36

수입 - - -

산출 근거 모든 자동차를 기통 기준으로 계산 자동차 대: 1) LPG 4 (4EA/ 1 )※

개술개발 착수 년 년2) + 2 :

만대 년 대 만원18 / X 4EA/ X 1 /EA⇒

기술개발 착수년 년 후 부터는 년 증가로 가정3) + 2 10%

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시장 현황 및 사업화 전망시장 현황 및 사업화 전망시장 현황 및 사업화 전망시장 현황 및 사업화 전망2.2.2.2.

가 시장 규모가 시장 규모가 시장 규모가 시장 규모....

주 시장 국가 또는 지역 유럽주 시장 국가 또는 지역 유럽주 시장 국가 또는 지역 유럽주 시장 국가 또는 지역 유럽(1) ( ) : ,(1) ( ) : ,(1) ( ) : ,(1) ( ) : ,

시장 규모시장 규모시장 규모시장 규모(2)(2)(2)(2)

구 분현재의 시장 규모

년(2006 )

예상 시장 규모

년(2009 )

세 계 시 장 규 모 억원415 억원550

한 구 시 장 규 모 억원70 억원92

산출 근거 첨부 자료 에 보인 자동차 대수와 차량의 평균수명을 년 기* : 1 LPG 8 , 4

통 엔진에다 개당 원으로 환산하였음Injector 1 10,000

세계시장의 성격세계시장의 성격세계시장의 성격세계시장의 성격(3)(3)(3)(3)

본 기술을 보유하고 있는 국내외 회사가 없기 때문에 독자적인 기술 개발에 성공한

다면 독점성을 확보하게 되고 지속적으로 수요와 공급이 늘어나고 있는 자동, , LPG

차 시장에 있어서 안정성 영속성 및 성장성을 기대할 수 있다, .

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나 사업화 계획 및 무역 수지 개선 효과나 사업화 계획 및 무역 수지 개선 효과나 사업화 계획 및 무역 수지 개선 효과나 사업화 계획 및 무역 수지 개선 효과....

사업화 추진 현황 및 향후 추진 계획사업화 추진 현황 및 향후 추진 계획사업화 추진 현황 및 향후 추진 계획사업화 추진 현황 및 향후 추진 계획1)1)1)1)

현재 시스템은 현대 기아 자동차의 에 일부 렌트 영LPI , GRANDEUR-XG, OPIRUS ( ,

업용 자동차 장착되어 운행되고 있을 뿐이며 시스템의 핵심 부품인 연료 펌프 모) ,

터 및 는 전량 수입에 의존하고 있다 이 경우 엔진을 끈 후 잔류 의injector . LPG

연소실로의 누설을 완벽히 차단할 수 있는 장치가 없는 가 사용되고 있는injector

실정으로 엔진 정지 후 실린더 내로의 누설로 인해 시동시 불완전 연소된 유해 배,

기가스가 발생하여 환경오염을 초래하는 등 여러 가지 문제를 야기하고 있다 본.

과제에서 개발하고자 하는 에 대해서는 주 대국엔지니어Injector Cut-off Solenoid ( )

링이 그 개념에 대한 내용을 국내 특허를 출원한 상태이며 시제품 개발을 진행 중

인 상태이다 국내외적으로 아직까지 엔진 시동성 향상 및 시동 시 공해 배출을 대.

폭 줄일 수 있는 가 장착된 가 개발된 예는Injector Cut-off Solenoid LPI injector

없다 따라서 본 과제의 개발이 성공적으로 완수되면 그 시장성은 충분하다고 판단.

되며 향후 엔진 출력의 증대에 대한 연구를 심층적으로 수행한 후 중대형 승용차, ,

이외의 중소형 승용차 등에도 확대 적용하여 수출 증대 및 유해 배기가스 저감에

기여할 수 있을 것으로 판단된다.

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매출 실적 및 계획매출 실적 및 계획매출 실적 및 계획매출 실적 및 계획2)2)2)2)

목표 달성을 위한 투자 계획 현 판매 실적 및 추후의 매출 계획을 아래의 표와 같,

이 요약하였다.

사업화 계획 단위 억원Table 1 ( : )

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무역 수지 개선 효과무역 수지 개선 효과무역 수지 개선 효과무역 수지 개선 효과3)3)3)3)

첨부 자료 에 덧붙여 년 중국북경의 올림픽 개최 시 북경에 자동차 만1 2008 LPG 8

대를 영업용으로 운용한다는 현대자동차 보고서 등에 따르면 새로운 수출량 증대를

예상할 수 있다.

단위 억원( : )

구 분년( 2005 )

개발종료 후 년( 1 )

년( 2007 )


년( 2008 )


수 입 대 체 - - -

수 출 - 20 22

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제 장 기술 개발의 목표 및 범위제 장 기술 개발의 목표 및 범위제 장 기술 개발의 목표 및 범위제 장 기술 개발의 목표 및 범위2222

제 절 개발 목표제 절 개발 목표제 절 개발 목표제 절 개발 목표1111

기존 비알레 사의 와 동일한 성능을 가지되 를 설injector Injector Cut-off Solenoid

치하여 연료의 누설을 차단하는 새로운 에 대하여 성능 실험을 수행하고자injector

하였다.

비알레 사의 제품과 동일한 유량 확보를 위해 내에 설치되어 있는 테플론injector

튜브의 직경과 플런저 형상 분사구 형상에 대한 최적화 실험을 수행하고 대기 온, ,

도가 낮은 겨울철 시동성에 문제를 일으키는 을 저감하기 위한 내의icing injector

구조 변경에 대한 실험을 수행한다.

본 과제에서 개발된 를 에 장착하면 차량Injector Cut-off Solenoid LPI system LPG

이 배출하는 배기가스는 년부터 유럽에서 요구하는 유로 수준 이하2006 5(EURO 5)

의 공해 배기가스 배출이 가능하며 잔류 의 누설로 인한 연료 손실을 줄일 수, LPG

있어 시동 시 연비가 정도 이상 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다2-3% .

