◀ LPG 시스템의 이해 (7) ▶
이번 강좌에서는 믹서에 대해 알아보기로 하겠습니다.
이번 강좌로 LPG 엔진의 연료장치에 관련된 부품의 기능 설명을 마무리하는 강좌입니다.
그럼 믹서에 대해 알아보기로 하겠습니다.
1. 믹 서
1) 믹서의 기능과 세부 명칭
LPG 엔진이 전자제어일지라도 LPG 인젝터가 있는 것이 아니고, 가솔린의 기화기와 같은 역할을 하는 믹서가 부착되어 있습니다.
가솔린의 기화기와 다른 점이 있다면, 기화기는 액체 가솔린을 기화시키는 역할을 하면서 흡입되는 공기량에 맞게 혼합기를 만들어 연소실로 보내주지만, 믹서는 연료를 기화시키지는 않고 베이퍼라이저에서 이미 기화가 된 연료를 흡입 공기량에 맞게 혼합기를 만들어 연소실로 보내는 역할을 합니다.
믹서의 구조와 명칭은 다음과 같습니다.
2) 믹서로 들어오는 연료의 구분
지난 강좌를 잠시 되살펴보면은 봄베를 통과하여 액/기상 솔레노이드 밸브까지 온 LPG는 일단 베이퍼라이저의 1차실로 들어가며, 베이퍼라이저 1차실로 들어간 LPG는 0.325㎏/㎠로 감압이 되어 슬로우 연료가 되어 믹서의 슬로우 연료 입구로 들어간다는 강좌 내용을 알고 계실 것입니다. 또한, 1차실로 들어온 LPG는 2차실로 들어가 다시 거의 대기압으로 감압되어 메인 연료가 되어 믹서의 메인 연료 입구로 보내진다는 것 또한 알고 계실 것입니다.
우리가 기화기에 대해 배울때, "기화기의 6대 회로"라는 것에 대해 공부한 사실을 기억하고 있으실 것입니다.
시동회로, 쵸크회로, 공전 및 저속 회로, 가속회로, 고속회로등이 있었습니다.
LPG 연료 장치는 기화기처럼 6개의 회로가 있는 것이 아니고, 2개의 회로밖에 없습니다. 바로 슬로우 회로와 메인 회로밖에 없지요. 이렇게 2개의 라인만 있으면 우리가 고장 진단할 때 참 편하겠지만, 베이퍼라이저에서 형성된 슬로우와 메인의 2개의 연료 라인이 믹서로 오면서 각각 2개 씩 나뉘어져 총 4개의 연료 흐름이 만들어집니다. 풀이해서 설명하자면, 슬로우 연료라인은 슬로우 어져스트 스크류 즉, SAS를 통하는 슬로우 연료와 슬로우 듀티 S/V를 통하는 슬로우 연료로 나뉘어지고, 메인 연료는 메인 어져스트 스크류 즉, MAS를 통하는 메인 연료와 메인 듀티 S/V를 통하는 메인 연료로 나뉘어집니다.
표로 정리하면 다음과 같습니다.
베이퍼라이저
믹 서
슬로우 연료 (1차실)
SAS를 통하는 슬로우 연료
슬로우 듀티 S/V를 통하는 슬로우 연료
메인 연료 (2차실)
MAS를 통하는 메인 연료
메인 듀티 S/V를 통하는 메인 연료
위에서는 슬로우와 메인 연료의 라인을 구체적으로 2개씩 나누었지만, 사실은 공기의 흐름 좀 더 정확히 말해서 혼합기의 흐름도 2개씩 나누어야 될 필요성이 있습니다. 다 알고 있는 내용이겠지만 다시 한 번 정리하자면 다음과 같습니다.
스로틀 밸브를 통과하는 혼합기와 스로틀 밸브 밑으로 바이패스 하는 혼합기 2가지로 나눌 수 있습니다. 이 중 우리가 고장진단에 필요로 한 것은 스로틀 밸브 밑으로 바이패스하는 공기 통로입니다. 스로틀 밸브를 바이패스하는 공기통로를 또 2개로 나눌 수 있습니다.
