1. 컴퓨터 제어방식 점화장치

기관의 회전속도, 부하상태, 기관의 온도 등을 검출하여 컴퓨터(ECU)에 입력시키면 컴퓨터는 점화시기를 연산하여 1차 전류를 차단 신호를 파워 트랜지스터(power TR)로 보내어 점화코일에서 2차 전압을 발생시키는 방식이다. 여기에는 HEI와 DLI가 있으며 다음과 같은 장점이 있다.

① 저·고속에서 접점이 없어 매우 안정된 불꽃을 얻을 수 있다.

② 노크 발생시 점화시기를 늦추어(지각시켜) 노크 발생을 억제시킨다.

③ 기관 상태를 감지하여 최적의 점화시기를 자동적으로 제어한다.

④ 높은 출력의 점화코일을 사용하므로 완벽한 연소가 가능하다.

크랭크각 센서 → 컴퓨터 → 파워 트랜지스터 → 점화코일

1.1. HEI(high energy ignition ; 고강력 점화방식)

 HEI의 구성도

(1) 점화코일

점화 플러그에서 높은 전압을 발생시키는 승압 변압기로 자기유도작용과 상호유도작용을 이용하며, 철심과 1차코일 및 2차코일 등으로 구성되었다. 1차 코일은 지름이 0.5∼1.0㎜인 구리선이 150∼500회, 2차 코일은 0.05∼0.1㎜의 구리선이 철심의 각 층마다 절연지를 넣고 15,000∼20,000회 정도 감겨 있으며 1차 코일과 2차 코일의 감긴 비율은 60∼100 : 1 정도이다. 점화코일은 개자로형과 폐자로형으로 나누며 그 장·단점은 다음과 같다.

점화코일의 원리 이해

전압 발생의 원리

① 자기 유도작용 ： 코일에 흐르는 전류를 단속하면, 코일에 유도 전압이 발생되는 작용이다.

② 상호 유도작용 ： 하나의 전기회로에 자력선의 변화가 생겼을 때 그 변화를 방해하려고 다른 전기회로에 기전력이 발생되는 작용이다.

1) 개자로형 점화 코일

자동차용 점화코일은 개자로형이 주류를 이루어 사용되어 왔다. 구조는 원통형의 철이나 알루미늄 등의 금속 안에 컴파운드 또는 오일을 넣어 만들었다. 코일의 중심부 철심은 자력선의 손실과 열 발생을 감소시키기 위해 얇은 규소 강판을 겹치거나 말아서 만들었고, 이 철심봉에 2차 코일과 1차 코일이 감겨져 있다. 개자로형 점화 코일은 1차 코일의 전류에 의해서 발생하는 자속이 철심의 중심을 통한 후 공기 중으로 통하기 때문에 자속의 손실이 많으므로 2차 전류의 손실이 커진다. 따라서 코일의 자속 경로가 대기 중으로 열렸다고 하여 개자로형이라고 한다. 개자로형의 1차 코일은 0.5~1mm의 동선이 200~300회 정도 감겨 있고, 2차코일은 0.05~0.1mm 정도의 동선으로 약 20,000~30,000회 정도 감겨 있다.

또한 1차 코일의 방열을 잘 시키고 발생한 자속을 가능한 많이 2차 코일의 중간을 통과시키기 위해 2차코일 바깥쪽에 1차 코일을 감아 놓았다. 1차코일과 2차코일은 같은 방향으로 감겨 있고, 2차 코일의 권선 시작은 2차 단자(고압단자)에 접속되고, 2차코일 권선 끝은 1차 코일의 권선 시작(+측 단자)과 연결되어 있다.

개자로형 점화 코일

2) 폐자로형 점화코일

개자로형 점화코일보다 더 강력한 2차 전압을 유도하기 위한 것이 폐자로형 점화코일이다. 개자로형 점화코일에서는 보통 20,000~25,000V의 고전압을 얻는데 비하여 폐자로형 점화코일에서는 30,000V 이상의 고전압을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 구조상으로 권선하기가 어렵고 가격이 비싼 결점도 있다. 1차 코일에서의 자기유도 작용과 2차 코일에서의 상호유도 작용을 이용한다. HEI에서 사용하는 점화코일은 폐자로형(몰드형) 철심을 사용하여 자기유도 작용에 의해 생성되는 자속이 외부로 방출되는 것을 방지하기 위해 철심을 통하여 자속이 흐르도록 한다.

기존의 점화코일 보다 1차 코일의 저항을 감소시키고, 1차 코일을 굵게 하여 더욱 큰 자속을 형성시킬 수 있어 2차 전압을 향상시킬 수 있다. 또 구조가 간단하고, 내열성능, 냉각성능이 우수하여 성능 저하가 일어나지 않는다.

폐자로형 점화코일구조 

폐자로형 점화코일 작동원리

(2) 파워 트랜지스터

파워 트랜지스터는 컴퓨터에서 신호를 받아 점화코일의 1차 전류를 단속하는 작용을 한다. 구조는 컴퓨터에 의해 제어되는 베이스, 점화코일과 접속되는 컬렉터, 그리고 접지되는 이미터 단자로 구성된 NPN형이다.

