전기 13 > 점화장치(접점식 점화장치,  고압케이블, 점화플러그)

 1. 점화 장치의 개요

      가솔린 기관의 점화 장치는 고압 전기 방전에 의한 불꽃을 이용하여 혼합기를 점화시키는 것이다. 점화 장치는 점화 전원의 종류에 따라 축전지를 이용하는 축전지식 점화 장치와 자석 발전기를 이용하는 자석식 점화 장치로 분류된다.

그러나 자동차에서는 시동 성능이 우수한 축전지식 점화 장치가 주로 사용되고 있으며, 자석식 점화 방식은 혹한지 전용의 특수 자동차나 2륜 자동차의 일부에 사용되고 있다. 점화 장치는 고전압 발생부, 전류 단속부, 점화 시기 제어부, 배전부 및 점화 플러그의 5개 부분으로 구성되어 있다. 고전압 발생부는 전기 회로의 전자 유도 작용에 의한 변압기의 원리를 이용한 점화 코일에서 10~35[㎸]의 고전압을 발생한다. 전류 단속부는 점화 코일의 1차 전류를 단속하는 것으로 기계 접점식과 트랜지스터식의 2종류로 나타낼 수 있다. 기계 접점식은 기계식 접점(포인트)으로 직접 1차 전류를 단속하는 방식이고, 트랜지스터식은 파워 트랜지스터를 사용하여 전기적으로 1차 전류를 단속하는 방식이다.

점화 시기 제어부는 점화 플러그에 불꽃을 튀기는 점화 시기를 최적 시기로 설정하기 위한 것으로서 기계식 진각 방식과 전자식 진각 방식으로 대별된다. 기계식 진각 방식은 배전기에 내장된 원심 진각 기구와 진공 진각 기구로 구성되어 있다. 또 전자식 진각 방식의 대표적인 것으로 마이크로컴퓨터를 이용한 것이 있다. 배전부는 고전압 발생부에서 발생된 고전압을 각 실린더의 점화플러그에 점화 순서대로 배전하는 것이다,

종 류

전류 단속부

점화 시기

제어부

배전부

기계식

트랜지스터식

기계식

전자식

기계식

전자식

접점식 디스트리뷰터 배전

 

 

 

반트랜지스터식 디스트리뷰터 배전

 

 

 

전트랜지스터식 디스트리뷰터 배전

 

 

 

동시 점화 방식 전자 배전

 

 

 

독립 점화 방식 전자 배전

 

 

 

점화 장치의 분류

 

2. 접점식 점화 장치의 구성

     접점식 점화 장치는 그림과 같이 축전지, 점화 스위치, 접점 단속기, 점화 코일, 배전기, 고압 코드, 점화 플러그 등으로 구성되어 있다.

 

1) 접점식 점화 장치의 작동 원리

     점화 스위치를 ON 위치로 놓은 상태에서 접점이 닫혀 있으면 전류는 축전지로부터 점화 1차 코일을 통해 접지 쪽으로 흐른다. 기관이 회전하여 접점이 열리면 점화 1차 전류는 차단되어 점화 2차 코일에 전자 유도 작용에 의해 25~30[㎸]의 매우 높은 2차 전압이 유도된다. 이렇게 유도된 2차 전압은 배전기를 통해 각 점화 플러그에 보내져서 불꽃 방전을 일으켜 혼합기를 연소시킨다.

 

2) 점화 코일

    점화 코일은 가솔린 기관의 점화에 필요한 높은 전압을 발생시키기 위한 일종의 변압기이다. 점화 코일은 일반적으로 자속의 경로, 즉 철심의 구조에 따라 개자로형과 폐자로형으로 분류된다. 현재 널리 사용되고 있는 개자로형은 자속이 공기 속을 통과하게 되고, 폐자로형은 철심으로 자속의 길을 만들어 주어서 자속이 통과하기 쉽게 되어 있다.

