자동차공학

자동차공학 건국대학교 기계공학과 박 정 규 점화장치

점화장치(Ignition System) Ⅰ. 관련 이론 1.1 점화장치의 구성 가솔린 엔진에서 실린더 내 압축된 혼합기에 불꽃을 발생시켜 동력을 얻어내는 장치이다. ■점화장치 향상 ① 출력향상, ② 연비향상, ③ 배기가스저감 ■점화장치의 종류 : 1차전류를 단속하는 방법에 따라, ① 접점식, ② 트랜지스터식, ③ 콘덴서 방전점화식 ④ 고강력 점화장치(HEI), ⑤ 무배전기식(DLI)

[그림1] 점화장치의 구성

■스파크 발생원리 스파크 방전은 외부로부터 고전압을 인가했을 때 공기중의 자유전자들이 이동하는 것을 말한다. 즉, 공기중에는 (+)이온과 (-)이온으로 구성된 중성원자들이 공기 중에 정체되어 있다. 이때 두 전극에 고전압을 인가하면 이온은 움직이기 시작한다. 정전유도에 의해 (+)전극에는 공기중의 (-)이온이, 전극의(-)극에는 (+)이온들로 (이온화 현상) 구성되며, 이온의 수는 급작스럽게 증가한다. 전극사이에 충분한 수의 이온들이 배열되었을 때 전류는 강한 스파크로 변환되어 일시에 흘러간다.(절연파계 : 용량방전) 이후 절연이 파괴된 이후에는 다소 낮은 전압에 의해서도 전류는 흘러간다.(유도방전) 예를 들면 점화코일에서 발생할 수 있는 전기 에너지가(전하) 총 40000개이면 전극의 갭을 건너가기 위해 스파크 플러그 주변에 서서히 모여 전하 20000개가되었을 때 전극의 갭을 건너가면 이때 20000V가 2차전압(용량방전), 이후에는 전하 2000개면 건너갈 수 있게 되어 10초 동안 계속 2000개씩 건너간다(유도방전:2000V)라고 생각하면 쉽다. [그림2] 스파크 방전원리(이온화 현상)

[그림 3] 스파크 방전원리(기전력발생과 전자의 이동)

1.2 점화코일 (1) 개자로 철심형 1차코일은 지름 0.5∼1mm 정도의 구리선으로 200∼300회 감겨 있고, 2차코일은 지름 0.05∼0.1mm 정도의 구리선으로 1차코일의 (-)단자에서 시작하여 20,000회 정도 감겨 있다. 1차코일과 2차코일의 권수비는 60∼100 정도 이다. 케이스 내부에는 절연오일이나 피치콤파운드를 채워 코일의 냉각과 케이스와의 절연시킨다. [그림4] 개자로 철심형 점화코일

(2) 폐자로 철심형 (몰드형) 개자로 철심형의 경우 자속의 경로가 공기인 반면 폐자로 철심형은 4각 철심을 따라 자속이 이동하므로 투자율이 훨씬 높아 권수비가 낮더라도 2차 고전압을 발생시킬 수 있다. 따라서 소형제작이 가능하므로 전자제어 엔진에 활용되고 있다. (HEI : High Energy Ignition ) [그림 5] 폐자로 철심형 점화코일

1.3 스파크 플러그 (1) 구비조건 ① 고온의 폭발가스에 노출되므로 내열성이 커야 한다. ② 2차 고전압에 대한 전기적 절연성이 좋아야 한다. ③ 폭발압력에 견딜 수 있게 기계적 강도가 커야 한다. ④ 연소시의 화학변화에 대한 내식성이 우수해야 한다. ⑤ 폭발압력에 대한 기밀성이 유지되어야 한다. (2) 자기청정온도(Self cleaning Temperature) 점화플러그가 자신의 전극부 온도에 의하여 스스로 카본을 연소시켜 오염을 방지하는 작용을 자기청정작용이라 하며, 온도범위는 450∼870 [℃] 이다. ① 점화플러그 온도가 870 [℃] 이상 될 때 조기점화 : 점화플러그 자체가 점화원이 되어 자연발화되는 현상 런온 현상 : 시동을 꺼도 계속해서 폭발하는 현상 ② 점화플러그 온도가 450 [℃] 이하 될 때 : 전극에 카본 부착에 따른 전기누설이나 실화발생 (3) 열가 (Heat Value) : 점화플러그가 열을 발산하는 정도(열용량)를 수치로 나타낸 값. ※ 고열가 : 점화플러그가 열을 많이 방출하므로 차갑다. 따라서 냉형이라고 할 수 있다. 냉형(고열가) : 수열면적이 적고, 방열면적이 크다. [고속엔진에 적합] 열형(저열가) : 수열면적이 크고, 방열면적이 작다. [저속엔진에 적합]

