자동차의 점화장치(1)

저자 소개
김민복 교수는 현대전자(주) 자동차 전장품 생산기술 과장을 거쳐 현대자동차 자동차 품질조사 고객지원 팀장을 역임했다. 그후 현대자동차 정비기술지원 하이테크팀에서 근무했으며, 현재 신흥대학교 자동차과 겸임 교수 겸 e-자동차 전기 연구원으로 활동하고 있다. 주요 저서로는 ‘최신 자동차 전기, 전자 제어 엔진’ 외 다수가 있다.
 

연재순서 1. 자동차의 전장품 분류  2. 시동장치 3. 충전장치  4. 점화장치 5. 등화장치  6. 계기장치 7. 자동차용 전선, 커넥터  8. 전자 제어 엔진(1) 9. 전자 제어 엔진(2)  10. 전자 제어 섀시(1) 11. 전자 제어 섀시(2)  12. 전자 제어 전기

점화장치는 실린더 내의 혼합 가스를 스파크 플러그의 전극으로부터 아크 방전을 발생시켜 점화시키는 가솔린엔진의 전기 장치를 말한다.
가솔린엔진은 실린더 내에 압축된 혼합 가스를 착화시켜 연소할 때 일어나는 압력의 힘을 이용하고 있어 점화시키는 시점과 점화 지속 시간은 엔진의 성능에 크게 영향을 미치게 된다. 실린더 내의 압축된 혼합 가스가 고온이 된 상태에서 1(mm) 내외의 간극을 유지하고 있는 스파크 플러그 전극으로부터 불꽃 방전을 발생시켜 완전 연소에 접근하기 위해서는 실제로 점화장치는 여러 가지 요구조건이 필요하게 된다. 이때 스파크 플러그의 전극으로부터 불꽃은 연소실 내의 혼합 가스를 충분히 착화시킬 수 있는 불꽃의 세기와 착화 후 완전 연소에 접근할 수 있도록 불꽃 방전 시간을 유지하지 못하면 엔진의 성능과 차량의 연비에도 지대한 영향을 미치게 된다.

가솔린엔진에 점화장치가 나쁘면 시동성이 떨어지거나, 공회전 시 엔진 부조, 가속 시 출력이 떨어지거나 차량떨림 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상은 바로 유해 배출가스 증가와 연비 악화로 이어지게 된다. 또한 최근에 엔진은 공연비를 개선한 린번 엔진(희박 연소 엔진)을 사용하거나 고속능 엔진이 주종을 이루고 있어 연소실의 환경조건도 더욱 까다롭고, 이에 대한 점화장치의 요구조건 또한 엄격히 요구되고 있다. 그 결과 점화장치에는 디스트리뷰터(distributor, 배전기)를 사용하지 않는 방식이 주종을 이루고 있다.

그러나 과거에 비해 점화장치의 요구성능이 크게 요구되고 실제로 성능 또한 좋아졌지만, 이에 대한 실제 점화장치의 트러블(trouble)이 많이 감소하였다는 말은 들어보지 못했다. 점화장치의 구성은 일반적으로 그림 1과 같이 점화 코일(ignition coil), 이그나이터(igniter), 디스트리뷰터(현재 주종을 이루고 있는 DLI 방식은 제외), 진각장치(점화 시기를 제어하는 장치로 현재 주종을 이루고 있는 전자 제어식의 경우에는 AFS, CAS 센서의 신호를 기준으로 3차원 mapping data에 의해 제어), 고압 케이블(high tension cable), 점화 플러그(spark plug)로 구성되어 있다. 점화 코일은 불꽃 방전을 발생하기 위해 점화 2차 코일에 20kV 이상 전압을 변압하여 공급하는 장치이며, 이그나이터는 대전류 트랜지스터로 점화 1차 코일에 흐르는 전류를 단속(斷續)하는 파워 트랜지스터(power transistor)이다. 디스트리뷰터는 점화 코일로부터 발생된 고압을 TDC(압축 상사점) 전 각 실린더로 배송하기 위한 장치이며, 진각장치는 엔진의 회전수나 부하에 따라 점화시기를 조정하여 주는 장치이다.

