01 점화장치의 개요
반도체의 발달로 컴퓨터 점화방식의 HFI(High Energy Ignition, 고강력 점화방식)이나 DLI;Distributor less Ignition, 전자배전 점화방식) 등을 이용한다. 이 방식을은 점화코일의 1차 코일에 흐르는 전류를 파워 트랜지스터의 스위칭 작용으로 단속하여 2차 코일에 높은 전압을 유도시킨다.
02 컴퓨터 제어방식의 점화장치
기관의 작동상태(회전속도*부하 및 온도 등)를 각종 센서로 검출하여 컴퓨터(ECU)에 입력시키면 컴퓨터는 점화시기를 연산하여 1차 전류의 차단 신호를 파워 트랜지스터로 보내어 점화 2차 코일에서 높은 전압을 유기하는 방식이다. 장점은 다음과 같다.
1. 저속*고속 운전영역에서 매우 안정된 점화 불꽃을 얻을 수 있다.
2. 노크가 발생할 때 점화시기를 자동으로 늦추어 노크 발생을 억제한다.
3.기관의 작동상태를 각종 센서로 검출하여 최적의 점화시기로 제어한다.
4. 높은 출력의 점화코일을 사용하므로 완벽한 연소가 가능한다.
5. 내열성이 우수하며, 점화진각 작용은 컴퓨터가 조정한다.
HEI High Energy Ignition : 고강력 점화방식의 구조와 작동
Tip
전자제어 점화장치의 점화시기 제어순서
각종센서 → ECU → 파워 트랜지스터 → 점화코일
점화스위치 IG switch
(1) AM (상시) 전원
AM단자는 축전지의 (+)전원과 연결되어 있으며, 점화스위치의 위치에 따라 전월을 분배하기 위한 상시 전원이다. 즉 점화 스위치의 작동이 없어도 항상 작동되어야 할 비상등, 제동등, 실내등, 경음기, 도어 잠금 릴레이 등의 부하 전원이다.
(2) ACC전원
ACC 전원은 기본적으로 자동차에 사용되는 액세서리 부품의 작동에 필요한 전원을 공급한다. 그 대표적인 예로 라디오, 카세트, 담배 라이터 등을 들 수 있으며, 최근의 자동차에는 다양한 기능의 전장부품(오디오/비디오 장치, 내비게이)이 사용되므로 ACC전원이 증가되고 있다.
(3) IG1 전원
IG2 전원은 기관 컴퓨터, 연료 펌프 릴레이, 점화코일, 등 주로 기관구동에 관계된다. 기관을 시동할 때 대부분의 축전지 전류는 기동전동기를 구동하는데 사용되어야만 원활한 시동이 가능하므로 기동전동기 이외의 전장부품에는 축전지 전류를 소비하지 않는 것이 좋다. 그러나 기관이 시동되기 위해서는 기동전동기를 포함한 최소한의 부품과 또 장치의 특성상 크랭킹 중에도 작동되어야만 하는 부품에 대해서는 크랭킹 중에서도 전원이 공급되어야 하는데 IG1 전원은 이러한 장치들에 대한 작동전원을 공급한다.
(4) IG2 전원
IG2 전원은 계기판, 전조등, 에어컨, 윈드실드 와이퍼, 에탁스(ETACS) 등 주로 자동차 주행에 관계된다. IG2 전원은 점화스위치 ON상태에서는 AM 단자 전원과 연결되지만 크랭크 상태에서는 차단되며, 일반적인 전장부품에 사용된다
(5) ST start 전원
ST 전원은 기관을 크랭킹할때 기동전동기를 작동시키기 위한 것이다
파워 트랜지스터 Power TR
파워 트랜지스터는 컴퓨터로부터 제어신호를 받아 점화코일에 흐르는 1차 전류를 단속하는 역할을 하며, 구조는 컴퓨터에 의해 제어되는 베이스(base), 점화코일 1차 코일의 (-)단자와 연결되는 컬렉터(collector), 그리고 접지도는 이미터(emitter)로 구서왼 NPN형이다. 파워 트랜지스터의 작용은 다음과 같다. 점화스위치를 ON으로 하면 축전지 전압이 점화 1차 코일에 흐른다. 이때 배전기 내의 디스크가 회전함에 따라 크랭크 각 센서의 점화신호가 컴퓨터에서 파워 트랜지스터를 통하여 단락과 접지를 반복한다. 이 점화신호는 파워 트랜지스터를 단속시켜 점화1차 코일에 흐르는 파워 트랜지스터를 통하여 단락과 접지를 반복한다. 그리고 점화시기는 컴퓨터가 연산하며, 파워 트랜지스터 베이스의 전류흐름이 차단되면 점화1차 전류가 차단되며, 이 작동으로 점화코일의 2차 코일에 높은 전압이 유기되며, 이 높은 전압은 배전기 로터에 의해 점화플러그로 보낸다.
