점화 플러그의 기능
점화 플러그는 가솔린 엔진의 점화 시스템에서 중요한 구성 요소입니다. 점화 플러그는 연소실에 고전압을 공급하여 전극 간극을 통해 전압이 튀도록 함으로써 스파크를 발생시켜 실린더 내의 가연성 혼합물을 점화시킵니다. 점화 플러그는 주로 연결 너트, 절연체, 연결 나사, 중앙 전극, 측면 전극 및 하우징으로 구성됩니다. 측면 전극은 하우징에 용접되어 있습니다.
점화 플러그는 흔히 "화약 노즐"이라고도 불리며, 고전압선(화약 노즐선)에서 보내는 펄스형 고전압 전류를 점화 플러그의 두 전극 사이의 공기층을 뚫고 지나가면서 실린더 내 혼합 가스를 점화시키는 스파크를 발생시키는 역할을 합니다. 주요 종류로는 준형 점화 플러그, 돌출형 에지 플러그, 전극형 점화 플러그, 시트형 점화 플러그, 면점핑형 점화 플러그 등이 있습니다.
점화 플러그는 엔진 측면이나 상단에 설치됩니다. 초기에는 점화 플러그가 실린더 와이어를 통해 배전기에 연결되었습니다. 지난 10년 정도 동안 소형차 엔진의 대부분은 점화 코일이 점화 플러그에 직접 연결되도록 개조되었습니다. 점화 플러그의 작동 전압은 최소 10,000V입니다. 이 고전압은 12V 전기로부터 점화 코일에 의해 생성되어 점화 플러그로 전달됩니다.
고전압의 영향으로 점화 플러그의 중앙 전극과 측면 전극 사이의 공기는 급속하게 이온화되어 양전하를 띤 이온과 음전하를 띤 자유 전자를 생성합니다. 전극 사이의 전압이 특정 값에 도달하면 기체 내 이온과 전자의 수가 눈사태처럼 급증하여 공기의 절연성을 잃게 됩니다. 간극에 방전 채널이 형성되고 "절연 파괴" 현상이 발생합니다. 이때 기체는 발광체인 "스파크"를 형성합니다. 스파크가 열에 의해 팽창하면서 "펑펑" 하는 소리가 납니다. 이 전기 스파크의 온도는 2000~3000도에 달할 수 있으며, 이는 실린더 연소실 내 혼합물을 점화시키기에 충분합니다.
발열량에 따라 냉간형과 열간형으로 나뉘고, 전극 재질에 따라 니켈 합금, 은 합금, 백금 합금 등으로 구분됩니다. 좀 더 전문적으로 말하자면, 점화 플러그의 종류는 대략 다음과 같습니다.
유사형 점화 플러그: 절연체 스커트가 하우징 단면 안쪽으로 약간 들어가 있고, 측면 전극은 하우징 단면 바깥쪽에 위치합니다. 가장 널리 사용되는 유형입니다.
돌출형 점화 플러그: 절연 스커트가 비교적 길어 하우징 끝면 밖으로 돌출되어 있습니다. 이는 열 흡수율이 높고 오염 방지 기능이 우수하다는 장점이 있습니다. 또한, 흡입 공기에 의해 직접 냉각되어 온도가 낮아지므로 고온 점화 발생 가능성이 낮습니다. 따라서 열 적응성이 뛰어납니다.
전극형 점화 플러그: 전극이 매우 미세합니다. 강력한 스파크와 우수한 점화 성능이 특징이며, 추운 계절에도 엔진 시동을 빠르고 안정적으로 걸 수 있습니다. 넓은 열 범위로 다양한 용도에 적합합니다.
점화 플러그 시트: 하우징과 나사산이 원뿔형으로 제작되어 가스켓 없이도 우수한 밀봉을 유지할 수 있으므로 점화 플러그의 부피를 줄여 엔진 설계에 더욱 유리합니다.
극성 점화 플러그: 측면 전극은 일반적으로 두 개 이상입니다. 극성 점화 플러그의 장점은 안정적인 점화와 점화 간극 조정을 자주 할 필요가 없다는 점입니다. 따라서 전극이 마모되기 쉽고 점화 플러그 간극을 자주 조정할 수 없는 일부 가솔린 엔진에 주로 사용됩니다.
페이스 갭 스파크 플러그: 페이스 갭 타입이라고도 하며, 가장 차가운 타입의 스파크 플러그로, 중심 전극과 하우징 끝면 사이의 간격이 동심원입니다.
표준형 및 돌출형 점화 플러그
표준형 점화 플러그는 절연 스커트 끝부분이 하우징의 나사산 끝면보다 약간 낮게 위치한 단면 전극 점화 플러그입니다. 이는 측면 밸브 엔진에 가장 널리 사용되는 전통적인 점화단 구조를 채택하고 있습니다. 이후에 등장한 "돌출형"과 구별하기 위해 이러한 구조를 "표준형"이라고 부릅니다.