[그림 6] 스파크플러그가 받는 열의 방산 [그림 7] 스파크플러그의 열가

(4) 점화시기와 점화플러그 온도 점화시기는 플러그온도에 커다란 영향을 미치며, 점화시기가 진각 될수록 플러그 온도는 높아진다. (예) 4행정 엔진에서 점화시기가 1。 진각 되면 플러그 온도는 약 10℃ 상승. (5) 점화플러그의 소염작용 전극 간극이 어느 한도 이하가 되면 아무리 불꽃에너지를 크게 하더라도 착화가 불량해진다. 이 간극을 소염거리 라고 하며, 이는 차가운 전극의 냉각작용에 의해 불꽃핵이 성장하지 못하고 소염되는 것이다. 이를 점화플러그의 소염작용이라 한다. [그림 8] 스파크플러그의 소염작용

(6) 중심전극과 착화성 점화플러그의 중심전극을 가늘게 하면 비화성도 좋아지고, 착화성도 향상된다. 이는 전극이 가늘수록(전하의 성질) 전계밀도가 많아져 공기의 절연파계 능력이 향상되어 비화성이 좋아지는 것이며, 또한 소염작용이 적어지기 때문에 착화성도 향상된다. 그러나 중심적극이 가늘어지면 열의 방산이 나빠지므로 온도가 상승하여 산화가 심해져 전극이 소모되는 내구성의 문제가 있다. (예) 백금플러그: 내식성이 매우 뛰어난 백금을 사용하여 전극을 가늘게 만든 것으로 전극지름에 Φ1mm의 백금팁을 중심전극의 선단과 어스전극에의 표면에 용접한 것이다. [그림 9] 백금플러그 (7) 당량비와 착화성 정적연소기에 연료-공기를 당량비변화에 따라 예혼합시킨 후 점화를 한 경우의 화염전파 사진을 아래의 그림에 나타낸다. (당량비< 1 : 희박, 당량비 = 1 : 이론혼합비, 당량비 > 1 : 농후혼합기) 당량비 0.7의 경우(희박가연한계 영역) 중심전극의 소염작용에 의해 초기 화염핵이 오뚜기 모양으로 변해가는 것을 볼 수 있다. 당량비 1.1에서 가장 화염의 성장이 빠르며, 농후하거나 희박할수록 화염전파가 느려지는 것을 알 수 있다.

1.4 점화파형 분석 [그림 10] 2차 점화파형 (1) 점화구간 [① - ④ 구간 ] 스파크 갭을 건너기 위해 전자가 쌓이는 구간으로, 갭이 넓을수록, 갭 주위의 압력이 높을수록 전자는 갭을 넘기 힘들므로 많이 쌓여간다. (전자가 많이 쌓일수록[척력증가]전압은 커진다) ※ 아이들시에 엔진부조가 많이 발생하는데 이는 들어오는 혼합기량도 적은데다가 압력이 낮아 점화불씨도 적어 확실한 착화가 힘들기 때문이다. (가) 용량방전 [② - ③ 구간] : 모여있던 전자가 일순간에 갭을 건넌가는 것으로 화염핵이 생성되는 구간 을 말한다. 이때의 전압이 바로 점화코일의 2차 전압이다. (나) 유도방전 [ ③ - ④ 구간] : 절연파괴 이후에는 다소 낮은 전압에 의해서도 전류는 흘러가며, 화염핵의 형성을 유지한다.

(2) 감쇠구간 [ ④ - ⑤ 구간] : 점화코일에 저장된 에너지가 스파크를 더 이상 유지할 수 없게 되는 구간으로 잔류전압은 감쇠진동을 하며 소멸된다.(에너지가 없으므로 조금 모였다 건너가고 하는 현상) 콘덴서의 충·방전작용에 따른 2차코일의 공진으로 볼 수 있다. (3) 드웰구간 (Dwell) [ ⑤ - ⑦ 구간] : 1차 전류의 통전구간으로 전체의 약 60%를 차지한다. [그림 11] 드웰구간

