연료 공급 시스템에서 가솔린 엔진에 필수로 적용되는 점화 시스템에 대해 알아봅시다
점화 시스템(Ignition system)이란?
점화 장치는 실린더 내의 혼합 가스를 스파크 플러그의 전극으로부터 불꽃 방전을 발생시켜 점화시키는 전기 장치로 앞선 포스팅에서 언급 했던 것처럼 디젤이 아닌 가솔린 엔진에만 있습니다. 점화 시스템은 엔진 실린더의 점화 플러그에 고전압을 공급하는 점화 회로로 구성되며 배터리에 연결된 1차 코일과 분배기에 연결된 2차 코일로 이루어져 있습니다. 자동차 배터리의 12V의 전압이 1차 코일로 들어오게 되면 2차 코일에는 높은 전압이 유도되면서 분배기를 통해 점화 플러그의 중심 전극과 접지 전극의 사이에 스파크를 발생시킵니다. 이 스파크는 연소실의 압축 공기-연료 혼합물을 점화하고 자동차의 동력을 생성하죠. 과거에는 2차 코일의 분배 방식이 기계식이었으나 오늘날에는 대부분의 가솔린 엔진에서는 완전한 전자식 점화 장치를 사용하고 있습니다.
가솔린 엔진은 실린더 내에 압축된 흡입기를 착화시켜 연소할 때 일어나는 에너지를 이용하기 때문에 점화 발생 시점과 지속 시간이 엔진의 성능에도 크게 영향을 미치게 됩니다. 스파크 플러그에서 점화하는 불꽃은 연소실 내의 혼합기를 충분히 착화 시킬 수 있어야 하며, 착화 후 완전 연소 상태에 이를 수 있을 때 까지 유지 되어야 합니다. 이를 만족하지 못하면 시동 성능이 떨어지거나 공회전 시 엔진 부조, 가속 시 출력 성능 저하, 차량 진동 증가 등의 문제가 발생 할 수 있습니다. 유해 배출 가스 증가와 연비 악화 등의 원인이 되기도 하죠.
점화 시스템(Ignition system)의 종류
점화 장치는 크게 Magneto, Distributor, Coil‑On‑Plug/Coil‑Near‑Plug 등으로 나눌 수 있으며 차량 및 엔진의 용도에 따라 선택적으로 사용되고 있습니다.
자기 점화 시스템 (Magneto Ignition System)
자기 점화 시스템은 전기 코일과 자석 등으로 구성되며 엔진 회전 시 자석이 코일을 통과하면서 코일 양단에 전압이 생성되고 스파크를 발생 시키는 원리로 작동합니다. 배터리가 필요없고 구성 또한 단순하여 가볍기 때문에 주로 카트나 바이크, 보트, 일부 소형 항공기와 같은 소형 가솔린 엔진에서 사용하고 있습니다. 그러나 엔진이 회전할 때마다 자석이 코일을 통과하는 원리로 작동하기 때문에 발생하는 전압과 스파크의 크기가 자석(및 엔진)의 속도에 따라 달라진다는 문제가 있습니다. 점화 세기가 안정적이지 못하다는 것이죠. 낮은 RPM에서는 큰 스파크를 출력하기 때문에 상대적으로 괜찮지만 낮은 RPM에서는 그만큼 스파크 세기가 약해 엔진 출력 성능이 떨어지게 됩니다.
Distributor 시스템 (또는 배터리/코일 점화 시스템)
Distributor 시스템은 배터리에 연결된 1차 코일과 분배기에 연결된 2차 코일 그리고 점화 플러그 등으로 이루어져 있습니다. 앞서 언급했던 점화 시스템이 바로 이 시스템이며 점화 플러그는 각 실린더 내에 장착되기 때문에 엔진의 실린더 숫자와 동일합니다. 전압은 배터리에서부터 시작되어 1차 코일로 흐르고 (그림에서처럼) 1차 코일과 2차 코일의 감겨있는 수가 달라 2차 코일로 전압이 유도되는데, 이때 전압 세기가 28000-30000V까지 증폭 됩니다. 이 전압은 Distributor를 회전 시키고 각 실린더 내에 있는 플러그에 연결된 회로를 열고 닫으며 스파크를 발생시키게 됩니다. Distributor 방식은 4행정 엔진에서 많이 사용하던 점화 방식으로 각 저항에 대해 균등한 에너지를 사용하여 균등한 스파크를 생성 할 수 있기 때문에 에너지를 낭비하지 않는다는 장점이 있습니다. 하지만 전력 소모가 심해 낮은 엔진 속도에서는 효율이 좋지 못하고 엔진의 캠축에 연결되어야 하는 Distributor와 배터리가 있어야 하기 때문에 무게와 비용이 상대적으로 많이 들어가는 단점도 있습니다.
