오토가스
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1. 개요
오토가스(Autogas)는 자동차 연료로 사용되는 액화석유가스(LPG)를 의미하며, 부탄과 프로판 혼합물을 주성분으로 한다. 가솔린을 "petrol"로 부르는 국가에서는 "gas"로 통용되기도 한다. 오토가스는 옥탄가가 높아 고성능을 낼 수 있으며, 전 세계적으로 널리 사용되고 있다.
LPG는 국가별로 다양한 용어로 불린다. 미국에서는 주로 "프로판"이라고 불리며, 2010년 프로판 교육 연구 위원회(Propane Education and Research Council)는 도로 주행 차량에 사용되는 LPG를 "프로판 오토가스"라고 부르기로 했다.[6] 영국에서는 "LPG"와 "오토가스"가 같은 의미로 사용된다. 오스트레일리아와 네덜란드에서는 "LPG"가 일반적이다. 이탈리아와 프랑스에서는 "GPL"(gas di petrolio liquefatto|가스 디 페트롤리오 리퀘파토it 또는 gaz de pétrole liquéfié|가즈 드 페트롤 리퀴에피에프랑스어의 약자)이 사용된다. 스페인에서는 "GLP"(''gas licuado del petróleo'')라는 용어가 사용된다.
LPG는 자동차 연료로 널리 사용되지만, 오토가스를 필요로 하는 운전자들은 때때로 어려움을 겪을 수 있다. 특히 외딴 지역이나 수요와 공급이 낮은 곳에서는 LPG 충전소를 찾기 어려워, 사전에 경로를 계획해야 한다.[8] 일부 오토가스 연료 시스템은 차량 내에 오토가스와 휘발유를 병용하는 메커니즘을 갖추고 있어, 언제든 오토가스 또는 휘발유를 사용할 수 있도록 한다.[8]
새뮤얼 브라운은 1823년 런던에서 가스를 연료로 사용하는 내연 기관을 연구했다.[9] 1935년 독일 하노버에 오토가스 충전소가 설치되었고,[9] 같은 해 모스크바와 레닌그라드 사이를 운행하는 트럭으로 시험 운행이 이루어졌다. 1970년대에 들어서 오토가스는 운송 시스템에 광범위하게 적용되기 시작했는데, 특히 택시(네덜란드, 이탈리아, 방콕, 이스탄불)와 버스에 사용되었다.[10]
도요타는 1970년대에 M, R, Y 엔진 계열에 LPG 전용 엔진을 다수 생산했다. 여러 자동차 제조사들이 LPG와 휘발유를 모두 사용할 수 있는 바이퓨얼 모델을 출시했다.[11] 홀덴 스페셜 비히클스(HSV)는 오비탈 오토가스 시스템스의 기술을 사용하여 오토가스를 액체 상태로 엔진에 주입하여 효율을 높이는 바이퓨얼 모델을 제공했다.[11] 2011년부터 홀덴 코모도어 라인업(세단, 왜건, 유테)은 LPG 전용 차량으로 제공되었다.
오토가스는 LPG를 연료로 사용하는 자동차를 지칭하며, LPG 전용, LPG와 가솔린을 함께 사용하는 바이퓨얼, LPG와 전기를 함께 사용하는 LPG 하이브리드 차량 등이 있다. 오토가스 시스템은 충전구, 호스, 파이프, 피팅, 탱크, 밸브, 변환기, 믹서, 인젝터, 전자 제어 장치 등으로 구성된다.
오토가스 시스템에는 변환기-믹서 시스템, 기체상 분사 시스템, 액체상 분사 시스템이 있다. 오토가스는 휘발유나 경유보다 저렴하고, 환경적인 측면에서 장점이 있어, 터키, 폴란드, 대한민국 등 여러 국가에서 사용되고 있으며, 특히 유럽과 아시아 지역에서 널리 사용된다. 또한, 가솔린 차량을 개조하여 LPG 차량으로 만들 수 있으며, 디젤 엔진을 LPG 엔진으로 개조하는 기술도 개발되어 있다.
2. 용어 및 혼란
아시아 국가, 특히 필리핀과 같이 역사적으로 미국의 영향을 받은 국가에서는 "오토가스"라는 용어가 일반적이지 않으며, "LPG" 또는 "autoLPG"라는 용어가 더 널리 사용된다.[7]
3. 자동차 연료로서 LPG의 문제점
4. 역사
일본에서는 전시 체제에 의한 석유 및 가솔린 통제에 따라 1940년경 대체 연료차의 일종으로 시험 사용되었으나, LP 가스 자체가 석유 정제의 부산물이라는 특성 때문에 목탄차나 천연 가스차만큼 보급되지는 못했다. 1950년대 이후 LP 가스가 가정용 조리 용도로 널리 사용되고, 1961년 이후 LP 가스 단독 수입이 본격화되면서 1962년~1963년경 택시 연료로 사용되기 시작했다. 당시 LPG는 가솔린 가격의 절반 정도밖에 되지 않아 경제성이 뛰어났다.[70] 초기에는 가솔린차를 개조한 LPG 택시에서 화재 사고가 잦았으나, 가스 누출 방지 설계를 강화하고 관리 기준을 엄격하게 적용하면서 화재 사고가 크게 줄었다. 또한 가스 충전소 등의 인프라도 정비되어 1960년대 후반 이후 택시 업계에 본격적으로 보급되었다.
5. 차량 제조사
비알리는 LPG를 사용하는 LPG 구동 스쿠터와 모페드를 제조한다. 포드 오스트레일리아는 2000년부터 팔콘 모델의 LPG 전용 변형 모델을 제공해 왔다.
