Ignition Control (3) --- 요구 전압
점화플러그의 전극 사이에서 불꽃(Spark)가 발생한다는 것은 그 전극 사이의 전기적 절연이 파괴되었다는 것을 의미합니다. 즉, 전극 사이를 채우고 있는 혼합기 층의 전기적 절연을 깨뜨릴 만한 전압차가 전극 사이에 유지되어야 한다는 것입니다. 바로 이런 이유로 점화를 위해서는 2차코일측에 고전압(High Voltage)이 유도되어야 하는 것입니다.
점화플러그의 전극 사이에서 방전되는 전압의 시간적 경과를 보통 아래 그림과 같이 나타냅니다. 점화플러그 전극 사이의 절연이 파괴되는 순간, 전극 사이로 고전류가 흘러가게 되고 따라서 순간적으로 고전류, 고전압이 흐르게 됩니다. 이렇게 일단 전자의 흐름 통로가 마련되면, 후속되는 전자들은 바로 그 통로를 따라서 흘러가게 됩니다. 전극 사이의 절연이 파괴되는 순간을 보통 Break-down이라고 말하며, 그 후에 지속되는 상대적으로 낮은 전압의 통전기간을 glow discharge기간이라고 합니다.
여기에서 중요한 점은 점화플러그 전극 사이로 전류가 흘러가는 과정이 발생하려면 우선적으로 전극 사이의 절연을 파괴시킬 수 있는 전위차가 전극간에 존재해야 한다는 것입니다. 전극 사이의 전기적 절연을 파괴하여 전기 불꽃을 생성시킬 수 있는 전극 간의 전위차를 요구 전압(Ignition Voltage Requirement)이라고 합니다.
이 요구전압은 여러 가지 인자들에 의해 영향을 받습니다. 전극 간극, 전극의 모양, 전극의 온도, 전극의 재질 등과 같은 전극에 관한 요인뿐 만 아니라, 공기-연료 혼합비, 혼합기의 유속, 혼합기의 난류성분, 압력 등 연소 조건에 의해서도 요구 전압이 달라집니다. 따라서, 요구전압은 엔진이 작동하는 조건에 따라서 달라집니다. 그래서 차량에 탑재할 점화시스템을 설계할 때에는 엔진의 작동조건이 달라지더라도 안정적으로 점화가 일어날 수 있도록 충분한 여유마진을 가지는 점화시스템으로 설계합니다. 예를 들어, 점화플러그의 전극 간극 변동에 대한 고려, 엔진의 회전수 변동에 대한 고려, 사용 연료에 대한 고려 등이 필요합니다.
엔진을 계속 사용하다보면 점화플러그의 전극 간극이 넓어지게 됩니다. 전극 간극이 넓어지면 spark에 의해서 형성되는 고온의 화염핵이 그만큼 커지기 때문에 연소에 유리합니다만, 전극 간극이 넓어지는 만큼 더 큰 요구전압이 요구되는 불리한 점도 있습니다. 또, 가속할 때가 정속 주행을 할 때 보다 요구전압이 더 높습니다.
그래서 엔진에 따라 차이가 있지만, 대개 25KV ~ 30KV 의 전압이 발생하도록 점화시스템을 설계합니다. 엔진의 사용 기간이 길어짐에 따라 시스템의 성능이 저하되어 방전전압이 떨어지고, 또 점화플러그의 전극 간극이 넓어져서, 나중에는 점화가 불꽃 방전이 일어나지 않을 수 있습니다. 이런 이유로 점화시스템(점화코일, 점화플러그, 하이텐션 코드 등)의 구성 부품들을 교환해야 하는 것입니다.