표로 정리하면 아래와 같습니다.
스로틀 밸브를 바이패스하는 혼합기
혼합기 조정 스크류(IAS)를 통하는 혼합기
아이들 스피드 액츄에이터(ISC)를 통하는 혼합기
가솔린엔진과 다른점이 있다면 가솔린엔진의 스로틀 바이패스통로는 공기만 통과하지만, LPG 믹서의 스로틀 바이패스통로는 혼합기가 바이패스되는 것입니다.
믹서에서는 위와 같이 슬로우 연료, 메인 연료, 혼합기 라인을 2가지씩 구분하면 정리하기도 좋고 기억/분석하기도 편리합니다.
3) 연료의 분담률
지난 강좌에서 슬로우 연료와 메인 연료가 왜 필요한지에 대하여 알아보았습니다. 다시 한 번 기억을 상기시켜 보면 다음과 같습니다.
LPG 엔진은 전자제어라 할지라도 인젝터가 있는 것이 아니라, 믹서의 벤츄리를 통과하는 공기의 양과 속도에 의해서 발생되는 부압으로 연료를 빨아들인다고 했습니다.
가솔린 엔진에서는 "흡입 공기량센서"와 "RPM 센서"가 각각의 실린더가 한 번 흡입할 때 실린더로 들어간 공기의 양을 계산해 기본 연료 분사량이 결정되고, 그 때의 엔진 온도, 가속등을 감지하여 연료를 보정한다고 하였습니다. LPG엔진의 믹서도 같은 원리입니다.
스로틀 밸브의 열림량에 따라 한 번 흡입할 때 실린더로 들어가는 공기의 양은 비례하면서 증가합니다. 동일한 시간에 동일한 면적을 통과하는 공기의 양이 많아지면 속도가 증가하기 때문에 벤츄리의 압력은 떨어집니다. 또, RPM이 증가하면 흡입되는 공기의 속도가 빨라지기 때문에 벤츄리의 압력은 떨어집니다. 따라서 가솔린 엔진의 흡입 공기량센서와 RPM 센서의 역할을 벤츄리를 만들어 놓으면 기계적으로 행할 수가 있는 것입니다.
지난 강좌에서 설명한 내용이지만 LPG 엔진에서 부착된 흡입 공기량센서는 기본 연료분사량을 계산하기 위해 있는 것이 아닙니다. 연료의 보정과 점화시기 조정을 하기 위해서 있는 것입니다.
슬로우와 메인 연료의 구분은 왜 필요하다고 했습니까?
크랭킹시, 아이들시에는 벤츄리를 통과하는 공기의 양도 적고, RPM도 낮기 때문에 벤츄리에서 발생하는 부압이 적어서 대기압의 압력인 메인 연료를 흡입하기가 어렵다고 했습니다. 따라서 벤츄리의 부압과 관계없이 연료를 쏘아 주어야 하는데 그 역할을 하는 것이 대기압보다 높은 슬로우 연료라고 했습니다. 슬로우 연료의 압력이 0.325㎏/㎠이라고 해서 상당히 낮은 압력이라고 생각할 수가 있는데 그렇지 않습니다. 보통 사람이 압력게이지를 세게 불면 평균적으로 약 0.2㎏/㎠정도가 나오더군요. 크랭킹시와 아이들시에는 슬로우 연료의 분담률이 상당히 크지만 점차 RPM이 상승하고, 스로틀 밸브의 열림량이 많아질수록 벤츄리의 부압이 강해지기 때문에 메인 연료의 분담률은 점점 커집니다. 일반적인 평지를 2,500rpm, 60Km/h의 속도로 주행하는 정도의 부하가 되면 사실 슬로우 연료는 거의 필요가 없을 정도로 분담률은 적어집니다.
