자동차 산업은 역사를 통틀어 급격한 기계적 및 기술적 발전을 이루었지만 가연성 엔진이 장착된 모든 자동차에는 공통적으로 하나의 구성 요소가 있습니다. 바로 점화 시스템입니다. 귀하의 소중한 차량이 소중하다면 다양한 점화 시스템 작업과 그 장점과 단점은 점화 시스템의 성능 요구 사항을 고려할 때 가장 효과적으로 작동하는 올바른 점화 플러그를 선택하는 데 유용합니다.
자동차의 거의 모든 주요 구성 요소가 수년에 걸쳐 개선되었지만 점화 시스템의 기본 원리는 거의 한 세기 동안 변경되지 않았습니다. 본질적으로 배터리에서 전압을 가져와 훨씬 더 높은 전압으로 변환한 다음 이 전류를 엔진의 연소실로 전달하고 압축된 연료와 공기 혼합물을 점화하여 연소를 생성합니다. 이 연소는 자동차를 운행하는 데 필요한 에너지를 생성합니다.
즉, 스파크가 생성되고 배포되는 방식은 기술 발전으로 인해 크게 향상되었습니다. 현재 대부분의 자동차와 트럭에 사용되는 점화 시스템에는 발명의 순서에 따라 네 가지 유형이 있습니다. 즉, 기존 차단점(기계식) 점화, 고에너지(전자) 점화, 분배기 없는(폐기물 스파크) 점화 및 코일 온 방식입니다. 점화 플러그. 차단점(기계식) 점화 및 고에너지(전자) 점화는 모두 분배기 기반 점화이므로 분류하는 또 다른 방법은 분배기 기반, 분배기 없는 및 코일 온 플러그 시스템의 세 가지 광범위한 점화 시스템 유형으로 분류하는 것입니다.
이 포괄적인 가이드에서는 엔진의 성능 및 유지 관리 요구 사항에 대한 의미와 관련하여 각 시스템의 작동 방식과 각 시스템의 결과적인 장단점에 대해 자세히 설명합니다.
키를 차량의 점화 장치에 넣고 회전하면 엔진이 시동되고 계속 작동합니다. 그런 단순한 행동 뒤에 일어나는 전체 과정에 대해 궁금해 한 적이 있습니까?
엔진 101로 돌아가 보겠습니다. 엔진은 연소실 내부에서 연소 또는 폭발을 일으켜 자동차를 구동하는 동력을 생성하므로 "내연 기관"이라는 이름이 붙습니다. 이러한 연소를 발생시키기 위해 점화 시스템이 중요한 역할을 합니다. 점화 플러그는 연소실로 공급되는 공기와 연료 혼합물을 점화하는 전기 스파크를 공급합니다.
점화 시스템이 제대로 작동하려면 두 가지 작업을 동시에 효과적이고 정확하게 수행할 수 있어야 합니다.
첫 번째 작업은 점화 플러그의 틈을 뛰어 넘을 수 있는 강력한 불꽃을 만드는 것입니다. 즉, 점화 시스템은 배터리의 12볼트에서 최소 20,000볼트로 전압을 높여야 하며, 이는 연소실에서 압축 공기와 연료 혼합물을 점화하여 에너지 생성 폭발을 일으키는 데 필요합니다.
이러한 엄청난 전압 서지를 달성하기 위해 디젤 구동 모델을 제외한 모든 자동차의 점화 시스템은 1차 권선과 2차 권선으로 알려진 철심 주위에 2개의 코일 코일로 구성된 점화 코일을 사용합니다. 점화 코일은 전력 변압기 역할을 합니다.
점화 코일의 목표는 1차 권선을 통해 배터리에서 공급되는 12볼트를 작동시켜 전자석을 만드는 것입니다. 차량의 점화 시스템 트리거 스위치가 점화 코일의 전원을 끄면 자기장이 붕괴됩니다. 그렇게 하면 2차 권선이 1차 권선에서 붕괴되는 자기장을 포착하여 15,000볼트에서 25,000볼트로 변환합니다.
그런 다음 이 전압을 점화 플러그에 공급하여 엔진 연소실에서 연소를 생성하여 차량 엔진을 시동하고 작동시키는 데 필요한 에너지를 생성합니다. 필요한 스파크가 발생하려면 스파크 플러그에 전달되는 변환된 전압이 20,000~50,000볼트 범위에 있어야 합니다.