제 절 개발 기술의 평가 방법 및 평가 항목제 절 개발 기술의 평가 방법 및 평가 항목제 절 개발 기술의 평가 방법 및 평가 항목제 절 개발 기술의 평가 방법 및 평가 항목2222

자동차의 에 본 과제에서 개발한 를 장LPG LPI system Injector Cut-off Solenoid

착했을 경우 엔진 시동 시 발생하는 유해 가스가 기준을 만족하는지 않는EURO 5

지를 과제 성공 여부의 기준으로 삼고자 한다 여기에 더불어 동일한 엔진에. LPG

대해 자동차용 에 있어 시계최고 기술을 보유하고 있는 네덜란드, LPG LPI System

의 비알레 의 것을 장착한 경우와 본 과제에서 개발한 것을 장착 했을 때의 시동社

엔진 출력을 비교함으로서 과제의 성공여부를 최종적으로 판단하고자 한다.

- 17 -

제 절 개발의 내용 및 범위제 절 개발의 내용 및 범위제 절 개발의 내용 및 범위제 절 개발의 내용 및 범위3333

부품 소재의 형상 및 명칭부품 소재의 형상 및 명칭부품 소재의 형상 및 명칭부품 소재의 형상 및 명칭1.1.1.1. ㆍㆍㆍㆍ

현재 사용되고 있는 자동차 용 와 본 과제에서 개발하고자 하는LPG LPI injector

가 장착된 의 개략을 에 나타내었으며Injector Cut-off Solenoid injector Fig. 2 , Fig.

에 각 의 실물 사진과 를 나타내었다3 injector Injector Cut-off Solenoid .

가 개발하고자 하는 로서 내부에 가 장착되기Fig. 2 (b) new injector Solenoid valve

때문에 구조적으로 차이가 있다 즉 현재 사용되고 있는 인 경우에는 하나. , injector

의 테플론 튜브로 만들어진 연료 공급관이 삽입되어 있으나 새로운 의 경우injector

에는 내부의 로 인하여 테플론 튜브가 상하로 나뉘어 장착되고 테Solenoid valve ,

플론 튜브와의 연결부인 및 의 안정적인 작동을 위한adapter plunger, valve valve

등이 부가적으로 필요하다seat, valve supporter .

에는 각 에 대한 실물 사진과 를 나타내었Fig. 3 injector Injector Cut-off Solenoid

다 내부에는 코일이 감겨 있는 전자석이 들어 있고 전원이 공급되면 미리 설정되. ,

어 있는 일정 주기로 전자석이 작동하며 를 개폐하여 연료를 실린더 내부로valve

공급한다.

기존 의 경우 내의 연료의 테플론 튜브가 금속제 에 의해injector , manifold needle

분리되어 있기 때문에 과 금속 사이의 작은 틈새로 가 누설되지만needle seat LPG ,

본 의 경우에는 가 합성 강화 고무로 이루어져 있기 때문에 엔진injector valve seat

휴지 시 완전히 밀폐되어 불필요한 누설이 발생되지 않는 구조이다.

- 18 -

현재 사용 중인(a) injector 개발 중인(b) injector

각 의 구조 비교Fig. 2 injector

현재 사용 중인(a)

injector

개발 중인(b)

injector

(c) Injector Cut-off Solenoid

각 실물 및Fig. 3 injector Cut-off Solenoid

- 19 -

시스템 계통도시스템 계통도시스템 계통도시스템 계통도2.2.2.2.

은 를 사용하는 기통 실린더에 가 장착된 연Fig. 4 LPG 6 Injector Cut-off Solenoid

료 공급 시스템의 개략을 나타낸 그림이다 이 경우 실린더 개에. 1 Injector Cut-off

개가 장착된다Solenoid 1 .

그림에 나타낸 바와 같이 의 끝부분 참조 기존의 에는(Fig. 2 (b) injector ) injector

없던 를 출구부에 장착하여 엔진이 정지해 있을Injector Cut-off Solenoid injector

때 연료 배관계에 잔류해 있던 가 실린더 내로 누설되어 들어간 후 엔진을 시LPG

동할 때 연료의 농도가 과잉됨에 따라 시동성 불량 및 불완전 연소에 의한 유해가

스의 배출 문제가 야기되었다.

이에 본 가 장착된 를 사용하여 이와 같이 야Injector Cut-off Solenoid INJECTOR

기되는 시동성 불량 및 불완전 연소에 의해 유해 배기가스 량의 문제 등을 원천적

으로 해결하고자 하였다.

- 20 -

공급 시스템(a) 장착된(b) injector

연료 공급 시스템의 개략연료 공급 시스템의 개략연료 공급 시스템의 개략연료 공급 시스템의 개략fig. 4fig. 4fig. 4fig. 4

- 21 -

부품의 기능부품의 기능부품의 기능부품의 기능3.3.3.3.

자동차의 연료 공급은 속에 설치되어 있는 고압 연료 펌프LPI LPG Tank

(10kgf/cm2가 연료를 공급하고 펌핑된 액체 연료가 엔진 입구의 흡기관에 설치된) ,

를 통하여 분사됨으로써 이루어진다injector .

본 과제에서 개발하고자 하는 자동차용 가 장착된LPI Injector Cut-off Solenoid

는 현재 사용 중의 인 의 시스템에 에 보이는injector injector Fig. 2 9a) Fig. 2 (b)

바와 같이 및 를 구비한 것을valve supporter, valve seat, plunger icing tip

끝단에 설치한 것으로 운전 중에는 개방하여 연료를 공급하고 운전이 멈춘injector

상태에는 와 함께 폐쇄 하여 연료를 차단하도록 되어있다injector (Off) .

에 나타낸 바와 같은 기존의 로서는 운전을 중단한 경우라도 저Fig. 2 (a) injector

비중의 를 완전히 차단하지 못하고 연료 배관계에 남아있던 가 조금씩 실LPG LPG

린더로 누설이 불가피 함에 따라 초기 시동성의 저차 엔진 의 손상1) 2) PLUG 3)

시동시 연료 혼합의 부조에 따른 공해 발생 등의 문제점을 야기한다 즉. , fIG. 2

와 같은 를 장착하면 시동이 멈춘 시에도 완벽한9B) Injector Cut-off Solenoid LPG

를 방지하게 된다leakage .