가솔린엔진은 점화하는 시점에 따라 엔진 성능이 크게 변하는데, 그것은 그림 2와 같이 실린더의 ATDC 10°(상사점 후 10°) 부근에서 최대 연소 압력을 얻을 수 있기 때문이다. 연소실 내에 혼합 가스가 점화 시점으로부터 최대 연소 압력을 얻을 수 있는 ATDC 10° 부근은 엔진 출력을 최대로 얻을 수 있는 위치로 점화시기에 의해 결정된다. 따라서 점화 시기는 혼합 가스의 착화 시점과 연소 시기를 보아 결정하게 된다. 연소실 내에 혼합 가스는 점화 후 바로 착화되지 않고 일정 시간(약 1.6ms) 착화 지연을 거쳐 착화되기 시작하며 연소실 내에 압력은 급격히 증가하게 된다. 착화 지연 시간은 엔진의 회전수가 증가하여도 일정한 반면 착화되어 화염이 전파되어 나가는 화염 전파 시간은 오히려 짧아져 엔진의 회전 상승이나 부하 변하에 따라 점화 시점을 변화해 주지 않는다.

점화장치의 구분

점화장치의 구분은 일반적으로 디스트리뷰터의 적용 여부와 점화 1차 전류를 어떤 형태로 단속(斷續)하느냐에 따라 구분한다. 전자의 경우는 주로 고성능 엔진에 적용되고 있어 디스트리뷰터가 없는 DLI 방식의 점화장치가 주종을 이루고 있는 반면, 후자의 경우는 크게 접점식과 무접점식으로 구분한다. 접점식은 엔진이 고속 회전 시 점화 2차 전압이 감소하게 돼 현재와 같이 엔진이 고성능화 된 상태에서는 접점식 방식은 사용할 수가 없다. 따라서 현재 가솔린엔진에 점화장치는 접점식 점화장치 대신 그림 3과 같이 이그나이터(파워 TR 방식) 방식이 주종을 이루고 있다.

이그나이터는 약 5A 정도의 점화 1차 코일 전류를 단속하기 위한 파워 TR(대전류 트랜지스터)를 사용하는 방식과 IGBT(Insulator Gate Bipolar Transistor)를 사용하는 방식이 있다. 전자의 경우는 엔진의 저속 시 점화 1차 전류가 증가하는 것을 제어하기 위해 파워 트랜지스터에 정전류 회로를 내장한 하이브리드 IC로 되어 있다. 즉, 이그나이터는 단순히 점화 1차 전류를 단속하는 파워 TR이 아니라 엔진이 저속 시에 점화 1차 코일에 흐르는 전류가 증가하는 것을 제어하기 위한 기능을 가지고 있다. 이것은 접점식에 사용하고 있던 개자로형(開磁路型) 점화 코일 대신 점화 에너지 효율을 향상하기 위해 폐자로형(閉磁路型) 점화 코일을 사용하고 있기 때문이다. 이것은 점화 1차 코일에 흐르는 전류 변화를 증가시키기 위해 코일의 권수를 적게 하고 코일의 지름은 크게 해 1차측 코일 저항이 약 1/8 정도가 되게 한 것이다. 따라서 이 방식은 저속 회전에서는 과대한 전류가 흘러 점화 1차 코일이 연손(燃損)할 위험이 따르게 돼 1차 전류 증가를 제어하는 회로를 내장하고 있다.