LPG 차량은 자동차 제조사에서 처음부터 LPG 차량으로 생산하거나, 개조 사업자에 의해 사후 개조되는 경우가 있다. 자동차 제조사가 직접 관여하여 개조·판매하는 경우도 있다.[94] 세계 LPG 협회(WLPGA)에 따르면 2018년 기준 세계 10대 자동차 제조사 중 8개사가 LPG 차량을 생산하고 있으며, 바이퓨얼을 포함하여 130개 이상의 차종이 있다.
5. 1. 대한민국 제조사별 LPG 차량 목록
과거 일본에서는 주로 택시·교습차용 승용차 및 소형 트럭 등을 도요타, 닛산, 마쓰다 등 여러 제조사가 생산했지만, 2022년 현재 제조사 생산 LPG 차량은 도요타・재팬 택시(LPG·전기 하이브리드) 뿐이다.
2004년 LPG 진흥 센터의 구조 개선 조사 사업으로 볼보 V70 왜건과 S80 세단, 현대 XG(그랜저) 세단이 일본에 시험적으로 수입되었다. 이는 국외 LPG 차량 수입을 통해 일본 LPG 차량 시장과 인프라 사업 활성화를 도모하기 위한 목적이었다. 당시 일본에서는 유럽 규격(ECE 기준 67호) 및 한국 규격으로 제조된 연료 용기를 사용하는 국외 LPG 차량의 사용이 어려웠기 때문에, 이 기술 조사는 중요한 의미를 가졌다. 수입된 차량들은 일본 공도 주행이 가능하도록 등록되었고, 시승회 및 전시회에 사용되었으나, 일본에서 국외 생산 양산 LPG 승용차가 수입, 등록된 것은 이 때가 처음이었다. 이후 2006년 10월, 그랜저 LPI가 일본에서 수입 양산 LPG 차량으로 처음 판매되기 시작했으며, 2010년 현대자동차가 일본 승용차 시장에서 철수할 때까지 판매되었다. 그랜저 LPI는 일본 규격의 LPG 탱크를 한국으로 보내 현지에서 생산하는 방식으로 제작되었다.[11]
현대자동차, 기아, 르노코리아, KG모빌리티, 한국지엠 등의 제조사별 LPG 차량 목록은 다음과 같다.제조사 LPG 차량 목록 현대자동차 그랜저 LPI 기아 기아 K5, 기아 K8, 기아 스포티지, 기아 봉고 르노코리아 르노코리아 SM6, 르노코리아 QM6 KG모빌리티 (해당 없음) 한국지엠 한국GM 다마스, 한국GM 라보 5. 1. 1. 현대자동차
2004년에 LPG 진흥 센터의 구조 개선 조사 사업으로 현대 XG(그랜저) 세단이 일본에 시험적으로 수입되었다.[11] 이는 국외 LPG 차량 수입을 통해 일본 LPG 차량 시장과 인프라 사업 활성화를 도모하기 위한 목적이었다.[11] 당시 일본에서는 유럽 규격(ECE 기준 67호) 및 한국 규격으로 제조된 연료 용기를 사용하는 국외 LPG 차량의 사용이 어려웠기 때문에, 이 기술 조사는 중요한 의미를 가졌다.[11] 수입된 그랜저는 일본 공도 주행이 가능하도록 등록되었고, 시승회 및 전시회에 사용되었으나, 일본에서 국외 생산 양산 LPG 승용차가 수입, 등록된 것은 이 때가 처음이었다.[11] 이후 2006년 10월, 그랜저 LPI가 일본에서 수입 양산 LPG 차량으로 처음 판매되기 시작했으며, 2010년 현대자동차가 일본 승용차 시장에서 철수할 때까지 판매되었다.[11] 그랜저 LPI는 일본 규격의 LPG 탱크를 한국으로 보내 현지에서 생산하는 방식으로 제작되었다.[11]
5. 1. 2. 기아
기아 K5, 기아 K8, 기아 스포티지, 기아 봉고는 LPG 모델을 제공한다.[11]
5. 1. 3. 르노코리아
르노코리아 SM6와 르노코리아 QM6에는 LPG 연료를 사용하는 모델이 있다.[11]
5. 1. 4. KG모빌리티
의 KG 토레스는 현재 LPG 전용 모델을 생산하고 있지 않다.
