본 홈페이지를 통해서 CNG 버스가 처음 보급될 당시 LPG 버스도 시험운행 했었다는 소식을 전한 바가 있다. 그 당시엔 독일 MAN 사의 믹서방식의 LPG 엔진을 수입하여 장착했었는데 출력저하 및 여러 가지 문제점으로 인해 제대로 운행이 어렵다는 소식을 전했었다. 여러 가지 문제점으로 인해 국산 LPG 엔진 개발이 절실히 필요했었는데 2003년 현재 국산 LPG 엔진이 개발되어 화재를 집중시키고 있다.

이번 국내 개발된 LPG 엔진은 300마력급의 대형엔진이며 LPLi 방식을 사용하여 출력을 향상시키고 공해물질을 현저히 줄였다는 장점이 있다. 대도시를 중심으로 CNG 버스가 보급이 되고 있지만 지방 중소도시 혹은 산간내륙지방 등 CNG 보급이 어려운 지역엔 CNG의 대안으로 보급이 가능할 것으로 보인다. 이 글에서는 이번에 국내에서 개발된 버스용 LPG 엔진을 좀 더 자세히 알아보도록 하겠다.

저공해 LPLi 방식의 대형 LPG 엔진

취재 : 버스라이프
자료 : 한국기계연구원 LP가스엔진연구사업단 (http://lpli.kimm.re.kr/)
등록일 : 2003년 9월 19일

위에 보이는 차량들이 처음 LPG 버스로 시도되었던 차량들이다. 독일 MAN 사의 240마력 LPG 엔진을 탑재했으며 ZF 자동변속기를 장착한 차량들이다. 290마력급의 디젤엔진이 대부분이었던 당시 시내버스를 봤을 때 240마력의 엔진은 너무나도 적은 출력이었다. 엔진도 외국의 엔진이었고 믹서방식이었기 때문에 출력을 상승시킬 수 없었으며 국내 운행에는 적합하지 못하다는 의견이 분분하였다.

여기서 천연가스버스가 보급되고 있는 시점에서 LPG 버스가 필요할까라는 의문을 가질 필요가 있다. 천연가스버스 보급이라는 국가적 정책이 있었지만 아직도 우리나라에는 천연가스 기반시설이 없는 지역이 많기 때문에 LPG 버스의 개발이 절실히 필요하게 되었다.

현재 국내에 공급되는 LPG엔진은 믹서방식의 엔진으로 저공해라고 할 수 없는 형태이다. 그러므로 기존 믹서방식을 직접 분사식인 LPLi 방식으로 바꿀 필요가 있다는 것이다. 이미 외국에서는 LPLi 방식의 LPG 엔진이 개발되어 상용화되었다. 국내 LPG 자동차가 1백만대가 넘는 실정인데 LPLi 방식의 저공해 LPG 엔진의 개발은 꼭 필요한 것이다. 기존의 LPG 엔진은 기술부족으로 인하여 탄화수소와 질소산화물 배출물을 합하면 휘발유엔진과 비슷한 양을 내뿜는다.

믹서와 국내 LPLi 시스템의 배기성능비교(2002년, 한국)

위의 도표를 보면 기존 믹서방식에 비해 LPLi방식이 배기가스가 현저하게 줄었다는 것을 알 수 있다. 따라서 기존 믹서방식의 LPG 엔진을 LPLi 방식으로 변경할 필요가 있는 것이다. 따라서 꼭 LPG 버스 개발을 목적으로가 아니라 국내 기술향상을 위해서라도 LPLi 방식의 LPG 엔진의 개발은 꼭 필요하다고 볼 수 있다. 계속해서 LPLi 라고 하는데 그렇다면 LPLi 란 것은 무엇을 의미하는 것일까?

LPLi 란 것은 LPG 액상분사방식(Liquid Phase LPG Injection)을 의미한다. LPLi 방식은 제3세대 LPG 연료공급방식으로 정의되어 있다.

가솔린엔진은 기화기 -> 일점분사 -> 다점분사 -> 직접분사 의 형태로 발전되어 왔다.

LPG 엔진은 기화기 -> 믹서방식 -> 다점분사 -> 직접분사의 형태로 발전될 것이라고 한다.

