[스터디] 점화장치 개요

[목차] - 점화장치
- 점화장치
- 점화 코일(Spark Coil)
- 점화 플러그(Spark plug)
   점화 플러그 구성
- 점화장치 종류
   접점식 점화장치 / 트랜지스터식 점화장치 / 무배전기 점화장치

 

점화장치

점화장치는 가솔린 및 LPG 기관에서 적절한 시점에 점화 플러그(Spark plug)를 작동시킴으로써 실린더 내 혼합가스를 점화시키는 장치이다. 점화 플러그를 작동시키기 위해서 점화 코일(Spark Coil)에 고압의 전류가 인가되어야 하며, 점화 코일은 배터리에 직접 연결되는 것이 아닌 점화장치를 통해서 전류가 전달된다. 따라서 점화장치는 엔진의 고속 회전 대역에서도 적절한 점화 타이밍으로 작동하며 여러개의 점화 플러그를 제어하는 역할을 해야한다.

 

* 용어 정리

- 단속 : 전류를 끊었다 이었다 하는 것

- 진각 : 점화 시점을 앞당기는 것

- 배전 : 고전압을 각 스파크 플러그에 순차적으로 분배하는 것

 

 

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점화 코일(Spark coil)

점화플러그에 필요한 고압의 전압을 형성하는 일종의 변압기이다. 점화 코일은 2개의 코일(1, 2차 코일)로 구성되어있다. 1차 코일의 경우 2차 코일에 비해 두께가 두껍고 감은 횟수가 적다.

 

스파크 코일의 간단한 작동원리

배터리로부터 1차 코일에 전류가 인가되면 코일 주위에 자기장을 형성되고, 적절한 시점에 1차 코일에 전류공급이 차단되면 2차 코일에 높은 전압이 유도된다. 이때 발생한 고전압은 점화플러그에 공급되어 아크 방전을 통한 점화를 발생시킨다.

 

 

 

 

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점화 플러그(Spark plug)

점화플러그는 점화 코일에서 발생한 고전압을 받아서, 전기 스파크를 발생시켜 혼합기 폭발을 일으킨다.

 

1. 점화플러그 구성

Spark plug (출처 : Champion, What are the parts of a spark plug?)

① 터미널(Terminal)
점화장치에 연결하며 중앙 전극으로 고전압을 전달한다.
② 절연체(Insulator)
터미널, 중앙전극 절연하여 고전압으로부터 보호하며, 고전압이 전극 팁에 도달하기 전에 방전되는 것을 방지한다.
③ 저항(Resistor)
점화 발생 시 발생하는 노이즈를 억제한다. 차량 내 다른 전기부품의 간섭 및 라디오 수신 장애를 방지한다.
④ 중앙전극(Central Electrode)
내부 와이어를 통해서 터미널에 연결된다. 전극 팁은 구리, 니켈, 크롬 등의 귀금속으로 제작된다. 고전압이 전극 팁과 측면 전극 사이의 작은 틈을 통과할 때 스파크가 발생한다.
⑤ 접지 or 측면 전극(Ground or Side Electrode)
중앙전극 측면에 위치하여 혼합기를 점화시키는 스파크를 생성시킨다.
⑥ 육각머리 (Hex Head)
소켓 렌치를 통하여 점화 플러그를 조이거나 풀기 위한 부분. 실린더 헤드에 접지를 제공하고 플러그에 발생한 열을 실린더 헤드에 전달하여 냉각 효과를 만든다.
⑦ 가스켓(Gasket)
절연체와 하우징 사이에 위치하여 혼합기의 누설을 방지한다
⑧ 리브(Ribs)
육각머리로 고전압이 전달되는 것을 방지한다.

 

 

 

2. 점화 플러그 온도

차량 속도 - 점화 플러그 온도 (출처 : Denso, Denso Spark plug)

 

점화 플러그의 온도는 차량 속도와 열 범위에 관계가 있으며 점화 온도는 상한 및 하한이 있다. 그래프상 500 ~ 900℃로 나타난다.

