Spark Plug
1. 개요
가솔린 엔진의 연소실에 장착되어 혼합기의 점화를 위해 전기방전 스파크를 발생시키는 부품.2. 상세
피스톤이 상사점에 도달하여 혼합기가 최대한으로 압축되었을 때[1] 혼합기를 점화시키기 위해서, 전극 사이에 절연 파괴 전압 이상의 전기장을 인가시켜, 두 전극 사이에서 방전을 통한 불꽃을 일으키기 위해 실린더 내부에 장착되는 장치이다. 따라서 실린더 내부의 혼합기가 동시에 연소하는 디젤 엔진과 달리 가솔린 엔진의 혼합기는 점화플러그에서부터 실린더 전체로 퍼져나가면서 연소한다. TJI 방식도 화염원을 1개의 점에서 여려개의 선으로 늘려 화염 전파 속도를 매우 빠르게 했지만 실린더 내부의 혼합기가 동시에 연소되지는 않는다.점화 플러그의 두 전극 중 가운데 뾰족한 전극(팁)이 (+)에 해당되고 몸통 및 전극 주변의 다리가 (-)극이다. 보통은 전극 다리가 1개이지만 제조사에 따라 다리가 2~4개인 것도 있고 다리가 하나도 없는 연면형 플러그도 있다. 전극 주변은 절연을 위해 세라믹 재질의 절연체가 둘러싸고 있다.
1970년대 초까지도 일부 엔진은 전통적인 접점 방식으로 점화 시기를 조절했지만, 현재는 대부분 접점이 따로 없는 전자식 장치를 쓴다.
2행정/4행정을 막론하고 보통 실린더 헤드에 플러그가 체결된다. 보통 기통당 1개씩인데, 기통수 이하로 들어가는 경우는 드물며 [2] 확실한 연소를 위해 기통수보다 많은 갯수가 들어가는 경우는 종종 있다.[3]
점화 플러그 시장은 일본 회사인 NGK가 부동의 1위다. 이외 덴소(NGK로 매각 예정), 보쉬, 보그워너, 챔피언, 유라텍 등의 제조사가 점화 플러그를 제조한다.
3. 점검법
플러그를 분해한 뒤 절연저항을 측정하고 외관상태나 간극 등을 육안검사한다. 실화(misfire)로 엔진 경고등이 뜨는등 직접적인 문제가 생겼거나 교환주기(4~6만킬로)가 되어서 교체하는게 아닌 이상 별 일 없는데 미리 열어서 점검할 필요는 없다. 교체주기 이전에 고장나는 일이 거의 없고, 고장이 나더라도 엔진에 영구적 데미지를 주거나 다른 부품이 상하는 일이 없기 때문이다. 교환도 빠르고 간단하다.※ 스파크 플러그 점검은 점검자에게는 특별한 위험이 따르지 않는다. 단 엔진 실린더 내부에 설치되는 부품을 분해 조립하는 것이므로 실수하면 단순한 분해조립이 엄청나게 큰 일이 될 수 있으므로 주의가 필요하다.
1. 플러그 분해: 엔진 상단의 점화코일을 분리한 다음 노출된 점화플러그를 돌려 풀어서 빼낸다. 플러그를 풀 때 임팩 드릴 등 전동/유압 공구를 사용할 경우 과한 힘에 플러그가 부러져 실린더 내부로 조각이 떨어질 수 있다. 이러면 내시경과 자석으로 조각들을 하나하나 빼내거나 최악의 경우 실린더헤드를 열어야 하는 대참사가 발생하므로 반드시 수공구를 사용해 손으로 풀어야 한다.
2. 플러그 절연저항 점검: 절연저항을 측정하여 스펙값 이상인지 확인한다.