5. 1. 5. 한국지엠
한국GM 다마스와 한국GM 라보는 LPG를 연료로 사용하는 차량이다.[11]
6. 국가별 현황
오토가스는 유럽 연합, 홍콩, 인도, 필리핀, 북마케도니아, 대한민국, 세르비아, 스리랑카, 터키 등 많은 국가 및 지역에서 큰 인기를 누리고 있다.[13] 특히 유럽에서는 터키와 폴란드에서 LPG 차량 보급이 두드러진다. 유럽에서는 휘발유를 예비 연료로 사용하는 바이 퓨얼 차량도 많다.[116]
- '''오스트레일리아''': 많은 지역에서 오토가스를 쉽게 이용할 수 있다. 2011년부터 오토가스에 소비세가 부과되기 시작하여 2015년에는 리터당 12.5센트에 도달했다.[20]
- '''알제리''': 1980년대부터 정부 차원에서 오토가스 사용을 장려해 왔다. 2019년 말 기준 약 50만 대의 오토가스 차량이 운행 중이며, 1,000개 이상의 충전소가 있다. 오토가스는 디젤 가격의 61% 수준으로 경제적이다.[14]
- '''벨기에''': 과거 정부 보조금으로 오토가스 사용이 활발했으나, 2003년 보조금 폐지 이후 감소했다. 하지만 디젤차 세금 인센티브 축소로 최근 다시 증가 추세이다. 2012년 기준 오토가스 차량은 약 22,265대이며, 727개의 충전소가 있다. 오토가스는 소비세가 면제되지만 부가가치세는 부과된다. 가격은 디젤의 1/3 수준으로 매우 저렴하다. LPG 차량은 등록세 할인을 받는다.[14]
- '''불가리아''': 2003년 기준 전체 연료 소비량의 14%를 차지하며, 1999년 이후 3배 증가했다. 약 19만 5천 대의 차량과 1,500개의 주유소가 있다. 특히 상업용 차량(미니버스, 택시의 90%)에서 많이 사용된다.[14]
- '''캐나다''': '오토 프로판'으로 불리며, 주로 대량 소비 공공 및 민간 차량(택시, 택배, 스쿨 버스 및 대중 교통 차량)에서 사용된다. 1980년대에 캐나다 정부의 보조금 정책으로 수요가 급증했으나, 1990년대에 감소했다가 2010년 이후 다시 증가 추세이다. 2014년 기준 25,000~50,000대의 차량과 2,000개의 주유소가 있다. 오토 프로판은 휘발유 및 디젤보다 약 40% 저렴하며, 연방 소비세가 면제되고 낮은 세율로 과세된다.[21]
- '''중국''': 1990년대 이후 빠르게 성장했으며, 2009년 기준 25개 도시에서 오토가스 충전소가 운영 중이다. 상하이에서는 26만 대 이상의 오토가스 오토바이가 운행 중이며, 선양에서는 16만 대 이상의 택시와 2,500대 이상의 버스가 오토가스를 사용한다. 광저우시는 2009년 전국 오토가스 소비량의 46.56%를 차지했다.[14][22]
- '''체코''': 2003년 말 기준 약 145,000대의 오토가스 차량과 350개의 충전소가 있었다.[14]
- '''프랑스''': 2010년 말 기준 약 62,500대 이상의 오토가스 차량이 운행 중이다. 2003년에는 약 19만 대, 1,900개의 충전소가 있었으며, 2005년 자동차 연료 사용량의 약 0.4%를 차지했다.[14][27]
- '''독일''': 'Autogas'라고 불리며, 2014년 기준 6,700개의 주유소와 약 50만 대의 등록 차량(전체 차량의 1.1%)이 있다. 특별 연료세율 덕분에 가격이 저렴하다.[14]
6. 1. 대한민국
대한민국은 한때 세계 최대의 오토가스 시장 중 하나였으며, 2010년에 소비량이 정점을 찍었다. 2019년 기준, 대한민국에는 약 202만 대의 LPG 차량이 보급되어 세계 5위를 기록했다.[115] 2008년에는 230만 대(총 자동차의 약 13%)가 LPG 차량이었으며, 그 중 23만 대가 택시였다.[119]차종 구성을 보면, 택시와 소형 화물차가 오토가스 수요의 대부분을 차지한다.[117] 2021년 기준으로 대한민국에는 196만 대의 오토가스 차량이 등록되어 있으며, 1,992개의 충전소가 운영되고 있다.
과거에는 LPG 공급 문제로 인해 택시, 장애인, 국가유공자에게만 LPG 차량 구매가 허용되었으나, 2019년에 일반인에게도 구매가 허용되었다.[119] 이는 디젤차의 대기 오염 문제에 대한 대책으로, 더불어민주당은 LPG 차량 보급 확대를 위한 정책을 추진하고 있다. 이러한 정책은 미세먼지 저감 및 친환경 에너지 전환에 기여할 것으로 기대된다.
6. 2. 터키
터키는 세계에서 오토가스 차량 비율이 가장 높은 국가이다. 승용차의 약 37%가 오토가스를 사용한다.[13] 터키에서 오토가스 소비량은 휘발유 소비량을 초과한다. 터키 정부는 소비자에게 경제적 이점을 제공하기 위해 오토가스 가격을 규제한다.6. 3. 폴란드
폴란드는 유럽에서 가장 오래되고 성공적인 오토가스 시장 중 하나로, 1인당 LPG 사용률이 매우 높다.[13] 2011년 기준으로, 폴란드에는 6,050개의 오토가스 주유소와 2,500,000대의 오토가스 차량이 운행되었다.[13]6. 4. 기타 국가
유럽 연합을 비롯하여, 홍콩, 인도, 필리핀, 북마케도니아, 세르비아, 스리랑카, 터키 등 많은 국가 및 지역에서 오토가스가 널리 사용되고 있다. 아르메니아에서는 교통부 추산 자동차의 20~30%가 오토가스를 사용하며, 휘발유 가격의 절반 미만, 디젤보다 약 40% 저렴하다.[13]- '''오스트레일리아''': 많은 지역에서 오토가스를 쉽게 이용할 수 있다.