아래의 표는 연구소에서 나온 표준 값은 아니고, 저의 개인적인 추정을 표로 그려보았습니다. 완전히 개인적인 것은 아니고 연구소의 담당자와 합의를 해서 정확한 것은 아니지만 정비사들이 정비를 할 때 도움이 되는 정도의 정보라고 해서 같이 어느 정도 결론을 내려본 것입니다.
엔진 상황
슬로우 연료
메인 연료
크랭킹시
70 %
30 %
아이들시
50 %
50 %
저부하시
30 %
70 %
중부하시
10 %
90 %
고부하시
2~5 %
95~98 %
그렇다면 MAS와 메인 듀티 S/V, SAS와 슬로우 듀티 S/V 들간의 관계는 어떻게 되는 것일까요? 다시 말해서, MAS와 SAS처럼 기계적인 스크류로 되어 있는 것과 각각의 듀티 S/V처럼 ECM이 제어하는 연료 통로는 어떤 차이가 있으며, 어느 것이 주된 역할을 할까요?
결론적으로 말씀드리면 기계적인 스크류가 주된 역할을 합니다. 다시 말해서 LPG의 믹서는 가솔린의 인젝터와는 연료분사 방법 자체가 틀리기 때문에 비슷하게 생각해서는 안됩니다. 기본 연료도 벤츄리에서 기계적으로 발생된 부압으로 빨아들이는 방식이니 만큼 슬로우와 메인 연료도 기계적인 스크류로 들어가는 것이 먼저이고, 듀티 S/V는 정밀하게 보정을 하기 위해서 있는 것입니다. 위의 표를 보시면 아시다시피 엔진의 부하가 커질수록 메인 연료의 분담률이 점점 커져갑니다. 더 구체적으로 말하자면 MAS를 통하는 메인 연료의 분담률이 점점 커지는 것입니다.
메인 듀티 S/V는 사실 별 역할 못합니다. 따라서 엔진의 부하에 따른 벤츄리에서의 부압을 정밀하게 계산하여 설계된 믹서의 각 종 연료와 공기의 통로를 임의적으로 만지면 안됩니다. 특히, 부하가 커질수록 거의 모든 연료의 통로가 되는 MAS를 조금이라도 만지면(조정하면), 엄청난 양의 연료의 변동이 발생되기 때문에 MAS를 조정하면 안됩니다. 주 조정스크류라고 해서 조정하는 것이구나 하면 안됩니다.
이제 아래의 내용을 보시면 각각의 구성품의 구체적인 역할에 대해 알 수 있을 것입니다.
4) 메인 연료라인
① 연료 입구
베이퍼라이저로부터 송출된 메인 연료는 믹서의 메인 연료 입구로 들어갑니다. 위의 사진에서 보는 바와 같이 믹서의 연료 입구는 연료 컷 밸브와 같이 구성되어있습니다. 물론, 연료 컷 밸브가 없는 믹서도 있습니다. 연료컷 밸브는 믹서의 메인 연료 입구이면서, 일정 rpm이상과 감속시 메인 연료를 차단하는 연료 컷 기능을 가지고 있습니다.
연료 컷 밸브의 작동은 연료 컷 조건이 되었을 때 연료 컷 밸브에 부착된 진공 호스에 진공이 작용하여 내부의 밸브를 흡입하여 연료를 차단하게 되어 있습니다. 사실 연료를 차단한다고 해도 100%차단하는 것은 아닙니다. 연료 컷 밸브를 분해해서 구조를 보면 작은 구멍이 있어서 조금씩은 연료가 들어가게 되어있습니다.
연료 컷 밸브가 고장이 나면 연료를 차단하는 기능을 하지 못할 뿐이며, 메인 연료의 흐름을 막거나 방해를 하지는 못합니다. 연료입구를 통과한 메인 연료는 주 조정스크류(MAS)와 메인 듀티 솔레노이드밸브로 가게 됩니다.