 

온도 상한선은 Pre-ignition이 발생할 수 있는 온도이다. 그래프상 950℃보다 높아지게 되면 연소실 내부에 Pre-ignition이 발생할 수 있다.

온도 하한선은 Self-Cleaning 온도이다. 불완전 연소에 의해서 연소실 내부와 점화 플러그 절연체에 카본이 발생할 수 있으며, 점화 플러그의 방전을 통해서 카본을 연소시켜야한다. 그래프상 500℃ 이상 높아야 Self Cleaning이 가능하다.

 

 

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점화장치 종류

점화장치는 아래 그림과 같이 분류될 수 있으며, 그 중 접점식 점화장치, 전트랜지스터 점화장치, 무배전기 점화방식에 대해서 알아보겠다. 일단, 현재 대부분의 점화장치는 무배전기 점화장치(DLI, Distributor-Less Ignition)을 적용하고 있다.

점화장치 종류

 

 

1. 접점식 점화장치(Contact Point Ignition System)

접점식 점화장치는 점화 코일에 전원을 단속하고 고전압을 생성하여 점화 플러그로 전달하는 방식이다.

 

1.1 접점식 점화장치의 배전기(Distributor)

배전기의 역할은 크게 3가지로 분류된다.

- 각 실린더 점화 플러그에 배전을 해주는 배전부

→ 접점의 기계적인 접촉으로 1차 전류를 단속한다.

- 점화 코일 1차 전류를 적절한 타이밍에 단속하는 단속부

- 엔진의 회전속도 또는 부하에 따라 점화시기를 조정하는 진각부

 

1.2 접점식 점화장치의 작동원리

① 차량 시동 시 배터리로부터 1차 코일에 전압 인가된다.

② 단속부의 캠 회전에 따라 접점이 붙었다가 떨어졌다를 반복하며 1차 전류를 단속한다.

③ 접점에 의해서 1차 코일에 전압이 On/Off 되며 2차 코일에 고전압이 유도된다.

④ 배전부의 로터가 회전하며 점화 플러그 단자에 접촉되어 고전압의 전류가 흐른다.

⑤ 고전압의 전류는 점화 플러그에 아크 방전을 발생시킨다.

⑥-1 원심 진각 장치의 경우, 회전 속도에 따라 점화시기를 조정한다.

⑥-2 진공 진각 장치의 경우, 엔진 부하에 따라 점화시기를 조정한다.

접점식 점화장치

 

 

 

2. 트랜지스터식 점화장치

접점식 점화장치의 경우 접점 접촉면에 기계적인 접촉에 의하여 마모가 발생할 수 있다. 따라서 트랜지스터식 점화장치는 트랜지스터(이그나이터)를 통해 1차 전류를 단속하고 트랜지스터를 제어하기 위하여 접점 혹은 신호발생기를 사용한다. 트랜지스터는 미소 전류를 증폭시키거나 스위칭 역할을 하기에 가능한 원리이다. 또한 트랜지스터식 점화장치는  접점식 점화장치와 비슷한 구조이지만 접점과 캐퍼시터가 없다.

 

전자식 점화장치는 반트랜지스터 점화방식과 전트랜지스터 점화방식으로 나뉜다. 반트랜지스터 점화방식은 접점식 점화장치와 같이 접점이 붙었다가 떨어졌다를 반복하며 연결된 트랜지스터에 의해서 1차 전류가 단속된다. 이번 글은 전트랜지스터식 점화장치에 대해서만 다루겠다.

 

2.1 전트랜지스터식 점화장치의 배전기와 이그나이터

a. 배전기의 역할은 크게 3가지로 분류된다.

- 각 실린더 점화 플러그에 배전을 해주는 배전부.

→ 신호 발생기(픽업 코일)과 타이밍 로터를 통해 교류 전원을 생성하여 비접촉으로 1차 전류를 단속한다.

- 점화 코일 1차 전류를 적절한 타이밍에 단속하는 단속부

- 엔진의 회전속도 또는 부하에 따라 점화시기를 조정하는 진각부

 

b. 이그나이터는 저항기와 트랜지스터가 구성되어 점화 코일의 1차 전류를 빠르게 회복시킨다.