파워 트랜지스터

(3) 배전기 어셈블리

1) 옵티컬 형식(optical type)

배전기는 크랭크 각 센서, 제1번 실린더 상사점 센서, 배전기 축과 함께 회전하는 디스크, 점화코일에서 유도된 고전압을 점화순서에 따라 배분하는 로터(rotor) 등으로 구성되어있으며, 유닛 어셈블리에는 디스크를 설치한 2종류의 슬릿(slit)을 검출하기 위한 발광 다이오드와 포토 다이오드가 2개씩 들어있어 펄스 신호로 컴퓨터에 입력시키고 디스크에는 금속제 원판으로 주위에는 90° 간격으로 4개의 빛 통과용 크랭크 각 센서용 슬릿과 안쪽에 1개의 제1번 실린더 상사점 센서용 슬릿이 있다.

4 실린더 배전기의 구조

2) 인덕션 방식(Induction type)

인덕션 방식은 톤 휠(ton wheel)과 영구자석을 이용하는 것이다. 이 방식은 제1번 실린더 상사점센서 및 크랭크 각 센서의 톤휠을 크랭크축 풀리 뒤 또는 플라이 휠에 설치하고 크랭크축이 회전하면 기관 회전속도 및 제1번 실린더 상사점의 위치를 검출하여 컴퓨터로 입력시키면 컴퓨터는 제1번 실린더에 대한 기초 신호를 식별하여 분사 순서를 결정한다.

제1번 실린더 및 크랭크 각 센서의 구조는 영구자석 주위에 코일을 감아 톤휠이 회전하면 에어 갭(air gap)의 변화에 따라서 유도된 펄스 신호를 컴퓨터로 입력시키면 제1번 실린더 상사점과 기관의 회전속도를 감지한다.

3) 홀센서 방식(hall sensor type)

홀 센서를 배전기에 설치하고 홀 효과에 의해 발생된 전압 변동이 컴퓨터로 입력되고 컴퓨터는 이 펄스를 아날로그/디지털(A/D)변환기에 의해 디지털 파형으로 변화시켜 크랭크 각을 검출한다.

(4) 고압 케이블(high tension cord)

고압 케이블은 점화코일의 중심단자와 배전기 캡 중심단자, 배전기 캡의 점화플러그 단자와 점화 플러그를 연결하는 절연 전선이며, 현재는 점화회로에서 발생하는 고주파를 방지하기 위하여 10KΩ 정도의 저항이 들어 있는 TVRS케이블을 사용한다.

(5) 점화 플러그(spark plug)

점화 플러그는 점화코일에서 유도된 고전압을 불꽃방전을 일으켜 압축된 혼합가스에 점화시키는 것이며, 전극, 절연체, 셀로 구성되어 있다.

점화 플러그의 구조

 전극은 중심 전극과 접지 전극으로 구성되어 있으며 이들 사이에는 0.7~1.1mm 간극이 있으며 간극조정은 접지전극으로 구부려서 조정한다. 절연체는 자기(瓷器)이며, 위 부분에는 고전압의 플래시 오버(flash over)를 방지하는 리브(rib)가 있다.

1) 자기 청정 온도

자기 청정 온도란 기관이 작동되는 동안 점화플러그 전극부분의 온도가 450~600℃ 정도를 유지하도록 하는 온도이며, 전극 분의 온도가 400℃ 이하이면 오손(카본 부착)되고, 800℃ 이상 되면 조기 점화의 원인이 된다.

2) 열 값

점화 플러그의 열 방산능력을 나타내는 값이며, 절연체 아랫부분의 끝에서부터 아래 실(low seal)까지의 길이에 따라 결정된다. 길이가 짧고 열방산이 잘 되는 형식을 냉형(cold type), 길이가 길고 열방산이 늦은 형식을 열형(hot type)이라 한다. 냉형은 고압축비, 고속 회전에서 사용된다.

◎ 점화플러그 시험

① 절연 시험② 불꽃 시험③ 기밀 시험

◎ 점화 플러그 기호

1.2. DLI(distributor less Ignition ; 전자 배전 점화방식)

트랜지스터 형식 및 HEI 등에서는 1개의 점화코일에 의해 높은 전압을 발생시켜 배전기와 고압 케이블을 거쳐 점화플러그로 공급한다. 이 과정에서 기계력으로 배전을 하므로 전압 강하가 발생한다. 또, 배전기 내의 로터와 배전기 캡 전극사이의 에어 갭(air gab)을 뛰어 넘어야 하므로 에너지 손실이 발생하고 전파 잡음의 원인이 되기도 한다. 이와 같은 배전기 점화방식의 높은 전압 배전 중에 일어나는 단점을 보완한 점화방식이다.

DLI의 구성부품

DLI는 전자제어방식에 따라 점화코일 분배방식과 다이오드 분배방식이 있으며, 점화코일 분배방식에는 1개의 점화코일로 2개의 실린더에 동시에 높은 전압을 분배하는 동시 점화방식과 각 실린더마다 1개의 점화코일과 1개의 점화 플러그가 결합되어 직접 점화시키는 독립 점화방식이 있으나 주로 동시 점화방식을 사용한다. DLI의 장점은 다음과 같다.

① 배전기에서 누전이 없다.

② 로터와 배전기 캡 전극 사이의 높은 전압의 에너지 손실이 없다.

③ 배전기 캡에서 발생하는 전파 잡음이 없다.

④ 점화 진각 폭의 제한이 없다.

⑤ 높은 전압의 출력을 감소시켜도 방전 유효에너지 감소가 없다

⑥ 내구성이 크고, 전파 방해가 없어 다른 전자제어 장치에도 유리하다.

DLI 점화코일