- 22 -

핵심기술핵심기술핵심기술핵심기술4.4.4.4.

엔진 시동 시 공해 배출 가스의 량을 줄일 수 없는 의 의 가운데Fig. 2 (a) injector

에 와 같이 를 개발하여 장착하는 경우 기존의Fig. 2 (b) Injector Cut-off Solenoid ,

차단 밸브를 사용하는 경우보다 더 개선된 시스템이 되기 위해Needle injector社

서는 설계 시 다음과 같은 사항을 고려하여 개발을 수행하여야 한다.

에서 배출되는 액체 상태의 연료가 가능한 한 기화되지 않도록 유로를injector①

선정한다 유로에 크기 형상 등에 따른 압력 강하와 증기압을 고려.( LPG )

끝단 부에 를 두고 표면은 합성 강화 고무를 두어 완벽한Guide valve seat Seat②

누설 방지를 도모하여야 한다.

플런저 를 부까지 연장하되 최적의 구조를 설계하여야 한다(plunger) valve seat .③

동일 유량에 대해 좁은 면적의 길이를 짧게 하여 압력 강하를 적게 하기 위함( )

분사 시 부의 를 줄일 수 있는 구조 및 으로 설계되어야 한LPG guide icing tip④

다 출구에서 분사되는 액의 기화에 따른 때문에 유로 출구의. (injector LPG ICING

막힘의 문제가 이음)

사용에 따른 마모 등과 관련 각 부품의 적정 로 선정하여야 한다material .⑤

한편 상기의 요구 조건을 만족시키기 위해서는 다음과 같은 요소 기술과 재료 선,

정 능력이 필요하고 본 사에서는 아래와 같은 기술 및 능력을 확보하고 있다.

의 내구성 확보 기술valve seat①

플런저의 동심 확보 기술②

고압(20kgf/cm③2에 작동할 수 있는 내부 솔레노이드 부품의 공차 연마 기술 등) ,

- 23 -

제 장 실험 장치 및 방법제 장 실험 장치 및 방법제 장 실험 장치 및 방법제 장 실험 장치 및 방법3333

제 절 실험 장치제 절 실험 장치제 절 실험 장치제 절 실험 장치1111

기존 비알레 사의 와 동일한 성능을 가지되 를 설injector Injector Cut-off Solenoid

치하여 연료의 누설을 차단하고자 하는 새로운 개념의 에 대하여 성능 실험injector

을 수행하였다.

우선 비알레 사의 와 동일한 유량을 확보하도록 하기 위해 내에, injector injector

설치되어 있는 테플론 튜브의 직경과 플런저 형상 분사구 형상에 대한 최적화 실,

험을 수행하였고 대기 온도가 낮은 겨울철 시동성에 문제를 일으키는 을 저감, icing

하기 위한 내의 구조 변경에 대한 실험을 수행하였다injector .

본 연구에 사용된 실험 장치는 연료 탱크 연료 탱크 컨트롤러 레귤레이터, , ,

드라이버 컨트롤러 미소 유량계 테스트 챔버 및 가시화injector, injector , duty , ,

장치로 구성되어 있다.

연료 탱크는 실제 자동차에 장착되는 탱크를 이용하였으며 연료 공급 압력은LPG

기압이다 연료 탱크 컨트롤러는 기어의 단 변속에 맞게 엔진 회전수 에 따10 . 5 (rpm)

라 가지로 바뀌며 연료 공급량을 조절한다5 .

실험에 사용된 는 기존 비알레 사의 제품 및 테플론 튜브의 직경과 플런저injector

형상 분사구 형상을 적절히 조합한 총 종이며 새로운 의 경우 모든 제, 15 , injector

품에 가 장착되어 있다injector Cut-off Solenoid .

드라이버는 실차에서 개의 가 주기적으로 번갈아가며injector 4 injector

작동하는 것을 실험적으로 구현하기 위한 장치이며 컨트롤러는 기어 변속에, duty

따라 변경되는 에 맞춰 내의 전자석이 특정 주파수를 가지며 작동하도rpm injector

록 값을 입력시켜서 를 구동시켜 가 연료를duty Injector Cut-off Solenoid injector

분사하도록 하는 장치이다.

- 24 -

미소 유량계는 의 용량을 가지며 적산 유량 및 순간 유량을 측정할 수 있1L/hour ,

고 레귤레이터와 사이에 설치되었다injector .

두랄루민으로 제작된 테스트 챔버는 양쪽 면에 동장 가시화를 위한 직경d 200mm

의 광학 창이 설치되어 있고 내부 체적은, 1,000mm3이다 연속 광원의 광량이. Xe

많아서 빛이 먼저 입사되는 쪽의 광학 창에는 트레이싱 페이퍼를 부착하였고 이로,

부터 빛이 고르게 산란되어 입사되었다.

본 연구에서는 에서 분사된 액상 에 의한 테스트 챔버 내의 유동장을injector LPG

가시화하기 위하여 섀도우그래프 법 을 채택하였다(Shadowgraph method) .

가시화 장치는 의 연속 제논 광원과 평면경 초점 거리1kW (Xe) (plane mirror), (focal

의 요면경 고성능 고속 디지털 카메라로 구성되length) 1,500mm (concave mirror),

어 있다.

에 상기의 각 장치에 대한 사진을 나타내었다Fig. 5 .

- 25 -

연료 탱크(a)연료탱크(b)

컨트롤러레귤레이터(c)

고정된(d) injector 드라이버(c) injector 컨트롤러(f) duty

미소 유량계(g) 테스트 챔버(h) 연속 광원(i) Xe

실험에 사용된 각 장치들의 실물 사진실험에 사용된 각 장치들의 실물 사진실험에 사용된 각 장치들의 실물 사진실험에 사용된 각 장치들의 실물 사진Fig. 5Fig. 5Fig. 5Fig. 5

- 26 -

제 절 실험 및 측정 방법제 절 실험 및 측정 방법제 절 실험 및 측정 방법제 절 실험 및 측정 방법2222

실험은 다음과 같은 과정을 통하여 수행된다.