▶ 개자로 철심형(開磁路 鐵心型) 점화 코일은 그림 Ⅵ-3과 같이 철심, 1차 코일, 2차 코일 등으로 구성되어 있으며, 이들은 철제의 케이스에 들어 있다. 코일과 케이스 사이에는 절연을 위해 피치 콤파운드나 절연유가 채워져 있다. 철심은 얇은 규소 강판을 겹쳐서 막대 모양으로 만든 것이다. 철심 둘레에는 지름 0.05~0.1[mm]의 가는 에나멜 절연 구리선으로 된 2차 코일이 20000회 정도 감겨 있고, 그 위에 지름이 0.5~1.0[mm] 굵기의 절연 구리선으로 된 1차 코일이 200~300회 정도 감겨 있다. 1차 코일과 2차 코일의 권수비는 60~100 정도이며, 코일은 각 층마다 층간 단락을 방지하기 위하여 절연 성능이 좋은 얇은 절연지를 넣고 감았다. 1차 코일의 감기 시작은 1차 (+)단자에, 감기 끝은 1차 (-)단자에 접속되어 있다. 2차 코일의 감기 시작은 1차 코일의 (-)단자에 접속되고, 감기 끝은 철심에서 스프링을 통하여 2차 단자(고압 단자)에 접속되어 있다

폐자로 철심형 점화 코일 :  아래 그림과 같이 폐자로 철심형(閉磁路 鐵心型) 점화 코일에서 1차 코일과 2차 코일은 수지(resin)로 절연되어 일체로 되어 있고, 미소한 틈새(gap)가 있는 폐자로 철심과 조립되어 있다. 기본적인 작용은 개자로 코일과 같으나 구조상 구리의 양이 적고 철의 양이 많기 때문에 1차 코일과 2차 코일 사이의 자기적(磁氣的)인 결합은 개자로 점화 코일보다 좋다. 최근에는 폐자로 철심형 점화 코일이 고성능의 디스트리뷰터 점화 장치에 많이 사용되고 있다.

철심형 점화 코일

저항기 부착 점화 코일 : 그림과 같이 점화 코일의 외부에 1차 코일과 직렬로 저항기를 설치한 것이다. 저항기를 설치함으로써 1차 코일의 권 수를 적게 할 수 있어 1차 코일의 인덕턴스를 작게 하고, 1차 전류의 상승을 좋게 하여 고속시에 2차 전압의 저하를 적게 한 점화 코일이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

3) 배전기(distributor)

배전기는 그림과 같이 점화 코일에서 발생한 2차 고전압의 전류를 점화 순서에 따라 각 실린더의 점화 플러그에 배전(配電)해 주는 배전부, 점화 코일의 1차 전류를 단속하는 단속부, 기관의 회전 속도나 부하에 따라 점화 시기를 조정해 주는 점화 시기 조정부인 진각부, 단속부와 배전부를 구동하는 구동부 등으로 구성되어 있다.

 

 

 

 

배전부 : 배전부는, 그림 Ⅵ-7과 같이 배전기 캡(distributor cap)과 회전자(rotor)로 구성되어 있다. 배전기 캡의 중심에는 점화 코일과 접속되는 고압 케이블의 중심 단자가 있고, 그 주위에는 기관의 실린더 수와 같은 수의 점화 플러그 단자가 있다. 회전자는 배전기 캡의 중심 단자에서 센터 카본을 통해 2차 전압을 받아 회전자 전극의 앞 끝에서 배전기 캡 안의 각 점화 플러그 단자인 세그먼트에 배전하는 일을 한다. 회전자 전극의 앞 끝과 캡 안의 세그먼트는 직접 접촉하지 않고 0.3[mm] 정도의 틈새를 두고 있으며, 전류는 이 틈새 사이를 불꽃으로 흐르게 된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

