소형 트럭 Bi-fuel 개발

1 장 개조 준비

현대 자동차 뉴포터 ( 포터 2) 를 통하여 Re-Powering 작업을 하고자 하였으며 다음의 내용들은 개조준비 및 시장 조사를 통하여 개조 시작부터 개조 후 시작품 생산으로 인하여 발생되어질 수요량을 확인하고 더 나아가 상용화 , 사업화를 위한 시장성을 얻고자 하였다 .

또한 , 중요 개조 작업에 필요한 부분품들이 국내용품이 아니라 국외에서 수입을 해야 하는 열악한 작업 환경적 영향을 고려할 경우 개조 준비에 걸리는 시간은 총 개조 작업 기간에 결정적인 영향을 끼친다고 할 수 있을 것이다 .

  1 절 개조 준비 및 시장 조사

개조 준비와 시장 조사는 정부와 기업 모두의 관심사인 상품화와 국가 경쟁력을 높이기 위하여 행하는 선행 과제이라고 할 수 있겠다 .

1. 개조 준비

개조 준비는 우선 부품 준비 계획과 , 비용 계획 그리고 인력 수급 계획으로 크게 세분화 하였는데 부품 수급 계획은 CNG 단품들에 대한 수급에 초점을 맞추어 계획되어지며 이외의 단품들은 국내에서 쉽게 구할 수 있는 특성이 있고 또한 , 차량은 중고차를 구입하였으며 그 구매 과정 또한 , 중고 차량 중간 상인들의 중고차수출 활기로 인하여 연구를 위한 적절한 트럭 구매에 또한 어려움이 있었다 .

가 . 부품 준비 계획

1 단계  2 단계 3 단계 4 단계 5 단계

BASE VEHICLE

Diesel TruckGasoline engine Wire Module Transmission

연료 용기 (CNG/Gasoline)CNG Kits

CRANE , JACK 

용접도구기초 공구가공 공구

개조 시 소요 부품

트럭은 중고차 매매 시장을 통하여 구매하였으며 구매 기간은 총 1 개월 가량이 소요되었다 . 가솔린 엔진은 현대 모비스를 통하여 구매하였고 가솔린 엔진은 현대 모비스에서도 국내 판매를 지양하고 있어서 이번 구매 과정에 많은 시일이 또한 경과되었다 . 연료 용기와 CNG kits 는 Woodward 사를 통하여 수입 하였으며 발주와 시간이 많이 경과하는 관계로 직접 구매를 통하여 부품 구매 기간을 최대한 단축시켰다 .

2 . 시장 조사

시장조사는 현제 운행 중인 1ton 트럭의 현황과 각 기업에서 출고한 연도별 데이터와 개조이후 강원도 내 차량개조를 통하여 국내 시장성과 수요 현황을 한눈에 알 수 있도록 제작사별 1ton 이하 트럭 등록 현황 , 국내 3 사 출고 현황 , 강원도 내 1ton 이하 화물차의 등록 현황을 조사하였다 . 산출되어진 차량 대수는 이후 차량 개조 평가서에 조사된 개조 비용과 합산할 경우 국내 예상 수요와 시장성을 위한 중요 자료이다 .