먼저 테스트 챔버를 기준으로 광원으로부터 방사된 빛이 광학 창에 수직으로 입사,

하여 반대측 고속 카메라로 입사되도록 정렬한다 그런 다음 연료 탱크를 구동하고. ,

연료 탱크 컨트롤러에서 기어 단을 설정하여 일정량의 연료가 공급되도록 조정한

다 드라이브를 구동시키고 미리 값을 설정해 놓은 컨트롤러를. injector , duty duty

작동시키면 는 본격적으로 액상의 를 분사하기 시작한다injector LPG .

이후 소정의 시간만큼 작동시키며 순간 및 누적 연료량을 미소 유량계를 통하여 측

정하고 디지털 고속 카메라를 일정 시간동안 작동시켜 각 회전수에 따른 분사 형,

태를 녹화한다.

연료 탱크 컨트롤러와 컨트롤러의 값을 조정해가며 각 기어단에 따른 유duty duty

량을 측정하고 에서의 분사 형태를 가시화 하며 총 종의 에 대, injector , 15 injector

하여 동일한 과정을 거쳐 반복적으로 실험을 수행하여 얻어진 결과를 비교하였다.

에 각 단에 따라 변경되는 연료 탱크 컨트롤러의 수와 컨트롤러Table 1 rpm duty

에서 조정되는 값을 나타내었다duty .

각 단에 대한회전수와 값각 단에 대한회전수와 값각 단에 대한회전수와 값각 단에 대한회전수와 값Table 1 dutyTable 1 dutyTable 1 dutyTable 1 duty

- 27 -

제 절 유동 가시화 방법제 절 유동 가시화 방법제 절 유동 가시화 방법제 절 유동 가시화 방법3333

본 연구에서는 에서 분사된 액상 에 의한 테스트 챔버 내의 유동장을injector LPG

가시화하기 위하여 섀도우 그래프 법 을 채택하였다(Shadowgraph method) .

가시화 장치는 의 연속 제논 광원과 평면경 초점거리1kW (Xe) (plane mirror), (focal

의 요면경 고성능 고속 디지털 카메라로 구성되length) 1,500mm (concave mirror),

어 있다 은 이러한 장치들로 구성된 가시화 장치의 개략이다. Fig. 6 .

광원에서 발광된 입자의 분포가 균일한 의 빛은 먼저 평면경에서 반사되어3300cd

방향 전환된 후 발광점으로부터 떨어진 요면경으로 도달한다 이후 빛은1,500mm .

요면경에서 평행광으로 반사되어 측정부 광학창을 수직으로 입사하여 에 의injector

해 분사된 액상 가 형성하는 유동장을 통과한다 측정부를 통과된 빛은 반대측LPG .

고속 카메라에 도달하여 영상이 촬영된다.

광원으로부터 나온 직진 광의 광량이 매우 많아서 광이 먼저 입사되는 광학 창Xe

쪽에 트레이싱 페이퍼를 부착하여 빛을 약화시키고 고르게 산란시켜 입사시켰다.

이와 같은 과정을 거쳐 얻어진 가시화 영상으로부터 로부터 분사되는 액상injector

의 분사 각도와 유동 패턴 등을 관찰할 수 있다LPG .

- 28 -

가시화 장치의 개략가시화 장치의 개략가시화 장치의 개략가시화 장치의 개략Fig. 6Fig. 6Fig. 6Fig. 6

- 29 -

제 장 실험 결과 및 고찰제 장 실험 결과 및 고찰제 장 실험 결과 및 고찰제 장 실험 결과 및 고찰4444

제 절 엔진 휴지시 누설 방지제 절 엔진 휴지시 누설 방지제 절 엔진 휴지시 누설 방지제 절 엔진 휴지시 누설 방지1111

액상 연료 분사 방식은 연료 탱크의 압력에 의존한 기계식 연료 방식과LPG LPG

는 달리 연료 탱크 내에 연료 펌프를 설치하여 연료 펌프에 의해 고압 으, (5~15bar)

로 송출되는 액상 연료를 인젝터 로 분사하여 엔진을 구동하는 구조로 되(injector)

어 있다.

현재 차량에 장착된 시스템은 연료 탱크 내의 액체 연료를 고압 펌프로써LPG LPI

액체를 직접 공기 흡입실에 분사하는 시스템으로 흡기관에 장착된 는 시동, injector

을 끈 후에도 배관속에 잔류한 에 대한 완전한 기밀 처리가 되지 않아 시간의LPG

경과와 더불어 실린더로의 잔류 의 유입에 의해 의 농도가 과도하게 되어LPG LPG

시동성이 불량하거나 시동 시 불완전 연소에 의해 다량의 유해 가스가 배출되고 있

다.

본 과제에서는 현재 사용 중인 의 출구에 누설 방지용 전자 솔레노이드를injector

설치 시동을 끈 후에도 실린더 속으로의 누설이 완전히 방지되어 상기 문제점들을,

해소할 수 있는 자동차용 를 개발하고자 하였다LPI Injector cut-off Solenoid .

비교의 대상이며 현재 사용 중인 의 경우 엔진을 끈 후 잔류 의 실린injector , LPG

더 내로의 누설은 에 의해 이루어지므로 과 금속 사이를 통하는needle , needle seat

누설이 완벽히 차단될 수 없다.

본 사의 경우 내부에 설치되는 의 부, injector Injector cut-off Solenoid valve seat

분이 합성 강화 고무로 이루어져 있기 때문에 엔지 휴지시 완전히 밀폐되어 불필요

한 누설이 발생하지 않는다 단 비알레 사의 경우는 에서 끝단까. , manifold injector

지 하나의 테플론 튜브로 연결되어 있어 연료의 실린더 내로의 공급성이 좋아 압력

강하가 작은 반면 본 사의 경우 내부어 가 장착되기 때, Injector cut-off Solenoid

문에 의 상하에 두 개의 테플론 튜브가 배치되어 압력 강Injector cut-off Solenoid

하요인이 크게 확대되고 압력 강하로 인한 유랑 확보가 중요한 선결 요인이다, .