3. 플러그 육안점검: 절연체 파손여부, 전극의 마모상태, 카본 축적, 개스킷 손상여부, 전체적 외관
4. 플러그 간극 점검: 스파크가 발생하는 전극 부위의 간극을 측정한다. 스펙값(대개 0.8mm 정도) 이상이면 교체가 필요한데, 엔진에 이상이 있거나 교환주기가 되어 꺼내면 대부분 간극이 1mm 이상으로 벌어져 있다.
5. 플러그 조립: 신품으로 다시 조립한다. 이때도 수공구를 사용하고 반드시 토크렌치로 규정토크대로 조여야 한다. 보통 25~35 N·m 정도이고 오버토크시 플러그가 부러져 실린더헤드를 내려야 하거나 실린더헤드 나사산이 뭉개져 헤드를 교체해야 하는 대참사가 벌어진다.
3.1. 교체주기, 방법
아직까지 상용화된 압축착화식 가솔린 엔진이 없으므로, 가솔린/LPG/천연가스를 연료료 사용하는 차량에는 반드시 필요한 장비이다. 그럼에도 불구하고 고온 고압의 엔진 내부 환경에 노출되면서 1만V 이상의 전기 방전이 일어나는 특성상 소모품에 속하는데, 중앙 전극의 재질에 따른 수명의 편차가 상당히 큰 편이다.일반적인 니켈-이트륨 합금이나 구리 전극은 보통 40,000km, 백금 전극은 80,000km, 이리듐 전극 플러그는 160,000km[4]이다.
가장 최신의 점화 플러그 전극재는 NGK에서 도입한 루테늄이다. 기존에 널리 사용되던 이리듐 전극보다 화염 전파 속도가 빨라[5] 노킹에 대한 저항이 크고 점화코일을 사용하여 점화 타이밍이 자동적으로 조절되는 대부분의 차량은 이 플러그를 사용할 경우 노킹이 조금 줄어들고 출력이 약간 향상된다.
소재보다 제조사에 따라서 제품 간 가격 차이도 극심하고, 투입되는 기술력이나 신뢰도 면에서 유의미한 차이가 있다고 하는 사람도 있으니 잘 생각해 볼 것. 일본 모 제조사에서 애프터마켓용으로 내놓은 이리듐 점화 플러그는 화염 전파 속도를 빠르게 하기 위해 전극을 가늘게 만들었지만, 허접한 내구성으로 튜너들 사이에서 악명이 높았다.
교체 시에는 반드시 자동차의 순정 점화플러그의 사양을 확인하는 것이 필요하다. 특히 열가, 간극 같은 핵심 사양은 순정 스펙을 최대한 유지해야 하는데,[6] 이를 지키지 않을 경우 내구도와 신뢰성이 높은 점화 플러그라도 신뢰성에 문제가 생겨 오래 사용하지 못하기 때문이다. 엔진에 노킹을 일으키거나[7] 미스파이어링을 일으켜서[8] 엔진에 영 좋지 않은 영향을 준다.
외관 치수도 당연히 맞춰야 하는데, 1990년대까지의 과거에는 나사구경 M14에 22mm 육각소켓렌치를 쓰는 규격이 많았고, 그 이후 현재까지 대부분의 MPI엔진은 보통 나사구경 M12에 16mm 육각소켓렌치로 조으는 플러그가 표준 사이즈이지만, GDI 엔진의 경우 연소실에 인젝터까지 들어가야 해서 구경이 작고 긴 나사를 쓰는 것도 있다. 나사 길이가 규격보다 짧은 것을 쓰면 압축비가 떨어져 엔진이 제 성능을 못 내며 규격보다 긴 것을 쓰면 전극이 피스톤과 충돌할 우려가 있다.
교체할 때는 정비 매뉴얼이나 점화플러그 포장박스에 인쇄된 토크 규정치[9]를 참고해서 작업해야 한다. 느슨하게 조이면 압축압력이 새어나가 엔진 출력이 안 나오고, 너무 세게 조았다가 나사산이 망가지면 실린더 헤드를 들어내야 하는 수가 있다. DIY중 점화코일 커넥트를 부러뜨리는 경우가 많다. 현대,기아 자동차의 경우 이중락으로 되어있고 열을 많이 받는곳이라 플라스틱이 약해져있으니 주의가 필요하다.