몰드형 점화코일 Mould type Ignition Coil
(1) 점화코일의 원리
점화코일의 원리는 자기유도 작용과 상호유도 작용을 이용한 것이다. 그림 6-4는 그 원리를 나타낸 것이며, 철심에 감겨져 있는 2개의 코일에서 입력 쪽을 1차코일, 출력쪽을 2차 코일이라 부른다. 1차 코일은 축전지로부터 낮은 전압의 전류가 공급되어 자화되지만 직류(DC)이므로 유도전압에 의한 전압이 발생하지 못한다. 그러나 파워 트랜지스터로 낮은 전압의 전류를 차단되면 자기유도 작용에 의해 1차 코일에 축전지 전압보다 높은 전압 E1이 발생한다. 1차 코일의 권수, 전류의 크기, 전류의 변화속도 및 철심의 재질에 따라 달라진다. 또 2차 코일에는 상호유도 작용으로 거의 권수 비율에 비례하는 전압 E2가 발생한다.
(2) 점화코일의 구조
점화코일은 몰드형을 철심을 이용하여 자기유도 작용에 의하여 생성되는 자속이 외부로 방출되는 것을 방지하기 위해 철심을 통하여 자속이 흐르도록 하였으며, 1차 코일의 지름을 굵게 하여 저항을 감소시키고 큰 자속이 형성될 수 있도록 하여 높은 전압을 발생시킬 수 있다. 그리고 구조가 간단하고 내열성이 우수하므로 성능저하가 없다
크랭크 각 센서와 상사점 센서의 형식
(1) 옵티컬형 optical type
① 옵티컬형의 구조 : 옵티컬형은 크랭크 각 센서, 제1번 실린더 상사점 센서, 축과 함께 회전하는 디스크, 점화코일에서 유도된 높은 전압을 점화순서에 따라 배분하는 로터(rotor)등으로 구성되어 있다
② 옵티컬형의 작동 : 발광다이오드와 포토다이오드 사이에서 디스크가 회전하면 발광다이오드에서 방출된 빛은 디스크의 슬릿을 통하여 포토다이오드에 전달되거나 차단된다. 이때 포토다이오드가 빛을 받으면 역방향으로 통전이 되며, 이 전류는 비교기(comparator)에 약 5V의 전압이 들어가 검출되며, 그림 6-7의 ②번 단자에서 컴퓨터로 5V가 입력된다. 이 상태에서 디스크가 더 회전하여 포토다이오드로 들어가는 빛이 차단되면 ②번 단자에 인가되는 전압이 0V가 된다. 이 작용을 반복하여 유닛 어셈블리에서 펄스신호로 컴퓨터에 입력시킨다. 4개의 크랭크 각 센서용 슬릿에서 얻어지는 신호는 기관의 회전속도를 연산하는 기준신호이며, 각 실린더의 피스톤이 압축 상사점의 정위치에 있는지를 검출하여 제1번 실린더 상사점 센서용 슬릿에서 얻어지는 신호에 의해 제1번 실린더에 대한 기초신호를 식별하여 컴퓨터가 연료 분사순서를 결정하는 데 사용한다.
(2) 인덕션 방식 Induction type
인덕션 방식은 톤 휠(ton wheel)과 영구자석을 이용하는 것이다. 이 방식은 제1번 실린더 상사점 센서 및 크랭크 각 센서의 톤활을 크랭크축 폴리 뒤에 설치하고 크랭크축이 회전하면 기관 회전속도 및 제1번 실린더 상사점의 위치를 검출하여 컴퓨터로 입력시키면 컴퓨터는 제1번 실린더에 대한 기초신호를 식별하여 연료 분사순서를 결정한다.