가 . 제작사별 1ton 이하 트럭 등록 현황

  현대현대정공

기아

아시아

대우

대우중공

업

지엠대우

쌍용

타타대우

수입차

기타 소계

1 Ton

1,275,416

17,014

852,459

29,874

65,913

16,744

13,412

278,898

5

1,260

11,965

2,562,960

나 . 국내 3 사 1ton~1.5ton 화물차 출고 현황

 1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

현대

96,262

88,396

81,206

57,719

93,204

96,483

102,977

106,554

91,307

68,763

기아

92,234

81,503

71,654

46,054

61,223

55,201

71,700

78,783

60,930

32,338

삼성 - - - 396

7,018

11,242

- - - -

소계

188,496

169,899

152,860

104,169

161,445

162,926

174,677

185,337

152,237

101,101

다 . 강원도 내 1ton 이하 화물차의 등록 현황

구 분 카고형 덤프형 밴형 총계

춘천 7922 104 4490 12,516

원주 10122 148 5933 16,203

강릉 8573 164 4744 13,481

홍천 5198 140 1452 6,790

평창 4251 184 921 5,356

철원 3733 17 771 4,521

횡성 3397 100 868 4,365

동해 3272 34 1554 4,860

삼척 3140 110 968 4,218

정선 3002 96 847 3,945

속초 2838 45 1529 4,412

영월 2746 140 840 3,726

인제 2292 50 644 2,986

태백 1940 34 674 2,648

고성 1752 71 479 2,302

양양 1649 73 590 2,312

양구 1512 42 363 1,917

화천 1346 61 426 1,833

총계 68,685 1,613 28,093 98,391

2 장 . 차량 개조

차량은 운전석부 (Cab), 적재함 , 차체 (Body)로 구성되며 개조를 위해서는 이 3 부분이 나누어져 탈거 작업이 선행되어야 하며 , 이후 개조 작업은 크게 엔진 장치 , 제동장치(Breaking), 현가장치 (Suspension), 차체 (Body), 전장 (Wire harness) 으로 구분 되어져 개조 작업이 시행되게 된다 .

1 절 . 엔진 장치

엔진 장치는 자동차의 핵심 부품으로써 이번 차량 개조 시 Gasoline Engine 이 장착되어진다 . Diesel Engine 이 탈거되어지고 교체엔진이 탑재가 되어지는데 Gasoline Engine 을 탑재 하는 이유는 CNG Engine 의 개발 품이 없기 때문이다 . 또한 디젤 엔진을 그래도 사용하지 않고 Gasoline Engined 으로 사용한 이유는 CNG 의 연소 온도가 Diesel 에 비해 높기 때문에 성는 문제가 발생하기 때문이다 . 또한 CNG ECU 가 있어 연료 변경에 따른 문제를 보정해주는 역할을 담당한다 .

1. 엔진 시스템

엔진 시스템은 자동차의 동력 공급 장치로써 차량의 심장과도 같은 부분이다 . 엔진의 안정적 차체 장착과 자체 강성과 안정성을 돕는 Cross Member 와 엔진으로부터 발생된 동력의 전달 장치인 Transmission 부 , Driving Shaft 부분은 또한 이번 개조 Project 에서 많은 시간과 작업상의 문제를 발생시키기도 하였다 . 가솔린 엔진으로의 안정적인 엔진 시스템의 교체를 위한 몇 가지 작업이 이루어지는데 Table. 7 은 그 내용들이다 .

UNIT CHANGE UNITOPERATION

PROBLEMHARDNESS

LEVELOPERATIO

N TIME

DIESEL D4BHGasoline Sirius-1

교환

Engine Mounting 체결 불가Cross Member Frame 체결 불가Drive Shaft 길 이 짧아짐Mission Mounting 앞쪽으로 이동

★★★★★   8

ENGINE SUPPORT BRACKET

Engine Support Bracket

교환

CROSS MEMBER

Cross Member 홀 가공

Cross Member 보강판 제작

DRIVE SHAFTDrive Shaft Adapter

제작

MOUNTING

Engine Mounting

교환 - - -

Mission Mounting

홀 가공 - - -

MISSION Mission Bracket

홀 가공 - - -

 2. 흡기 시스템

흡기 시스템은 연료의 산화를 원활하게하기 위하여 공기를 흡입하는 역할을 한다 . 자동차에서 연료의 비중만큼 흡기 시스템의 중요성도 상응된다고 볼 수 있다 . 또한 흡기 시스템은 연료와 혼합된 이후 연소실 내부로 유입되어지는 구간 까지를 말하는데 그 혼합된 연료의 흡입구간 (Manifolder) 은 또한 이번 CNG & Gasoline 의 연료 분사노즐 (Injector) 를 새롭게 구상하여 하는 중요한 사안을 안고 있었다 . Table. 8 은 흡기 시스템의 개조 작업 내용이다 .