제 1 세대 : Carburetor System + Open loop control (1970년대) 제 2 세대 : Feedback Mixer System + Closed loop lambda control (1980년대) 제 3 세대 : LPLi System (Multi-point Injection) (1995년) 제 4 세대 : Direct Injection System (Otto/Diesel) (연구중)

LPG 엔진의 계보는 위와 같은 형태로 이루어진다. 이미 선진국에서는 1995년 LPLi 방식의 LPG 엔진을 개발하였으나 우리나라에서는 이제서야 개발이 된 것이다.

그렇다면 2세대 믹서방식과 3세대 LPLi 방식의 차이점은 무엇일까?

가장 큰 차이점은 출력상승과 저공해를 실현했다는 것이다. 기존 믹서방식에 비해서 15% 정도 출력이 상승하여 가솔린엔진과 동급의 성능을 갖게 되었으며 EURO-IV 배기가스규제를 만족하기 때문에 저공해까지 실현한 것이다.

믹서와 국내 LPLi 시스템의 배기성능비교(2002년, 한국)

 앞장에서  보여준 위의 도표를 다시 한번 더 보자.

기존 믹서방식보다 CO, HC, NOx가 현저히 줄어들었다는 것을 알 수가 있다.

현재 한국기계연구원 LP가스엔진연구사업단에서는 트라제 XG 차량에 LPLi 방식의 LPG 엔진을 장착하여 시험운행 및 연구를 하고 있다.

또한 버스에 사용할 수 있는 대형엔진을 개발하여 시험운행을 하였고 제주도에 보급할 예정이다.

이번 개발완료된 버스용 LPG 엔진의 사양은 다음과 같다.

엔진형식	터보차져(TCI)
	LPG 엔진
연소방식	SI 희박연소 방식
Bore * Stroke	130 * 140 mm
배기량	11.15 리터
실린더 수	직렬 6기통
압축비	9.3 : 1
연료시스템	LPLi System

이번 개발된 엔진의 핵심기술은 다음과 같다.

1. 저점도 연료 압축 및 펌핑기술 2. 저비등점 연료의 액상유지기술 3. 아이싱 방지기술 4. 저점도 연료의 인젝터기술 5. 연료 성층화 연소기술

기체연료를 액상으로 변화하여 분사를 해야함으로 인해서 생길 수 있는 기술적인 문제를 모두 해결했다고 한다.

환경부 인증데이터 (2002년 06월 19일)

위의 표를 참고하여 보면 이번에 새로 개발된 LPG 엔진의 배기가스 수준을 알 수 있다. 이처럼 LPLi 방식이란 기존 믹서방식에 비해서 많은 장점을 가진 새로운 기술이라고 할 수 있다.

이번에 개발된 국산 LPG 버스의 제원은 다음과 같다.

오른쪽에 보이는 버스가 이번에 개발된 LPG 버스이다. 차체는 현대자동차의 슈퍼 에어로 시티를 사용했으며 엔진은 이번에 개발된 KL6i (직렬6기통 터보 인터쿨러) LPG 엔진을 장착하였다. 이 버스는 현재 매일 아침 6시부터 저녁까지 하루종일 쉬지 않고 대전시내를 주행하고 있다. 정확한 테스트를 위해서 차량 내부에는 약 3.5톤 가량의 시멘트 포대를 싣고 운행을 하고 있다. 공차로 테스트를 한다면 차후에 승객이 많이 탑승하였을 경우 발생될 여러 가지 문제점을 제대로 파악할 수 없기 때문에 적재를 충분히 한 상태로 테스트를 하고 있다. 승객 1인당 평균 체중을 65kg으로 계산했을 때 54명의 승객이 탑승한 무게이다. 현재 테스트 노선은 시내주행 및 시외주행까지 모두 테스트를 할 수 있도록 노선이 선정되었으며 평지에서만 운행을 하는 것이 아니라 가파른 길(마티재 고개) 등판능력까지 테스트를 하고 있다.

2003년 09월 03일 LPG 버스 시승을 했다.