(3) 홀센서 방식 Hall sensor type
홀센서 방식은 홀효과에 의해 발생된 전압변동이 컴퓨터로 입력되고 컴퓨터는 이 펄스신호를 아날로그/디지털(A/D)변환기에 의해 디지털 파형으로 변화시켜 크랭크 각을 검출한다. 홀센서는 홀 소자인 게르마늄(Ge), 칼륨(K), 비소(As) 등을 사용하여 얇은 판 모양으로 만든 반도체소자이다.
고압케이블 high tension cord
고압케이블은 점화코일의 2차 단자와 점화플러그를 연결하는 절연전선이다. 고압케이블의 한쪽 끝은 황동제의 태그(tag)를 통하여 점화플러그 단자에 끼워지고 다른 한 쪽은 점화코일의 2차 단자에 끼워진 후 수분이 들어가지 못하도록 고무제의 캡이 씌워져 있다
점화플러그 Spark Plug
실린더 헤드의 연소실에 설치되어 점화코일의 2차 코일에서 발생한 높은 전압에 의해 중심전극과 접지전극 사이에서 전기 불꽃을 발생시켜 실린더 내의 혼합기에 점화하는 일을 한다.
(1) 점화플러그의 구조 : 전극부분(electrode), 절연체(insulator) 및 셀(shall)의 3주요부분으로 되어 있다.
① 전극부분 : 전극부분은 중심전극과 접지전극으로 구성되어 있으며, 점화코일에서 유도된 높은 전압이 중심축을 통하여 중심전극에 도달하면 바깥쪽의 접지전극과의 간극에서 불꽃이 발생한다. 이들 사이에 0.7~1.1mm의 간극이 있다
② 절연체 : 절연체는 중심축 및 중심전극을 둘러싸서 높은 전압의 누전을 방지하는 것이다
③ 셀(shall) : 셀은 절연체를 에워싸고 있는 금속부분이며, 실린더 헤드에 설치하기 위한 나사부분이 있고, 나사의 끝 부분에 접지전극이 용접되어 있다
(2) 점화플러그의 구비조건
① 내열성능이 클 것
② 기계적 강도가 클 것
③ 내부식성이 클 것
④ 기밀유지 성능이 양호할 것
⑤ 자기청정 온도를 유지할 것
⑥ 전기적 절연성능이 양호할 것
⑦ 강력한 불꽃이 발생할 것
⑧ 점화성능이 좋을 것
⑨ 열전도 성능이 클 것
(3) 점화플러그의 자기청정 온도와 열값
점화플러그 전극부분의 작동온도가 400℃이하로 되면 연소에서 생성되는 카본이 부착되어 절연성능을 저하시켜 불꽃 방전이 약해져 실화를 일으키게 되며, 전극부분의 온도가 800~950℃이상 되면 조기점화를 일으켜 기관의 출력이 저하된다. 이에 따라 기관이 작동되는 동안 전극부분의 온도는 500~600℃를 유지하여야 한다. 점화 플러그의 자기청정 온도(self cleaning temperature)라 한다
DLI Distributor less Ignition : 전자배전 점화장치
DLI의 개요 : 트랜지스터 점화방식을 포함한 모든 점화방식에서는 1개의 점화코일에 의하여 높은 전압을 유도시켜 배전기 축에 설치한 로터와 고압케이블을 통하여 점화플러그로 공급한다. 그러나 이 높은 전압을 기계적으로 배분하기 때문에 전압강하와 누전이 발생한다. 또 배전기의 로터와 캡의 세그먼트 사이의 에어 갭(air gap: 0.3~0.4mm정도)을 뛰어 넘어야 하므로 에너지 손실이 발생하고 전파 잡음의 원이이 되기도 한다. 이와 같은 결점을 보완한 점화방식이 DLI이다
DLI의 종류와 장점
(1) DLI의 종류 : DLI를 전자제어 방법에 따라 분류하면 점화코일 분배방식과 다이오드 분배방식이 있다. 점화콩일 분배방식은 높은 전압을 점화코일에서 점화플러그로 직접 배전하는 방식이며, 그 종류에는 동시점화 방식과 독립점화 방식이 있다. 동시점화 방식이란 1개의 점화코일로 2개의 실린더에 동시에 배분해 주는 방식이다. 즉 제1번과 제4번 실린더를 동시에 점화시킬 경우 제1번 실린더가 압축 상사점인 경우에는 점화되고, 제4번 실린더는 배기 중이므로 무효방전이ㅣ 되도록 한 것이다. 또 독립점화 방식이란 각 실린더마다 1개의 점화코일과 1개의 점화플러그가 연결되어 직접 점화시키는 방식이다.