- '''알제리''': 1980년대부터 정부 차원에서 오토가스 사용을 장려해 왔다. 2019년 말 기준 약 50만 대의 오토가스 차량이 운행 중이며, 1,000개 이상의 충전소가 있다. 오토가스는 디젤 가격의 61% 수준으로 경제적이다.[14]
- '''벨기에''': 과거 정부 보조금으로 오토가스 사용이 활발했으나, 2003년 보조금 폐지 이후 감소했다. 하지만 디젤차 세금 인센티브 축소로 최근 다시 증가 추세이다. 2012년 기준 오토가스 차량은 약 22,265대이며, 727개의 충전소가 있다. 오토가스는 소비세가 면제되지만 부가가치세는 부과된다. 가격은 디젤의 1/3 수준으로 매우 저렴하다. LPG 차량은 등록세 할인을 받는다.[14]
- '''불가리아''': 2003년 기준 전체 연료 소비량의 14%를 차지하며, 1999년 이후 3배 증가했다. 약 19만 5천 대의 차량과 1,500개의 주유소가 있다. 특히 상업용 차량(미니버스, 택시의 90%)에서 많이 사용된다.[14]
- '''중국''': 1990년대 이후 빠르게 성장했으며, 2009년 기준 25개 도시에서 오토가스 충전소가 운영 중이다. 상하이에서는 26만 대 이상의 오토가스 오토바이가 운행 중이며, 선양에서는 16만 대 이상의 택시와 2,500대 이상의 버스가 오토가스를 사용한다. 광저우시는 2009년 전국 오토가스 소비량의 46.56%를 차지했다.[14][22]
- '''프랑스''': 2010년 말 기준 약 62,500대 이상의 오토가스 차량이 운행 중이다. 2003년에는 약 19만 대, 1,900개의 충전소가 있었으며, 2005년 자동차 연료 사용량의 약 0.4%를 차지했다.[14][27]
- '''독일''': 'Autogas'라고 불리며, 2014년 기준 6,700개의 주유소와 약 50만 대의 등록 차량(전체 차량의 1.1%)이 있다. 특별 연료세율 덕분에 가격이 저렴하다.[14]
7. 오토가스
'''오토가스'''()는 LPG 자동차용 연료로 판매되는 LPG를 말한다. 부탄과 프로판을 부탄 8:프로판 2의 비율로 혼합한 것이지만, 프로판의 비율은 지역과 계절에 따라 30%에서 99% 범위로 혼합된다[72]. 상온에서는 1MPa 이하의 비교적 낮은 압력에서 액화되고[73], 체적이 250분의 1이 되므로 가스 연료로서는 가반성이 뛰어나다[74]. 옥탄가는 고급 휘발유(프리미엄 가솔린) 이상의 105 정도이다.
LPG 자동차에 가스를 충전하는 곳은 '''오토가스 스탠드''' (또는 "오토가스 스테이션", "LP가스 스탠드" 등)라고 불리는 LPG용 충전 시설이다. 2019년 시점에서 전 세계 81,000곳 이상에 설치되어 있다[75][76]. 유럽에서는 국가에 따라 차이는 있지만 주유소와 병설되는 예도 많다[77]. 일본 국내에서는 법규 관계상 원칙적으로 셀프식 오토가스 스탠드는 존재하지 않지만, 셀프식 오토가스 스탠드가 존재하는 국가·지역도 있다. 충전구 및 충전 노즐의 형상은 국가·지역에 따라 다르다.
일본의 경우, 주유소와 마찬가지로, 주로 LPG 사업자가 정유사의 간판[78]을 내걸고 운영하는 경우가 대부분이며, 택시 밀집 지역을 중심으로 단독으로 설치하거나 주유소에 병설되어 있기도 하다. 하지만 대부분은 중간 충전소의 내부 설비의 일부로서 설치되며, 이 경우에는 건물용 탱크를 공유하고 있다. 또한, LPG차를 사용하는 사업자 자신이 자가 전용의 오토가스 충전 설비를 설치하는 경우도 있다.
일본의 오토가스 스탠드는 약 1330곳[71]이다. 과거에는 전국에 1900곳이 있었지만[79], LPG 하이브리드 차량의 보급에 따른 연비 향상과 LPG 자동차 자체의 감소 등의 요인으로 인한 LPG 판매 감소로 인해 스탠드 수가 감소하고 있으며, 특히 지방에서는 택시의 연료 공급에 어려움을 겪는 사태도 일어나고 있다[80].
판매는 1L 단위로 이루어진다. 가격은 국가 및 지역에 따라 다르지만, 대부분의 국가에서 휘발유·경유보다 저렴하며, 세계적으로 볼 때 평균적으로 경유 가격의 55.1%, 휘발유 가격의 52.1%를 나타내고 있다(2019년[81]).
일본의 경우, 1L = 117.2엔 (2022년 9월 10일 현재, 매장 현금 가격 전국 평균[82]) 으로 다른 국가와 마찬가지로 휘발유·경유에 비해 저렴하다. 가격에는 국세인 석유 가스세 9.8JPY/1L (17.5JPY/1kg)이 포함되지만, 휘발유세 53.8JPY/1L보다 낮으며, 또한 소비세 이외의 지방세를 부과하는 지역은 없고, 휘발유보다 비싸지는 경우는 없다.
과거 비교에서, 일례로, 2007년 11월 시점에서 레귤러 휘발유는 145엔, 경유는 121엔인 반면, LPG는 84.1엔이었다[83]. 2010년 3월 시점에서는 레귤러 휘발유는 131.3엔, 경유는 110.5엔인 반면, LPG는 85.0엔(매장 현금 가격)이었다[83]. 천연 가스와 비교하면, 도로 재원(도로 특정 재원 제도)으로서의 연료 과세는 무세이며, 2007년 4월 시점의 도쿄 지역의 천연 가스 가격은 71.03-84.68엔/Nm3이었다[84].