- 30 -

따라서 압력 강하를 작게 하기 위해 동일 유로에 대해 유량을 충분히 할 수 있는

의 장착 위치와 테플론 튜브와 연결부 즉 플런저 부Injector cut-off Solenoid , ,

내 액상의 내에 설치되어 있는 연료 펌프 토출 압력 와 연LPG Tank LPG ( 10kgf/ )㎠

료 배관 요구하는 엔진 출력 및 등에 대해 필요한System, LPG Vapor Pressure

액상의 를 로 분사하기 위해 내 유로의 형상 및 크LPG LPI Injector Injector System

기 등에 관한 적절한 설계가 필요하다.

은 초기 장착 위치 결정 과정을 나타내었고Fig. 7 Injector cut-off Solenoid , Fig.

에는 각 단계에 해당하는 실제 를 나타내었다 현재는 제 안에 해당하는8 injector . 7

위치에 를 설치하였고 상기 각 인자들을 변경하며 성능Injector cut-off Solenoid ,

시험을 수행하였다.

본 과정을 통해 설계된 를 이용하여 시동 시 배기관으로 배출되는 유해가스injector

탄화수소 의 량을 측정하고 년부터 시행되는 잠정저공해차 기준( ) , 2006 TLEV( ,

및 초저공해차Transitional Low Emission Vehicle) ULEV( , Ultra Low Emission

의 소 중형 승용차에 적용되는 환경 기준과 비교한 결과를 다음Vehicle) Table 2ㆍ

에 나타내었다.

유해 가스 배출량 측정 결과유해 가스 배출량 측정 결과유해 가스 배출량 측정 결과유해 가스 배출량 측정 결과Table 2Table 2Table 2Table 2 시행(2006.1 )

new injector 기준TLEV 기준ULEV

탄화 수소

배기관 가스( )

0.010g/㎞

-0.013g/㎞0.078g/㎞ 0.025g/㎞

- 31 -

가 장착된 의 설계 과정가 장착된 의 설계 과정가 장착된 의 설계 과정가 장착된 의 설계 과정Fig.7 Injector Cut-off Solenoid injectorFig.7 Injector Cut-off Solenoid injectorFig.7 Injector Cut-off Solenoid injectorFig.7 Injector Cut-off Solenoid injector

현재 사용중(a) 차안(b) 1 차안(c) 2 차안(d) 6 차안(e) 7

가 장착된 의 설계 과정가 장착된 의 설계 과정가 장착된 의 설계 과정가 장착된 의 설계 과정Fig.8 Injector Cut-off Solenoid injectorFig.8 Injector Cut-off Solenoid injectorFig.8 Injector Cut-off Solenoid injectorFig.8 Injector Cut-off Solenoid injector

- 32 -

제 절 형상 최적화제 절 형상 최적화제 절 형상 최적화제 절 형상 최적화2222


비교의 대상이 되는 비알레 사 제품과 본 사의 가 장착된Injector cut-off Solenoid

의 근본적인 구조 차이는 의 유무로 인한 관로의injector Injector cut-off Solenoid

차이이다 즉 비알레 사 제품의 경우는 가 없기 때문에 하나의. , Cut-off Solenoid

긴 테플론 튜브가 장착되어 있고 본 사의 제품은 중간에 가, Injector cut-off Valve

장착되기 때문에 별도의 플런저와 및valve sea, adapter Injector cut-off

를 기준으로 두 개의 테플론 튜브가 상하로 설치되어 있다 이와 같은 이Solenoid .

유로부터 관로를 통과하는 액상 가 압력 손실로 인하여 관로 내에서 기화할 우LPG

려가 있기 때문에 이를 방지하기 위한 관로 설계의 최적화가 요구된다.

따라서 비알레 사의 와 동일한 유량을 확보하고 내부에서 압력 손실로 인한injector

의 기화가 일어나지 않도록 하기 위해 내에 설치되어 있는 테플론 튜LPG injector

브의 직경과 플런저 형상 분사구 형상에 대한 최적화 설계 및 확인 실험을 수행하,

였다.

또한 반복적인 실험으로부터 상기 인자에 대한 최적 값을 도출한 다음 이를 바3 ,

탕으로 하부 테플론 튜브의 길이를 바꿔가며 실험을 수행하였다 각 실험의 대상을.

정리하면 과 같다Table 3 .

- 33 -

실험 대상의 정리실험 대상의 정리실험 대상의 정리실험 대상의 정리Table 3Table 3Table 3Table 3대상

순번

테플론 튜브

직경플런저 형상 분사구 형상 비 고

case 0 기존 비알레 제품

case 1

1.0Φ

구6

1.2Φ

case 2 2.0Φ

case 3 가공taper

case 4

방향 펀치2

1.2Φ

case 5 2.0Φ

case 6 가공taper

case 7

1.8Φ

구6

1.2Φ

case 8 2.0Φ

case 9 가공taper

case 10

방향 펀치2

1.2Φ

case 11 2.0Φ

case 12 가공taper

case 13 1.8Φ 구6 1.0Φ하부 테플론 관

길이 6mm


길이 6mm


길이 6mm

실험 및 설계 대상실험 및 설계 대상실험 및 설계 대상실험 및 설계 대상Fig. 9Fig. 9Fig. 9Fig. 9

- 34 -

에 설계 변경이 요구되는 실험 대상과 자착 위치를 나타내었다 그림에서Fig. 9 . 1

번이 상부 테프론 튜브에 해당하고 번이 플런저가 장착되는 위치이며 번이 분, 2 , 3

사구를 나타낸다.

에서 비고의 하부 테플론 관 길이는 번의 관 길이를 의미하며 최적으로Table 3 3 ,

얻어진 상부 테플론 튜브의 직경 플런저 형상 분사구 직경을 적용한 상태에서, , 2,

및 의 세 가지 길이에 대하여 실험을 수행하였다4 6 .㎜

플런저 형상은 아래 과 같이 세 가지로 설계하였으며 실험은 구형 및Fig. 10 , 6 2

방향 편치형의 두 가지에 대하여 수행되었다.