중앙전극과 접지전극 사이의 갭이 쓰다보면 열변형이나 소손 등의 사유로 변하게 될 수 있다. 너무 넓어지면 방전에 필요한 전압이 높아져 점화계통에 무리가 가고, 너무 좁으면 스파크가 작게 일어나 실화가 생긴다. 그래서 예전 가난하던 시절에는 갭을 간극게이지로 측정하여 맞춰주곤 했는데 요즘은 점화플러그의 단가가 싸다보니 그냥 교체해버린다. 요즘 웬만한 신품 플러그는 갭이 표준화되어 맞춰진 채로 나오지만, 유통과정에서 전극에 충격을 받은 물건은 쓰지 말고 반품을 하는 게 좋다. 괜히 무리하게 갭 맞추려고 접지전극을 휘다간 부러지는 수가 있다. DIY를 한다면 교체전 점화플러그 간격을 확인하자.간극이 잘못된 점화플러그를 사용하면 차량의 부조(찐빠)가 일어난다.
3.2. 플러그 상태를 통한 엔진 점검
사용 중인 플러그를 탈거해서 전극과 절연체의 상태에 따라 엔진의 상태를 짐작할 수 있다. 절연체 전단이 갈색으로 노릇하게 익어있으면 정상, 절연체가 까맣게 카본이 침착되어 있다면 불완전 연소, 오일찌꺼기가 붙어 촉촉하다면 밸브가이드씰이나 피스톤링에서 오일이 넘어와 연소되고 있다는 뜻이다.[10] 벌겋게 녹이 보인다면 헤드가스켓 손상으로 냉각수가 연소실로 들어온다는 뜻이고, 허옇게 떠있다면 연소온도 과다이다. 그러나 이것은 어디까지나 참고일 뿐 정확한 상태는 엔진을 분해해봐야 한다.4. 기타
카뷰레터 엔진의 경우 냉간 시동이 잘 안 걸리는 이유 중 하나가 과도한 초크밸브 사용으로 과다 공급된 연료에 의해 플러그 전극이 젖어 절연 효과를 내버려 스파크가 잘 안 튀었기 때문이다. 이런 경우 플러그를 분리하여 히팅건이나 발열코일 등으로 연료를 말림과 동시에 예열하고 재조립해 시동을 거는 경우도 있다. 예초기 같은 2행정 엔진은 오일을 섞어 태우기 때문에 이런 경우가 더 잦은데, 성묘하러 가서 플러그가 젖어 예초기 시동이 안 걸릴 경우를 대비해 플러그를 빼낼 공구와 라이터를 챙겨가는 게 좋다. 요즘의 전자 제어 자동차용 엔진은 이런 현상이 거의 없다.사용하다보면 육각부위 뒷쪽 절연체에 갈색의 얼룩이 생긴다. 코로나 현상으로 생긴 얼룩이다. 이는 전하가 점화 플러그 부츠 안에 있는 +로 누설되며 발생하는 것으로 그만큼 점화가 약하게 일어남을 의미한다. 이를 막기 위해 점화 플러그와 점화 코일이 접촉하는 점화 코일 부츠 내부에 내열성 절연 그리스를 바르고 장착하는 게 정석이다. 현대 감마 1.6 T-GDi 엔진의 강화 점화 코일로 자주 사용되는 MSD 점화 코일을 구입해보면 코일 부츠 내부에 절연 그리스가 발라져 있다.
순정 부품들의 경우, 이런 손실이 미미한 수준이라 보통 절연 그리스 도포를 생략한다. 허나 르노의 정비지침에는 점화코일 끝부분 내부에 PFPE 기반 윤활제인 FLUOSTAR 2L 절연 그리스[11]를 바르도록 되어있다. CRC, 퍼마텍스, 루브텍시스템 등의 제조사에서도 PFPE 기반 절연 그리스가 나오는데 이 제품들이 르노 순정품보다 훨씬 구하기도 쉽고 가격도 저렴하므로, 르노 이외의 타사 차량 차주라면 해당 제품을 사용해도 무관하다.