UNIT CHANGE UNIT OPERATION PROBLEMHARDNESS LEVEL

OPERATION TIME

AIR CLEANER BOX

Air Cleaner BoxBody 부분을 절단하여 Bracket 용접

Air Cleaner Box  위치 공간 확보 - 3

AIR CLEANER

Air Cleaner - - - 0.35

AIR DOCTOR

Air Doctor - - - 0.35

AIR HOSE Air Hose Body 부분을 절단 Air Cleaner Box 체결 불가 - 0.5

INTER COOLER

Air PipeEngine Head Cover 장착 - - 0.35

- Air Flow SensorAir Cleaner Box 장착 - - -

-Assembly of Throttle Body Cable

- - - 0.5

 3. 배기 시스템

배기 시스템은 자동차 내부 연소실에서 연소되어진 가스가 배출되어지는 시스템을 말하여 배출되어지는 배출가스에 대한 국내외적인 강제 규정으로 인하여 중요하게 고려되어야 하는 부분인 것이다 . Table. 9는 배기 시스템은 개조 작업 내용이다 .

Catalyst 는 삼원촉매를 장착하였는데 이는 CNG에서 발생하는 Emission 중에서 HC, SOx, PM 등에 비해 상대적으로 그 량이 많이 배출되는 CO, NOx 의 동시 제거를 위하여 장착하였다 .

UNITCHAN

GE UNIT

OPERATIONPROBLE

M

HARDNESS

LEVEL

OPERATION TIME

FRONT PIPE

Front Pipe

Muffler 고 정 Bracket 구간설치( 용접 ), 장착

고 정 Bracket 위치 확보

★★ 1

MAIN MUFFLER

Catalyst

-Main Muffler

 4. 연료 시스템

연료 시스템은 자동차의 혈관과 같은 기능을 담당하며 연료 용기의 연료로부터 엔진으로 연료를 공급하는 전 과정을 말한다 . 이번 개조 사업에서의 연료 시스템은 기존 디젤 연료 시스템을 제거하고 가솔린 연료 공급 시스템과 CNG 연료 공급 시스템을 장착하는 작업을 수행하였다 . 디젤 연료용 부품들은 연료의 화학적 특성으로 인하여 가솔린 연료 시스템에 그대로 적용이 어려우며 특별히 이번 Bi-Fuel 시스템으로 사용하고자 가솔린 연료 시스템을 CNG 연료 공급 시스템에 추가적으로 장착하였다 . Table. 10 은 CNG 연료 시스템 장착을 제외한 가솔린 연료 시스템 장착 작업 내용을 기제 하였다 .

UNIT CHANGE UNIT OPERATION PROBLEMHARDNES

S LEVEL

OPERATION

TIME

FUEL TANK - 재사용 - - -

FUEL GAUGE

Fuel Gauge Gasoline Reserver Cup 위 에

장착 Fuel Gauge 위치 선정 ★★★ -

FUEL HOSE(H/L)

Fuel Hose(h/l)

기 존 부 품 탈 거 , Gasoline 연료 호스 장착 - ★ 1

FUEL PIPE - 재사용 - - -

FUEL FILTER

Fuel filter Gasoline Filter 교환 - - -

Filter Bracket Body Hole 가공 Bolt 체결 위치 선정   0.5

FUEL FILTER NECK

Assembly of Fuel Filter Neck

재사용 - - -

RESERVER CUP

Reserver CupTwo way and cut Valve 재사용 ,Gasoline Reserver Cup 사용Pushrod 연장

Gasoline , Diesel 연 료 Tank 높이 차이 ★★ 0.5

PLUNGER Fuel Pump Bracket 체결 연료탱크 내 장착 - - -

  Canister 장착 - - -

  Canister Bracket Frame Hole 가공 Bolt 체결 위치 선정 ★★ 0.75

  Ware Valveleveling hose 절 단 . 중 간

장착 - - -

  Vacuum HoseCanister, 연 료 탱 크 Ware

Valve 사이에 장착 - - 0.35

5. 냉각 시스템

냉각 시스템은 차량 엔진의 온도를 낮추어 주는 냉각 기능을 갖고 있다 . 엔진 내부에서 연소되어지는 연료의 연소 온도는 가솔린 700~1500 , CNG 1918 의 고온을 발생시켜 이후 유입되어지는 혼합 가스을 유입과 동시에 폭발되어 동적 성능을 발생시키지 못하게 만드는 문제를 갖고 있기 때문에 엔진의 온도 제어는 매우 중요한 요인이며 , 냉각 시스템은 그런 연소 시 발생하는 고온을 85~90 로 유지 시켜주는 기능을 한다 . 다음 표는 그러한 냉각 시스템을 유지 시켜주기 위하여 개조하는 과정을 나타내 준다 .

