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점화시기 [ ignition timing ]

 

점화시기는 기관이 최대출력을 발휘하면서도 유해배출물과 연료소비율은 낮게, 그리고 노크가 발생되지 않도록 설정, 제어되어야 한다. 점화시기는 TDC를 기준으로 크랭크각으로 표시하며, 기관의 부하와 회전속도에 관계없이 연소최고압력이 항상 상사점 후(ATDC) 약 10°~20°에서 형성되도록 결정된다.

 

일반적으로 점화불꽃이 발생하여 혼합기(이론 공연비 상태의)가 연소하여 최대압력에 도달하기까지는 약 1~2ms의 시간이 소요되는 것으로 알려져 있다. 이 때 피스톤도 상사점을 향하여 이동하고 있으므로, 상사점 직후에 연소최고압력에 도달하기 위해서라면, 점화시기는 반드시 상사점 전(BTDC)이어야 한다. 혼합비와 충진률이 일정할 때 혼합기의 완전연소에 소요되는 시간은 기관의 회전속도에 관계없이 일정하므로, 기관의 회전속도가 증가함에 따라 점화시기를 진각시켜야 한다. 부하측면에서 보면, 부하수준이 낮거나, 잔류가스의 양이 많거나, 충진률이 낮을 경우에는 혼합기가 희박해진다. 혼합기가 희박하면 점화지연기간이 길어지고 연소율이 낮아지므로 점화시기를 진각시킬 필요가 있다.

 

기관의 회전속도와 부하 외에도 기관의 온도, 연료의 품질, 연소실 형상 그리고 현재의 작동상태(시동, 공전, 부분부하 등)도 점화시기에 직접적인 영향을 미친다.

 

(1) 점화시기와 유해배출물점화시기가 배출가스 성분구성에 미치는 영향은 직접적이다. 단순하게 점화시기만을 진각시켰을 경우, 미연 탄화수소(unburned HC)와 질소산화물(NOx)은 점화시기의 진각에 비례하여 거의 모든 공기비 영역(약 1.2 정도까지)에서 증가하는 것으로 보고되고 있다. 일산화탄소(CO)의 발생량은 점화시기와는 거의 무관하며, 공기비가 결정적인 요소로 알려져 있다.

 

그러나 다수의 요소들, 예를 들면 연료소비율과 구동능력과 같이 상반되는 요소들도 점화시기에 영향을 미치는 중요한 요소들이다. 따라서 항상 유해배출물 수준을 낮게 유지하는 점화시기만을 선택할 수는 없다.

 

(2) 점화시기와 연료소비율연료소비율에 대한 점화시기의 영향은 배출가스에 대한 영향과 일치하지 않는다. 공기비(λ)가 증가함에 따라 낮은 연소율을 보상하고, 최적 연소과정을 유지하기 위해서는 점화시기를 진각시켜야 한다. λ≈1 이상에서는 점화시기를 진각시키면, 연료소비율이 낮아지고 토크가 증가하게 된다. 일반적으로 점화시기가 늦으면, 연료소비율은 상승한다.

 

(3) 점화시기와 노크 경향성점화시기와 노크 경향성의 상관관계는 규정 점화시기에 비해 점화시기를 아주 늦게, 또는 아주 빠르게 하고 실린더내의 압력변동을 비교하면 쉽게 알 수 있다.

 

 

 [그림 5-1] 점화시기와 실린더내의 압력변동

 

1. 점화시기(Za) 정확

2. 점화시기(Zb) 너무 빠름

3. 점화시기(Zc) 너무 늦음

 

점화시기가 너무 빠르면 점화 압력파 때문에 혼합기는 정상 화염면(flame front)이 도달되기 전에 점화된다. → 조기 점화(pre-ignition). 이렇게 되면 연소가 비정상적으로 진행되면서 최대압력이 상승하고 동시에 격렬한 압력변동을 수반하게 된다. 격렬한 압력변동에 의해 피스톤이 실린더벽을 타격하게 되면 금속성 타격음, 즉 노크(knock)가 발생한다.