 

2.2 전트랜지스터 점화장치의 작동원리

전트랜지스터 점화장치의 작동원리는 다음과 같다. 

① 차량 시동 시 배터리로부터 1차 코일에 전압 인가된다.

② 타이밍 로터가 회전하며 신호 발생기에 교류전압이 발생한다.

③ 신호 발생기의 (+)방향은 이그나이터(트랜지스터)를 통과하지 못하며, 점화 코일의 1차 전류가 차단되어 2차 코일에 고전압이 유도된다. 반대로 신호 발생기의 (-)방향은 이그나이터를 통과하여, 점화 코일에 1차 전류가 흐르게 된다.

④ 배전부의 로터가 회전하며 점화 플러그 단자에 접촉되어 고전압의 전류가 흐른다.

⑤ 고전압의 전류는 점화 플러그에 아크 방전을 발생시킨다.

⑥-1 원심 진각 장치의 경우, 회전 속도에 따라 점화시기를 조정한다.

⑥-2 진공 진각 장치의 경우, 엔진 부하에 따라 점화시기를 조정한다.

전트랜지스터 점화장치

 

 

 

3. 무배전기 점화장치(Distributor-Less Ignition)

접점식 점화장치 혹은 트랜지스터식 점화 장치에 사용되던 배전기를 없애고 컴퓨터를 통한 전자 제어 방식을 채용한 점화장치이다.

 

3.1 코일 분배 점화방식

: 점화 코일에서 점화 플러그로 직접 배전하는 방식이다. 코일 분배 점화방식은 점화 코일에 연결된 점화 플러그의 갯수에 따라서 동시 점화 방식과 독립 점화 방식으로 나뉜다.

 

1) 동시 점화 방식(DDLi; Dual Distributor-Less Ignition)

1개의 점화 코일에 2개의 실린더가 연결되어 있는 점화방식이다.

 

동시 점화 방식의 작동 원리는 다음과 같다.

→센서를 통해서 '엔진 회전 속도'와 '크랭크 각도 위치' 의 신호를 발생시켜 ECU에 전달한다.

→ ECU는 위 신호와 운전 상황에 따른 점화 타이밍을 결정하여 이그나이터(트랜지스터)에 점화 신호를 전달한다.

→ 이그나이터는 점화 신호에 따라 1차 전류가 점화 코일에 단속하며 2차 코일에 고전압의 전류를 유도한다.

→ 2차 코일은 2개의 실린더(점화 플러그)에 직접 연결되어 있으며 동시에 점화를 발시킨다.

 

2) 독립 점화 방식(SDLi; Single Distributor-Less Ignition)

1개의 점화 코일에 1개의 실린더가 연결되어 있는 점화방식이다.

 

독립 점화 방식의 작동 원리는 다음과 같다.

→센서를 통해서 '엔진 회전 속도'와 '크랭크 각도 위치' 의 신호를 발생시켜 ECU에 전달한다.

→ ECU는 위 신호와 운전 상황에 따른 점화 타이밍을 결정하여 이그나이터에 점화 신호를 전달한다.

→ 이그나이터는 점화 신호에 따라 1차 전류가 점화 코일에 단속하며 2차 코일에 고전압의 전류를 유도한다.

→ 2차 코일은 1개의 실린더(점화 플러그)에 직접 연결되어 있으며 점화를 발생시킨다.

 

* ECU는 엔진회전속도, 크랭크각도 외에도 스로틀 포지션 센서, 엔진 냉각 온도 센서, 매니폴드 절대압 센서, 공기량 센서, 흡기 온도 센서, 녹센서 등으로부터 점화 타이밍 조정한다. 

왼2) 동시 점화 방식 오1) 독립 점화 방식

 

 

3.2 다이오드 분배 점화방식

다이오드가 전류의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 특성을 이용하여 고압 전류의 영향을 다이오드에 의해 제어하는 방식이다.