구형(a) 6 방향 편치형(b) 2 별모양(c)

세 가지 플런저 형상세 가지 플런저 형상세 가지 플런저 형상세 가지 플런저 형상Fig. 10Fig. 10Fig. 10Fig. 10

- 35 -

유량 측정 결과유량 측정 결과유량 측정 결과유량 측정 결과2.2.2.2.

여러 가지 형상을 가지는 각 개발 에서 가장 기본적으로 확보 되어야할 사injector

항이 유량이며 현재 사용 중인 와 동일한 값을 나타내어야 한다 작동시 유, injector .

량이 부족하게 되면 모든 사항이 최적화 되어도 실린더 내로 유입되는 의 질량LPG

이 작기 때문에 연소에 의한 출력 에너지 또한 작고 충분한 성능을 발휘할 수 없게

된다.

본 실험에서는 레귤레이터와 사이에 미소 유량계를 설치하여 순간 유량계injector

를 측정하고 내의 전자석 회 작동 지속 시간을 정리하, Injector cut-off Solenoid 1

여 에 나타내었다Table 4 .

유량 측정 결과 총 종의 개발 에 있어서 각 기어 단에 대해 현재 사용, 15 injector

중인 와 동일한 유량을 나타내었다 모든 경우에서 동일한 유량이 확보되었injector .

기 때문에 테플론 튜브의 직경과 플런저 형상 분사구 형상에 대한 성능 시험을 통, ,

하여 최적의 상태를 구명할 바탕을 수립하였다 이와 같이 모든 경우에 있어서 동.

일한 값을 나타낸 것은 개발 에 있어서 가장 기본적으로 갖춰져야 할 사항injector

이므로 설계시 동일한 유량이 되도록 역점을 두어 설계에 임하였기 때문이다.

유량 측정 결과유량 측정 결과유량 측정 결과유량 측정 결과Table4Table4Table4Table4

전자석 작동

지속 시간

현재 사용 중인

injector

개발 중인

injector

단1 3.6㎳ 0.03L/min 0.03L/min

단2 7.5㎳ 0.07L/min 0.07L/min

단3 11.5㎳ 0.11L/min 0.11L/min

단4 15.0㎳ 0.15L/min 0.15L/min

단5 20.6㎳ 0.19L/min 0.19L/min

- 36 -

형상 최적화 실험 결과형상 최적화 실험 결과형상 최적화 실험 결과형상 최적화 실험 결과3.3.3.3.

실험은 기어 변속 단에서 단까지 실험을 수행하였으나 시동 및 가속까지 가장1 5 ,

중요한 단 및 단에 대한 가시화 결과만 도시하였다1 2 .

은 현재 사용 중인 의 분사 형상을 나타낸 것이다Fig. 11 injector .

테스트 챔버 하부까지 굵고 강하게 분사되었으며 분사된 후 적절히 기화되어 충분,

한 시동성과 가속성을 나타내었다.

액상의 가 기화되는 모습은 고속 카메라로는 촬영할 수 없었으나 광원을LPG , Xe

사용하는 본 가시화 방법에 의해 육안으로도 밀도 변화를 확인할 수 있고 액체가,

기화되어 기상으로 챔버 내로 확산되는 모습을 확인할 수 있었다.

에서 은 내에 설치되어 있는 테플론 튜브의 직경과 플런저 형상Fig. 12 26 injector ,

분사구 형상을 적절히 바꿔가며 실험을 수행한 가시화 결과이다.

세 가지 변화 중 분사 형상에 가장 뚜렷한 특징을 나타낸 변수는 분사구 형상이었

고 다음으로 테플론 튜브의 직경 변화였다, .

분사 형상이 가장 선명하게 나타난 것이 가공을 한 것으로 동일한 실험 조건taper ,

에서 분사구 직경을 변화시킨 경우보다는 분사구 형상을 가공한 경우에서 가taper

장 선명한 분사 형상을 나타내며 우수한 분사 특성을 보였다, .

테플론 튜브의 직경을 변화 시키는 경우에 있어서 직경이 인 경우에는 관로가1.0㎜

좁아 내부에서 압력 손실이 크게 되어 기화가 빠르고 분사 형태가 산개되어 나타났

고 직경이 인 경우에는 충분히 관로가 확보되어 압력 손실이 적게 되었고 그, 1,8 ,㎜

결과 좀더 강하게 분사되는 것으로 나타났다.

- 37 -

이와 같은 결과로부터 및 의 실험에 있어서는 테픞론 튜브의 직경Case 13, 14 15

을 로 고정하여 실험을 수행하였다 이 경우 상부 테플론 튜브에서 충분한 유1.8 .㎜

로를 확보하였기 때문에 하부 테플론 튜브의 직경은 비록 압력 손실은 크게 되더라

도 유속을 크게 하기 위하여 직경을 로 고정하였고 하부 테플론 튜브의 길이를1 ,㎜

세 가지로 변경시키며 실험을 수행하였다.

그 결과 압력 손실이 가장 작은 하부 테플론 길이 의 경우가 가장 유효한 분사, 2㎜

형태와 기화 상태를 나타내었다.

한편 본 실험에서는 플런저 형상에 대하여 가지로 바꿔가며 실험을 수행하였으, 2

나 방향 편치형의 경우 유로가 지나치게 커서 직경 혹은 를 지나던, 2 1.0 1.9㎜㎜

액상 가 플런저에 이르러서 급격한 유로 확대로 인하여 팽창되고 압력 강하를LPG

일으켜 기화가 촉진되고 액상 가 실린더 내로 원활하게 공급되지 못하는 현상LPG

이 발생하였다.

따라서 및 에서는 구 플런저만 채택하여 실험에 임하였다 그러, Case 13, 14 15 6 .

나 현재에는 추가적인 개발을 진행하여 별모양 참조 플런저를 설계하(Fig. 10 (c) )

였고 다양한 모양의 별모양 플런저를 설계하여 실험을 수행할 예정이다, .

본 별모양 플런저의 경우는 본 연구에서는 분사 실험 결과를 나타내지 않았지만 6

구 플런저보다 압력 강하도 작고 관료 내에서의 기화 정도도 충분히 약하여 더욱,

훌륭한 성능을 나타내었다 그래서 현재는 별모양을 기본으로 하여 개발을 수행 중.

