엔진은 어떻게 점화되었는가? 점화 플러그와 마그네토가 잊혀진 이야기

점화 시스템은 내연기관 실린더 내의 연료-공기 혼합물이 압축된 후 이를 점화하는 역할을 담당하는 하위 시스템입니다; 점화 플러그에서 제어된 불꽃을 만드는 이 장치가 없으면 4행정 사이클은 완성될 수 없습니다. 1860년 Étienne Lenoir의 엔진부터 오늘날의 coil-on-plug 방식에 이르기까지 150년이 넘는 역사는 사실 하나의 문제에 대한 해결 이야기입니다: 정확한 순간에, 충분한 전압으로, 신뢰할 수 있게 불꽃을 만드는 것.

불꽃 문제와 함께 태어난 엔진: 최초의 점화 플러그와 Lenoir

내연 피스톤 엔진의 최초 사례는 태어나기도 전에 점화 문제를 함께 안고 있었습니다. 1860년 Étienne Lenoir는 자신의 이름을 딴 가스 엔진에서 전기 점화 플러그를 사용했으며, 점화 플러그의 발명은 일반적으로 그에게 돌려집니다. 이 시스템은 원리적으로 오늘날의 것과 놀랄 만큼 유사했습니다: 고전압 전기가 점화 플러그의 전극 사이의 공기 틈을 뛰어넘으며 불꽃을 만들어냈습니다. 점화 플러그를 사용하는, 즉 스파크 점화(spark-ignition)라는 개념은 결코 변하지 않았습니다; 기본 작동 원리는 150년이 넘도록 동일합니다.

점화 플러그의 상업적 성숙으로 가는 길에서 두 번째 이름이 부각됩니다: Frederick Richard Simms. Simms는 내연기관용 마그네토에 관한 GB 24859/1898호 특허의 소유자였으며, 최초로 상업적으로 실행 가능한 고전압 점화 플러그를 발명한 사람으로 알려져 있습니다. 같은 해 Bosch와 협력을 시작한 것은 우연이 아니었습니다; 점화 플러그가 작동하려면 그 뒤에 신뢰할 수 있는 고전압 공급원이 필요했고, 그 공급원은 마그네토에서 찾아지게 됩니다.

점화 플러그 발명의 공로는 오늘날까지도 논쟁의 여지가 있습니다. Lenoir가 일반적으로 인정받는 이름이긴 하지만, 전기 점화 플러그가 Oliver Lodge에 의해 발명되었다는 기록도 있습니다; Edmond Berger의 이름도 거론됩니다. 커패시터 방전 점화(CDI)의 기원은 1890년대 Nikola Tesla의 연구까지 거슬러 올라갑니다. 공학사의 대부분 분야에서 그렇듯이, 여기서도 단일한 이름 대신 서로를 보완하는 여러 기여를 말하는 것이 더 타당합니다.

마그네토 시대: 배터리 없는 불꽃과 Bosch의 부상

자동차의 초기 몇 년 동안 오늘날 우리가 이해하는 의미의 전기 설비는 거의 없었습니다; 배터리를 운반하는 것은 무겁고, 비싸고, 신뢰할 수 없었습니다. 마그네토는 이 공백을 메웠습니다: 자신의 회전으로 전기를 생산했기 때문에 배터리 없이도 불꽃 펄스를 제공했습니다. Robert Bosch는 1887년에 고정용 엔진을 위한 최초의 마그네토 점화 장치를 생산했습니다; 1897년에 마그네토 점화가 차량에서 시험되기 시작했고, 양산은 1898년에 시작되었다. 이 시점부터 보쉬는 자동차에 마그네토 점화를 공급하는 사실상 유일한 신뢰할 만한 제조업체로 자리 잡았다.

결정적인 도약은 1901년 말에 이루어졌다. 보쉬의 기술 책임자 고틀로프 홀놀트가 슈투트가르트 공장에서 세계 최초의 고전압 마그네토와 이에 함께하는 점화 플러그를 개발했다. 이 두 가지는 자동차의 배터리 필요성을 없애고 점화 플러그를 진정으로 실용적인 것으로 만들었다. 약 1902년경 보쉬는 고정 점화 플러그와 실린더 외부 접점 차단기를 갖춘 이중 코일 마그네토를 선보였다. 1914년 이전의 해 동안 보쉬 마그네토는 시장에서 결정적인 위치였다; 당시의 과학 출판물들도 마그네토 점화와 코일 점화 사이의 선택 논의를 상세히 다루고 있었다.