UNITCHANGE

UNITOPERATION

PROBLEM

HARDNESS LEVEL

OPERATION TIME

RADIATOR TUBE( UP & DOWN)

Radiator Tube( up & down)

Radiator 엔 진 장착 - - 0.25

FAN CLUTCH

Fan Clutch - - - 0.35

PULLEY(WATER PUMP)

Pulley( water pump )

- - -  

COOLING FAN

Cooling Fan

- - -  

2 절 . 현가장치

현가장치는 자동차의 구동 방향을 돕는 장치로써 운전자의 조향을 원활히 돕는 기능을 담당한다 . 현가장치는 엔진의 구동력으로 동력을 얻어 Power Pump 로부터 압축되어진 압축 오일을 이용하여 조향장치의 조향에 따라 자동차의 진행 방향을 쉽게 조절할 수 있도록 돕고 있다 . 현가장치 중 Power Pump 는 또한 엔진에 장착되어 있어서 교체가 불가피하다 . 다음 표는 Power Pump 교체를 통한 현가장치 개조를 나타낸다 .

UNITCHANGE

UNITOPERATION

PROBLEM

HARDNESS LEVEL

OPERATION TIME

POWER PUMPPower Pump

기존 부품 탈거 , Bracket 교환 후 장착

Belt 모 양 차이

- 0.5

BRACKET OF POWER PUMP

Power Pump Bracket

- - - -

3 절 . 제동장치

제동 장치는 자동차의 구동력 전달을 제어하는 장치로써 엔진에 결합되어져있어 연료의 유입량을 조절하여 엔진의 가속을 조절하는 가속장치 (Acceleration Pedal) 와 엔진의 출력을 차축에 전달을 제어하는 Clutch, 차축에 전달되어 바퀴는 구동시키는 구동력을 차단하는 Break 로 구분하며 다음 표는 제동 장치의 개조 내용에 따른 작업 내용을 나타낸다 .

포터 2 는 전자식으로 가속장치가 작동이 되어지나 , 가솔린 엔진의 경우는 전자 제어가 아닌 수동식 가속조절 엔진 형식을 띠고 있어 불가피하게 수동식 Pedal 을 장착하였으며 차후 가솔린 엔진의 특성이 변하지 않는 이상 불가피할 것으로 본다 .

UNITCHANGE

UNITOPERATION PROBLEM

HARDNESS

LEVEL

OPERATION TIME

ACCELERATION PEDAL

Acceleration Pedal

Body 절 단 홀 가 공 후 Pedal 장착

Electric Pedal 에서 수동 Pedal 로 변경 - 1

BREAK CLEANING

- Air Cleaning - ★★★★ 0.5

CLUTCH CLEANING

- Air cleaning - ★★★ 0.5

4 절 . 바디 및 전장

Bi-Fuel system 으로의 전환을 위하여 자동차로부터 제거 및 장착이 이루어지는 과정에서 고압 천연가스 탱크를 제외한 모든 부품들은 운전석부와 적재함의 분리를 필요할 수밖에 없는 구조로 되어있어 부분적 개조 작업이 수반 될 수밖에 없다 .

전장 (Wire harness) 은 자동차의 모든 신호 체계를 조절하는 부분으로서 각종 센서로부터 전달되어지는 신호를 ECU 로 전달하는 역할을 하며 디젤으로부터 엔진부부에 접촉되어지던 부분을 직접 선별하여 제거하고 가솔린 엔진용 과 천연가스용으로 교체하는 작업을 수행하였다 . 다음 표는 그 내용을 나타낸다 .

