01. CNG 연료분사장치

1. 천연가스

천연가스는 자연적으로 땅속에 퇴적한 유기물이 변화되어 지하에 매장되어 있는 혼합기체로 가스전에서 직접 채취하거나 액화천연가스를 기화시킨 기체상태의 연료용 가스를 말하며 생산지에서 소비자까지의 유통 형태에 따라 조금씩의 차이는 있으나 메탄(Methane : CH4)이 80~90%를 차지하고 있으며, 나머지는 에탄(Ethane : C2H6), 프로판(Propane : C3H8)등의 불활성 기체를 포함하고 있으며 발열량은 10,000~15,000㎉/㎥이다.

액화온도를 -162℃이하로 냉각시켜 액체 상태인 것을 LNG(Liquefied Natural Gas : 액화천연가스)라 하며, 상온에서 기체 상태로 압력을 가하여 저장된 상태를 CNG(Compressed Natural Gas : 압축천연가스)라 한다. PNG(Pipeline Natural Gas)는 가스전에서 채취한 천연가스(NG)를 소비지까지 배관을 통해 공급하는 가스이다. 액화할 경우 체적이 기체 상태의 1/600로 줄어들기 때문에 LNG는 생산지로부터 수송 및 운반과 저장이 용이하다. 그러나 상온에서는 항상 기체 상태를 유지하기 때문에 일반적으로 200기압 정도로 압력을 가하여 고압용기에 저장한다.

2. 천연가스의 물리적 특성

천연가스의 물리적 특성은 가스의 화학성분에 따라 발열량, 밀도, 인화범위 등이 많이 달라지며, 메탄의 성분비율이 높아질수록 메탄의 특성에 가까워진다. 상온, 대기압력 상태에서는 공기보다 밀도가 낮다. 천연가스는 화염전파 속도가 느린 반면 자기착화 온도가 다른 연료보다 높기 때문에 압축착화 방식의 디젤엔진 보다는 전기 점화방식의 가솔린엔진에 적합한 연료이다. 옥탄가는 130정도로 높은 편이며, 가솔린보다 앤티노크(anti knock)가 우수하다. 이에 따라 기관의 압축비를 12~15:1 정도로 높일 수 있어 열효율을 개선을 기대할 수 있다. 에너지 밀도 측면에서는 단위 중량당 에너지는 가솔린, 경유와 비슷하지만 단위용적 당 으로 비교하면 대기압력 상태에서는 석유의 1/1000로 매우 낮다. 따라서 천연가스를 200기압으로 압력을 가하여 사용할 경우 석유와 동일한 에너지를 갖기 위해서는 약 5배의 체적이 되어야만 하며, 액화시켜 LNG 상태로 저장하면 약 1.5배의 체적이 필요하다. 천연가스와 액화석유의 특징은 다음과 같다.

3. 천연가스 자동차(NGV : Natural Gas Vehicle)

천연 가스 자동차(NGV : Natural gas vehicle)는 천연 가스를 사용하는 저공해자동차의 일종이다. 연료로는 압축천연가스(CNG : Compressed Natural Gas)를 주로 사용하며, 최근에는 액화천연가스(LNG : Liquefied Natural Gas)를 사용하기도 한다.

① 압축천연가스 자동차 : 천연가스를 약 200~250기압의 높은 압력으로 압축하며, 분진, 유황 등 불순물이 거의 함유되지 않은 청정 연료이며 비중이 0.6으로 고압 용기에 저장하여 사용한다.

② 액화천연가스 자동차 : 천연가스를 -162℃이하의 액체 상태로 초저온 단열용기에 저장하여 사용한다.

③ 흡착천연가스 자동차 : 천연가스를 활성탄 등의 흡착제를 이용하여 압축천연 가스에 비해 1/5~1/3정도의 중압(50~70기압)으로 용기에 저장한다.

CNG 연료공급 계통

4. CNG 연료장치

【1】가스충전밸브(가스 주입구)

가스를 충전시 사용하는 밸브로 충전밸브에는 체크밸브가 연결되어 고압가스 충진시 역류를 방지하는 기능을 한다.

【2】가스 압력계

가스탱크내의 연료량을 압력으로 표시하며 탱크 잔류압력 1MPa이하에서는 엔진 출력부족 현상이 발생하며 3.0MPa이하에서는 재충전을 실시하여야 한다. CNG가스 탱크완충 압력은 약 207bar(=3,000psi=201kgf/cm2=20.7MPa)이며 연료가 기체 상태인 관계로 가스 탱크의 온도에 따라 압력이 변화된다.

【3】체크밸브

가스 충전밸브 연결부 뒤쪽에 설치되어 고압가스 충전시 역류를 방지한다.

 (a) 가스충전밸브                                          (b) 가스압력계

(c) 체크밸브

【4】GFI솔레노이드 밸브(용기밸브)

시동 KEY ON/OFF 상태에 따라 가스용기에서 엔진으로 공급되는 가스를 공급 및 차단하는 역할을 하며 시동 KEY ??ON??상태로 5초내에 RPM신호가 ECU에 입력되지 않으면 자동으로 밸브가 닫힌다.

GFI솔FP노이드 밸브 및 PRD 밸브

【5】기계식 수동밸브(용기밸브)

가스용기에서 엔진으로 공급되는 가스를 공급 및 차단하는 밸브로 각각의 용기에 설치되고, 수동으로밸브를 열고 닫는다.

기계식 수동밸브

【6】PRD(Pressure Relief Device)밸브

화재로 인해 용기의 파열이 발생할 우려가 있을 경우 PRD밸브의 가용전(연납)이 녹으면서 가스를 방출하여 용기의 파열을 예방한다.