 

기관의 회전속도가 낮을 경우엔 노크 소리를 선명하게 들을 수 있으나, 높을 경우에는 기관소음 때문에 노크가 희미해진다. 그러나 이 정도의 노크도 기관에 손상을 주게 된다. 따라서 연료와 점화시기를 적절히 조화시켜 노크가 발생되지 않도록 하여야 한다.

 

점화시기가 너무 늦으면, 연료/공기 혼합기가 연소되기 전에 피스톤이 하사점 방향으로 많이 내려가게 된다. 그렇게 되면 연소실체적이 확대되므로, 피스톤에 작용하는 압력이 낮아지고, 결국 피스톤을 내려 미는 힘도 약화된다. 그러므로 피스톤은 아주 잠깐 그리고 아주 약하게 하사점 방향으로 가속될 뿐이다. 결과적으로 출력의 손실, 연료소비의 증가, 유해배출물의 증가 그리고 기관의 열부하 상승이라는 부정적인 결과가 나타나게 된다

 

 

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점화시기(Ignition Timing)는 압축된 혼합기에 언제 점화시키는가 즉, 스파크 플러그(Spark Plug)에서 전기 불꽃을 발생시키는 타이밍(Timing)을 말한다. 상식적으로 생각하면 혼합기가 압축되고 피스톤이 상사점에 도달한 순간에 점화하는 것이 좋을 것이라고 생각되지만 점화시기(點火時期)는 이미 늦다. 혼합기가 연소되는 속도가 가스 흐름의 크기와 세기에 따라서 변하기 때문이다. 즉, 엔진의 회전속도가 상승하여 가스의 유동속도가 빨라지면 그에 따라 화염속도도 빨라지기 때문에 피스톤이 상사점에 있을 때 점화하는 것은 지나치게 느리다는 것이다.

 

결국 언제 점화하는 것이 가장 좋은 것인가? 대략 피스톤이 상사점에 도달했을 때 화염면이 연소실의 거의 절반 정도로 확산(擴散)되었을 때이다.

 

점화시기는 피스톤이 상사점에 있을 때를 기준으로 하여 크랭크샤프트의 회전각도로 몇도 전후(前後)인가로 표시되는데 그 각도에서 점화시기가 상사점전(前) 40~30°이면, 상사점후(後) 15~20°에서 최대 연소 압력에 도달한다.

 

 

 

이보다 점화시기가 빠르면 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 연소가 진행되어 상사점으로 향하는 피스톤을 역으로 누르는 힘이 커지기 때문에 팽창력의 손실이 발생하고, 지나치게 늦을 경우 내려가고 있는 피스톤을 뒤따라가면서 누르게 되므로 팽창력을 이용할 수 없다.

 

화염속도는 엔진의 회전속도가 상승할수록 빨라지기 때문에 피스톤이 상사점을 지나는 부근에서 연소실의 최대 압력을 얻기 위해서는 엔진의 회전속도에 맞추어 점화시기를 빠르게 할 필요가 있다. 이 조정 작업은 점화시기와 동일하게 크랭크샤프트의 회전각도로 생각하여 점화할 때의 각도를 앞으로 당긴다는 뜻에서 진각(Advance；進角)이라고 불린다.

 

이 진각을 조정하는 시스템은 기계식과 전자식이 있으며, 기계식 진각장치(Mechanical Advancer)는 스파크 플러그에 전류를 보내는 디스트리뷰터 속에 조립(組立)되어 있다. 엔진의 회전속도를 기계적으로 검출하여 회전속도가 빨라짐에 따라 전류를 보내는 타이밍을 빠르게 함으로써 스파크 플러그의 점화시기를 앞당기는 것이다.

 

예를 들어 진공식 진각장치(Vacuum Advancer)는 엔진의 회전속도가 상승함에 따라 흡기관의 부압이 커지는 현상을 이용하여 카뷰레터와 파이프로 연결된 진각장치가 부압의 크기에 비례한 움직임으로 진각이 이루어진다. 전자식 진각장치(Electronic Advancer)는 엔진의 회전수와 흡기관의 부압을 센서로 검출하여 최적의 점화 타이밍을 컴퓨터가 결정하는 것이다.