에 있다.

- 38 -

case 0 현재 사용 중인 injector

단(a) 1

- 39 -

단(b) 2

현재 사용 중인현재 사용 중인현재 사용 중인현재 사용 중인Fig. 11 injectorFig. 11 injectorFig. 11 injectorFig. 11 injector

- 40 -

case 1 1.0Φ 구6 1.2Φ

단(a) 1

- 41 -

단(b) 2

Fig. 12 Case 1Fig. 12 Case 1Fig. 12 Case 1Fig. 12 Case 1

- 42 -

case 2 1.0Φ 구6 2.0Φ

단(a) 1

- 43 -

단(a) 2


- 44 -

case 3 1.0Φ 구6 가공taper

단(a) 1

- 45 -

단(b) 2


- 46 -

case 4 1.0Φ 방향 편치2 1.2Φ

단(a) 1

- 47 -

단(b) 2


- 48 -


단(a) 1

- 49 -

단(b) 2


- 50 -

case 6 1.0Φ 방향 편치2 가공taper

단(a) 1

- 51 -

단(b) 2


- 52 -


단(a) 1

- 53 -

단(b) 2


- 54 -

case 8 1.8Φ 구6 2.0Φ

단(a) 1

- 55 -

단(b) 2


- 56 -

case 8 1.8Φ 구6 2.0Φ

단(a) 1

- 57 -

단(b) 2


- 58 -


단(a) 1

- 59 -

단(b) 2


- 60 -


단(a) 1

- 61 -

단(b) 2


- 62 -

case 12 1.8Φ 방향 편치2 가공taper

단(a) 1

- 63 -

단(b) 2


- 64 -

case 13 1.8Φ 구6 1.0Φ 테플론 관 길이 6㎜

단(a) 1

- 65 -

단(b) 2


- 66 -


단(a) 1

- 67 -

단(b) 2


- 68 -


단(a) 1

- 69 -

단(b) 2


- 70 -

제 절 저감제 절 저감제 절 저감제 절 저감3 icing3 icing3 icing3 icing


대기 온도가 낮은 겨울철에 시동시 에서 이 발생한다 은 실린injector tip icing . icing

더 내로 공급된 외부 공기 속의 습분이 분사된 액이 기화되면서 잠열을 흡수LPG

하여 얼음으로 바뀌어 끝에 부착되어 발생하는 현상으로 시tip , Part Lord adapter

표면에서 의 온도가 영하로 떨어졌을 때 발생하거나 시 테플론 튜브adapter , Idle

표면에 발생한다 이와 같은 얼음덩이가 끝에 존재하면 의 공급이 원활하지. tip LPG

못하게 되고 기화도 지연되기 때문에 시동이 꺼지거나 출력 저하가 초래된다, .

이를 해결하기 위한 방법으로는 먼저 에 발생하는 경우는 와adapter manifold

의 과도한 온도 저하를 방지하는 방법으로 열전달 면적을 키우는injector adapter

방법이 있다.

본 연구에서는 부의 열전달 면적을 확대하며 을 저감시키기 위한 실험adapter icing

을 수행하였다.

- 71 -

저감 실험 결과2. icing

가 열전달 면적 확대 방식.

본 사에서는 개발 초기에 의 직경을 기존 인젝터와 같은injector adapter Φ 가8.9

되게 하고 상하로 나누어지는 테플론 튜브에서 압력 강하가 잃어나지 않도록 하기

위해 테플론 튜브의 직경을 크게 하여 설계하였다 그래서 테플론 튜브 설치부 직.

경이 현재 사용 중인 의injector Φ 보다 큰3.1 Φ 로 되게 하였으며 이를6.4 , Fig. 27

및 에 나타내었다(a) (b) .

이와 같이 설계하여 작동시킨 경우에 있어서 강하게 이 발생하였고 시동 후icing ,

발생된 덩어리로 인하여 시동이 꺼지거나 출력이 저하되는 현상이 나타났다icing .

에 상기의 초기 개발 에서 발생한 현상을 나타내었다 어느 정Fig. 28 injector icing .

도 시간이 경과된 후 크게 발달한 은 공급을 방해하다가 소정의 크기가icing LPG

되면 떨어졌다가 다시 성장하는 모습을 나타내고 있다 이 현상은 지속적으로 발생.

하며 크게 성장한 에 의해 의 공급이 차단되어 악영향이 초래되었다icing LPG .

이와 같은 불필요한 현상을 줄이기 위해 열전달 면적을 확대시키는 방법을 채택하

였다 즉 의 직경을. , adapter Φ 에서8.9 Φ 로 확대하여 약 의 열전달 면적을9.9 24%

증가시켰고 이를 에 나타내었다, Fig. 27 (c) .

는 체결 나사부의 규격은 동일하게 한 상태에서 열전달 면적을Fig. 29 adapter ,

증가시키고 을 부착시킨 후 실험한 가시화 사진으로서 발생된 의 크24% fin , icing

기가 확연히 줄어들어 어느 정도 개선된 결과를 얻었다 그러나 여전히 지속적으로. ,

이 발생하고 덩어리로 발전한 에 의해 시동이 꺼지거나 출력 저하 현상icing , icing

이 발생되었다.

다시 약 의 열전달 면적 증가를 위해 직경을20% adapter Φ 에서9.9 Φ 로 확10.9

대시켰고 이를 적용한 것을 에 나타내었다, Fig. 27 (d) .

- 72 -

는 초기 모델에 비해 열전달 면적을 약 확대시킨 경우의 가시화 사진Fig. 30 50%

이다 비록 은 발생하지만 큰 덩어리로 성장하지 않고 곧바로 이탈되었기 때. icing ,

문에 시동이 꺼지거나 출력 저하 현상이 발생하지 않았다 상기의 열전달 면적 확.

대를 위한 직경 변화에 관한 실험으로부터 현상을 완전히 제거하지adapter icing

는 못했지만 출력 변화에 영향을 주지 않는 만큼 의 크기를 줄이게 되어 뚜렷, icing

한 성과를 얻었다.

