현재 세계 각국은 지구 온난화에 따른 이상기후 등 각종 환경문제의 요인인 온실 가스의 감축을 위해 고심하고 있다. 온실가스 중 가장 큰 부분을 차지하는 것은 이산화탄소()이며, 화석연료를 주로 사용하는 수송 분야에서에서도 그 배출 비중이 매우 높다. 이러한 맥락에서 의 배출을 줄이기 위해 수송 분야에서도 배출량에 대한 규제가 지속적으로 강화되고 있으며, 이에 따라 자동차 산업 분야에서도 이에 대응하기 위한 여러 방안이 제시되고 있는데, 가스연료를 자동차용 연료로 사용하는 것도 그 중의 하나로 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 연구의 선행 연구에서, 애프터마켓에서 개조된 천연가스(NG, natural gas)차량을 대상으로 모드 주행과 실 도로 주행을 통해 연비와 배기 그리고 배출량을 평가한 결과, 예상과는 다르게 배출량은 감소하지 않았고 이에 더해 연비는 모드 주행에서 20% 실 도로 주행에서 16% 정도 악화되었으며 배기 중 일산화탄소()와 비 메탄 탄화수소(NMHC, non-methane hydrocarbon)의 배출이 규제치보다 훨씬 높았다. 그리고 동력 성능도 크게 저하되어 가속 성능은 가속도 기준으로 개조 전의 45-76% 수준으로 크게 악화되었다.
이와 같이 성능이 악화된 것은 개조 차량에 채택된 연료 공급 시스템의 하드웨어가 기관의 연료 요구량에 부합되는 성능을 지니지 못하였고, 이와 더불어 연료량 제어도 가스 연료의 분사 특성을 충분히 반영하지 못한 것이 원인으로 파악되었다. 따라서 가스 연료를 자동차용 연료로 사용하고자 하는 경우 연료 공급 시스템의 최적화가 우선적으로 요구되므로 이에 대한 연구의 필요성이 있다.
이에 본 연구에서는 현재 개조용으로 사용되는 5cc 체적의 연료레일과 100cc 체적의 가솔린 연료레일 및 시험용으로 제작한 200cc, 435cc 총 4종류의 레일을 준비하여, 연료레일의 체적, 압력 및 운전속도가 연료 분사 특성에 미치는 영향을 비교 분석하여 연료 공급 시스템의 최적화를 위한 기초 연구를 수행하였다.
분사 특성 파악을 위한 실험 장치는 크게 연료 공급계 와 분사 유량 측정 장치로 구성되었으며 압축 공기로 연료를 상사하여 분사하였다. 연료 공급계는 4기통 4행정 기관을 기준으로 구성되었고 실제 기관의 분사를 상사할 수 있는 인젝터 구동드라이버(IC 5160)를 이용하여 순차 분사(sequential injection)을 실시하였는데, 이 때 연료레일 압력을 1.5 bar, 3.0 bar, 4.5 bar, 6.0 bar로 각각 설정하였고, 각 압력 별로 연료 분사기간을 3.0, 5.0, 8.0, 13.0ms로 그리고 기관 회전수를 750rpm 부터 6,000 rpm 까지 변경하여 분사 유량을 측정하였다. 연료 분사 유량은 물이 담겨 있는 수조안에 아크릴 실린더 4개를 설치하여 수치환법으로 측정하였으며, 실험결과 다음과 같은 결과를 도출하였다.
분사 펄스 당 분사유량은 기관의 속도가 증가하면 단위시간 당 유량이 증가하고 동시에 가스 고유의 특성인 압축성 효과로 감소하는데, 이러한 감소 특성은 레일의 체적과 무관하게 진행된다. 아울러 분사유량과 레일 내 압력의 저하 경향은 본 연구의 여러 파라미터에 대해 무차원화하여 상대적인 값을 비교하면 체적의 변화와 관계없이 매우 일정하다. 반면에 체적이 증가함에 따라 분사펄스 당 분사되는 절대량은 증가하고 분사특성의 변화도 안정되는 경향을 보이지만, 체적의 영향은 크지 않고 제한적이어서 차이가 매우 큰 경우에만 이러한 현상이 뚜렷이 관찰된다. 따라서 체적의 문제는 일종의 자릿수(order of magnitude) 문제의 관점에서 접근이 필요하다. 레일의 체적과 관련해 본 연구에서 관찰된 다른 중요한 사실은, 레일 내의 압력 변동은 레일의 체적에 매우 민감하게 반응하는데, 체적이 클수록 압력 변동은 감소한다. 이것이 레일 체적이 큰 경우 분사유량의 증대와 안정성의 확보에 어느 정도 기여한 것으로 판단된다.
가스분사시스템에서 평가해야 할 다른 중요한 것은 최소 유량과 최대 유량인데, 모든 조건에서 최소 유량은 너무 과대하였고 설정압력이 낮은 경우 최대 유량은 부족한 것으로 나타났다. 인젝터와 일체인 가장 작은 레일 시스템은 현재 애프터마켓에서 개조용으로 판매되는 것이고, 다른 인젝터 역시 기관의 배기량을 고려하여 시판되는 것을 사용한 것이기 때문에, 이는 매우 심각한 문제라 할 수 있다. 이에 더해 최소 유량과 최대 유량은 기관에 적용할 때 상호 상쇄적인(trade-off) 효과로 작용하므로, 단순히 한 문제를 해결하면 다른 문제는 더 악화된다는 문제점도 있다.
