1. 포인트식 점화
스파크 플러그에 불꽃을 튀겨, 연소실 내에서 압축된 혼합기에 불을 붙이는 장치가 점화 시스템이다.
밧데리의 12V 전압으로도 플러스와 마이너스가 접촉하면 불꽃이 나오지만, 이 불꽃은 혼합기의 착화에는 지나치게 약하므로, 전압을 1만∼3만V까지로 높여서 스파크한다. 점화 시스템은, 전압을 높일 목적의 장치, 점화 타이밍을 배분하는 장치와 스파크 플러그로 성립되고 있다.
전압을 높이기 위해서는 이그니션 코일의 전자 유도가 이용된다. 이그니션 코일은 철의 봉 (철심) 주변에 머리카락 정도의 가는 동선을 2만∼3만회 말아 붙인 2차 코일과, 그 위에 포개어 0.5∼1mm 정도의 동선을 같은 방향으로 150∼300회 말아 붙인 1차 코일로 되어 있다. 1차 코일에 흐르는 전류를 흘린다든지 끊는다든지 하면 철심이 전자석으로 되어, 전자 유도에 의해 전류를 끊은 순간에 2차 코일로 고전압의 전류가 흐른다.
1차 코일에 흐르는 전류를 단속하는 장치는 디스트리뷰터 가운데에 있고, 한 가운데에 실린더의 수와 같은 산을 가진 캠이 있어, 이 캠이 회전하여 암을 누르면, 암의 앞에 붙은 포인트가 열려 1차 코일의 전류를 끊는 식으로 되어 있다 (컨택트 브레이커). 이 장치에 포갠 식으로 2차 코일의 고압 전류를 각 플러그에 배분하는 장치를 실은 구조로 되어 있는 것이 디스트리뷰터이다.
컨택트 브레이커의 캠에는 엔진 회전수가 높아졌을 때에, 점화 시기를 빠르게 하는 진각 장치가 취부되어 있어, 고압의 전류가 타이밍 좋게 스파크 플러그에 보내지도록 되어 있다. 캠은 플러그의 점화 시기에 맞도록 엔진 회전 속도의 1/2로 회전하지 않으면 안되므로, 같은 회전 속도의 캠 샤프트 끝에 붙어 있는 것이 보통이다. 진각 장치에 대해서는 『점화시기』항에 자세히 설명하고 있다.
이렇게 하여 이그니션 코일에 발생한 고전압의 전류는 하이텐션 코드에 의해 각 실린더의 스파크 플러그에 보내진다.
이상에서 서술한 점화 시스템은 접점식 또는 포인트식 점화 장치로 불리우고, 이 장치의 컨택트 브레이커의 구동을 트랜지스터로 한 것이 풀 트랜지스터 식 점화 장치이고, 시스템을 더욱 더 진화시켜, 디스트리뷰터의 구동을 컴퓨터를 사용하여 행하도록 한 것이 디스트리뷰터 리스 점화 장치이다.
2. 풀 트랜지스터식 점화
포인트식 점화 장치는 캠에 의해 포인트를 열어, 1차 코일에 흐르는 전류가 끊어진 순간에 2차 코일에 고전압이 생긴다. 우리가 잘 경험하는 것이지만, 전압 스위치를 끊었을 때 접점에 작은 불꽃이 나오는 것이 있다. 이것은 운동하고 있는 물체의 구동 관성과 같아서, 전기에도 흐름을 계속하도록 하는 성질이 있기 때문으로, 회로에 콘덴서를 넣어 일시적으로 전기를 축적시켜 이 불꽃을 방지한다.
그렇게 하여도 긴 순간에는 포인트의 접촉면이 탄다든지, 고속 회전일 때 잘 작동하지 않는 등의 트러블이 일어나기 쉽다. 그래서 1차 코일의 전류를 단속하기 위해 기계식 포인트 대신에 트랜지스터를 사용하는 장치가 개발되었다.
트랜지스터에는 여러 가지 타입이 있어 사용하는 방법도 여러 가지이지만, 스위치로서 이용하는 경우로는 NPN형이 사용된다. 이것은 P형 반도체의 양측을 N형 반도체를 베이스, P형 반도체의 한쪽을 컬렉터, 다른 쪽을 에미터로 부르고 있다.