종의 비교(a) 3

(b) Φ 의 경우8.9 (c) Φ 의 경우9.9 (d) Φ 의 경우10.9

부 직경 변화를 수반하는 열전달 면적 확대 과정부 직경 변화를 수반하는 열전달 면적 확대 과정부 직경 변화를 수반하는 열전달 면적 확대 과정부 직경 변화를 수반하는 열전달 면적 확대 과정Fig. 27 adapterFig. 27 adapterFig. 27 adapterFig. 27 adapter

- 73 -

시동 전 분 초 경과 시0 30 분 초 경과 시1 30 분 초 경과 시2 00

분 경과 시3 20ch 분 초 경과 시4 39 분 초 평균4 40 Icing 분 초 경과시6 30

직경이직경이직경이직경이Fig. 28 adapterFig. 28 adapterFig. 28 adapterFig. 28 adapter ΦΦΦΦ 인 경우의 의 생성과 발달인 경우의 의 생성과 발달인 경우의 의 생성과 발달인 경우의 의 생성과 발달8.9 icing8.9 icing8.9 icing8.9 icing

시동 전 분 초 발달2 33 Icing 분 초 경과 시3 00 분 초 경과 시3 01

분 초 경과 시3 44 분 초 경과 시3 45 분 초 경과 시7 15 분 초 경과 시7 16


시동 전 분 초 경과 시0 20 분 초 경과 시1 40 분 초 경과 시2 10

분 초 경과 시3 20 분 초 경과 시4 26 분 초 평균8 30 Icing 시2000 RPM PL


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은 초기 샘플과 현재 개발된 에서 시동 후 약 초에서 초 구Fig. 31 injector 120 150

간에서 발생된 을 비교한 그림이다icing .

는 초기 샘플에서 나타난 현상으로 이 크게 발달하여Fig. 31 (b) icing , icing

전체를 덮고 있기 때문에 의 분사를 곤란하게 하고 있다adapter LPG . Fig. 31 (c)

는 열전달 면적을 향상시켜 개발된 로서 비록 은 발생하였지만 분사에injector , icing

악영향을 끼치는 정도로 발전하지 않고 즉시 이탈하였다.

현재 을 획기적으로 저감시킬 수 있는 더 좋은 방법을 모색 중이지만 이와 같icing ,

이 열전달 면적을 확대하는 방법으로 충분히 유효한 결과를 얻을 수 있었다.

종의 비교(a) 2 초기 샘플(b) 개발 제품(c)

초기 샘플과 개발 제품에서 발생한 의 비교초기 샘플과 개발 제품에서 발생한 의 비교초기 샘플과 개발 제품에서 발생한 의 비교초기 샘플과 개발 제품에서 발생한 의 비교Fig. 31 icingFig. 31 icingFig. 31 icingFig. 31 icing

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제 절 중요 부품의 내구성 평가제 절 중요 부품의 내구성 평가제 절 중요 부품의 내구성 평가제 절 중요 부품의 내구성 평가4444

진동 내마모 시험진동 내마모 시험진동 내마모 시험진동 내마모 시험1.1.1.1.

에 전원이 공급되면 일정 주기를 가지고 전자석이 작동되Injector Cut-off Solenoid

어 을 개폐한다 이때 는 와 지속적으로 마찰을 일으키게 되어valve . valve valve seat

에 마모가 발생한다 이때 가 장기간 사용되어도 누설 성능에valve seat . , valve seat

이상이 없음이 확인되어야 한다.

따라서 본사에서는 상온 저온 고온 에서 초간 작동 초간 정지를, , (-20 ), (130 ) 1 , 1℃ ℃

한 싸이클로 하여 각각 회를 진동시키며 작동하였을 때 기밀 성능을 만족하60,000

는지 시험하였다.

그 결과 초기 작동전 공기를 분간 가압한 상태에서 누설되지 않았던 성능, 20bar 5

에 대해 회의 작동 후 성능 변화가 초기 값의 이내로 나타나서60,000 10% valve

의 내구 성능이 매우 우수함을 밝혔다seat .

에 성능 시험 전후의 를 나타내었다Fig. 31 valve seat .

상기와 관련한 시험 성적서를 별첨으로 첨부하였다.

성능 시험 전(a) 성능 시험 후(b)

의 내구성 시험 결과의 내구성 시험 결과의 내구성 시험 결과의 내구성 시험 결과Fig. 31 Valve seatFig. 31 Valve seatFig. 31 Valve seatFig. 31 Valve seat

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론5555

시스템에 사용할 연료 누설 방지용 가 장착된 신개념LPI Injector Cut-off Solenoid

의 를 개발하고 이에 대해 현재 사용 중인 의 성능 비교 실험injector injectordhkd

을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

의 가 합성 강화 고무로 제작되었기 때문에1. Injector cut off Solenoid valve seat

금속제 과 달리 누설이 완전히 차단되었다 별첨 참조needle .( )

실험의 모든 경우에 있어서 현재 사용 중인 와 동일한 유량이 확보되었2. injector

으며 테플론 튜브 직경을 크게 할수록 압력 강하가 낮아서 실린더 내로 액상, LPG

가 잘 분사되었다 참조.(p.33 )

플런저 형상은 별모양 구형 방향 편치형의 순서로 좋은 분사 성능을 나타내3. , 6 , 2

었다 참조.(p.33)

분사구 형상에 있어서 가공한 경우가 가장 좋은 성능을 가졌으나 가공상4. taper

의 어려움으로 인하여 동일한 성능을 나타내는 직경 길이 의 테플론 튜브1.0 2㎜㎜

를 선택하였다 참조.(p.33 )

열전달 면적을 확대시키기 위해 부 직경을 키운 경우 은 발생하였5. adapter icing

지만 큰 덩어리로 발달하지 못하고 즉시 이탈되어 에 의한 부적절한 현상을, icing

줄이는 효과를 얻었다 참조.(Fig. 30 )

의 내구성 시험을 통하여 만 회 이상 작동하여도 기밀 성능에 이상6. valve seat 6

없는 적절한 재료임이 판명되었다 별첨 참조.( )

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자동차 용LPI INJECTOR CUT-OFF SOLENOID 기술 개발 · 2011-12-20 · lpg lpi시스템과...

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