실제 운행 구간에서 약 2시간 가량 운전대를 잡고 직접 시승을 해보았다. 실내에 3.5톤을 싣고 운행을 하는 거라서 상당히 묵직한 느낌이 들었다. 실제로 스프링이 아래로 쳐질 정도의 무게다. 출발은 2단으로 해봤는데 생각보다 밀리는 현상없이 출발이 되었다. 천연가스버스는 저속에서 토크가 약해서 2단 출발시 반클러치를 많이 사용하게 되며 그로인해 클러치 디스크에 무리가 가게되고 많은 열이 발생하게 된다. 하지만 천연가스버스 출발과 달리 거의 디젤 수준의 성능을 발휘했다.

반클러치는 잠깐 사용하고 바로 출발이 가능했다.

오른쪽에 보이는 사진처럼 현재 차량 실내에는 약 3.5톤 분량의 시멘트가 실려있으며 각종 테스트 및 운행기록분석을 하기위해 컴퓨터가 연결되어 있다.

실시간으로 버스의 주행상태 및 가속상태를 컴퓨터가 수집하고 각각의 상황에서 엔진이 정상적으로 작동하는지를 체크한다. 매일 매일 하루종일 운행을 하면서 버스에서 발생되는 모든 정보를 수집하여 분석한다고 한다.

왼쪽에 보이는 사진처럼 엔진의 가속상태라든지 온도, 공진상태 등 엔진가동을 하면서 생성되는 모든 정보는 컴퓨터에 기록되며 표시된다.

이 그래프를 잘 분석하면 엔진의 내구성이라든지 성능을 더욱 업그레이드 시킬 수 있다고 한다.

또한 소음 및 기타 잡음의 출처를 파악할 수가 있어 엔진소음 개선에 중요한 역할을 한다고 한다.

저속에서 토크가 강하기 때문에 출발능력은 천연가스버스보다 더 좋은 것같고 디젤엔진과 크게 차이가 나지 않는 것 같다. 또한 290마력으로 세팅이 되어있지만 300마력 이상으로 개발된 엔진이라 힘도 전혀 뒤떨어지지 않았다. 3.5톤을 탑재하고 마티재 고개를 4단으로 올라갈 수 있었다. 공차시일 경우는 그 험한 고갯길을 5단으로도  올라간다고 한다. 또한 내가 마음먹은대로 추월하고자 하면 엑셀레이터를 밟는 량에 따라 충분히 가속을 해주었다. 다만 처음 출발할 때부터 빨리 가속이 되기 때문에 4단까지는 기어변속을 쭉 해주어야 한다. 이것은 현재 디젤엔진을 사용한 버스와도 비슷한 것 같다.

2시간 내내 시승 운전을 하면서 가능한 시내버스와 비슷한 수준으로 운전을 했는데 급가속이 잘 되기 때문에 참 맘에 들었다. 급가속시 생각해야 할 것은 터보 인터쿨러 LPLi 엔진이라서 엑셀레이터를 깊게 밟고 적정 RPM에서 엑셀레이터를 떼어도 급가속 상태에 따라서 100 rpm 정도는 더 올라가는 것 같다. 급 가속시엔 터보차져 타임 랙(Turbo Charger Time Lag)을 생각해서 RPM 경보가 울리기 이전에 미리 가속페달을 떼는 요령이 필요할 듯 하다.

일반 디젤 버스도 터보차져 타임 랙이 많이 발생하는지 알아봐야겠다. 단점이라고 생각하면 단점이지만 장점으로 보자면 기어변속을 하면서 소위 말하는 훗가시(중립 상태에서 엑셀레이터를 밟아주는 것)를 하지 않아도 된다는 점이다. 예민한 사람이 아니라면 잘 느끼지 못할 정도니까 큰 무리는 아닐 듯 싶다.

예전에 현대 슈퍼트럭 11.5톤 터보인터쿨러를 운전할 때는 급가속 하려고 할 때 엑셀레이터를 갑자기 세게 밟으면 터보차져 타임 랙으로 인하여 잠시후에(대략 0.5초정도라고 생각됨) 차가 가속이 되는 현상이 있었는데 LPLi 방식의 이번 LPG엔진은 가속 시점에서는 별 차이를 느끼지 못했다.