8. 구조
LPG 자동차는 엔진 작동 원리가 가솔린 엔진과 유사하지만, 연료 탱크, 연료 공급 장치 등에서 차이가 있다. LPG 전용차, LPG와 가솔린을 병용하는 바이퓨얼 차량, LPG와 전기를 사용하는 LPG 하이브리드 차량 등으로 나뉜다. 토요타 프리우스와 같이 가솔린-전기 하이브리드 차량을 개조하여 LPG, 가솔린, 전기를 모두 사용할 수 있는 차량도 있다.[70]
LPG는 압력을 가해 저장하므로, 휘발유나 경유 탱크와 달리 연료 용기는 압력에 견디고 기밀성을 유지하는 구조로 되어 있다. 주입구에는 밸브가 설치되어 있어, 충전 시 노즐과 밀착된다.
8. 1. 가스 탱크 (봄베)
LPG는 압력을 가해 저장하므로, 연료 용기는 압력에 견디고 기밀성을 유지하는 구조로 되어 있다. 승용차에는 주로 차량의 트렁크에 강철로 만들어진 원통형 탱크나 스페어타이어 공간에 맞는 원환형 탱크가 설치된다. 상용차의 경우 화물칸이나 차체 아래 섀시에 원통형 탱크를 설치하는 것이 일반적이다. 최근에는 알루미늄 컨포머블 탱크가 사용되는데, 이는 더 가볍고 용량이 크며 녹슬지 않는 장점이 있다.[28]
탱크에는 주입구, 액체 출구, 과압 방지용 비상 릴리프 밸브, 연료 레벨 게이지, 그리고 때로는 증기 배출구가 있다. 이러한 부품들은 멀티 밸브 장치에 조립되거나, 별도의 밸브 형태로 탱크에 부착된다.[28]
현대식 주입 밸브에는 자동 주입 리미터(AFL)가 있어 과충전을 방지한다. AFL은 플로트 암을 통해 연료 흐름을 제한하지만 완전히 차단하지는 않아, 주유기가 펌핑을 중단할 수 있도록 돕는다. 액체 배출구(서비스 밸브)에는 전기 차단 솔레노이드가 통합되어 엔진에 연료를 공급한다. 비상 압력 릴리프 밸브는 탱크 압력이 위험 수준으로 높아질 경우 증기를 방출하여 압력을 낮추는 역할을 한다. 게이지 전송기는 플로트 암과 자기 결합 배열을 통해 연료 레벨을 측정하고, 대시보드의 연료 게이지에 정보를 전달한다.[28]
8. 2. 연소 가스 배기 장치 (머플러)
배기관 전체의 재질이나 굵기 등의 구조는 가솔린차와 동일하지만, 배기 가스의 특성이 다르기 때문에, 촉매, 소음 장치 등도 LPG 차량에 맞게 설계된다.[33] 배기 매니폴드의 경우, 구조는 동일하지만 촉매 일체형으로 생산되는 경우가 많기 때문에 고유 부품이 된다.8. 3. 연료 공급 장치
엔진에 LPG를 공급하는 장치에는 기존의 "가스 믹서 방식"과 "인젝션(연료 분사) 방식"이 있다. 인젝션 방식은 LPG를 한 번 기화시킨 후 분사하는 기체 분사 방식(VPI)과 액체 상태로 분사하는 액체 분사 방식(LPI)으로 나뉜다.[14] 가솔린 엔진과 마찬가지로, 멀티 포인트 인젝션을 채용하여 가스 믹서 방식과 비교하여 성능 향상을 도모하고 있다.; 기체 분사 방식(VPI)
: 기체 분사 방식에서는 탱크에서 액체로 꺼낸 LPG를 베이퍼라이저에서 냉각수의 열을 이용하여 데워서 강제적으로 기화시키는 것까지는 가스 믹서 방식과 같고, 기화시킨 LPG를 인젝터로 분사한다.
; 액체 분사 방식(LPI)
: 액체 분사 방식에서는 탱크에서 액체로 꺼낸 LPG를 액체 상태로 분사한다.
:* 장점으로는 실린더 내에서 기화할 때의 팽창 압력을 출력으로 이용할 수 있다는 점과, 증발 잠열에 의해 흡입 공기가 냉각되어 공기 밀도가 높아져 연소 효율이 향상된다는 점이 있다.
:* 또한, 인젝션을 위한 펌프도 용기의 부속품(용기에 내장)으로 되어 있어, 용기 내의 가스 압력이 높아져 있다. 그렇기 때문에 간이 스탠드 등 가스에 강한 압력을 가할 수 없는 설비에서는 충전할 수 없거나, 가스 용기 검사 시에는 별도로 기밀 시험이 필요하여 용기 검사 비용이 가스 믹서 방식보다 많이 든다는 단점이 있다.
9. 시스템 유형
다양한 오토가스 시스템은 일반적으로 동일한 충전기, 탱크, 라인 및 피팅을 사용하지만, 엔진룸 내에서는 서로 다른 구성 요소를 사용한다. 액체 분사 시스템은 휘발유 연료 분사 시스템과 유사하게 순환 펌프 및 리턴 라인이 있는 특수 탱크를 사용한다.
오토가스 시스템에는 크게 세 가지 기본 유형이 있다. 1940년대부터 사용되어 온 '변환기-믹서' 시스템과 '분사' 시스템으로 알려진 기체상 분사 시스템, 액체상 분사 시스템이 있다.