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동시에 점화 시스템의 또 다른 중요한 역할은 점화된 공기와 연료 혼합물에서 생성된 출력을 최대화하기 위해 압축 행정 중 정확한 순간에 스파크가 점화되도록 하는 것입니다. 즉, 정확한 시간에 정확한 실린더에 충분한 전압이 전달되어야 하며, 이를 자주 수행해야 합니다.
엔진이 최적의 성능을 달성할 수 있도록 모든 구성 요소가 정확하고 조화롭게 작동합니다. 부품 하나하나의 아주 작은 타이밍 오류라도 엔진 성능에 문제를 일으키고, 오래 지속되면 영구적인 손상을 입힐 수도 있습니다.
점화 시스템은 오른쪽 실린더에 충분한 스파크를 제공해야 합니다. 정확한 스파크 타이밍을 보장하기 위해 엔지니어는 수년에 걸쳐 발전해 온 몇 가지 방법을 사용했습니다.
초기 점화 시스템은 스파크 타이밍을 제어하기 위해 완전 기계식 분배기를 사용했으며, 그 다음에는 솔리드 스테이트 스위치와 기본적으로 간단한 프로세스 컴퓨터 유형인 엔진 제어 모듈(ECM)이 장착된 하이브리드 분배기를 사용하여 각 개별 실린더에 전력을 분배했습니다. .
이러한 초기 분배기의 단점을 극복하기 위해 나온 것은 100% 전자 점화 시스템이었습니다. 그 중 첫 번째는 분배기가 완전히 제거된 분배기가 없는 점화 시스템이었습니다.
최신 발명품인 코일 온 플러그 점화 시스템은 훨씬 더 큰 벽을 채우고 훨씬 더 뜨거운 스파크를 생성하는 개선된 점화 코일을 사용하여 스파크 타이밍을 크게 개선할 수 있었습니다.
엔진이 작동 중일 때 배터리를 충전하기 위해 전기를 생성하는 발전기도 작동합니다. 자동차의 배터리는 전기를 저장했다가 직류로 발산합니다.
배터리는 12볼트의 직류를 공급합니다. 그러나 연소를 위한 스파크를 얻으려면 스파크 플러그에 20,000~50,000볼트가 있어야 합니다. 이러한 상당한 전압 증가를 가능하게 하려면 점화 코일이 필요합니다.
점화 코일
점화 코일은 전력 변압기 역할을 합니다. 초기의 기계적 점화 시스템은 하나의 코일에 의존하여 배터리의 저전압을 점화 플러그에 필요한 고전압으로 변환합니다.
점화 코일의 전기적 변환은 자기 유도라는 원리로 작동합니다. 기존의 변압기에서 1차 코일은 전력, 즉 배터리로부터 직류를 수신합니다. 그러나 1차 코일을 통한 이 전하는 주기적으로 중단됩니다. 이러한 중단은 초기 분배기 기반 점화 시스템의 분배기와 이후 점화 시스템에서 보다 정확한 타이밍을 달성하기 위한 컴퓨터에 의해 발생합니다. 디스트리뷰터의 업무는 아래에서 더 자세히 논의될 것입니다.
1차 코일의 전압은 자기장을 생성합니다. 1차 코일이 받는 전류가 주기적으로 중단되면 1차 코일에 의해 생성된 자기장이 지속적으로 붕괴됩니다. 1차 코일 자기장의 이러한 큰 움직임으로 인해 2차 코일은 한 번에 하나의 고전압 에너지 버스트를 생성합니다.
2차 코일에 의해 생성된 전압이 얼마나 높은지는 1차 코일의 권선 수와 2차 코일의 권선 수의 비율에 따라 다릅니다. 2차 코일의 권선 수가 1차 코일의 두 배이면 출력 전압은 입력 전압의 두 배가 됩니다. 따라서 스파크 플러그가 필요로 하는 전압을 12볼트에서 20,000볼트 이상으로 높이려면 자동차의 점화 코일에서 2차 코일이 1차 코일보다 수만 배 많은 권선을 가집니다.