코일 온 플러그 및 코일 니어 플러그 시스템 (Coil-on-Plug and Coil-Near-Plug Systems)
COP(Coil-on-plug) 및 CNP(coil-near-plug) 시스템은 기본적으로 Distributor 방식과 흡사하며 ECU에 의해 점화 시스템을 제어 한다는 것이 특징입니다. ECU가 연산 후 점화를 제어하기 때문에 효율적으로 전력을 사용 할 수 있고 스파크 세기 역시 일관적이죠. 또한 점화 타이밍도 세밀하게 제어 할 수 있어 효율성이 극대화 됩니다. 나아가 엔진 문제 진단, 선택적으로 실린더를 사용하는 상위 기능까지 활용 가능합니다. 이 시스템은 구성이 복잡해지기 때문에 어플리케이션에 따라 적용이 까다로우며 강한 진동과 높은 온도를 발생하는 엔진과 밀접하게 장착되는 부품이 많기 때문에 고장을 일으킬 확률이 높습니다. 이러한 단점에도 불구하고 엔진의 효율 극대화, 실시간 진단 등의 기능이 있기 때문에 오늘날 많은 차량이 COP(Coil-on-plug) 및 CNP(coil-near-plug) 시스템을 채택하고 있습니다.
점화 시스템(Ignition system)의 주요 구성품
다양한 점화 장치의 종류가 있지만 일반적으로 4행정 엔진에서 사용하는 점화 장치는 점화 코일(ignition coil), 점화 플러그(Ignition plug), 배전기(distributor) 등으로 이루어져 있습니다.
점화 코일(ignition coil)은 플러그에서 스파크를 생성하기 위해 배터리의 저전압을 수천 볼트까지 변환 시키는 유도 코일입니다. 일반적으로 실린더 내 고압 상태에서 불꽃을 방전 하기 위해 7,000V 이상의 높은 전압이 필요하지만 차량 내 배터리의 전압은 12V 수준입니다. 따라서 점화 코일이 배터리의 전압을 최소 15,000V 이상 증폭시켜 주는 역할을 하죠. 점화코일은 두 개의 코일을 사용하는 전자기 유도 원리로 작동하며 1차 코일이 배터리의 전압을 충전하고 2차 코일이 고전압을 방전합니다.
배전기(distributor)는 점화 코일로부터 만들어진 고압을 각 실린더로 순차적으로 전달하는 장치로 캠축의 헬리컬 기어에 의해 구동되며 엔진의 회전수와 부하에 따라 점화 타이밍을 조절하는 역할을 합니다. 점화 코일의 높은 전압이 회전하는 배전기의 중앙 단자로 유입되면 카본 브러시를 통해 로터의 바깥쪽 가장자리로 이동합니다. 그 후 각 실린더의 스파크 플러그의 내부 단자와 접촉하면서 실린더 내에 스파크를 발생 시킵니다. 이러한 방식으로 배전기는 각 점화 플러그에서 일정한 순서와 타이밍으로 실린더 내 폭발을 생성합니다.
점화 플러그(Ignition plug)는 엔진 내에서 연료와 공기의 혼합기를 폭발 시켜주는 장치로 엔진 실린더에 1개씩 장착됩니다. (4기통이면 4개, 6기통이면 6개) 불꽃 방전을 원활하게 하기 위해 전도성과 내구성이 좋은 재료를 사용하며 점화성을 향상시키기 위해 중심 전극을 뾰족한 형태로 디자인하고 있죠. 엔진 실린더 내부에서는 폭발 행정마다 섭씨 2000℃~2500℃ 수준의 높은 온도의 열과 불꽃이 발생하기 때문에, 점화 플러그는 이에 대한 충분한 내구력을 가질 수 있는 소재로 제작 됩니다. 또한 플러그 전극이 열에 달구어져 또 다른 점화원이 될 수도 있어 이를 방지하기 위해 전극의 열을 밖으로 배출하도록 설계하고 있습니다.
2022.02.04 - [Engineering/자동차 이론] - 자동차 엔진의 주요 구성 알아보기 5-1 엔진 연료 공급 시스템
자동차 엔진의 주요 구성 알아보기 5-1 엔진 연료 공급 시스템
이번 포스팅은 자동차 동력원을 공급하는 연료 공급 시스템입니다 연료 공급 시스템이란? 연료 공급 시스템은 말 그대로 자동차 엔진에 동력원이 되는 연료를 공급하는 시스템으로 공기
carwithmc.tistory.com
2022.02.08 - [Engineering/자동차 이론] - 자동차 엔진의 주요 구성 알아보기 5-2 가솔린 엔진 vs 디젤 엔진
자동차 엔진의 주요 구성 알아보기 5-2 가솔린 엔진 vs 디젤 엔진
엔진 연료 공급 시스템, 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 비교로 대해 정리해보겠습니다 이 부분은 저도 항상 궁금했던 내용이거든요 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 구분 기본적으로 가솔린 엔
carwithmc.tistory.com
'Engineering > Engine' 카테고리의 다른 글
| 자동차 엔진의 주요 구성 알아보기 6-2 흡배기 시스템, 배기 장치 (0) | 2022.03.07 |
|---|---|
| 자동차 엔진의 주요 구성 알아보기 6-1 흡배기 시스템, 흡기 장치 (0) | 2022.02.16 |
| 자동차 엔진의 주요 구성 알아보기 5-2 가솔린 엔진 vs 디젤 엔진 (10) | 2022.02.08 |
| 자동차 엔진의 주요 구성 알아보기 5-1 엔진 연료 공급 시스템 (0) | 2022.02.04 |
| 자동차 엔진의 주요 구성 알아보기 4-2 윤활 시스템의 구성 요소 및 윤활유 (0) | 2022.01.25 |