9. 1. 변환기-믹서 시스템
변환기-믹서 시스템은 가장 오래된 형태의 오토가스 시스템으로, 변환기(converter)를 사용하여 탱크 내 액체 상태의 LPG를 기체 상태로 변환한다. 변환된 가스는 믹서(mixer)로 공급되어 흡입되는 공기와 혼합된다. 이 방식은 벤튜리 시스템 또는 "단일 지점" 시스템이라고도 불린다.[89]변환기는 다음과 같은 세 가지 주요 기능을 수행한다.
| 기능 | 설명 |
|---|---|
| 감압 | 들어오는 액체 LPG의 높은 압력을 대기압 수준으로 낮춘다. |
| 조절 | 엔진의 요구에 따라 가스 흐름을 조절한다. |
| 기화 | 엔진의 뜨거운 냉각수 순환을 이용하여 액체 LPG를 기체 형태로 기화시킨다.[89] |
유럽 스타일 시스템에서 벤츄리 기화기의 크기와 모양은 컨버터에 맞게 설계된다. 미국 스타일 시스템에서는 믹서의 공기 밸브와 계량 핀의 크기가 컨버터의 다이어프램 크기와 스프링 강성에 맞춰 조정된다. 두 경우 모두 구성 요소는 제조업체에서 서로 맞추어 제작되며, 설치 및 조정 시 기본적인 조정만 필요하다.
오토가스 기화기는 스로틀 바디와 믹서로 구성될 수 있으며, 때로는 어댑터를 사용하여 함께 장착된다. 이때 벤츄리는 필요하지 않다.
엔진이 차가울 때는 엔진 냉각수도 차갑기 때문에 더 밀도가 높은 증기가 믹서로 전달된다. 엔진이 예열되면 냉각수 온도가 상승하여 엔진이 작동 온도에 도달하고, 혼합물은 정상 작동 혼합물로 희석된다. 일부 시스템에서는 휘발유 기화기와 마찬가지로 엔진이 차가울 때 스로틀을 더 열어두어야 할 수도 있다. 다른 시스템에서는 정상 혼합물이 다소 희박하게 유지되도록 설계되어 냉간 시동 시 스로틀 증가가 필요하지 않다. LPG로 냉간 시동을 할 때 추가적인 ''초크'' 버터플라이 밸브는 필요하지 않다. 일부 증발기에는 전기 초크 밸브가 있어, 엔진을 시동하기 전에 이 밸브에 전원을 공급하면 기화기에 약간의 LPG 증기를 분사하여 냉간 시동을 돕는다.
엔진 온도는 오토가스 시스템 튜닝에 매우 중요하다. 엔진 서모스탯은 컨버터의 온도를 제어하여 혼합물에 직접적인 영향을 미친다. 고장난 서모스탯이나 시스템 설계에 맞지 않는 온도 범위의 서모스탯은 제대로 작동하지 않을 수 있다.
시스템의 출력 용량은 컨버터가 안정적인 증기 흐름을 전달하는 능력에 의해 제한된다. 냉각수 온도가 낮거나, 냉각 회로에 공기 방울이 갇히거나, 냉각수가 완전히 손실되면 최대 출력이 감소한다. 모든 컨버터에는 혼합물이 불안정해지는 한계가 있다. 불안정한 혼합물은 일반적으로 컨버터에서 충분히 가열되지 않아 믹서나 흡기에서 기화되어 과도하게 농후한 혼합물을 형성하는 액체 연료 방울을 포함한다. 이 경우 혼합물이 너무 농후해져 엔진이 멈추고, 컨버터 외부에 얼음이 어는 현상이 발생할 수 있다.
가스 믹서는 오래전부터 사용되어 온 방식이다. 봄베(LPG 탱크)에서 액체 상태로 꺼낸 LPG를 기화시켜 가스 믹서에서 공기와 혼합하여 엔진에 흡입한다. LPG 공급량은 흡입 공기의 양에 따라 조절된다.[89]
주요 구성 요소는 다음과 같다.
- 연료 차단 밸브 (fuel lock off): 엔진 정지 중 액체 LPG 유출을 막는 밸브
- 레귤레이터/베이퍼라이저 (pressure regulator / vaporizer): LPG를 기화시키고 일정 압력으로 유지하는 장치[89]
- 가스 믹서 (carburator): 엔진으로 흡입되는 공기 유량에 따라 LPG를 혼합하는 장치[89]
베이퍼라이저에는 증발열(기화열)을 제공하기 위해 냉각수 유로가 설치되어 엔진의 폐열을 이용한다.[89]
전자 제어 연료 분사 방식과 비교하면 운전 상황에 맞는 연료 공급 정밀도가 낮아 연비나 출력 면에서 불리하다.[90] 그러나, 인젝션 방식 이전에도 가스 믹서를 전자 제어화한 것도 존재했다.