NPN형 트랜지스터의 컬렉터와 에미터 사이에는 통상, 전류는 흐르지 않는다. 그렇지만 베이스와 에미터 사이에 약간이라도 전류(베이스 전류)가 흐르면, 찰나에 컬렉터와 에미터 사이에 큰 전류가 흐른다고 하는 성질이 있어, 이 성질을 스위치로서 사용하는 것이다.
요컨대, 디스트리뷰어의 캠과 포인트 대신에, 점화 신호 발생 기구 (시그널 제너레이터)를 설치하여 점화 타이밍을 감지하고, 전기 신호를 이그나이터 라고 하는 트랜지스터를 내장한 장치로 보낸다. 그렇게 하면 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이에 시그널 제너레이터에서 발생한 베이스 전류가 흘러, 그 결과 컬렉터와 에미터 사이에 큰 전류가 흐른다. 이 전류에 의한 1차 코일의 전류 단속을 이용하여 2차 코일에 고전압의 전류를 얻는다는 뜻이다.
시그널 제너레이터 라고 하는 것은, 실린더 수만으로 돌기를 가진 시그널 로터와, 영구 자석, 자기의 변화를 감지하는 픽 업 코일로 구성되어 있다. 시그널 로터가 엔진 회전 속도의 1/2로 회전하여, 점화 시기에 맞춰 돌기가 픽 업 코일 근처를 통과하면, 영구 자석에 의해 만들어져 있는 자기의 세기가 변화하여 코일에 전류가 흐른다. 이 전류를 증폭시켜 트랜지스터의 베이스 전류로서 증폭시켜 트랜지스터의 베이스 전류로서 사용한다는 뜻이다. 이렇게 하여 컨택트 브레이커의 포인트에 기인하는 트러블이 해소되고 있는 것이다.
3. 디스트리뷰터리스 점화
풀 트랜지스터 식 점화 시스템은, 포인트 식 점화 시스템의 접점을 사용한 1차 전류의 단속을, 시그널 제너레이터와 트랜지스터로 행하고, 진각과 고전압의 2차 전류의 분배는 같은 구성의 장치를 사용하고 있다. 이 진각 장치와 2차 전류의 분배 장치를 사용하지 않고, 점화 시기를 감지하는 센서에 의해 얻어진 전기 신호를 컴퓨터로 보내어 진각을 행하고, 이그니션 코일을 스파크 플러그의 바로 옆에 위치시키고 고전압의 2차 전류를 발생시켜 점화하는 시스템이 디스트리뷰터리스 점화 시스템이다.
이 디스트리뷰터리스 점화 시스템, 略해서 DLI라고 하는 것은 TOYOTA가 부르는 방법으로, 같은 식의 점화 시스템을 NISSAN에서는 NDIS(니산·다이렉트·이그니션·시스템), MAZDA에서는 ESA(일렉트로닉·스파크·어드밴스)로 부르고 있고, 실제의 장치는 조금 다르게 되어 있지만 그 구성은 거의 동일하다.
이 점화 장치의 특징은, 이그니션 코일-디스트리뷰터-스파크 플러그를 연결한 하이텐션 코드이지만, 스파크 플러그와 바로 옆에 있는 코일을 연결할 뿐인 짧은 것으로 된다든가, 경우에 따라서는 없게 된다든지, 고압의 전류에 의해 일어나기 쉬운 전파 장해와 코드의 전기 저항에 따른 점화 미스 등 전기에 의한 트러블이 적게 되는 것이다. 또 기계적인 진각 장치가 전자식으로 됨에 따라, 점화 장치가 보다 컴팩트하게 된다고 하는 이점이 있다.
점화 시기를 구할 목적의 센서는 크랭크각 센서 또는 캠 포지션 센서로 불리우고, 캠 샤프트로 구동되는 타이밍 로터와 전자적으로 로터의 위치를 검출하는 픽 업을 조합시키는 방식 및, 같은 캠 샤프트로 구동되는 로터-블레이드에 발광 다이오드를 취부하고, 수광 다이오드로 점화 시기를 구하는 방식 등이 있다.