② 주 조정스크류 ( M.A.S )
벤츄리에서 발생된 부압은 주 조정나사를 통과한 메인 연료를 흡입합니다. 주 조정나사를 통과한 연료는 엔진의 부하가 커질수록, 중,고속으로 갈수록 엔진이 필요로 하는 주 연료라인이 됩니다. 따라서 엔진의 부하가 커질수록 대부분의 메인 연료의 분담률은 커지며, 또한 메인 연료의 대부분은 MAS를 통하게 됩니다.
LPG 차량은 인젝터가 없고 믹서로 흡입되는 공기의 속도 변화에 의해 발생되는 부압으로 연료량을 제어하기 때문에 흡입 공기량센서는 연료량 제어와는 직접적인 관계는 없고, 연료의 보정과 점화시기 제어와 관계가 있습니다. 크랭킹시와 아이들시를 제외한 통상 영역에서는 벤츄리에서 발생하는 부압에 의해 MAS를 통과한 메인 연료가 주 연료가 됩니다. 따라서 그에 맞게 MAS가 셋팅되어 있기 때문에 MAS를 조정하면 안됩니다.
③ 메인 듀티 솔레노이드밸브
연료 컷 밸브를 통과한 연료는 MAS로 가고, 또 메인 듀티 S/V를 통하여 벤츄리로 들어가게 됩니다. 메인 듀티 S/V의 주된 역할은 아래 표와 같이 2가지입니다.
메인 듀티 S/V의 역할
- 크랭킹시, 냉간시, 가속시등에서 연료 보정
- 이론 공연비 피드백제어 (산소센서 피드백제어)
▶ 메인 듀티 S/V는 농후한 혼합비(약 5~8:1)가 필요한 크랭킹시 전개되어 연료량을 보정하고 시동이 걸린 후에는 엔진 냉각수 온도에 따라 냉각수 온도가 낮을 때 연료량을 보정합니다. 가속시에는 운전자가 큰 힘을 필요로 하는 상황이기 때문에 이론 공연비로 제어하는 것이 아니고, 또 혼합기의 기화 속도도 느리기 때문에 이론 공연비보다 농후하게 제어할 필요가 있습니다. 따라서 가속시에도 메인 듀티 S/V는 아이들시 규정값보다 많이 열리게 됩니다. ▶ 엔진이 정상적으로 워밍업이 되서 산소센서 신호를 받아 공연비 피드백 제어를 할 때ECU의 명령을 받아 혼합비를 약 15.7:1로 맞추는 역할을 합니다. 요즘에 나오는 전자제어 LPG 엔진의 혼합비 조절은 메인 듀티 S/V의 열림량을 조절하는 방식을 쓰고 있습니다. 풀이한다면 이렇습니다.
- 정비사가 공연비 조정을 하려면 전용 스캔툴을 이용하거나 자동차 제작사별로 정비 지침서의 지침에 따라 단자를 접지시키는 등의 방법을 취해야 합니다.
- 이 때 ECU는 산소 센서의 신호를 받아 계속 메인 듀티 S/V를 이용해 이론 공연비로 제어하고 있습니다.
- 이 때 정비사는 베이퍼라이저의 2차실에 장착된 혼합비 조절 스크류를 돌려 메인 듀티 S/V의 열림량을 50%로 맞춥니다.
- 50%로 맞추는 이유는 공연비 제어를 하는 메인 듀티 열림량의 반으로 하면 나중에 엔진에 어떤 문제가 발생되더라도 위/아래로 충분히 조정할 수 있게 하기 위해서입니다.
- 위 내용을 보면 알 수 있듯이 전자제어 LPG 엔진은 ECU가 메인 듀티 S/V를 이용해 배기가스를 규정치로 맞추는 역할을 합니다.
따라서 사람이 혼합비를 조정한다는 것은 엔진에 어떤 문제가 발생하더라도 ECU가 메인 듀티 S/V를 위/아래로 움직여가며 혼합비를 조정할 수 있도록 메인 듀티 S/V를 50%로 맞추어 주는 것을 뜻합니다. 물론, ECU가 공연비 제어를 한다고 하지만 제대로 하지 못할 경우가 있습니다. 따라서 LPG 엔진의 혼합비 조정은 머플러에 배기가스 측정기를 넣어 배기가스의 측정값을 확인하면서 ECU가 정확히 하는지 확인해 보아야 합니다.