마지막으로 기관의 원활한 운전과 배기제어를 위해 필수적인 정밀한 연료계량의 문제를 검토해 보면, 5ms 이하의 펄스폭에서는 제어에 문제가 없는 수준이지만 가스 연료의 장점을 극대화하기 위해서는 개선이 필요하다. 그러나 펄스폭 8ms 이상에서는 기관의 속도에 따른 연료량의 감소가 매우 커서 연료계량에 문제가 발생할 소지가 큰데, 특히 가속 등을 포함한 과도 운전 중에 심각한 문제를 초래할 수 있다.
결론적으로, 가스분사시스템을 최적화하기 위해서는 시스템의 특성에 영향을 주는 파라미터 중 일부만 고려해서는 목표 달성이 어렵고, 인젝터 자체의 용량과 특성, 레일 체적, 설정 압력 및 레일 내 압력 유지에 관한 방법 등을 동시에 복합적이며 세밀하게 고려해야 한다.

Nowadays, the reduction of the greenhouse gas, which causes various environmental problems such as the abnormal climate, is the one the hottest worldwide issue. Nevertheless the smallest index number of the global warming effect, Carbon-dioxide takes the largest part in the greenhouse gas because of the hugest emission quantity, and it is given a great deal of transportation field which primarily uses fossil fuel. For this reason, the regulation for this emission quantity is consistently becoming stricter in the all industrial field, especially in the transportation field. In this context, many method and/or solutions are suggested to meet the regulation in this field, and one of them is to expand the usage of gas fuel to the transportation, because of its relatively low portion of carbon atom compared to liquid fuel in the fuel composition.
In the previous research, several problems were observed in a natural gas(NG) conversion vehicle. Not only the shortage of power was observed in stall test, but also large deterioration of acceleration performance was exposed in roadability. Compared to the original LPG system, the acceleration is 76% in start acceleration and 45 ~ 65% in overtaking acceleration, especially the decline became larger when air conditioner is at work. Furthermore, because the mapping data, which controls the injection depending on driving condition, do not match up with injection system, the failure of air-fuel ratio feedback control occurs resulting from the large gap between the required and the really supplied amount of fuel. This failure cause the exhaust gas to emit without catalytic conversion and the fuel economy based on the fuel heat value to get worse 22% in the mode test and 16% in road test respectively. In addition, the existing injection system does not secure appropriated fuel quantity at the starting so that it may lead to the fail of clod start, the deterioration of hot start and inharmonic of engine at the idle after start. It was provisionally supposed that the mismatch of injection system with the engine caused these performance deteriorations.
In this context, 4 types of rail, 5cc fuel rail which is used in the current conversion kit, 100cc gasoline fuel rail, 200cc and 435cc for experimental usages, were prepared and base research for the optimization of gas fuel injection system was performed by comparing and analyzing the effect of the rail volume and pressure varying the engine speed on the fuel injection characteristics.
Experiment device was constituted of the fuel supply system and the injection flow rate measuring device. Air was used as an analogous fuel. Fuel supply system was composed for 4 cylinder-4 stroke engine and operated by the injector driver (IC 5160) which follows real engine sequential injection. The fuel rail pressure was set 1.5 bar, 3.0 bar, 4.5 bar, 6.0 bar, injection pulse width was set to 3.0, 5.0, 8.0, 13.0ms and the engine speed was set from 750rpm to 6,000rpm. By varying these conditions, injection quantity was measured using the water transposition method through 4 transparent acrylic cylinders in a water tank.
The results are as follows.
The injection quantity per the pulse width decreases as the engine speed rises due to the in-rail pressure drop caused by the incensement of the injected flow rate per unit time and/or the compressible characteristics of gas regardless of the volume of rail. Also, both of the decline trends for the injected quantity and the rail pressure, which are non-dimensionalized relative value by the parameters of the study(speed, pulse width and setting pressure), are almost same despite of the change of the volume and the pulse width. On the other hands, the absolute injected value per pulse grows and the more stable trend is observed as the volume increases, however, the effects of volume on the quantity and stability is so small and limited that the effect might be visible only in case of relatively very large difference of the volume. Therefore, it is supposed that the volume problem is a kind of order of magnitude. The another important one related to the volume is that this is quite effective on the in-rail pressure fluctuation, the larger the volume, the smaller the fluctuation. For this reason, the largest volume might contribute to the incensement of flow rate and stability to some extent.
In the aspect of the required minimum and maximum flow rate, there exists a very severe problem, too excess minimum flow rate at the all conditions and too small quantity at the low pressure setting condition in spite of that injectors are commercial products considering the displacement volume of an engine in the market. Because this minimum and maximum quantity is in the trade-off relation for the engine operation, the fact that an improvement of one side induces an aggravation of the other side is another severe problem.
Lastly, in terms of the accurate fuel metering to meet optimum running condition of engine and the emission control, the characteristics of injection 5ms pulse width and below is acceptable, however, more improvement is needed for maximizing of the advantage of gas fuel. Over 8ms pulse width, the fine control supposed to be hardly implemented because of the rapid reduction of the supplied fuel due to the engine speed raise, especially in the transient condition.
Finally, very sophisticated and complex consideration about the capacity and characteristics of injector, rail volume, setting pressure and pressure regulation method are required for the optimization of gas injection system.