분배기가 1차 점화 코일에 공급되는 앞서 언급한 주기적 이산 전하를 생성하는 방법은 다음과 같습니다. 분배기에는 1차 코일의 회로를 접지하는 "차단기 지점"이 있습니다. 이 지점은 레버로 지면에 연결됩니다. 레버는 분배기 샤프트에 연결된 캠에 의해 움직입니다. 그러면 1차 코일 회로가 열리고 2차 코일에서 고전압 버스트를 유발하는 붕괴가 발생합니다.
또한 배터리와 점화 코일이 전력을 공급하는 동안 분배기는 전력이 각 점화 플러그에 언제 어디로 가는지를 정확하게 결정하는 중요한 역할을 합니다.
분배기에는 많은 부품이 포함되어 있으며, 그 중 가장 중요한 부품으로는 엔진과 함께 회전하는 로터와 분배기 캡에 장착된 여러 "접점"이 있습니다. 점화 코일의 전류가 로터에 공급됩니다. 로터가 회전하고 로터의 끝이 접점 중 하나에 접근하면 해당 접점에 전기 아크가 발생합니다. 거기에서 전원이 점화 플러그 와이어를 따라 연결된 점화 플러그로 이동하여 각 점화 플러그로 충전되는 타이밍을 조정합니다.
점화 와이어라고도 하는 스파크 플러그 와이어는 스파크 플러그에 전원을 전달하여 스파크 플러그가 최종적으로 연소를 일으키는 스파크를 생성할 수 있도록 하는 절연 와이어입니다.
스파크 플러그는 중앙에 전도성 금속 중심 코어가 있는 절연 세라믹 본체로 구성됩니다. 이 금속 중심 코어와 스파크 플러그의 금속 베이스에 접지되는 전극 팁 사이에 간격이 있습니다. 전기가 아크를 일으키거나 그 간격을 가로질러 점프하여 스파크를 일으킵니다.
요점은 점화 시스템이 적절하고 정확하게 작동하지 않으면 차가 시동에 문제가 생기거나 전혀 작동하지 않을 수 있다는 것입니다.
점화 시스템의 마모된 점화 플러그와 결함 있는 구성 요소는 엔진 성능에 영향을 미치며, 어려운 시동, 잘못된 점화, 전력 부족, 연비 저하, 문제가 제시간에 해결되지 않을 경우 영구적인 손상을 비롯한 광범위한 엔진 문제를 야기합니다. 또한 잘못된 점화 시스템으로 인해 발생하는 이러한 엔진 문제는 차량의 다른 중요한 구성 요소를 손상시킬 수 있습니다.
따라서 엔진이 최적의 성능을 발휘하여 부드럽고 안전한 주행을 하려면 점화 시스템을 정기적으로 유지 관리하는 것이 중요합니다. 그렇다면 얼마나 규칙적인 것으로 충분합니까? 적어도 1년에 한 번 점화 시스템 구성 요소를 육안으로 검사하여 마모나 고장의 징후가 있는지 확인한 다음 필요한 경우 즉시 교체해야 합니다.
점화 플러그와 관련하여 차량 제조업체에서 권장하는 간격으로 점검하고 교체하십시오. 다시 말하지만, 점화 시스템이 얼마나 중요한지 고려할 때 예방 유지보수는 엔진의 성능과 수명을 최대화하는 열쇠입니다.
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가장 오래된 유형의 점화 시스템은 종종 기계적 점화 시스템이라고도 하는 기존의 차단점 점화 시스템입니다. 자동차 산업의 초창기부터, 특히 1970년대까지 사용되었습니다.
분배기 기반 시스템이라고 하는 분배기를 사용하는 두 가지 유형의 점화 시스템 중 하나입니다. 아래에서 더 자세히 설명하는 다른 세 가지 유형의 점화 시스템과 달리 차단점 점화 시스템은 본질적으로 완전히 기계식이므로 두 번째 이름입니다.
작동 방식을 알아본 다음 이를 기반으로 이러한 유형의 점화 시스템의 장단점을 살펴보겠습니다. 기계식 차단기 시스템은 최초의 발명품이고 이후의 모든 모델의 기초가 되므로 이 섹션에서 더 자세히 살펴보겠습니다. 나중에 개선된 시스템의 장단점을 보려면 이 시스템이 어떻게 작동하는지 확실히 이해해야 합니다.