근래에 출고되고 있는 차량은 소형의 경우도 주로 출력 효율을 향상한 DOHC 엔진으로 점화장치 또한 그림 4와 같이 DLI 방식을 사용하고 있다. DLI 방식은 디스트리뷰터를 사용하지 않는 대신 엔진의 고속 회전 시 드웰 타임(dwell time)을 증가시켜 점화 1차 전류를 대응하기 위해 실린더 각각에 점화 코일을 사용하는 독립 점화 DLI 방식을 사용하는 경우와 실린더 2개 당 점화 코일 1개를 사용하는 동시 점화 DLI 방식을 사용하고 있다. 따라서 DLI 방식은 고속용 엔진에 적합할 뿐만 아니라 고압 케이블을 사용하지 않아 누설전류와 전자파 노이즈에 대한 영향을 피할 수 있는 장점이 있다. 또한 디스트리뷰터와 고압 케이블을 사용하지 않아 엔진 상부 주변에 케이블을 깨끗이 정리할 수 있는 이점도 있어 현재는 주종을 이루는 점화방식이다.

점화장치의 구성 부품

점화 코일
대기 중에 스파크 플러그의 전극 사이(air gap) 불꽃을 발생시키기 위해 약 0.7(mm)에 1000(V)의 전압이 필요하지만 실린더 내와 같이 압력이 높은 압축 상태에서는 0.7(mm) 정도의 전극 사이라도 불꽃 방전을 하기 위해서는 7000(V) 이상의 높은 전압이 필요하게 된다. 보통 스파크 플러그의 전극 간극은 1.0(mm) 정도로 불꽃 방전을 하기 위해서는 대기압 상태보다 10배 정도인 최소한 10(kV) 이상 전압이 요구된다. 따라서 점화 코일은 스파크 플러그에 충분한 불꽃 발생을 보장하기 위해 12(V)인 배터리 전압으로부터 최소한 15(kV)~30(kV) 전후로 고전압을 발생하여 주지 않으면 안된다.

점화 코일의 종류는 일자형 연철심에 코일을 감아 절연 컴파운드(compound)나 절연 오일을 내장한 개자로형 코일과 자로(磁路)가 형성된 연철심에 코일을 감은 폐자로형 코일을 사용하고 있다.

개자로형 코일은 자속 손실이 많아 같은 권수의 코일이라도 유도 기전력이 작은 단점으로 현재는 그다지 적용되고 있지 않는 반면, 폐자로형 코일은 공기 중에 방출되고 있던 자속을 폐자로의 철심으로 이동하게 해 자속을 크게 하여도 자속 손실을 적게 할 수 있어 적은 코일의 권수라도 높은 유도 기전력을 얻을 수 있다. 따라서 폐자로형 코일은 소형화 할 수 있을 뿐만 아니라 2차측 유도기전력을 크게 할 수 있어 현재 주종을 이루고 있다.

이그나이터
이그나이터(Igniter)는 점화에 필요한 유도기전력을 얻기 위해 점화 1차 전류를 단속하는 부품으로 높은 신뢰성이 요구된다. 이그나이터가 ON 상태 일 때 점화 1차 코일에 전류는 흐르기 시작하며, 이때 점화 코일은 자속의 변화에 의해 전기 에너지를 축적하게 되며 이그나이터가 OFF 되면 동시에 축적돼 있던 전기 에너지는 순간 방출되어 높은 기전력을 발생하게 된다. 이그나이터가 ON 상태 일 때 점화 1차 전류는 5A~6A 정도로 충분히 견딜 수 있어야 하며, 엔진이 저속 시나 고속 시에도 점화 1차 전류는 충분히 제어될 수 있어야 한다.

예를 들면, 엔진 회전수가 800 rpm인 공회전 상태라면 캠축(cam shaft)은 400 rpm 회전하게 돼 6기통 엔진인 경우 점화 회수는 400 rpm×6=2400회가 점화하는 셈이다. 즉, 1초당 2400/60=40회가 되어 엔진이 공회전 상태가 되어도 1초에 40회(25ms)에 1회 아크 방전을 하는 셈이 된다. 이러한 상태에서 엔진이 6000 rpm까지 상승하면 1초당 300회가 되어 약 3.3ms에 1회 아크 방전을 하는 셈이 돼 점화 1차 코일에 흐르는 시간은 이보다 훨씬 짧은 3.3ms× 약 40%=1.32ms가 되어 점화 1차 코일에 흐르는 전류를 충분히 보증할 수 없게 된다.
따라서 이그나이터의 내부는 세라믹 기판에 대전류 트랜지스터를 설치하고 엔진이 저속 시나 고속 시에도 점화 1차 전류가 충분히 흐를 수 있도록 전류 제어 및 보상 회로를 내장하고 있다.

