1. LPI

1.1. LPI 엔진

LPI(liquid petroleum injection)장치는 LPG를 고압의 액체상태(5~15bar)로 유지하면서 기관 ECU(컴퓨터)에 의해 제어되는 인젝터를 통하여 각 실린더로 분사하는 방식이다. 즉, LPG가 각각의 실린더에 독립적으로 공급 제어되는 방식이다.

가스믹서 형식의 LPG 연료장치에 비하여 성능, 연료소비율, 저온 시동성능, 역화, 타르 발생 등을 개선할 수 있으며, 매우 정밀한 LPG 공급량 제어로 유해 배기가스를 감소시킬 수 있다. 그리고 액체상태의 LPG를 분사하므로 가스믹서 형식의 구성부품인 베이퍼라이저나 믹서 등의 부품이 필요 없으며, 새롭게 사용되는 구성부품으로는 고압 인젝터, 봄베 내장형 연료펌프, 특수재질의 연료 파이프, LPI 전용 ECU, 연료압력 조절기(레귤레이터)등이 필요하다.

1.2. LPI 장치의 장점

① 겨울철 시동성능이 향상된다.

② 정밀한 LPG 공급량의 제어로 이미션(emission)규제 대응에 유리하다.

③ 고압 액체상태 인젝터로 인해 타르 생성 및 역화 발생의 문제점을 개선할 수 있다.

④ 가솔린기관과 같은 수준의 출력성능을 발휘한다.

LPI장치의 구성도

1.3. LPI 연료 공급장치의 구성과 작용

(1) 봄베(bombe)

봄베

① 봄베(연료탱크) : LPG를 저장하는 탱크이며, 연료펌프를 내장하고 있다.

② 연료펌프 드라이버 : IFB의 신호를 받아 펌프를 구동하기 위한 모듈이다.

③ 멀티밸브 : 송출밸브, 수동밸브, 연료차단 솔레노이드 밸브, 과류방지밸브 등으로 구성되어 있다.

④ 충전밸브 : LPG를 충전하기 위한 밸브이다.

⑤ 유량계 : 봄베 내의 LPG 보유량을 표시한다.

(2) 연료펌프

연료펌프

연료펌프는 봄베 내에 들어있으며, 봄베 내의 액체상태의 LPG를 인젝터로 압송하는 작용을 한다. 연료펌프는 필터, 모터 및 양정형 펌프로 구성된 연료펌프 유닛과 연료차단 솔레노이드밸브, 수동밸브, 릴리프밸브, 리턴밸브 및 과류방지밸브로 구성된 멀티밸브 유닛으로 구성되어 있다.

연료펌프는 모터 부분과 양정형 펌프부분으로 구성되어 있으며, 체크밸브, 릴리프 밸브 및 필터가 결합되어 있다. 그리고 봄베 내의 LPG에 잠겨져 있기 때문에 작동소음 및 베이퍼 로크를 억제할 수 있다.

연료펌프에는 원둘레 방향으로 5개의 연료실이 있으며, 각 연료실은 흡입 및 배출 체크밸브, 다이어프램의 행정(stroke)으로 구동되는 양정형 펌프로 구성되어 있다. 펌프의 구동속도는 5단(500, 1000, 1500, 2000, 2800rpm)으로 제어되며, 이것은 기관에서 요구하는 펌프 유량에 따라 펌프 드라이버에 의해 제어된다.

(3) 연료차단 솔레노이드 밸브

연료차단 솔레노이드 밸브(cut-off solenoid valve)는 멀티밸브에 설치되어 있으며, 기관 시동을 ON/OFF할 때 작동하는 ON/OFF방식이며, 시동을 OFF로 하면 봄베와 인젝터 사이의 연료라인을 차단하는 작용을 한다.

(4) 과류 방지밸브

과류 방지밸브는 자동차 사고 등으로 인하여 LPG 공급라인이 파손되었을 때 봄베로부터 LPG 송출을 차단하여 LPG 방출로 인한 위험을 방지하는 작용을 한다.

(5) 수동밸브(액체상태 LPG 송출밸브)

수동밸브(manual valve)는 장기간 동안 자동차를 운행하지 않을 경우 수동으로 LPG 공급라인을 차단할 수 있도록 한다.

(6) 릴리프 밸브

릴리프 밸브(relief valve)는 LPG 공급라인의 압력을 액체상태로 유지시켜, 열간 재시동 성능을 개선시키는 작용을 하며, 입구에 연결되는 판과 스프링 장력에 의해 LPG 압력이 20±2bar에 도달하면 봄베로 LPG를 복귀시킨다.

(7) 인젝터(injector)와 아이싱 팁(icing tip)

1) 인젝터(injector)

인젝터 니들밸브가 열리면 연료압력 조절기를 통하여 공급된 높은 압력의 LPG는 연료 파이프의 압력에 의해 분사된다. 이때 분사량 조절은 인젝터의 출구 면적이 일정하기 때문에 인젝터 통전시간 제어를 통하여 이루어지며, 이것은 LPG 공급압력을 감지한 IFB(인터페이스 박스)에 의해 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->제어된다.

