전 세계 자동차 배출가스규제 및 연비규제가 강화되고 있으며, 이를 대응하기 위한 기술에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 그 중 대체연료 자동차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 향후 배기규제 및 연비규제에 대응할 수 있는 방안 중 하나다. 천연가스는 가장 대표되는 대체연료이다. 천연가스는 CH4를 주성분의 기상 연료이며, 전 세계적으로 매장량의 풍부하기 때문에 안정적으로 장기 공급이 가능하여, 화석연료의 의존도를 줄일 수 있으며, 기존의 내연기관에서 사용이 가능하다. 그리고 옥탄가가 높으며, 가연한계가 넓은 장점을 갖고 있다. 이런 장점으로 볼 때 천연가스는 향후 전동화 및 수소 사회로의 전환 과정에서 내연기관의 한계를 극복하고 기술적 패러다임의 변화에 대한 가교 역할 수행할 수 있다고 예상한다. 국내의 천연가스 차량의 보급은 2002년을 기점으로 본격적으로 시작되었고 매년 조금씩 증가하는 추세이다. 하지만, 천연가스 자동차 인프라구축과 관련 부품 기술 개발이 미흡한 관계로 버스 및 트럭과 같은 상용차만 주로 사용하고 있으며, 상용차와 상반되게 천연가스 승용차는 많이 보급되지 않는 추세이다. 현재 국내의 천연가스 차량은 단일연료분사(SPI: Single point injection) 방식과 다중연료분사(MPI: Multi point injection) 방식을 사용하고 있으며 사용되는 인젝터의 작동압력이 100 ~ 400 kPa 수준이다. 현재 사용하는 인젝터는 상대적으로 작동압력이 낮기 때문에 고유량 확보 및 고정밀 제어가 어렵다. 특히 터보 과급 엔진에서는 작동압력이 낮아 유량 확보가 매우 어렵기 때문에 사실상 저압 인젝터의 사용은 불가능하다. 가솔린과 동등한 성능을 내기 위해서는 터보과급엔진에도 적용이 가능한 CNG 연료공급장치의 기술개발이 필요하다.
본 논문에서는 고압 CNG 인젝터를 개발하여, 다운사이징 터보 과급 엔진에서 적용성을 평가하였고, 실험적으로 가솔린 엔진과 출력을 비교 검증하였다. 해석적 기법을 통하여 CNG 고압 인젝터의 연료 분사 시 발생되는 압축성 유동의 경향성을 파악하였다. 해석을 통하여 유동이 안정화되어 유량이 확보될 수 있는 형상을 도출하여, 인젝터를 설계하였다. 인젝터의 유량 확보를 위한 적절한 가이드 길이와 직경 등의 형상 적용 필요한 것을 확인하였다. 제작된 인젝터 시제품은 분무 가시화 실험을 통하여 유동이 안정화 되는 시간 및 유량 평가를 진행하였다. CNG 인젝터 가이드 길이에 변화에 따른 분사 가시화 실험 결과 인젝터 가이드 길이가 15mm 일 때 유동이 안정화되는 시간이 빠르며, 유량이 증가하는 것을 확인하였고 엔진 실험을 평가 진행할 인젝터로 선정하였다. 분무 거동에 대한 해석적, 실험적 분석 결과 정성적으로 동일한 결과를 보였다. 선정된 800kPa급 고압 CNG 인젝터를 1.4L T-GDI 엔진에 Bi-fuel 시스템을 구축하여 다운사이징 터보 과급 엔진에서 적용 가능성을 확인하였다. 양산형 엔진에 Bi- fuel 시스템을 구축하여 기본적인 제어로직은 가솔린 연료를 기반으로 작동하게 된다. 따라서 엔진에서 가장 많이 사용하는 실사용 구간 9 포인트를 선정하여 가솔린 점화시기에서 CNG 연료 최적 점화시기로 변경하는 실험을 진행하였다. 이를 통하여 토크 및 열효율을 개선하는 결과를 얻었다. 그리고 전부하 실험에서 CNG 연료 최적 점화시기 변경을 통하여, 기존 CNG 엔진 대비 최대 토크와 최대 출력을 개선하였다. 이 연구 결과를 활용하면 승용 CNG 엔진 개발단계에서 연료공급장치 및 엔진제어에서 고려할 사항들을 확인할 수 있으며, 특히 기상 인젝터 개발 시 유용한 연구자료가 될 수 있을 것으로 기대한다.

Global automobile emission and fuel economy regulations are being strengthened. There are a lot of studies on alternative fuel vehicles to cope with these restrictions. It is one of the ways to cope with emission and fuel economy regulations in the future. Natural gas is the most representative alternative fuel. Natural gas is a gaseous fuel with CH4 as the main component, and because of its abundant reserves around the world, it can provide a stable long-term supply, reduce dependence on traditional fossil fuels, and can be used in internal combustion engines. And because of its high octane number, the wide flammable limit is a large advantage. Because of these advantages, natural gas is expected to overcome the limitations of internal combustion engines and change the technological paradigm in the process of electrification and conversion to a hydrogen society in the future. The spread of natural gas vehicles in Korea began in earnest in 2002, and it is gradually increasing every year. However, natural gas vehicle infrastructure and component technology development are insufficient. Therefore, only commercial vehicles such as buses and trucks are mainly used. On the contrary to commercial vehicles, natural gas systems for passenger vehicles are not widely distributed. Currently, domestic natural gas vehicles use the single point injection(SPI) method and the multi-point injection(MPI) method. The operating pressure of the natural gas injector is 100 ~ 400 kPa. Because of the low operating pressure of the natural gas injector, it is difficult to secure high flow rate and precision control. In particular, in turbocharged engines, it is impossible to secure the flow rate because the operating pressure of the injector is low. To achieve the same performance with a gasoline vehicle, it is necessary to develop a CNG(Compressed Natual Gas) fuel supply system technology that can be applied to a turbocharged engine.
In this paper, a high-pressure CNG injector was developed and its applicability was evaluated in a downsized turbocharged engine. Also, the performances were compared with a gasoline engine. Through numerical flow analysis, the tendency of the compressible flow of the high pressure CNG injector was identified. It was confirmed that it is necessary to apply an appropriate guide length and diameter to secure the flow rate of the injector. The prototype of the injector was evaluated through a spray visualization experiment. As a result of the spray visualization experiment according to the length of the CNG injector guide, it was confirmed that the injector with a 15 mm length of its guide has the shortest period for flow stabilization and highest fuel flow rate. These results of the spray visualization experiment were similar to the results of numerical flow analysis. In the engine applicable experiment, injectors with a 15 mm guide were evaluated. The injectors were applied to a Bi-fuel system for a 1.4L T-GDI engine. The CNG injection system is built on the gasoline engine. Therefore, a basis control logic is optimized for gasoline. Therefore, an optimization of spark timing for the CNG injection system was conducted.
Operation points were selected which is most used in the engine. As a result, torque and brake thermal efficiency improvements were achieved. Also, the maximum torque and power compared to the conventional CNG engine were improved.
In this study, the main factors for the development of CNG injection system and engine control for passenger vehicles were identified. The results of this study are expected to be used as useful research data for the development of natural gas passenger vehicles.