또 점화 방식으로서는, 실린더마다 이그니션 코일을 설치, 엔진을 컨트롤하는 컴퓨터에 의해 점화 순서로 하게 됨에 따라 점화하여 가는 독립 점화 방식과, 2기통씩의 점화를 1개의 이그니션 코일로 행하고, 압축 행정과 배기 행정의 기통이 상대적으로 되도록 하여 점화하는 동시 점화 방식이 있다. 동시 점화의 경우, 압축 행정에서 튀는 불꽃은 물론 유효하게 작동하지만, 배기 행정에서 튀는 불꽃은 무의미하게 된다. 그러나, 여기에 사용되는 트랜지스터 및 코일은 반분으로 끝나므로, 장치가 복잡하게 되는 것에 의한 코스트 업을 조금이라도 억누르는 것이 된다.
4. 스파크 플러그
스파크 플러그는, 이그니션 코일에서 발생한 고압의 전류에 의한 불꽃 방전에 따라, 압축된 혼합기에 점화하는 작동을 한다. 외기온에 가까운 혼합기에 접촉한 다음 순간에 2000℃ 이상의 연소 가스에 맞추어, 2만V 이상의 고전압이 걸려 강한 불꽃을 튀기는 것이 요구되기 때문에, 엔진 가운데에서 최고로 가혹한 조건에 노출되어 있는 부품이라고 하는 것이 가능할 것이다.
많은 엔진에 공용되고 있고, 세계에서 어디라도 교환 부품으로서 손에 넣도록 국제 규격으로 표준화되고 있지만, 치수, 구조, 성능 특성 (특히 열가) 등에 따라 많은 종류가 있다. 알파벳과 숫자를 조합한 번호에 의해 구별되고 있지만 메이커에 따라 틀리고, 교환할 때에 그 엔진에 지정된 것을 사용할 필요가 있다. 대략적으로는 취부 나사의 사이즈에 따라 14mm, 12mm, 10mm로 나뉘어지고, 14mm가 일반적이다. 컴팩트한 연소실로 하기 위해서는 작은 쪽이 바람직하지만, 작게 되면 그만큼 열 영향을 크게 받는 것으로 된다. 스파크 플러그를 잘 사용하기 위해서는 온도 문제를 잘 알아 두는 것이 중요하다.
스파크 플러그는 엔진의 운전중, 항상 온도가 변화하고 있지만, 그 온도에 최고로 큰 영향을 미치는 것은 단위 시간당에 연소하는 혼합기량이다. 엔진 회전이 올라 단시간에 많은 혼합기를 연소시키면, 그만큼 플러그의 온도는 높게 된다. 이때, 같은 운전 상태로도, 플러그의 열가에 따라 온도가 다르게 된다.
열가라고 하는 것은 스파크 플러그가 연소실에서 받은 열을 놓아주는 정도의 것으로, 열을 잘 놓아주는 플러그인만큼 열가가 높다고 말하고, 레이스와 같이 엔진을 고회전으로 연속 운전할 때에는 플러그의 온도 상승이 어렵도록, 말하자면 냉형의 플러그를 사용할 필요가 있다. 역으로 엔진 회전을 올리지 않고 사용하는 것이 많은 경우에는, 플러그가 차가워지기 어려운 열가가 낮은 열형의 플러그를 사용하는 것이 바람직하다.
열가는 플러그에 숫자로 표시되고 있지만, 메이커에 따라 다르므로, 그 엔진에 표준적으로 사용되고 있는 플러그를 기준으로 하여 선택한다. 엔진의 특성 및 사용 조건에 맞지 않는 플러그를 사용한 경우, 예를 들면 항상 낮은 온도 상태에서 사용되면 플러그의 선단에 카본이 모여서 점화하기 어렵도록 되는 것이 있기도 하고, 역으로 온도가 지나치게 오르면 전극에 불꽃이 튀기 전에 압축된 혼합기에 자연 착화하는 프리 이그니션 등의 트러블을 일으키는 것이 있다.