인젝터

2) 아이싱 팁(icing tip)

LPG분사 후 발생하는 기화 잠열로 인하여 주위 수분이 빙결을 형성하는데 이로 인한 기관 성능저하를 방지하기 위해 아이싱 팁을 사용한다. 아이싱 팁은 재질의 차이를 이용하여 얼음의 결속력을 저하시켜 얼음의 생성을 방지하는 작용을 한다.

(8) 연료압력 조절기

봄베에서 송출된 높은 압력의 LPG를 다이어프램과 스프링의 균형을 이용하여 LPG 공급라인 내의 압력을 항상 5bar로 유지시키는 작용을 한다. 또 연료압력 조절기 이외에 분사량을 보상하기 위한 가스압력 측정센서, 가스온도 측정센서 및 연료차단 솔레노이드밸브를 내장하고 있어 LPG 공급라인의 공급 및 차단을 제어하는 작용을 한다.

1) 연료압력 조절기의 구성부품

① 연료압력 조절기 : LPG 공급압력을 조절하며, 펌프 압력보다 항상 5bar 이상이 되도록 한다.

② 가스온도 센서 : 온도에 따른 LPG 공급량 보정신호로 사용되며, LPG 성분 비율을 판정할 수 있는 신호로도 사용된다.

③ 가스압력 센서 : LPG 공급압력 변화에 따른 LPG 공급량 보정 신호로 사용되며, 기관을 시동할 때 연료펌프 구동시간 제어에도 영향을 준다.

④ 연료차단 솔레노이드 밸브 : LPG 공급을 차단하기 위한 밸브이며, 점화 스위치(key)를 OFF로 하면 LPG 공급을 차단한다.

연료압력 조절기의 구조

2) 연료압력 조절기의 작동원리

연료압력 조절기는 봄베 내의 압력 변화에 대하여 분사량을 일정하게 유지하는 작용을 하며, 인젝터 내에 걸리는 LPG의 공급압력을 봄베의 압력보다 항상 5bar 정도 높도록 조정한다. 연료압력 조절기의 스프링 실(spring chamber)은 출구 쪽 압력과 연결되어 있어 항상 봄베의 압력이 형성되며, LPG 공급압력이 규정 값을 초과하면 다이어프램이 밀려 올라가게 되고, 이때 LPG는 리턴라인을 거쳐 봄베로 복귀한다.

1.4. LPI 장치의 전자제어 입력요소

(1) 공기량 측정센서

공기량 측정센서(MAF)는 핫 필름(hot film)소자가 흡입 공기량을 측정하여 ECU로 신호를 보낸다. 이때 ECU는 LPG 분사량 및 점화시기를 결정하고, 고지(高地)상태를 인식하여 고지에 따른 분사량 보상 및 에어컨 부하 보상, 공전제어 액추에이터 학습에 사용된다.

(2) 흡기 온도 센서

흡기 온도 센서(ATS ; air temperature sensor)는 흡입되는 공기의 온도를 측정하여 LPG 분사량 및 점화시기를 보정하며, 공전상태를 제어할 때 공기온도 보상 등에 사용된다.

(3) 수온센서

수온센서(WTS ; water temperature sensor)는 부특성(NTC ; negative temper ature coefficient) 반도체 소자를 이용하여 기관 냉각수 온도를 측정한다. 부특성 반도체 소자는 서미스터(thermistor)저항체로 온도가 상승하면 저항 값이 감소한다. 기관을 시동할 때 기본 분사량 및 점화시기 결정, 시동할 때 기본 공전제어 듀티량 결정, 대시포트일 때 LPG 공급량 보정, 냉각 팬 제어, 구동력 제어에 필요한 배기가스 온도 모델링에 사용된다.

(4) 스로틀 위치센서

스로틀 위치센서(TPS ; throttle position sensor)는 스로틀보디 밸브 축과 함께 회전하는 센서용 와이퍼(wiper, 또는 슬라이더)가 센서 내의 저항 판을 따라 회전할 때 저항 값의 변화량에 비례하는 센서 신호가 발생한다.

스로틀 위치센서의 신호와 함께 기관공전, 부분부하, 전부하를 결정하여 분사량 및 점화시기, 에어컨 제어(에어컨 작동 중 급 가속을 할 때 일정시간 동안 에어컨 작동을 정지시킴), 차량의 저크(울컥거림)방지 등에 사용된다.

(5) 노크센서

압전소자(piezo-ceramic)를 이용한 노크센서를 각 뱅크의 실린더 블록 중앙에 설치하여 기관 진동(각 실린더마다 노크 여부)을 감지한다.

(6) 차량 속도센서

차량 속도센서의 역할은 변속기 하우징에 설치된 차량 속도센서로(1회전 당 4개의 펄스 출력) 변속기 내의 투스(tooth)신호를 감지하여 ECU로 보낸다. 이 신호는 ECU의 주행속도 계산용, 타코미터의 주행속도 표시용으로 사용된다.