5) 슬로우 연료라인
① 연료 입구
베이퍼라이저의 1차실에서 약 0.325㎏/㎠로 감압된 연료는 베이퍼라이저의 슬로우 컷 솔레노이드 밸브가 "ON"이 되면 믹서의 슬로우 연료라인으로 들어옵니다.
② 슬로우 어져스트 스크류 ( S.A.S )
SAS는 슬로우 연료의 주 통로입니다. 여기서 잠깐 다시 메인 연료라인을 생각해봅시다. 2개의 메인 연료 통로중 주 통로는 어디였습니까? MAS를 통하는 메인 연료였지요? 마찬가지로 슬로우 연료라인도 SAS를 통하는 슬로우 연료와 슬로우 듀티 S/V를 통하는 연료 라인중 SAS를 통하는 슬로우가 주 슬로우 연료라인입니다.
믹서에 있어서 주 연료 통로는 스크류로 구성된 기계적인 연료 통로가 주이며 메인 듀티 S/V, 슬로우 듀티 S/V 는 그 보조 역할을 하는 것입니다. 기계적으로 거의 계산을 끝내고 좀 더 정밀한 조정을 하기 위해서 듀티 S/V가 필요한 것입니다.
SAS를 통하는 슬로우 연료는 크랭킹시나 아이들시, 고부하시나 급가속시등 모든 상황에 있어서 계속 같은 압력(0.325㎏/㎠)으로 같은 양의 연료가 나옵니다. 따라서 아이들시에 혼합비를 조정할 수 있습니다. 하지만, 슬로우 연료는 엔진의 부하와는 관계없이 항상 일정한 양의 연료가 흐르기 때문에 근본적으로 혼합비를 조절할 수는 없습니다. 따라서 혼합비의 조정은 베이퍼라이저의 2차실 연료압의 변화를 주어야 합니다. 혼합비 조절 스크류는 사이버 강좌 6편에 설명이 되어있습니다.
③ 슬로우 듀티 솔레노이드밸브
슬로우 듀티 S/V의 제어는 상당히 복잡합니다. 하지만 간단히 말하자면, 아래와 같은 2가지 역할을 합니다.
슬로우 듀티 S/V의 기능
- 피드백 제어시 메인 듀티 S/V 보조
- 크랭킹시, 냉간시, 가속시 등에서 연료 보정
▶ 슬로우 듀티 S/V는 위에서 설명한 메인 듀티 S/V가 피드백 제어를 할 때 피드백 보조 역할을 하게 됩니다. 다시 말하자면, 피드백 제어를 위해 ECM은 메인 듀티 S/V를 조정하지만 그 범위를 약 45%~55% 내에서 맞추려 합니다. 하지만 어떤 이유로 메인 듀티 S/V의 듀티가 45%~55%를 벗어나게 되면 ECM은 슬로우 듀티 S/V를 이용해 피드백 제어를 합니다. 슬로우 듀티 S/V를 약 60~70%까지 증가시키거나 20%까지 낮추어도 공연비를 맞출 수 없으면 이 때 다시 메인 듀티 S/V를 이용해 공연비를 조정하게 됩니다.
▶ 슬로우 듀티 S/V는 농후한 혼합비(약 5~8:1)가 필요한 크랭킹시 전개되어 연료량을 보정하고 시동이 걸린 후에는 엔진 냉각수 온도에 따라 냉각수 온도가 낮을 때 연료량을 보정합니다. 가속시에도 물론 농후한 혼합기가 필요하기 때문에 보정을 하게 됩니다. 엔진의 부하가 증가할수록 메인 연료의 분담률이 커지고 슬로우의 분담률은 점점 적어진다고 했습니다. 슬로우 연료도 SAS를 통하는 슬로우가 주이기 때문에 사실 슬로우 듀티 S/V의 이상은 엔진에 별 영향을 주지 못합니다. 하지만 정밀한 배기가스 제어를 위해서는 없어서는 안되는 구성품입니다.