【7】수동차단밸브

엔진 정비시 엔진 배관에 남아있는 가스를 제거할 때 사용한다. 수동차단 밸브를 잠그고 엔진 시동을 걸어 엔진 측 배관내의 잔류가스가 제거되면 엔진은 자동으로 정지된다.

【8】가스필터

수동차단 밸브의 파이프라인에 설치되며, 가스내의 불순물을 여과하여 불순물이 엔진에 공급되는 것을 방지한다. 가스 필터 점검 또는 교환 시에는 반드시 수동차단밸브를 잠그고 엔진이 정지된 후 작업해야 하며, 가스필터 관리 주기는 점검은 약 5,000km마다. 교환은 20,000km마다 한다.

가스필터

【9】CNG탱크 온도센서

CNG탱크 온도센서(NGTTS : Natural Gas Tank Temperature Sensor)는 부특성 서미스터로 탱크위에 설치되어 있으며 탱크 속의 연료 온도를 측정한다. 연료온도는 연료를 구동하기 위해 탱크내의 압력센서와 함께 사용된다.

【10】고압차단 밸브

고압차단 밸브(High Pressure Lock-off Valve)는 가스필터와 가스 압력 조정기 사이에 설치되며 가스탱크에서 엔진에 공급되는 압축천연가스를 과다한 압력 및 누기 발생시 차량과 엔진을 보호하기 위하여 고압 가스라인을 차단하는 안전밸브이다. 시동키 ??ON/OFF??시 동시에 열리로 닫힌다(전원 공급시 플런져가 상향운동으로 밸브 개방 및 폐쇄). 밸브가 열리면 가스탱크로부터 고압의 가스가 연료라인을 따라 가스압력조절기로 공급된다. 연료공급압력은 3.0~20.7MPa로 매우 높은 압력이다.

고압차단벨브

【11】가스압력 조정기

가스압력 조정기(Gas Pressure Regulator)는 고압차단 밸브로부터 공급되는 고압의 가스를 0.62MPa로 감압시켜 감압시 압력팽창에 의한 온도저하 및 동파 방지를 위해서 엔진의 냉각수가 유입된다. 가스압력 조정기 바디에 가스탱크 압력센서가 장착되어 있어 가스탱크의 가스압력 검출이 가능하며, 이 검출된 값이 계기판의 연료게이지에 표시된다. 가스압력 조정기의 가스 출구측에는 과도압력조절장치(PRD)가 장착되어 있어 가스출구압력이 1.1MPa 이상일 경우에는 가스를 대기로 방출시킨다. 또한 가스압력 조정기에는 흡기관 압력보상 장치가 있어 흡기압력에 따라 가스의 토출 압력이 변하게 되어 있다.

가스압력 조정기 및 가스탱크 압력센서

【12】가스열 교환기

가스열 교환기(Heat Exchanger)는 가스압력 조정기와 가스 온도 조절기 사이 프레임 상단에 설치되어 가스탱크에 압축된 가스는 가스압력 조정기를 통과하면서 압력이 팽창하여 가스 온도저하 및 동파방지를 위하여 상대적으로 따뜻한 냉각수를 공급하여 가스의 온도를 상승시키는 역할을 한다. 정확한 연료량 제어를 위하여 적정한 가스온도(-40~45℃)로 유지하는 기능을 한다. 가스의 온도가 과냉 또는 과열되면 연료 유동상태가 나빠진다.

가스열 교환기

【13】가스온도 조절기

가스온도 조절기(Gas Thermostat)는 열 교환기에서 나온 가스는 플렉시블 호스를 통해 고압차단 밸브 우측에 설치된 온도 조절기로 공급된다. 엔진 냉각수의 유입을 자동적으로 조절하여 가스의 과냉 및 과열을 방지한다. 최적의 작동 온도로 유지하기 위해 일정 온도에서 냉각수의 흐름을 제어한다. 개방온도는 10~16℃이고 시동시 에는 완전히 개방이 되며 닫힘 온도는 40~49℃이다.

가스온도 조절기

【14】연료 미터링 밸브

연료 미터링 밸브(Fuel Metering Valve)는 가스온도 조절기를 거친 가스는 플렉시블 호스를 통해 엔진의 좌측면에 설치된 연료미터링 밸브로 공급되며, 디젤엔진 인젝션펌프와 유사하다. 8개의 인젝터가 개별적 또는 간헐적으로 유로를 개폐하여 연료의 압력을 조정해서 엔진에 필요한 연료가스를 공급하며, 가속페달의 밟힘량 및 엔진회전수신호 등을 ECM에서 펄스 신호로 제어하여 인젝터를 개방(인젝터의 개방시간으로 연료량을 제어)한다.

연료 미터링 밸브

【15】가스혼합기

가스혼합기(Gas Mixer)는 연료 미터링 밸브에서 공급된 가스와 압축공기를 혼합시킨다.

【16】스로틀 밸브

스로틀 밸브(Throttle Valve)는 엔진 흡기 매니폴드 파이프에 장착되어 가스 혼합기를 통과한 혼합가스가 엔진 실린더로 들어가는 양을 조절한다. 스로틀 밸브는 ECM에 의해 구동되는 모터와 스로틀 밸브의 위치를 파악하기 위한 스로틀 밸브 위치 센서(TPS)가 일체로 구성되어 있다.

(a) 가스 혼합기                                        (b) 스로틀 밸브

가스혼합기 및 스로틀 밸브