자동차상식 + 자동자학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 63강. LP 가스의 개요 및 LP 가스의 특성 3
63강. LP 가스의 개요 및 LP 가스의 특성 3
(3) 연소 한계
어떤 가연성 가스라도 적당량의 공기와 혼합되어야만 연소하게 된다. 그런데 LPG를
연소시키기 위해서는 공기량이 지나치게 많거나 적게되면 연소가 일어나지 않게 되는
데 이것은 가솔린의 경우 연소실에서 혼합기가 지나치게 농후하거나 희박하면 휘발하
지 않는 것과 같다.
이처럼 공기 중에 혼합된 가연성 가스의 체적 비율로 표시된 것을 “연소 한계” 또는
“연소 범위”라 하며 그 중 가장 농후한 한계를 상한, 가장 희박한 한계를 하한이라고 한
다. LPG는 프로판과 부탄의 혼합물이므로 연소 한계의 상한과 하한을 정확히 정하기는
매우 어려우나 공기 중에 LPG가 최소한 2~9% 범위로 가솔린 1.5~5.0%보다는 넓지만
기타 가연성 가스보다는 훨씬 좁다.
한편 연소 한계 중에서 특히 폭발적으로 연소하는 범위를 “폭발 한계” 또는 “폭발 범
위”라고도 부르며 그 값이 클수록 위험도가 높아진다. 이 값은 측정자에 따라서 다소 차
이는 있으나 LPG의 위험도는 도시가스(LNG)보다는 훨씬 작으나 가솔린에 비하면 다
소 크게 나타난다.
(4) 연소속도
가연성 가스의 한쪽 끝에 점화하면 불길이 점차로 확대되어 나간다. 이때 연소 면이
이동하는 속도를 “연소 속도” 또는 “화염전파 속도”라 부른다. 이 연소 속도는 가스의
종류나 혼합기의 구성, 압력, 온도에 따라서 다르며 고온·고압일수록 빨라진다. LPG
의 연소 속도는 0.81~0.82m/sec로서 가솔린의 0.83m/sec, 도시가스 1.42m/sec보다
느리다.
이것은 LPG는 연소속도가 느리기 때문에 가솔린의 경우보다 점화시기를 진각(빠르
게)시키지 않으면 기동성이 불량하게 되고 주행 중 기관의 작동상태가 원활하지 못하
게 된다.
(5) 인화점 및 착화점
LPG는 상온에서는 항상 인화점 이상으로 존재하며 착화점은 프로판이 490~550℃로
서 가솔린의 360~380℃에 비해 착화점이 높은데 이것은 연소 한계나 연소속도와 더불
어 LPG가 다른 가연성가스에 비해 비교적 안전성이 크다는 것을 의미하며, 특히 자동
차용 연료로는 취급 여하에 따라서는 매우 안전한 연료라는 것을 의미한다.
참고로 인화점이란 연료에서 발생한 증기가 공기 중에서 연소 범위의 혼합기에 충분
한 온도로서 인화시키면 곧 바로 연소하는 온도를 말하며, 착화점은 인화의 열원이 없
어도 자연히 연소가 시작되는 최저 온도를 의미한다.
다. 옥탄가
옥탄가란 연소실내의 연소에서 노크 방지성을 표시하는 수치를 말하며 LPG는 가솔
린보다 약 10% 정도 옥탄가가 높다. 옥탄가가 높다는 것은 노크를 일으키지 않고 높은
압축비의 기관을 작동시킬 수 있다는 것이며, 즉 기관의 열효율을 높여서 출력을 증가
시킬 수 있다는 것이다.
라. 화학반응
LPG는 프로판이나 부탄과 같이 포화 탄화수소의 화합물이므로 화학반응이 거의 없
는 매우 안정된 화합물이지만 가솔린처럼 용해성이 있다. 특히 천연고무나 페인트를
용해시키므로 기구의 설치나 배관을 시공할 때에는 반드시 LPG에 침식되지 않는 재료
[LPG 전용 실(seal)]를 선택하여야 한다. 또한 프로필렌, 부틸렌은 산소나 기타 화합물
과 결합하기 쉽고 타르나 고무와 같은 물질을 생성하여 고장의 원인이 될 뿐만 아니라
침식성이 강하다.
마. 안전성
LPG는 다른 가연성 가스에 비해 무독성이며 옥탄가가 높아서 완전연소가 가능하므
로 대기오염의 공해 문제를 해결할 수 있다.
그러나 LPG는 1/250로 압축된 고압가스이므로 사용 중 누출될 뿐만 아니라 만약 누
출되면 약 250배의 가스상태로 팽창하며 공기보다 무거워 낮은 지면에 고이게 되므로
위험성을 초래한다. 따라서 현재 사용하고 있는 LPG 봄베를 비롯한 각종 기구의 품질
이나 안전장치가 고압가스 안전관리법에 의해 엄격히 규제되어 있으므로 안전장치가 고
압가스 취급 여하에 따라 가스 누출을 충분히 방지할 수 있어 가솔린 보다 안전성이 높
다고 할 수 있다.
바. 자동차용 연료로서의 LPG
일반적으로 자동차에서 사용하는 연료로서 LPG를 선택할 경우의 기준은 다음과 같다.
① 적정의 증기 압력(1~10kgf/cm2)을 유지할 것
② 불포화(오리핀계)탄화수소를 함유하지 않을 것
③ 불순물을 포함하지 않을 것
여기에 적당한 증기압력은 기관이 작동하는데 요구되는 기화성과 관계가 있다. 즉
LPG 기관은 자체압력에 의해 LPG가 공급되므로 연료 펌프를 사용하지 않아 겨울철에
는 기동이 불가능할 정도의 낮은 증기 압력이 되므로 LPG 공급이 원활하지 못하게 된
다. 이에 따라 계절에 따라 프론판과 부탄의 혼합 비율을 변경하여 필요한 증기압력을
확보하여야 한다.
최근의 LPG 기관은 봄베내의 압력이 0.7kgf/cm2 정도면 기동이 가능하도록 설계되
어 있어 겨울철 새벽에도 2kgf/cm2 정도의 압력만 있으면 기동에는 문제가 없다. 이 조
건을 만족시키기 위해 겨울철에는 100% 부탄의 LPG를 사용하지 말고 부탄 70%에 프론
판 30%를 혼합한 LPG를 사용하면 된다.
사. 자동차용 LPG의 특징
① 열효율이 높으며, 기관작동이 정숙하다.
LPG는 기체로서 공기와 혼합하므로 혼합상태가 균일하고 이론 혼합비(공연비)에
가까운 값에서 완전 연소한다. 또 연소속도가 가솔린보다 느리고 옥탄가가 높아
노크를 일으키지 않으며 기관 작동음이 정숙하다.
② 경제성이 높다.
③ 윤활유의 수명이 길다.
LPG는 비등점이 낮아 실린더 내에서 완전히 기화되어 윤활유를 희석시키지 않으
며 카본 조성도 적다. 또 첨가제를 넣지 않으므로 카본이 회분에 의해 윤활유를 오
손시키는 일이 없으며 황(S)함유량이 매우 적어(가솔린의 1/10 이하) 배기가스로
인한 금속 부식이 거의 없다.
④ 대기오염이 적고 위생적이다.
배기가스는 거의 냄새가 없고 유독한 일산화탄소 함유량이 적으며(가솔린의 약
1/20) 매연을 내뿜지 않아 대기오염이 위생적이다. 또 퍼컬레이션(percolation)이
나 베이퍼로크(vapor lock)현상이 없다.