6) 혼합기 통로
① 혼합기 조정스크류 ( I.A.S : Idle Adjust Screw )
스로틀 밸브가 닫혀있어도 혼합기는 연소실로 들어가야만 합니다. 스로틀 밸브가 닫혀 있어도 혼합기는 혼합기 조절스크류(IAS), ISC 밸브를 통과하여 연소실로 들어갈 수 있습니다. 벤츄리에서 공기와 혼합된 LPG는 혼합기가 되어 스로틀 밸브를 통과하여 연소실로 들어가야 합니다. 하지만 운전자가 악셀 페달을 밟지 않았기 때문에 혼합기는 스로틀 밸브를 통과할 수 없습니다. 물론, 스로틀 밸브가 전폐되어 있어도 스로틀 바디의 보어가 깍이지 않게 스로틀 밸브와 스로틀 바디 보어는 어느정도 틈이 있습니다. 스로틀 밸브가 전폐되어있을 때 스로틀 밸브를 바이패스하는 혼합기의 통로도 연료와 마찬가지로 2개가 있다고 했습니다. 스로틀 밸브를 바이패스하는 혼합기의 대부분은 혼합기 조정스크류 (IAS)를 통과합니다.
IAS는 사람이 돌릴 수 있는 스크류이기 때문에 IAS를 돌리면서 아이들 회전수 조정을 합니다.
따라서 IAS는 사람이 조정하는 혼합기 통로라고 기억해 두시면 좋습니다.
아이들 회전수 조정을 하는 방법은 ECU가 아이들은 조정하지 못하도록 스캔툴이나 자동차 제작사별로 정비 지침서의 지침에 따라 단자를 접지시키는 등의 방법을 취한 후 IAS를 돌려 규정 RPM으로 맞춥니다. 그 후 엔진 냉각수온에 의해 설정된 목표 회전수에서 벗어날 때의 rpm 보정은 ISC 솔레노이드 밸브로 합니다.
② ISC 밸브
ISC 밸브는 IAS와 마찬가지로 스로틀 밸브를 바이패스하는 혼합기 통로입니다.
하지만 IAS는 사람이 조정하는 혼합기 통로지만 ISC는 ECU가 조정하는 혼합기 통로입니다.
가솔린 엔진의 ISC 밸브와 거의 같은 역할을 하지만, 차이점이 있다면 가솔린의 ISC 밸브는 공기 통로인데 비하여 LPG 엔진의 ISC 밸브는 혼합기 통로입니다. 따라서 ISC 밸브의 개도가 커지면 혼합기량이 늘어나 rpm은 상승하게 됩니다. ECM은 수온 및 부하에 따른 목표 회전수가 규정에서 벗어나면 ISC 밸브의 개도를 변화시켜 rpm 보상을 합니다. 가솔린 엔진의 ISC 밸브와 같은 역할을 하기 때문에 크랭킹시에는 혼합기 확보를 위해 R거의 전개되며 아이들시에는 약 30% 정도 열리며 rpm이 상승되면 감속시 대시포트 기능을 위해 약 45%정도 열리고 감속시 다시 30%까지 서서히 감소됩니다.
③ 아이들 업 솔레노이드밸브
아이들 업 솔레노이드 밸브는 믹서의 종류에 따라 있는 것과 없는 것이 있습니다. 이는 주로 에어컨 "ON"시에 발생하는 순간적인 부하에 빠르게 대응하기 위해 작동을 하는 밸브로, 에어컨 "ON"이 되면 먼저 아이들 업 솔레노이드 밸브가 "ON"이 되고, 정밀한 보정은 다시 ISC 밸브가 합니다.
이제까지 총 7편에 걸쳐 LPG 엔진시스템의 연료 장치에 대해 알아보았습니다. 저희의 바램은 강좌 내용이 회원 여러분들께 조금이나마 도움이 되었으면 하는 마음입니다. 감사합니다.