LPG 엔진의 경우 고열로 인한 점화 플러그의 고착 현상이 자주 발생한다. 주기적으로 플러그를 탈착하거나, 처음 조립 시 안티 시즈를 도포할 것을 권한다.
만일 플러그가 고착된다면 WD-40이나 브레이크액을 조금 집어넣고 1~2시간 후 살살 풀어보거나 전문적으로 점화 플러그를 분해하는 곳을 찾아가는 게 좋다. 일반적인 카센터에서는 점화플러그 고착 → 파손에 따른 부담으로 엔진 헤드 교체를 권유하는 곳이 많다. 전술된 절연 그리스를 플러그 나사산에 고착 예방 목적으로 바르라는 잘못된 조언이 많이 퍼져 있지만, 절연 그리스는 점화 코일 부츠 내부에 점화 플러그와 만나는 곳에 바르는 것이고, 플러그 나사산에 바르는 것은 안티 시즈이므로 혼동에 유의할 것.
5. 관련 장치 및 용어
- 점화 코일: 점화 플러그에서 스파크가 튈 수 있도록 전압을 승압해주는 장치. 1차 코일과 2차 코일로 이뤄져 있으며 각 코일의 권선수가 다르다. 보통 1차코일이 수백 회 감겨져 있으면 2차 코일은 수천 회 정도 되며, 1차 코일에 12V의 전기가 흐르면 2차코일에 유도전류가 발생하는데 1만V 이상의 고전압이다.
- 점화 진/지각: 실린더 상사점을 기준으로 좀 더 일찍 점화불꽃을 튀기는 것을 진각이라 하며 늦게 튀기는 것을 지각이라 한다. 가솔린 엔진이 출력이 많이 나오려면 최적의 점화시기일 때 점화불꽃을 튀겨야 하며 이 시점을 MBT(Most advance for Best Torque)점이라 하며, 이보다 너무 빨리 튀기면 노킹이 발생하고 너무 늦게 튀기면 실화가 발생한다.
- 배전기: 각 실린더의 점화순서에 맞게 점화전류를 배분하는 장치. 2기통 이상 다기통 엔진 중에서 과거 ECU가 없는 카뷰레터 엔진이나 80~90년대 초기 전자 제어 엔진에 사용되었다. 옛날에 이거 만져본 나이 많은 정비사분들은 영문명인 디스트리뷰터(Distributor)에서 유래한 '뷰다' 혹은 '비후다' 라는 명칭으로 부른다.
- DLI(Distributor-Less Ignition): 배전기가 없어지고 점화코일이 채용된 형태. 보통 2개의 실린더를 한 코일이 담당한다.
- CoP(Coil-on-Plug): 각 실린더마다 점화 코일이 하나씩 올라간 독립 점화방식. 2000년대 후반 이후 판매된 신차는 대부분 이 방식이다. DIS(Direct Ignition System)라고도 부른다.
- 캠 포지션 센서(CPS): 전자제어 엔진의 점화시기를 결정하기 위해 캠의 회전각도를 검출하는 센서다.