처음 두 가지 유형의 점화 시스템인 차단점 시스템과 전자 시스템은 다른 두 개의 분배기가 없는 시스템과 달리 분배기를 기반으로 합니다. 따라서 유통업체 기반 시스템이 어떻게 작동하는지에 대한 기본 사항을 알아보겠습니다.
분배기는 기계적으로 시간에 맞춰 점화되는 밀폐된 회전 샤프트입니다. 분배기의 주요 임무는 점화 코일에서 점화 플러그로 정확한 점화 순서와 시간 동안 2차 또는 고전압 전류를 라우팅하는 것입니다.
완전 기계식 분배기에서 분배기는 기어로 캠축에 연결되고 캠축에 의해 회전됩니다. 내부에서 분배기 샤프트의 다면 캠은 다른 분배기 부품을 움직이며 본질적으로 점화 코일로의 전력 흐름을 시작 및 중지하는 기계식 스위치처럼 작동합니다.
코일이 충분한 전압을 생성하면 코일 상단과 분배기 캡 상단으로 이동합니다. 거기에서 분배기 샤프트에 부착된 회전 디스크가 각 점화 플러그 와이어에 전류를 순서대로 분배합니다. 전류는 점화 플러그 와이어를 따라 점화 플러그로 이동하여 점화를 일으킵니다.
분배기 기반 차단점 점화 시스템에는 1차 및 2차 회로의 두 가지 전기 회로가 있습니다.
점화 코일은 1차 권선 또는 1차 코일로 알려진 철심과 2차 권선 또는 2차 코일로 알려진 두 개의 와이어 코일로 구성됩니다. 1차 회로는 1차 코일, "차단점" 및 자동차 배터리로 구성됩니다. 배터리의 낮은 전류에서만 작동하며 차단기 포인트와 점화 스위치에 의해 제어됩니다.
한편, 2차 회로는 코일의 2차 권선, 외부 코일 분배기의 고압 리드 코일 와이어, 점화 플러그, 점화 플러그 리드, 분배기 회전자 및 분배기 캡으로 구성됩니다.
점화 키가 켜지면 1차 코일은 배터리로부터 저전압 직류를 수신하여 분배기의 차단기 지점을 통해 다시 배터리로 흐르게 됩니다. 이 전류 흐름은 점화 코일 주위에 자기장을 형성합니다.
이제 "브레이커 포인트"가 작동하는 방법이 있습니다.
위에서 언급했듯이 배전기에는 1차 코일의 회로를 접지하는 "차단기 지점"이 있습니다. 이 차단기 지점은 분배기 샤프트에 연결된 캠에 의해 움직이는 레버에 의해 지면에 연결됩니다.
엔진과 함께 시간에 맞춰 회전하는 분배기 로터 덕분에 엔진이 회전하면서 분배기 샤프트 캠이 캠의 높은 지점까지 회전하여 차단기가 분리됩니다. 순간적으로 이 갑작스러운 분리는 1차 코일을 통한 전류 흐름을 멈춥니다.
이로 인해 1차 코일에 의해 생성된 자기장이 코일 주위로 붕괴됩니다. 콘덴서는 에너지를 흡수하고 분리될 때마다 차단기 지점 사이의 전기 아크를 방지합니다. 즉, 콘덴서는 2차 코일에 고전압 서지를 발생시키는 데 필요한 자기장의 급격한 붕괴에 중요한 역할을 합니다.
이러한 1차 코일의 자기장의 갑작스럽고 지속적인 변화는 2차 코일을 절단하여 로터와 분배기 캡 단자 사이의 간격과 스파크 플러그의 전극 사이의 간격을 뛰어 넘을 만큼 충분히 높은 고전압 서지를 생성합니다. . 전체 시스템의 타이밍이 적절하다고 가정하면 스파크가 지정된 실린더의 공기-연료 혼합물에 정확한 순간에 도달하고 해당 실린더에서 연소가 발생합니다.
분배기가 엔진과 함께 시간에 따라 계속 회전함에 따라 로터와 분배기 캡 단자 사이의 전기 접촉이 중단되어 2차 코일로의 전류 흐름이 중지됩니다. 동시에 차단기가 다시 닫혀 1차 회로가 완성되어 전류가 1차 코일을 통해 다시 흐를 수 있습니다.