1.4 점화장치의 종류 (1) 접점식 [그림12] 접점식 점화장치 [그림 13] 접점식 점화회로도

(가) 진각기구 ① 원심진각장치 : rpm 변화에 따른 점화시기 진각 [rpm ↑ ∝ 진각량 ↑] MBT (Maximum Break Torque Timing ) : ATDC 10∼15。 사이에 연소최고 압력이 오도록 점화시기를 조정하는 것. [착화지연기간 (1/600 초) : 부하가 일정할 때 rpm 변화에 관계없이 일정하다] ② 진공진각장치 : 부하변화에 따른 점화시기 진각 [부하 ↓ ∝ 진각량 ↑] rpm 이 동일할 때, 부하가 작을수록 착화지연기간은 길어진다. 또한 연소기간도 길어지므로 이에 맞추어 점화진각을 시켜야 된다. ■엔진의 rpm이나 부하에 따라 점화시기를 진각 또는 지각을(점화시기 제어) 시켜야만 엔진의 연비와 출력이 향상된다. ( rpm : 증가할수록 진각 , 부하 : 증가할수록 지각 ) ■노크센서 장착의 필요성 : 기존의 엔진은 노킹을 고려하여 점화시기를 다소 지각을 시켜놓은 상태(MBT는 바로 노킹역역 부근) 이므로 노크센서의 장착으로 보다 적극적인 점화시기 제어를 위해 존재 (나) 기계식 점화장치의 단점 ① 기계적인 접점의 사용에 의한 접점의 마모[간극변화]에 따른 점화시기의 변화 ② 고속시의 채터링 현상에 따른 2차 전압 저하 ③ 고속시 1차 전류 통전시간의 부족에 따른 2차전압 저하 ④ 포인터 접점의 아크발생에 따른 점화에너지 부족

[그림 14] 과대진각에 따른 노킹 및 MBT 개요 [그림 15] 부하에 따른 진각의 필요성

[그림 16] 원심진각장치의 동작 [그림17] 진공진각장치의 동작

(2) 세미트랜지스터식 [그림 18] 세미트랜지스터식

(3) 이그나이터 방식 (풀트랜지스터 방식) [그림 19] 풀트랜지스터식

[그림 20] 이그나이트 회로도

(가) 동작원리 ① 자석식[자석과 시그널 로터] : 로터가 회전하여 돌기부가 자석에 접근하게 되면 에어갭을 통한 자속변화가 발생하므로 픽업코일에는 전자유도작용에 의하여 자속의 변화를 방해하려는 방향으로 기전력이 발생한다. 이 기전력의 크기는 픽업코일의 권수에 비례하고 자속의 변화속도에 비례한다. ② 발진식 [이그나이터와 시그널 로터] - 시그널로터의 돌출부가 a 위치 : 1차 전류를 흐르게 한다. - 시그널로터의 돌출부가 b 위치 : 1차 전류가 차단되고 2차 전압이 유도된다. [그림21] 동작원리(자석식)

(4) 콘덴서 방전 점화식 (CDI) CDI(Condensor discharge ignition ) : 트랜지스터 방식의 경우 고속시에는 1차전류가 충분히 회복되지 못하여 2차전압의 저하가 발생하지만 CDI 방식에서는 콘덴서의 충·방전작용이 매우 빠르게 일어나므로 고속회전시 2차 전압의 저하가 거의 없다. 따라서 경주용 차량과 같은 고속, 고출력의 점화장치에 사용된다. [그림 22] CDI 점화장치

(5) 고강력 점화장치 (HEI) ■HEI(High energy ignition) 특징 - 기계적인 진각장치를 사용하지 않고 점화시기를 ECU에서 제어 - 폐자로형 점화코일 및 파워트랜지스터 사용(고속, 저속시 점화에너지 성능 향상) - 배전기의 역할 : 고전압 분배기능 + 크랭크각도 검출 [그림 23] HEI 점화장치 [그림 24] CAS 구조

(6) 무배전기 점화방식 (DLI) 배전기가 없는 전자제어방식으로 DIS 또는 전(full)전자식 점화장치라고도 한다. - 기계적인 배전부가 없으므로 로터의 에어갭에 따른 고전압 에너지손실(전압강하)이 없다. - 점화시기를 기계식이아닌 전자식으로 하기 때문에 내구성이 강하고 진각폭의 제한이 없다. - 동시점화식과 독립점화식이 있다. [그림 25] 배전기 로터에 의한 전압강하 [그림 26] DLI 회로도