적재함에는 Fuel Tank 가 내장된 Fuel Tank case 의 용적으로 인하여 적재가능 적재율을 20% 감소시킴을 밝힌다 . 차후 개조 시에는 사업자의 요구 충족을 위하여 Fuel tank 의 장착 위치에 대한 개선이 요구 된다 .

그러나 디젤 엔진에 비해 가솔린 엔지의 무게가 상대적으로 가볍기 때문에 전체 차량 중량 변화는 없었다 .

UNITCHAN

GE UNIT

OPERATIONPROBLEM

HARDNESS

LEVEL

OPERATION TIME

CAP - 탈거 - - 3

LOAD - 탈거 - - 0.5

DIESEL WIRING

Sirius Wiring

기존 부품 사용 , Sirius Wiring , ECU Cable, Wire Harness 분류 후 장착 - - 2

ECU ECU 기존 부품 사용 , Sirius ECU 장착 - - 0.5

COOLING SENSOR

- 기존 부품 사용계 기 판 저 항 차이

- 0.35

 Fuel Pump Relay

ECU 옆 장착 - - 0.25

3 장 . 차량 성능 평가

차량의 개조 작업 후 운행을 위한 시험 평가를 자체적으로 또한 검사기관을 통하여 행하였다 .

개조 후 안정성 평가와 자동차의 성능 평가를 시험하였다 . 특히 자동차의 성능 평가는 자동차의 개조 작업을 통하여 상용되어지고 있는 동종 차량과의 비교가 가능하며 그로인해 개조 수요를 평가할 수 있는 중요한 자료이다 .

 1. 출력 성능 비교

출력 성능 측정은 동력계 (Dynamometer) 를 이용하였다 . 동력계는 엔진의 출력 성능을 측정하는 장치로써 엔진에 자동차 사용 환경을 공급하여 엔진을 구동시키고 그때 발생된 회전력을 전기 제동장치를 통하여 Power 와 Torque 를 측정하는 장치이다 .  다음 표는 개조 전후의 차량의 출력 특성 변화를 나타낸다 .

Item Porter Ⅱ  (2,476cc) Repowered vehicle

CNG Gasoline

Weight (kg) 1000 1000

Max. Power (ps) 94/3800 85/3800 97/3800

Max. Torque (Kg m)․ 22.5/2000 15.7/2500  18.14/2500

Volume Tank (ℓ) 65  168  65

Gross Weight (kg) 1,707 1,707

Max. Speed (km/h) 130 147 148

연구 목표 중 차량 성능을 제원 대비 90% 확보를 목표로 하였으며 3800 rpm 에서 측정된 출력은 연구 목표를 만족시키는 결과를 제공하고 있다 .

차량의 재원차량대비 출력 성능 및 재원 중에서 Gross Weight 는 Diesel Engine 의 무게에 비해 Gasoline Engine 의 무개가 적으며 , 그 무게 감소 량 만큼 CNG KIT 중량이 추가 되어 중량 변화가 없었다 . 차후 개조 사업이 진행될 경우 차량의 중량 변화 없는 개조가 가능하리라 예상되어진다 .

다음 표는 CNG 와 Gasoline 연료 단계에서의 개조 엔진의 출력 성능 그래프이며 내구 100 시간 주행후 실험한 측정 데이터이다 . 그래프에서 보이듯 각각 연료 상태에서 출력 성능은 CNG 에서 보다 Gasoline 상태에서 Torque 는 1%, Power 는 3% 정도 높은 것으로 나타났다 . 이런 현상은 연료의 물리 , 화학적인 특성에 기인하며 연구 전 예상 되었던 부분이며 기대치를 Torque 와 Power 모든 면에서 Diesel 에 비해서는 20% Gasoline 에 비해서는 10% 내외의 성능 저하 현상을 기대 했으나 그 이상의 기대에 부응하는 성능 결과가 나타났다 .