이 전류는 다시 1차 코일 주위에 자기장을 생성하여 다시 붕괴되고 점화 순서의 다음 실린더에 대해 사이클이 반복됩니다. 차단기 시스템 및 최신 전자 시스템에서는 1차 권선과 2차 권선으로 구성된 단일 코일이 모든 실린더에 전력을 공급한다는 점에 유의해야 합니다.
이 전체 "자기 유도" 과정은 시속 90마일로 분당 약 18,000번 발생합니다.
장점
단점
완전 기계식 차단점 점화 시스템이 70년 이상 사용된 후 자동차 산업은 더 높은 주행 거리, 더 높은 신뢰성 및 배출 감소에 대한 요구에 직면했습니다. 제조업체는 기계적 작동에 덜 의존하는 고에너지 점화 시스템인 전자 점화 시스템을 고안했습니다.
이전 시스템의 차단기 포인트는 고장나서 스파크 타이밍을 엉망으로 만들어 엔진 성능에 부정적인 영향을 미치고 12,000마일마다 교체해야 했습니다.
이러한 단점을 보완하기 위해 후기 전자식 점화 시스템에는 여전히 분배기가 있지만 차단기 지점과 콘덴서는 트랜지스터화된 스위치 역할을 하는 픽업 코일과 점화 코일을 제어하여 높은 전류를 생성하도록 제어하는 전자 제어 모듈로 대체되었습니다. - 전압 전류.
초기 차단점 점화 시스템과 비교하여 제어된 타이밍에 이러한 전자 스위치를 사용한다는 것은 움직이는 부품이 적음을 의미하므로 이러한 전자 점화 시스템을 진단 및 수리하기가 비교적 쉽습니다. 또한 엔진 수명 동안 일관된 고전압 스파크를 생성하여 차단기 시스템의 단점을 개선하여 엔진 실화를 줄이고 적절한 배기 가스를 배출합니다.
이러한 전자 시스템은 여전히 기존의 분배기 캡과 분배기 로터를 사용하여 점화 플러그에 전류를 분배하는 동일한 작업을 수행합니다(따라서 분배기 기반 점화 시스템이기도 함).
움직이는 부품이 적음에도 불구하고 분배기는 마모에 노출되어 결국 교체가 필요합니다. 이는 이와 관련하여 이후 점화 시스템의 추가 개선을 촉발했습니다. 전자 점화 시스템의 또 다른 한계는 점화 시기가 아직 제조업체가 원하는 대로 정밀하게 제어되지 않아 가속이 느리고 연비가 좋지 않다는 것입니다.
초기 차단점 점화 시스템과 마찬가지로 전자 시스템에는 2개의 점화 코일이 있으므로 이에 따라 1차 회로와 2차 회로의 2개 회로가 있습니다. 배터리에서 1차 코일의 배터리 단자까지의 1차 회로 부분과 전체 2차 회로는 그대로 유지됩니다.
점화 스위치가 켜지면 배터리 저전압 전류가 배터리에서 점화 스위치를 통해 1차 코일로 흐릅니다. Instead of the breaker points in earlier systems, the current is disrupted and turned back on continuously by a component called the armature, which has many “teeth”, as it revolves past the pickup coil, which acts as a sensor.
As each tooth of the armature approaches the pickup coil, it creates a voltage that signals the electronic module to turn off current flow through the primary coil. In essence, this mechanism is quite similar to that in breaker-point systems.
When the current is disrupted, the magnetic field around the primary coil collapses, creating a high voltage spurt in the secondary coil. The electric current now operates on the secondary circuit, which is the same as in a breaker-point system. A timing circuit in the electronic module will turn the current on again after the primary coil’s magnetic field has collapsed, and the whole process repeats for each cylinder in the firing sequence.
Pros:
Cons:
A shortcoming of the electronic ignition systems is that they still have the distributor, which is subject to wear and tear. In addition, the distributor tends to accumulate moisture and cause difficult starting problems. The distributor also requires engine power to spin, as it gets spun in time with the engine, thus no distributor means less engine drag and increased efficiency.
Manufacturers came up with a solution:to remove the fully mechanical distributor and replace it with solid-state switches that don’t wear out.
Doing so increased reliability, but the solid-state switches still took their marching orders from the distributor shaft, which was still mechanically rotated by the camshaft. And distributor shafts are subject to wear and tear, and would tend to develop problems after some 120,000 miles.