디젤, CNG, LPG 버스를 일직선상에 두고 약 1km 정도 달리기 시합을 해서 50m, 100m, 500m, 1km 지점에서 측정을 해보면 각각 엔진의 특성을 알 수 있을 것 같다. 언제 한번 이런 실험을 해보는 것도 좋을 것 같다.

현재 천연가스버스가 국가 정책으로 보급되고 있다. 이러한 상황에서 대형 버스에 사용가능한 LPG 엔진을 개발해야할 이유가 있을까 하고 생각할 수 있다. 그리고 또한 지난 MAN사의 LPG 엔진을 수입할 당시 TEAM 버스매니아에서는 LPG 버스의 운행을 부정적으로 간주했다. 하지만 현재 천연가스버스의 보급이 충전소 설치반대로 인하여 여러 가지 문제점에 봉착하고 있다. 또한 충전시설이 있는 지역에서도 점차 늘어가는 천연가스버스의 수요를 감당하지 못하고 있다. 천연가스버스 개발, LPG 버스 개발은 중복 투자라고 볼 수도 있다. 또한 천연가스버스와 LPG 버스가 공개적으로 경쟁을 하게 된다면 둘 다 패배하게 될 수도 있다.

이러한 현재 상황에서 이번 LPG 버스의 개발은 어떻게 해석을 해야 할까?

현재 강원 산간 지역이나 일부 내륙지방 및 제주도 지역에는 천연가스 기반시설이 없다. 내륙 일부 지역에서는 이동식 천연가스 충전시설로 충전을 하는 곳도 있다. 천연가스 기반시설을 마련하기 위해서는 많은 예산이 필요하기 때문에 섣불리 투자할 수도 없고 강원 산간이나 제주지역에 파이프라인을 매설하는 것도 그리 쉬운 일만은 아니다. 이런 상황이라면 천연가스버스와 LPG 버스가 서로 역할분담을 하면 어떨까 생각한다. 현재 천연가스기반 시설이 없는 곳은 디젤버스를 운영하고 있다. 촉매필터를 장착하여 운행을 한다고 하지만 필터를 제때 갈아주지 못하면 오히려 더 많은 공해를 유발하게 되고 또한 촉매필터의 가격도 싼 편은 아니다. 천연가스버스나 LPG 버스나 저공해 엔진으로 개발되었기 때문에 천연가스 기반시설이 없는 곳에는 이번에 개발된 LPG 버스를 보급하는 것도 좋은 생각인 것 같다.

기술수준이 향상되었기 때문에 지금으로써는 LPG 버스를 반대할 의사가 없다. 천연가스 기반시설을 마련하느라 5년, 10년을 기다리며 디젤 버스를 운영하기 보다는 LPG 버스를 도입하여 운영을 하는 편이 현명한 생각인 것으로 판단된다.

그동안 천연가스버스 보급을 위해 국가에서는 어마어마한 돈을 쏟아부었다. 이 상황에서 LPG 버스를 보급하자고 한다면 공든 탑을 무너뜨리는 결과를 낳을 수도 있다. 그렇기 때문에 전면적으로 LPG 버스를 도입하자는 얘기는 아니다. 천연가스버스를 운행할 수 없는 운행불가 지역에 한하여 디젤 시내버스 대신에 LPG 버스를 도입한다면 점점 극심해지는 대기오염을 줄일 수도 있고 천연가스버스와의 역할분담을 통해 더 나은 대기환경을 보전 할 수 있을 것이라고 생각한다.

아울러 CNG, LPG 연료의 가격정책을 다변화해서 친환경, 저공해 엔진을 사용하는 차량의 경우 환경부담금을 많이 줄여 운영업체의 부담을 줄여주어야 할 것이다. 기술개발로 인하여 앞으로는 승용차보다 더 적은 공해물질을 배출하게 될 것인데 이에 상응하는 혜택이 있어야 되지 않을까?

그동안 시커먼 매연을 내뿜으며 공해유발의 주범이라고 인식이 되었던 버스가 앞으로는 깨끗한 대기환경을 지키는 주인공이 되고 오히려 휘발유 승용차가 대기오염의 주범이 될 날을 기다려본다.