9. 2. 기체상 분사 시스템
기체상 분사 시스템(VPI)은 베이퍼라이저에서 냉각수의 열을 이용하여 LPG를 기화시킨 후 인젝터를 통해 흡기 매니폴드에 분사하는 방식이다. 탱크에서 액체 상태로 꺼낸 LPG를 베이퍼라이저에서 강제로 기화시키는 점은 가스 믹서 방식과 같지만, 기화된 LPG를 인젝터를 통해 분사한다는 점에서 차이가 있다.기체상 분사 시스템은 변환기를 사용하여 가스를 조절된 압력으로 변환한다. 이후 가스는 전자 제어 인젝터를 통해 흡기 매니폴드에 분사된다. 인젝터 개방 시간은 오토가스 제어 장치에 의해 제어되는데, 이는 휘발유 연료 분사 제어 장치와 거의 동일한 방식으로 작동한다. 이를 통해 믹서를 사용하는 것보다 엔진에 훨씬 더 정확하게 연료를 계량할 수 있어, 배출 가스를 줄이면서 연비 및/또는 출력을 개선할 수 있다.[37]
9. 3. 액체상 분사 시스템
액체상 분사 시스템은 변환기를 사용하지 않고, 액체 연료를 '연료 레일'로 전달하여 휘발유 분사 시스템과 거의 동일하게 작동한다. 연료가 흡기구에서 기화되기 때문에 그 주변 공기가 상당히 냉각된다. 이는 흡입 공기의 밀도를 증가시켜 엔진 출력을 크게 향상시킬 수 있으며, 이러한 시스템은 일반적으로 엔진의 다른 부품을 손상시키지 않도록 '디튠'된다. 액체상 분사는 믹서 또는 기체상 인젝터를 사용하는 것보다 훨씬 더 나은 연비와 출력을 달성할 수 있으며 배출 수준도 낮출 수 있다.[40] 가솔린 엔진과 마찬가지로, 멀티 포인트 인젝션을 채용하여 가스 믹서 방식에 비해 성능 향상을 도모하고 있다.'''액체 분사 방식(LPI)'''은 탱크에서 액체로 꺼낸 LPG를 액체 상태로 분사하는 방식이다. 실린더 내에서 기화할 때의 팽창 압력을 출력으로 이용할 수 있고, 증발 잠열에 의해 흡입 공기가 냉각되어 공기 밀도가 높아져 연소 효율이 향상된다는 장점이 있다.
하지만, 인젝션을 위한 펌프도 용기의 부속품(용기에 내장)으로 되어 있어, 용기 내의 가스 압력이 높아져 있다. 그렇기 때문에 간이 스탠드 등 가스에 강한 압력을 가할 수 없는 설비에서는 충전할 수 없거나, 가스 용기 검사 시에는 별도로 기밀 시험이 필요하여 용기 검사 비용이 가스 믹서 방식보다 많이 든다는 단점이 있다.
10. 시스템 구성 요소
오토가스 시스템은 충전구, 호스, 파이프, 피팅, 탱크, 밸브, 변환기, 믹서, 인젝터, 전자 제어 장치 등으로 구성된다. 각 구성 요소는 LPG 시스템의 압력, 연료 특성 등에 맞게 설계 및 제작된다.
연료는 차량의 ''필러'' 피팅에 주유기를 연결하여 액체 상태로 차량 탱크로 옮겨진다. 사용되는 필러 유형은 국가마다 다르며, 경우에 따라 동일한 국가 내에서도 여러 유형이 사용된다.[61]
- ACME 스레드: 호주, 미국, 독일, 벨기에, 아일랜드에서 사용된다. 영국의 일부 LPG 충전소에서도 사용된다.
- '더치' 베이요넷:[62] 영국, 네덜란드, 스위스에서 사용된다. 노르웨이의 일부 LPG 충전소에서도 사용된다.
- '이탈리아' 디쉬: 이탈리아, 프랑스, 포르투갈, 폴란드, 체코 등 유럽 대부분 국가에서 사용된다.
- 유로노즐:[63] 2018년 현재 스페인이 유럽에서 유일하게 사용한다.
채움 밸브에는 체크 밸브가 포함되어 있어, 주유기 노즐을 분리할 때 필러와 탱크 사이 라인에 있는 액체가 새지 않도록 한다.
충전구와 탱크 사이 호스는 ''충전 호스'', 탱크와 변환기 사이는 ''서비스 라인''이라고 불린다. 변환기와 믹서 사이 유연한 호스는 ''증기 호스''라고 불리며 낮은 압력의 증기를 운반하며 더 큰 직경을 가진다.
차량에는 하나의 탱크만 장착되거나, 여러 개의 탱크가 사용될 수 있다. 승용차는 원통형 탱크 또는 환형 탱크가 주로 사용된다. 상용차는 탱크는 일반적으로 화물칸이나 차체 아래 섀시에 장착된 원통형 탱크이다.
현대식 주입 밸브는 일반적으로 과충전을 방지하기 위해 ''자동 주입 리미터''(AFL)가 장착되어 있다. 액체 배출구는 ''서비스 밸브''라고 하며, 최신 서비스 밸브에는 전기 차단 솔레노이드가 통합되어 있다.
오토가스 시스템에는 차단 밸브, 체크 밸브, 서비스 밸브 등 여러 종류의 밸브가 사용된다.
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여러 개의 탱크가 장착된 경우, 연료가 한 탱크에서 다른 탱크로 흐르는 것을 방지하기 위해 체크 밸브와 정수압 릴리프 밸브가 조합되어 설치된다.
변환기(기화기 또는 감압기)는 가압된 액체 상태의 연료를 대략 대기압에서 기체 상태로 변환하여 혼합기 또는 기체상 분사기에 공급하도록 설계된 장치이다.
믹서는 엔진으로 유입되는 공기에 연료를 혼합하는 장치이다. 믹서는 공기 움직임에 의해 연료를 기류로 끌어들이도록 설계된 벤츄리(venturi)를 포함한다. 믹서 타입 시스템은 1940년대부터 존재해 왔으며, 현재 점점 더 [인젝터/분사기]에 의해 대체되고 있다.
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액체 연료 분사기는 휘발유 분사기와 유사한 방식으로 엔진에 장착되며, 흡기 매니폴드에 직접 장착되어 연료 레일에서 액체 연료를 공급받습니다.