Any wear and tear always impedes proper spark timing, thus beginning in the early ’80s, manufacturers removed the mechanical distributor altogether to introduce the distributor-less ignition system. These systems are very different from breaker-point and electronic ignition systems, The ignition coils now sit directly on top of the spark plugs, spark plug wires are eliminated, and the system is fully electronic.
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The third types of ignition system is the distributor-less, also called waste spark ignition system. Instead of a conventional trouble-breeding distributor, this system uses multiple ignition coils:one coil per cylinder or one for each pair of cylinders.
Without the distributor to “distribute” electric current to the spark plugs, the spark plugs are fired directly from the coils. Spark plug timing is controlled by an electronic ignition module and the engine computer.
This system uses engine sensors to determine crankshaft position and camshaft position. These sensors continually monitor the positions of both shafts and deliver that information to the engine computer.
The Crankshaft Position Sensor is mounted at the front of the crankshaft, or near the flywheel on some vehicles, and the Camshaft Position Sensor is mounted near the end of the camshaft.
Based on the two shafts’ position, the electronic ignition module triggers the appropriate ignition coil, which directly fires the associated spark plugs. This system also uses a “waste spark” for one of the paired cylinders, pairing two pistons that will be at the top dead center at the same time: one at the end of its compression stroke, and the other at the end of its exhaust stroke.
Another major difference compared to its predecessor is that while earlier systems uses a single coil, which consists of a primary winding and a secondary winding, to power all the cylinders in a particular order, distributor-less ignition systems employ a different coil setup. It uses multiple ignition coil packs, each generating spark for just two cylinders, which means each coil can be turned on for longer.
Therefore, this soil setup is capable of developing a stronger magnetic field of up to 30,000 volts, as well as stronger, hotter spark required to ignite the typical leaner air-fuel mixtures of more modern vehicles.
Each of the spark plugs in these cylinders will fire at the same time using the high voltage from one coil. This allows for more precise ignition timing, thus higher engine efficiency and lower emissions.
Pros:
Cons:
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The coil-on-plug ignition system has all the advantageous electronic controls developed in the distributor-less systems. Also, like the distributor-less system, the coil-on-plug system places an ignition coil directly on the top of each spark plug to fire the spark plug directly, hence the name.
Because each spark plug now has its own dedicated coil that sits right on top for direct firing, high-voltage spark plug wires are completely removed. This increases the system’s efficiency, since spark plug wires introduce greater loss of amperage and voltage, as well as the possibility of contamination and cross-firing between cables if they become greasy or worn.
Another major improvement here is instead of two cylinders sharing a single coil, each coil now services just one cylinder. This means each coil can be “turned on” for twice as much longer to develop maximum magnetic field.
As a result, coil-on-plug ignition systems can generate between 40,000 and 50,000 volts, compared to up to 30,000 volts in distributor-less systems, and much hotter, stronger sparks to more efficiently burn the leaner air-fuel mixture, thereby maximizing engine’s efficiency.
Now there are no breaker points, distributors, condensers and spark plug wires. No moving parts means coil-on-plug ignition systems are less likely to break down, are more reliable and command less frequent repair.
On the downside, it should be noted that the lack of moving parts can make it more difficult to diagnose and more expensive to repair than a traditional system once there is indeed a problem, but as said, repairs are less frequent.
It should also be noted that the ignition coils are now sitting on top of the spark plugs, thus more exposed to damage by degreasers and water during under-hood engine cleaning, so be sure each is wrapped in plastic for protection before any cleaning begins.
The most sophisticated of all ignitions systems, this system controls spark timing using the Engine Control Unit, based on input from various sensors, to achieve the optimal precision, higher voltage, and stronger, hotter spark.
Similar to the distributor-less systems, coil-on-plug systems use engine sensors to know the shafts’ position. Based on this information, the Engine Control Unit triggers the appropriate ignition coil, which directly fires the associated spark plugs in the associated cylinder in the firing order.
Pros:
Cons:
Ignition systems will continue to improve with features that today are unimaginable as technology advancements lead to continued improvements. Even as they do, all the four types of ignition system are still easy to maintain and repair, and well-suited for the vehicles of their own era.
To learn more about important components in your precious vehicle and how they work, dive into our comprehensive maintenance tips articles.