돌출형 점화 플러그는 원래 오버헤드 밸브 엔진용으로 설계되었습니다. 절연 스커트가 플러그 쉘의 나사산 끝면에서 돌출되어 연소실 내부로 뻗어 있습니다. 이 스커트는 연소 혼합물의 열을 상당량 흡수하여 연소 속도에서 비교적 높은 작동 온도를 유지하며 오염을 방지합니다. 고속 주행 시 밸브가 상단에 위치하기 때문에 흡입 공기 흐름이 절연 스커트 쪽으로 향하여 냉각 효과를 제공합니다. 결과적으로 최고 온도가 크게 상승하지 않아 열 범위가 비교적 넓습니다. 돌출형 점화 플러그는 흡기 통로에 굴곡이 많아 공기 흐름이 절연 스커트에 미치는 냉각 효과가 미미한 측면 장착 밸브 엔진에는 적합하지 않습니다.
단극 및 다극 점화 플러그
기존의 단극 점화 플러그는 측면 전극이 중앙 전극을 덮고 있다는 명백한 단점이 있습니다. 두 극 사이에서 고전압 방전이 발생하면 점화 갭의 혼합 가스가 점화열을 흡수하고 이온화되어 "점화핵"을 형성합니다. 점화핵이 형성되는 위치는 일반적으로 측면 전극 근처입니다. 이 과정에서 측면 전극은 더 많은 열을 흡수하게 되는데, 이를 전극의 "화염 억제 효과"라고 합니다. 이는 점화 에너지를 감소시키고 화염 소멸 성능을 저하시킵니다.
그래서 1920년대에 3극 스파크 플러그가 등장했습니다. 단면 전극 방식과 비교했을 때, 다면 전극 방식의 스파크 갭은 여러 개의 측면 전극(원형 구멍에 뚫린)의 단면과 중앙 전극의 원통형 표면으로 구성됩니다. 이렇게 측면에 위치한 스파크 갭은 측면 전극이 중앙 전극을 가리는 단점을 없애고, 스파크의 접근성을 높여 더 큰 스파크 에너지를 생성하며, 실린더 내부로 더 쉽게 침투할 수 있도록 합니다. 이는 혼합물의 연소 상태를 개선하고 배기가스 배출량을 줄이는 데 도움이 됩니다. 여러 개의 측면 전극이 다수의 스파크 채널을 제공함으로써 수명이 연장되고 점화 신뢰성이 향상됩니다. 여기서 중요한 점은 방전 순간에는 하나의 채널에서만 스파크가 발생하며, 여러 전극에서 동시에 스파크가 발생하는 것은 불가능하다는 것입니다. 고속 촬영을 통해 방전 과정을 관찰하면 이를 확인할 수 있습니다.
국내용 점화 플러그 모델에서 발열량 뒤에 붙는 접미사 D, J, Q는 각각 2극, 3극, 4극을 나타냅니다.
니켈 합금 및 구리 심 전극 스파크 플러그
연소실 내부로 돌출되는 전극의 가장 기본적인 요구 사항은 내마모성(전기적 및 화학적 부식 모두)과 우수한 열전도율입니다. 재료 과학 및 공정 기술의 발전과 함께 전극 재료는 철, 니켈, 니켈 합금, 니켈-구리 복합 재료에서 귀금속에 이르기까지 진화해 왔습니다. 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 합금은 니켈 합금입니다. 일반적으로 순수 금속은 합금보다 열전도율이 우수하지만, 순수 금속(예: 니켈)은 연소 가스의 화학적 부식 반응과 그로 인해 형성되는 고체 침전물에 합금보다 더 민감합니다. 따라서 전극 재료는 크롬, 망간, 실리콘과 같은 원소를 첨가한 니켈 합금으로 만들어집니다. 크롬은 전기적 침식에 대한 저항성을 향상시키고, 망간과 실리콘은 화학적 부식, 특히 유해한 황산화물에 대한 저항성을 향상시킵니다.
일반형 및 저항형 점화 플러그
점화 플러그는 스파크 방전 발생기로서 광대역 연속 전자기파 간섭을 일으키는 원인입니다. 1960년대 이후 전 세계 국가들은 점화 플러그에서 발생하는 강력한 전자기파 간섭이 무선 통신에 미치는 영향을 억제하고, 무선 통신을 보호하며, 차량 내 전자 장치의 오작동을 방지하기 위해 저항식 점화 플러그 개발에 박차를 가해왔습니다. 중국 또한 전자기 호환성에 대한 일련의 국가 표준을 제정하여 점화 플러그 엔진을 사용하는 차량 장치의 무선 간섭 특성에 엄격한 제한을 두었습니다. 그 결과, 저항식 점화 플러그에 대한 수요가 크게 증가했습니다. 저항식 점화 플러그는 일반 점화 플러그와 구조적으로 큰 차이가 없으며, 절연체 내부의 도체 밀봉재가 저항성 밀봉재로 교체된 것이 유일한 차이점입니다.
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