(가) 동시점화식1개의 점화코일로 2개의 실린더에 점화시키는 형식. (1)-(4)번 실린더와 (2)-(3)번 실린더에 동시에 점화된다. ※ (1)-(4)의 예를 들면 (1)번이 압축행정이면 (4)번은 배기행정이므로 (1)번실린더는 점화되고 (4)번 실린더는 무효방전된다. 이때 점화에너지를 총100으로보면 (1)번실린더에 90이가고 (4)번실린더에는 10만큼의 점화에너지가 전달된다. 이는 저항의 직렬연결시 저항이 큰쪽(압축행정:연소실내 압력이 높음)에 전압강하가 크고 저항이 적은쪽(배기행정: 압력이 낮음)에 전압강하가 적게 나타남을 생각하면 쉽다. 독립점화식보다 무효방전이 많으므로 수명이 1/3정도 짧다. [그림 27] 동시점화의 원리 (나) 독립점화식 각 실린더 마다 1개의 점화코일을 갖고 ECU에서 독립적으로 제어하기 때문에 점화코일을 각 점화플러그에 직접 설치할 수 있어 고압케이블이 필요없다. 동시점화식보다 점화에너지가 다소 크기 때문에 더욱 확실한 점화가 가능하다.(위의 예에서 (4)번 실린더의 무효방전에서 소모된 10만큼의 에너지가 더 증가한다고 생각)

2. 점화장치 점검2.1 배전기 분해·조립㉮ 배전기 캡을 탈거한다. ㉯ 로터축을 탈거한다. ㉰ 이그나이터와 리드와이어(흑색)를 분리한다. ㉱ 고정나사를 풀고 로터샤프트를 탈거한다. ㉲ 핀펀치로 드라이브 기어의 롤핀을 빼고 드라이버 기어와 와셔를 탈거한다. ㉳ 조립은 분해의 역순으로 한다. [그림 28] 풀트랜지스터식 배전기 분해도

[그림 29] 분해 순서도

[그림 30] 옵티컬식 배전기 구조 2.2 배전기 점검 (1) 단속기 접점 간극 점검 ㉮ 접점간극[에어갭 혹은 공기간극]을 간극게이지를 이용하여 간극을 측정 ㉯ 판정 : 규정 간극이 되도록 조정 : 규정치 : 0.8 ±0.1mm [ 간극이 크면 : Dwell 각이 작아지고, 점화시기는 지각된다.- Dwell 각은 57∼67°이며 최적값은 62°이다] (2) 픽업코일 및 이그나이터 점검 배전기갭을 열고 이그나이트의 B 단자와 C 단자 배선을 분리한 다음 멀티테스터기로 점검한다. ㉮ 측정 : 멀티 테스터기를 사용하여 두 단자간 저항을 측정 ㉯ 판정 : 규정 저항(보통 920∼1120Ω) 또는 전류가 도통하면 정상

2.3 점화코일의 점검 ㉮ 1차코일 저항 측정 ㉠ HEI : 1차코일의 (+)와 (-)단자 사이의 저항 측정 ㉡ DLI : (1)-(4)실린더, (2)-(3) 실린더의 컨넥터 저항 측정 ㉯ 1차코일 저항 측정 ㉠ HEI : 고압터미널과 1차코일의 (+)나 (-)단자 사이의 저항 측정 ㉡ DLI : (1)이나 (4)실린더 그리고 (2)나 (3)의 고압터미널과 1차 코일과의 저항 측정 ㉰ 판정 : 규정치 이내면 정상, 규정치보다 저항이 클 때 : 노화에 따른 불꽃 감소 측정항목규정치 1차코일0.5∼1 [Ω] 2차코일10∼14 [㏀] [그림 31] DLI 점화코일

2.4 스파크플러그 점검 ㉠ 전극의 마모 점검 ㉡ 절연저항 측정 ㉢ 카본의 퇴적 및 가스킷 ㉣ 손상여부 확인 2.5 고압케이블 점검 [그림 32] 고압케이블의 구조

2.6 점화장치 고장진단 (1) 점화시기 점검 ㉮ 점검조건 - 냉각수온 : 80 ∼ 90℃ (정상온도) - 램프 및 냉각펜 등등 : OFF - 타이밍라이트를 연결하여 공회전속도를 점검한후 기본점화시기를 점검한다. ※ 공회전속도가 비정상적일 경우에는 점화시기 점검의 의미가 없으므로 공해전속도 저해요인을 제거한 후 실시한다. ㉯ 점화시기가 규정된 범위를 벗어나면 점화시기에 관련된 각종 센서를 점검한다. ※ 일부 전자제어엔진에서의 점화시기는 ECU 자체 내에 설정된 값에 의해 고정된 값이므로 외부조정이 불가능한 것도 있다. ㉰ 엔진회전수를 증가시키면서 실제 점화시기가 변동되는가를 확인한다.

(2) Power TR 점검 [그림 33] Power TR

(3) 점화장치 고장진단

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