오토가스 시스템에는 연료 게이지 발신기, 연료 차단, 폐 루프 피드백 혼합 제어 및 분사 제어 등 4가지 전기 시스템이 사용될 수 있다.
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오토가스 기화기는 스로틀 바디와 믹서로 구성될 수 있으며, 때로는 어댑터를 사용하여 함께 장착되며 벤츄리는 필요하지 않습니다. 엔진 온도는 오토가스 시스템 튜닝에 매우 중요하며, 컨버터 온도를 효과적으로 제어하여 혼합물에 직접적인 영향을 미친다.
10. 1. 선택적 밸브 보호
많은 LPG 장비 설치업체들은 소위 밸브 보호 시스템의 설치를 권장한다. 이러한 시스템은 가장 단순한 경우 밸브 보호 액체를 담은 병으로 구성될 수 있다. 이 액체는 공기 흡입 시스템으로 흡입되어 연료와 공기와 함께 엔진 실린더로 분배된다.더 정교한 시스템은 LPG 인젝터 ECU와 동기화되는 병렬 ECU로 구성될 수 있다. 이는 밸브 보호 액체의 더욱 정밀한 주입을 가능하게 한다.
11. 개조 LPG 차량
LPG 차량의 제조 및 제작은 크게 자동차 제조사에서 처음부터 LPG 차량으로 생산하는 경우와, 개조 사업자에 의해 사후 개조되는 경우로 나뉜다. 사후 개조에는 자동차 제조사가 직접 관여하여 개조·판매하는 경우도 있다.[94] 개조 차량에는 가솔린 엔진에서 개조된 차량과 디젤 엔진에서 개조된 차량이 모두 있다.
시판되는 가솔린 차량을 자동차 딜러나 차체 제작 업체에서 개조하는 '''레트로핏'''(retrofit영어) 방식이 사용되는 경우가 있다. 유럽에서는 수입업자가 개조하고, 판매 지역의 사정에 따라 개조 후의 보증을 포함하여 수입업자의 책임으로 진행하며, OEM 모델로 시판하는 경우도 많다.[99]
엔진 본체의 구조는 동일한 화염 점화 내연 기관이기 때문에, 연료 공급 장치를 변경하고 점화 시기 등을 조정하는 정도로 개조가 가능하다. 한국의 Hana Engineering사나 이탈리아 Landi Renzo사 등에서 개조용 부품이 판매되고 있다.[100][101]
연료 공급 장치에 대해서는 기존에는 가스 믹서 방식이 사용되었으나, 전자 제어 연료 분사 방식으로 이행되고 있으며, 유럽에서는 기체 분사 방식과 액체 분사 방식, 일본에서는 기체 분사 방식이 주류를 이루고 있다.[102][103] LPG 분사 장치의 제어를 위해, 별도의 컴퓨터(서브컨)가 증설된다.
현재 가솔린차에서 LPG로 개조된 차량은, LPG와 가솔린을 병용하는 바이퓨얼차[104]가 주류를 이루고 있다. 엔진이 차가울 때의 시동성을 보완하기 위해 시동 시에는 가솔린을 사용하고, 예열 후에 LPG로 전환한다.[105][106][107]
LPG는 가솔린에 비해 연소 온도가 높고, 배기 온도가 높아지기 때문에, 또한 연료가 윤활에 기여하지 않기 때문에[108] 흡배기 밸브에 문제를 일으키는 경우가 있으며, 관련 부품을 대책품으로 교환하는 경우도 있다. 택시 등 장거리 주행(생애 25–50만 킬로미터)을 하는 차량에서는, 가솔린 엔진용 밸브, 밸브 시트에서 윤활성이 낮은[108] LPG 연료에 의한 마모, 열화가 심해져 밸브 클리어런스가 맞지 않게 된다.
디젤 엔진에서 개조하는 것은 오토 사이클로의 개조를 수반하며, 탱크나 연료 공급 계통을 LPG용으로 할 뿐만 아니라, 점화 플러그를 추가하는 등 엔진 본체에 대한 개조가 필요하다.[109] 2006년에 LPG 진흥 센터에서 실시한 조사에 따르면 개조 비용은 1대당 50만 엔 이내로 추정된다.[109]
한국 서울시에서는 시의 청소차나 규제에 적합하지 않은 디젤 트럭을 LPG화하는 개조가 이루어져, 2005년도에 6,000대가 개조되었다.[109]
이 외에, DDF(디젤 듀얼 퓨얼) 시스템이라고 불리는, 경유와 LPG를 동시에 이용하는 방식도 실용화되어, 개조용 부품이 판매되고 있다.[112] DDF 시스템은 LPG나 CNG와 같은 가스 연료와 공기의 혼합기를 연소실로 보내, 압축 행정에서 고온이 된 실린더 내의 혼합기에 경유를 분사하여, 경유의 자기 착화에 의해 점화하는 방식이다.[113][114] 점화 플러그의 추가를 필요로 하지 않고, 디젤 엔진 본체의 구조는 그대로 사용할 수 있기 때문에, 오토 사이클로 전환하는 LPG 개조보다 저비용이다.[112]
다만 오토 사이클화·DDF화 모두, 경유 연료만을 사용하는 디젤 엔진 본래의 높은 열효율에 따른 경제성은 손실된다. 또한, 엔진의 특성도 저회전부터 토크가 발생할 수 있는 디젤 엔진다운 특성이 아니게 된다. 이러한 디젤차 개조에 의한 LPG차화는, 최근 엄격화가 진행되고 있는 배기 가스 정화 규제책 중 하나로 보아야 한다.
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