디스트리뷰터
디스트리뷰터는 점화 코일로부터 만들어진 고압을 각 실린더로 배전하는 역할을 하는 부품으로 점화장치의 종류에 따라 점화 1차 전류를 단속 기구 및 진각장치를 내장하여 사용하는 방식과 CAS & TDC 센서를 내장한 전자 제어식 디스트리뷰터 방식 등이 사용되고 있다.

디스트리뷰터를 사용하는 방식은 현재 주종을 이루고 있는 DLI 방식과 달리 점화 코일로부터 30(kV)의 높은 고전압은 고압 케이블을 거쳐 디스트리뷰터 캡(distributor cap)의 중심 전극을 통해 로터(rotor)로 접속돼 각 실린더의 전극으로 배전되어 스파크 플러그로 전달된다. 따라서 고전압은 점화 코일로부터 스파크 플러그까지 전달되기까지 약 20%의 전송 손실이 발생하게 되고, 전송로가 길어지게 된 만큼 누설전류도 그 만큼 증가할 수 있는 조건이 되는 등 단점을 가지고 있어 고속 회전을 요하는 엔진에는 부적합하다. 이와 같은 이유 등으로 현재 일부 SOHC 엔진 외에는 사용하고 있지 않다.

스파크 플러그
스파크 플러그(Spark plug)는 섭씨 2000℃~2500℃ 정도의 높은 연소 가스 온도와 약 50(kg/cm2) 정도의 연소 압력에 충분한 내구력을 가지며 아크 방전이 원활이 일어나야 하는 환경조건을 가지고 있는 부품이다.

스파크 플러그는 20kV~30kV 정도의 고압을 아크 방전하는 전극부와 스파크 플러그의 단자를 통해 중심부에 높은 고압을 전달하기 위해 주위에 높은 절연도를 요구하는 애자부를 갖고 있다. 또한 애자부의 하측에는 45기압 이상 높은 연소 압력의 전달에도 충분히 견딜 수 있는 육각부와 나사산을 가지고 있다.

연소실 내의 스파크 플러그의 전극은 높은 온도의 연소 가스와 접촉을 하게 돼 전극은 열에 달구어져 또 다른 점화원이 될 수도 있다. 이것은 스파크 플러그의 전극으로부터 불꽃 방전을 발생하기도 전에 제2의 열원으로 인한 프리 이그니션(pre ignition) 현상이나, 노킹(knocking) 현상의 원인이 될 수 있어 이에 대한 대책이 요구된다. 따라서 스파크 플러그는 전극의 열을 밖으로 배출하도록 설계하여 열의 배출 정도에 따라 등급을 정하고 있다. 또한 스파크 플러그는 엔진의 종류나 사용조건에 따라 전극의 형상을 여러 가지로 분류하고 있다.

스파크 플러그의 전극은 불꽃 방전을 원활하게 하기 위해 전도성과 내구성이 우수한 재료를 사용하며, 점화성을 향상시키기 위해 중심 전극을 뾰족하게 만들어 불꽃 방전이 쉽게 하고 있다. 그 밖에도 접지 전극을 V-자형으로 만든 V-형 스파크 플러그를 사용하는 경우도 있다.
원래 V-형 스파크 플러그는 한냉지와 같이 추운 지역에서 착화성을 향상시키기 위해 개발되었으나 현재는 레이싱(racing) 자동차뿐만 아니라 일반 자동차에도 사용하고 있기도 하다.
금회의 점화장치는 여기서 줄이고, 차회에는 점화장치의 특성과 고장진단 방법에 대해 알아보도록 하겠다. <끝>

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