(2) DLI의 장점
① 배전기가 없으므로 이 부분에서의 누전이 없다
② 배전기의 로터와 캡 사이의 높은 전압의 에너지 손실이 없다
③ 배전기 캡에서 발생하는 전파 잡음이 없다
④ 점화진각 폭에 제한이 없다
⑤ 높은 전압의 출력이 감소되어도 방전 유효에너지 감소가 없다
⑥ 내구성이 크다
⑦ 전파 방해가 없어 다른 전자 제어장치에도 유리하다
DLI의 구성부품과 그 작동
(1) 점화코일과 파워 트랜지스터 : 점화코일은 2개의 몰드형을 1개로 결합하여 실린더 해드에 부착하였으며, 점화코일의 1차 전류제어는 파워 트랜지스터로 하며, 이 파워 트랜지스터는 컴퓨터의 신호에 의해 단속 작용을 한다
(2) 크랭크 각 센서 CAS : Crank Shift Angle Sensor - 크랭크 각 센서는 상사점 센서와 함께 센서의 본체에 내장되어 있으며, 실린더 헤드의 캠축으로 구동된다. 이 센서의 본체에는 유닛 어셈블리와 디스크로 구성되어 있다
DLI의 점화시기 제어
DLI의 점화시기 제어는 기관의 작동상태를 검출하는 각종 센서로부터의 신호를 받은 컴퓨터는 컴퓨터 자체에 미리 설정된 데이터(data)와 비교한 후 최적의 점화진각 값을 연산하여 2개의 파워 트랜지스터로 보내준다. 파워 트랜지스터의 스위칭 작용에 따라 2개의 점화코일에 흐르는 1차 전류가 단속되며, 2차 코일에 유도된 높은 전압은 1(04)-3(2)-4(1)-2(3)점화 순서 순으로 배분되어 동시에 점화하게 된다.
(1) 점화배전 제어 : 컴퓨터는 제1번 실린더가 압축행정임을 판단하여 파워 트랜지스터 A에 흐르는 전류를 차단시켜 제1번 실린더와 제4번 실린더로 높은 전압을 보낸다. 또 크랭크 각 센서의 High신호가 입력되고, 상사점 센서의 Low(논리 0)신호가 입력되면 제3번 실린더가 압축행정(이때 제2번 실린더는 배기행정)임을 판단하여 파워트랜지스터 B의 전류를 차단시켜 제3번 실린더와 제2번 실린더로 높은 전압을 보낸다
(2) 점화시기 제어 : 기관 컴퓨터에 기억된 점화시기 데이터는 일반적으로 운전조건에 따라 시동할 때 공전운전, 주행할 때 등으로 구분되며, 실제점화 시기는 초기 점화시기에 각종 보정요소가 추가되어 결정된다
점화시기 = 초기 점화시기 + 기본점화 진각도 + 보정 진각도
(3) 점화진각 제어 : 컴퓨터에는 1실린더 1사이클 당의 흡입공기량과 기관 회전속도에 대응한 최적의 기본 점화진각 값이 기억되어 있으며, 각 센서에서의 입력신호에 따라서 이 기본 점화진각 값은 추가로 보정이 이루어진다. 또 기관을 시동할 때 및 점화시기 제어에는 이미 설정해 놓은 점화시기로 고정된다
(4) 통전시간 제어 : 기관을 저속 운전영역으로 작동시킬 때에는 1차 전류 통전시간이 충분하지만, 고속 운전영역(약 6,000rpm)에서는 저속 운전영역 작동에 비하여 약 60%정도의 전류가 저하되기 때문에 고속 운전영역에서는 안정된 2차 전압을 얻기 위해 트랜지스터의 통전시간을 제어해야 한다.