(7) 산소센서(HO2S) - 지르코니아 방식(ZrO2)

촉매컨버터가 요구하는 공연비를 실현하는 방법으로 배기다기관에 산소센서를 부착하여 공연비가 이론 공연비에 대해서 농후 상태인지, 희박 상태인지를 검출하여 이론 공연비가 되도록 유지한다.

(8) 캠축 위치센서(TDC 센서)

캠축 위치센서는 1개의 홀(hall)소자로 디지털 신호를 출력하며, 크랭크축 위치센서 신호와 캠축 위치센서의 신호를 비교하여 각 실린더 피스톤의 압축 상사점을 검출한다. 즉, 점화스위치 ON과 동시에 캠축의 위상을 곧바로 감지한다.

(9) 크랭크축 위치센서(CKP)

크랭크축 위치센서는 캠축 위치 센서 신호와 크랭크축 위치센서 신호를 비교하여 압축 상사점에 대한 크랭크축(피스톤)의 위치를 측정한 신호로, 기관 회전속도와 LPG 분사시기 및 점화시기를 결정하는데 사용된다. 또 스로틀 위치센서 신호와 함께 기관 작동조건(공전, 부분부하, 전부하 등)을 결정하는데 사용되며, 2개의 홀소자로 디지털신호를 출력한다.

(10) 가스압력 측정센서

액체상태의 LPG 압력을 측정하여 해당 압력에 대한 출력 전압을 인터페이스 박스(IFB)로 전달하는 작용을 하며, 이때 인터페이스 박스는 ECU가 LPG 공급 압력에 따른 인젝터 분사량을 계산하도록 ECU로 전달한다. 또 가스압력에 따르는 연료펌프 구동시간 결정 및 LPG 조성 비율을 판정하여 최적의 분사량을 보정하는데 이용되며, 가스온도 측정센서가 고장일 때 대처 기능으로 사용된다.

(11) 가스온도 측정센서

가스온도 측정센서(GTS ; gas temperature sensor)는 연료압력 조절기 유닛 보디에 설치되어 있으며, 서미스터 소자의 원리를 이용하여 LPG 온도를 측정하여 ECU로 보낸다. ECU는 이 온도 값을 이용하여 계통 내의 LPG 특성을 파악하여 분사시기를 결정한다. 가스압력 측정센서와 함께 LPG 조성비율 판정신호로도 이용되며 분사량 및 펌프 구동시간 제어에도 사용된다.

1.5. LPI 전자제어 출력요소

(1) 점화코일

점화코일은 제1번과 제4번, 제2번과 제5번, 제3번과 제6번 실린더 순서로 점화되는 형식이며, ECU에 내장된 파워 트랜지스터에 의해 제어된다.

(2) 공전속도 제어 액추에이터(ISA)

공전속도 제어 액추에이터는 기관이 공전할 경우 및 그 밖의 운전조건에 따라 필요한 공기량을 적절하게 조절한다. 2중 코일(열림과 닫힘)이 내장되어 있으며 ECU에 의해 제어된다. 기본 공전 듀티 제어량 결정, 각 기관 운전조건(흡입 공기온도 보정, 고지(높은 지대) 보정, 부하 보정, 냉각수 온도 보정)에 따라 공전 듀티량 보정 및 공전제어에 사용한다.

(3) 인젝터

ECU 및 인터페이스 박스는 기관 작동조건에 적합한 분사량을 계산하고 또 이 분사량을 전류 구동방식의 인젝터에 펄스신호로 전달한다. 기본 분사량은 흡입 공기량, 기관 회전속도에 의해 산출되며, 연료 보정상황(공연비 제어 신호, 분사량 학습 값, 웜업 제어, 촉매 컨버터 가열제어, 감속할 때 분사량 제어, 공전속도 제어, 전부하일 때 분사량 증가, 가속할 때 분사량 증가, 재 시동할 때)에 따라 분사량을 보정한다. 그리고 기관 회전속도가 적당 수준에 도달하면 LPG 분사를 차단하는 안전기능이 있다.

(4) 연료차단 솔레노이드 밸브

연료차단 솔레노이드 밸브(cut-off solenoid valve)는 연료압력 조절기 유닛에 설치되어 있으며, 기관 시동을 ON/OFF할 때 작동하는 ON/OFF방식이며, 기관 시동을 OFF로 하면 봄베와 인젝터 사이의 LPG 공급라인을 차단하는 작용을 한다.

LPI장치는 연료압력 조절기 유닛과 멀티밸브에 각각 1개의 연료차단 솔레노이드 밸브를 두고 있으며, 이 2개의 밸브는 동일한 조건으로 동일하게 작동하여 2중으로 LPG 공급을 차단하는 기능을 한다.

(5) 펌프드라이버

연료펌프 내에 설치된 BLDC(brush less DC)모터 구동을 제어하는 기구이며, 기관 운전조건에 따라 펌프를 5단계로 제어하는 역할을 한다.