단속부 : 단속부(contact breaker)는 그림과  같이 캠(cam), 단속기 암(breaker arm), 접점 지지대(point support), 단속기판(breaker plate), 축전기(condenser) 등으로 구성되어 있다. 캠은 단속기 암의 접점을 여닫는 일을 하며, 그림 Ⅵ-9와 같이 사용 기관의 실린더 수와 같은 수의 캠 로브(cam lobe)를 가지고 있다. 캠은 원심추(조속기 추)를 사이에 두고 구동축에 의해 회전하며, 4사이클 기관의 경우 기관 회전 속도의 ½속도로 회전을 한다. 단속기 암은 암 스프링, 러빙 블록(rubbing block), 가동 접점, 부싱으로 구성되어 있다. 단속기 암은 파이버 부싱을 사이에 두고 단속기판의 피벗핀에 설치되어 있으며, 캠에 의해 접점 지지대의 고정 접점에 대하여 여닫는 작동을 한다. 암 스프링은 접점의 접촉 압력을 알맞게 유지시켜 준다. 장력이 약하면 고속 회전에서 단속기 암의 관성이 작용하여 접점이 단락하게 된다. 이 현상을 채터링(chattering)이라 하며, 이 현상이 일어나면 2차 전압이 급격히 저하되어 실화의 원인이 된다. 고정 접점이 있는 접점 지지대는 단속기판에 고정되어 있으며, 고정용 나사 구멍, 접점 틈새를 조정하기 위한 홈이 마련되어 있다. 단속기판은 단속기 암과 접점 지지대를 설치하는 판으로, 원심추 및 진공식 진각 장치와 접속되어 운전 중 회전할 수 있다. 단속기에서 축전기의 역할은 접점이 열릴 때에는 접점 사이의 불꽃을 흡수하여 접점이 소손되는 것을 방지하고, 1차 전류의 차단 시간을 단축하여 2차 전압을 높여 준다. 접점이 닫혔을 때에는 충전한 전하를 방출하여 1차 전류의 회복을 빠르게 한다. 축전기의 용량으로는 일반적으로 0.20~0.25[㎌]의 것이 사용되고 있다.

점화 시기 조정부  : 점화 시기 조정부에는 회전 속도에 따라 점화 시기를 조정하는 원심 진각 장치, 부하에 따라 점화 시기를 조정하는 진공 진각 장치 및 가솔린의 옥탄가에 따라 점화 시기를 조정하는 옥탄 실렉터(octane selector)가 있다.

구동부 : 배전기 구동부는 배전기축과 기어로 구성되어 있으며, 캠축 또는 크랭크축의 회전을 배전기축에 전달하는 부분이다.

캠각 : 단속기 접점이 닫혀 있는 동안에 캠이 회전한 각도를 캠각(cam angle), 또는 드웰각(dwell angle)이라고 한다. 이 캠각의 크기는 점화 시기에 직접 관계되고, 접점 틈새의 크기에 반비례 한다. 따라서 접점 틈새가 크면 캠각은 작아지고 점화 시기는 빠르게 된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.고압 케이블

    고압 케이블(high tension cable)은 점화 코일의 중심부와 배전기 캡의 중심 전극 및 배전기 캡의 측면 전극과 점화 플러그 사이를 연결한다. 고압 코드는 라디오나 텔레비전에 전파 장해를 주지 않기 위하여 그림 Ⅵ-14와 같이 큰 저항(16[㏀/m])을 가지고 있다.

4, 점화 플러그

   점화 플러그(spark plug)는 점화 코일에서 발생된 고전압을 받아 압축된 혼합 가스에 전기적인 불꽃 방전을 일으켜서 착화 연소시키는 역할을 한다. 점화 플러그는 기관이 연소 사이클마다 상온·상압에 가까운 혼합기로부터 약 2000[℃]에 달하는 연소 가스와 약 4[㎫]에 달하는 폭발 압력으로 단시간에 변화하는 가혹한 환경에 노출될 뿐만 아니라 20~30[㎸] 정도의 고전압이 인가되고 기관의 충격에 견딜 수 있는 구조가 요구된다. 이들의 요구를 만족시키기 위해 전기적인 절연성, 내열성, 기밀성, 기계적 강도 등이 필요하다.

1) 점화 플러그의 구조:  점화 플러그의 구조는 그림과 같이 전극(electrode), 절연체(insulator), 하우징(housing) 등으로 구성되어 있다.

 

2) 전극 : 전극은 절연된 중심 전극과 하우징의 끝 부분에 용접된 접지 전극으로 되어 있다. 전극의 재질로는 불꽃 방전에 의한 소모가 적고, 내열성, 내식성이 우수한 니켈-크롬이나 니켈-망간 합금이 일반적으로 사용되며, 백금 합금을 사용한 경우도 있다.

점화 플러그의 불꽃 방전시 강력한 잡음 전파의 발생으로 라디오, 텔레비전 등 무선 기기에 대한 통신 장해를 방지하기 위하여 그림 Ⅵ-17과 같이 중심 전극 중간에 약 5[㏀] 정도의 저항이 들어 있다. 이러한 점화 플러그를 특히 저항 플러그라 한다. 전파 잡음 규제에 따라 현재는 저항 플러그가 주로 사용된다.