 Fuel

     Torque & Power (before 100 hr)       Torque & Power (after 100 hr)

 CNG

                                                                                                                                                      

      Max. Torque :  16.46 kg-m      Max. Power :  98.97 hp

         Max. Torque : 15.67kg-m         Max. Power : 98.17 hp

GasolIne

                                                                                                                                                       

      Max. Torque: 19 kg-m      Max. Power : 115 hp

      Max. Torque: 18.834 kg-m      Max. Power : 112.1589 hp

 2. 등판능력 평가

차량의 동적 성능을 확인하기 위한 시험으로 등판능력 평가를 실시하였는데 시험 방법은 한국공업규격에서 요구하는 " 자동차 가파른 비탈길 시험 방법 R 1013" 의 요구사항을 측정하였다 .

항목에서 tan 는 경사도를 나타낸다 . Loading Weight 는 시험 중 적재 중량을 통한 중 하중을 나타내며 , Mean Velocity 는 구간을 통과하는 동안 차량의 평균 속도를 나타낸다 . Driving gear 는 구간을 통과 하기 위해 변속된 최고 gear 이다

  Fuel Mode

tan                 

Loading Weight

(kg)

Mean Velocity(km/h)

Driving gear

power (ps)

 CNG 0.15  

1500 48 3 90.5

0 88 5 93.7

 3. 경제성 평가

개조 자동차의 경제적 가치를 산출하기 위하여 연료 가격 대비 경제성과 주행 경제성을 분석하였다 . 각 연료의 가격은 시중 소매가를 기준으로 산정하였으며 , 2006년 4 월 기준이며 연료 가격이 현제 Diesel 에 비해 Gasoline 의 가격이 약 63% 의 비싼 것으로 나타난다 . 다음 표는 연료 가격표이며 , Table 20 은 개조 차량의 운행 경제성을 나타낸다 .

Cost Saving

Repowering Cost

Mileag

e/

Day

Fuel Cost

Saving / Day

Fuel Cost

Saving / Year

400 만원 250km

16,443 원 600 만원

개조를 위한 총 개조 비용은 약 400 만원이 소요되며 1ton 트럭 자영업자의 하루 주행거리를 250km( 시장 조사결과 ) 로 추정하였을 경우 Diesel 과 CNG 의 연료 가격 절감 효과가 년 간 600 만원까지 얻어지는 결과를 가져오며 손익 분기점은 8개월이며 그 이후는 연료 교체에 따른 순이익의 혜택을 볼 수 있는 것으로 드러났다 .

또한 , 소형 트럭에 대한 " 개조 비용 정부 지원 대책 " 이 마련 될 경우 그 기대 효과는 상당할 것이며 , 만약 개조비의 80% 를 국가 지원금으로 대치할 경우 정부 보조금 320 만원에 개인 부담금 80 만원이며 개인사업자들의 손익분기점은 더욱 앞당겨져 2 개월이 못 될 것으로 예상되어진다 .

다음 표는 차량의 성능을 평가하기 위하여 Diesel , Gasoline, CNG 각 연료에서 발생되어지는 연비 비교와 최대 속도 비교표이다 . Fuel economy 는 실차 주행을 통하여 측정 되었으며 다른 CNG 차량에 대한 연구와 비교할 경우 2% 내외 정도의 차이만을 갖고 있다 . Driving cost 는 각 연료의 사용 거리당 소요 비용을 쉽게 비교해 볼 수 있도록 하기 위하여 제작되었다 . 표에서 볼 수 있듯 1km 를 주행 했을 경우 비용은 Diesel 에 비해 CNG 차량이 55% 정도 저렴한 비용 절감 효과를 더 갖는 것을 볼 수 있다 .

또한 , Max. speed 항목에서 Diesel engine 은 저속엔진 , Gasoline engine 은 고속 엔진인 면을 고려하면 지나치게 높은 출력 속도가 아닌 적절한 속도 차를 나타낸 것임을 알 수 있다 .

Engine Performance of  PorterⅡ and Re-powered Vehicle

ItemFuel Economy(km/ℓ)

Driving Cost(won/km)

Max. Speed(km/h)

Diesel 9.5 119 130

Gasoline 8.0 182 148

CNG 10.2(km/m          ) 53 147