5.1. 닌자 락스(Ninja Rocks)
점화 플러그로 자동차 유리창[12]을 쉽게 깰 수 있다. 정확히 말하자면 점화 플러그를 분해하면 나오는 세라믹 제질의 작은 돌조각을 통해 쉽게 유리창을 깰 수 있다. 덤으로 깨질 때도 소리가 작게 나기 때문에 금상첨화. 이 때문에 '닌자'라는 이름이 붙었다.원리는 강화 유리의 특성에서 유래한다. 강화 유리는 내부에 강한 힘을 항상 받고 있는 구조로 되어 있다. 따라서 한 점에서 일정한 크기 이상의 힘이 가해져 깨지기 시작하면 전체 유리창이 깨지게 되어 있다. 점화 플러그 속의 세라믹은 매우 강도가 높은 물질이며, 점화 플러그를 조각 내면 뾰족한 모서리가 생긴다. 점화 플러그를 유리창에 던질 때 점화 플러그 조각의 뾰족한 모서리 부분이 유리창에 닿으면 아주 작은 면적에 모든 힘이 집중된다. 즉, 힘은 작지만 큰 압력이 유리창의 한 부분에 전달된다. 이 압력으로 유리창의 한 점이 깨지면서 전체 유리창이 깨지게 된다.
서양의 창작물에서는 단골로 등장하는 소재이며, 이를 이용한 강도 사건은 최소 1995년부터 존재했다고 한다. 미국에서는 자동차 유리를 깨고 안의 물건을 쓸어가는 좀도둑이 극성을 부려서 경찰의 큰 경계 대상이다.
[1] 이때를 MBT 지점(Most advance for Best Torque-최대토크가 발생되는 최대진각) 이라고 한다. 실제로는 MBT 지점에서 점화시켰다가는 노킹이 발생하기 때문에 대부분의 양산차는 점화 타이밍을 이보다 조금 늦추며, 옥탄가가 높은 연료나 화염 전파 속도가 빨라 노킹이 일어날 여지를 주지 않는 점화 시스템을 사용할수록 MBT 지점에 가까운 빠른 타이밍에서 점화를 시작할 수 있어 효율이 높다.[2] 수평 대향 피스톤 엔진(박서엔진이 아니라 피스톤이 마주보고 움직이는 엔진, 옛날 영국 육군의 치프틴 전차가 이 형식의 엔진을 썼다)의 경우가 그 드문 예 중에 하나일 것이다.[3] 벤츠의 M112, 알파로메오의 트윈스파크 엔진들이 기통당 점화플러그가 두 개씩 들어갔다. 반켈엔진도 보통은 로터 하나당 점화플러그가 두 개씩 들어간다.[4] 이륜차의 경우엔 그 1/3 또는 절반 정도로 생각하면 된다. 기본적인 RPM 차이가 2~3배 나기 때문[5] 대부분 양극만 전술된 이리듐, 루테늄을 사용하고, 음극은 백금이 그대로 사용된다. 절연 파괴로 스파크를 튀기는 원리를 고려해보면, 루테늄 전극 플러그의 상대적으로 빠른 화염 전파 속도는 음극재인 백금과의 일 함수 차이가 크기 때문일 것이다.[6] 열가 수치는 제조사마다 다르게 표기하니 제조사별 열가호환표를 인터넷으로 검색하여 참고하여야 한다[7] 냉형 플러그가 필요한 차량에 열가가 낮은 열형 플러그를 끼울 경우. 플러그 끝부분의 열이 안 빠져나가 스파크를 안 튀겨도 혼합기에 불이 붙을 만큼 뜨거워져 버린다.[8] 열형 플러그가 필요한 차량에 열가가 높은 냉형 플러그를 끼울 경우. 카본 퇴적물이 타지 못해 쌓이다 결국 스파크가 안 튄다.[9] 현대기아차 같은 경우는 각도법으로 하라고 되어 있다[10] 2행정 엔진은 원래 오일을 같이 태우니 해당되지 않는다[11] 부품번호 8200168855. 그런데 해당 제품의 특성을 검색해보면 주요 특성은 절연이 아니라 산화저항이다. 코로나 방전의 절연이 아니라 산소에 의한 접점산화를 예방하는게 목적인듯하다. 해당 윤활제는 이베이 등에서도 찾기 힘든데 Krytox GPL 206 제품이 가장 비슷한 특성으로 보인다.[12] 강화 유리로 만들어지는 측면 한정. 다시 말해 앞유리창은 이걸로 못 깬다.