3)  절연체 : 절연체는 중심축과 중심 전극을 싸서 고전압을 절연하는 것이며, 점화 플러그의 성능을 좌우하는 중요한 부분이다. 절연체는 절연성이 커야 함은 물론, 전극부에서 받은 열을 잘 발산시키기 위하여 열전도성이 좋고, 내열성이 있으며, 화학적으로 안정되고, 기계적 강도도 커야 한다. 절연체의 재질로는 순도가 높은 알루미나 자기가 많이 사용된다.

4) 하우징 : 하우징은 절연체를 둘러싸고 있는 외곽의 금속 부분으로 위쪽에는 점화 플러그 탈착시 렌치를 끼울 수 있는 6각부가 있으며, 아래쪽은 실린더 헤드에 설치하기 위한 나사부가 있고, 그 아래쪽에는 접지 전극이 용접되어 있다.

5) 점화 플러그의 종류 : 점화 플러그는 엔진의 용도 및 특성에 맞추어 선정되기 때문에 그 종류가 다종다양하며, 크게 분류하면 다음과 같다.

① 치수에 의한 분류치수에 의한 분류는 자동차용의 점화 플러그의 부착 나사 지름과 그 길이(reach)에는 일반적으로 다음 그림에 표시한 종류의 것이 있다.

② 성능 상의 특성 값(열값)에 의한 분류

③ 구조적(발화의 형상, 재질)인 차이에 의한 분류

홈 붙이형 점화 플러그이 형식은 그림에 나타낸 것과 같이 접지 전극 또는 중심 전극에 U 또는 V자형의 홈을 두거나 중심 전극을 가늘게 하는 것에 의해, 소염 작용을 완화하여 화염 핵이 퍼지기 쉽도록 하여 점화 성능을 향상시킨 것이다.

6) 점화 플러그의 열가 : 점화 플러그의 온도는 가해지는 열량과 방열되는 열량에 의해 정해지며 항상 자기 청정 온도 범위 내에서 사용하면 좋다. 가해지는 열량은 기관의 형식, 운전 상태에 따라 다르며, 방열되는 열량은 점화 플러그의 구조에 따라 달라진다. 그러므로 기관에 적합한 점화 플러그를 선택하여 사용해야 한다. 이 방열의 정도를 수치로 나타낸 것을 점화 플러그의 열가라고 한다. 일반적으로 점화 플러그는 방열량이 많은 냉형(cold type)과 방열량이 적은 열형 (hot type)이 있다. 냉형은 조기 점화를 일으키지는 않지만 카본에 오손되기 쉽다. 열형은 반대로 카본에 오손되지 않는다. 냉형과 열형 플러그의 외관상의 차이점은, 그림 Ⅵ-20과 같이 점화 플러그의 수열 면적(B부의 공간 넓이 : 가스 포켓이라 한다.)과 방열 경로(A의 길이 : 사기 아래부의 길이)의 장단이다. 즉, 냉형 플러그는 수열 면적이 작고, 방열 경로가 짧게 되어 있으며, 열형의 플러그는 수열 면적이 크고, 방열 경로가 길게 되어 있다.

7) 점화 플러그의 자기 청정 온도 : 고온 연소 가스에 노출된 점화 플러그의 방열 경로는 중심 전극으로부터 절연체를 통해 실린더 헤드로 전달된다. 만일 점화 플러그 전극부의 온도가 950[℃] 이상이 되면 정상 점화되기 전에 조기 점화(preignition)를 일으켜 기관의 운전 상태가 고르지 않게 되고 출력이 저하하게 된다. 또, 전극부의 온도가 450[℃] 이하이면 부착된 카본을 태울 수 없게 되어 절연이 나빠져서 실화(misfire)를 일으키게 된다. 이와 같이 전극부 자신의 온도에 따라 카본 등에 의한 오손을 청소하는 작용을 자기 청정 작용이라 하고, 그 작용이 완전히 이루어지는 온도를 자기 청정 온도라고 하며, 일반적 으로 450~950[℃]의 범위이다.

점화 플러그 열값

점화 플러그의 방열 관계