고전압 마그네토는 점화 플러그에 고전압 펄스를 보내는 마그네토-변압기 결합체로 정의된다. 오늘날에는 주로 배터리 없는 엔진 - 잔디 깎는 기계, 전기톱 - 과 현대 피스톤 항공기에서 여전히 사용되고 있다. 한 기술이 자동차에서는 물러나고 항공에서는 표준으로 남아 있다는 것은 그것이 얼마나 튼튼한 기반 위에 세워졌는지를 잘 보여주는 지표다.

트렘블러 코일: 모델 T와 벤츠가 선택한 길

마그네토만이 유일한 길은 아니었다. 1886년 벤츠 특허 모토바겐 과 1908년 포드 모델 T는 트렘블러 코일이라 불리는 시스템을 사용했다. 이 방식에서는 코일에 접점 차단기 메커니즘으로 단속적인 전류가 공급되어 흔들리고 끊긴 불꽃이 만들어졌다. 모델 T에서는 네 개의 실린더 각각에 별도의 트렘블러 코일이 있었다; 간단하고 수리가 쉬우며 배터리로 작동할 수 있는 해결책이었다. 당시 차량들을 살펴보면 두 가지 주요 학파가 보인다: 배터리 없는 마그네토 진영과 트렘블러 코일 진영이다. 어느 쪽이 승리했는지라는 질문의 답은 다음 장의 발전으로 명확해졌다.

케터링 시스템: 배전기는 왜 반세기 동안 충분했는가?

찰스 F. 케터링은 1910년경 배터리-코일 점화 시스템 - 델코 시스템으로 알려진 구성 - 을 개발했다. 이 시스템은 네 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있었다: 점화 코일, 접점 포인트, 콘덴서, 그리고 배전기. 단일 코일이 저전압을 고전압으로 승압했고, 그 전압은 배전기 내부의 로터 암으로 올바른 점화 플러그에 전달되었다. 이 시스템은 처음으로 1912년 캐딜랙 자동차에 도입되었다; 자료들마다 개발 연도가 1910년, 1911년, 1912년으로 다르게 언급되지만, 1912년 캐딜랙 도입이 가장 일관된 연대기이며, 1912년에 배전기 기반 시스템이 처음 사용되었음을 가리킨다.

케터링 시스템이 승리한 이유는 공학적 우아함이 아니라 저렴함과 상대적인 단순함이었다. 이 두 가지 특성이 수십 년 동안 그것을 자동차 산업의 일차 점화 시스템으로 만들었다. 1912년 캐딜랙 모델 서티부터 시작된 접점식 배전기 구성은 1970년대 중반까지 자동차 대다수에서 일차 시스템으로 남아 있었다.

이 시스템의 한계도 처음부터 분명했다. 기계 장치는 점화 플러그에서 약 10,000볼트 를 생성할 수 있었습니다; 부하와 회전수 조건이 변할 때 유연성이 제한적이었습니다. 점접촉점은 기계적 마모, 산화, 접촉면에서 발생하는 스파크로 인한 소손에 노출되었습니다; 정기적인 조정이 필요했고 비효율적인 스파크를 초래할 수 있었습니다. 즉, 시스템은 작동했지만 엔지니어링 측면에서 한계가 낮았고, 이 한계가 전자 점화의 문을 열었습니다.

포인트에서 트랜지스터로: 전자 점화로의 전환

전환은 생각보다 이르게 시작되었습니다. 최초의 전자 점화 시도는 1948년 음극 방전형 장치로 Delco-Remy에 의해 테스트되었습니다. Lucas는 1955년 트랜지스터 점화를 선보였고, 이 시스템은 1962년 BRM과 Coventry Climax 포뮬러 1 엔진에 사용되었습니다 - 새로운 기술은 늘 그렇듯 먼저 레이스 트랙에서 시작되었습니다. 양산으로의 여정은 다음과 같이 진행되었습니다:

• 1963년: Pontiac는 선택 사양으로 전자 점화(Delcotronic)를 제공한 최초의 자동차 제조사가 되었습니다; 같은 해 Hyland Electronics가 최초의 상용 완전 솔리드 스테이트 SCR 커패시터 방전 점화를 생산했습니다.
• 1964-65년: Ford는 플릿 테스트를 실시했고 일부 모델에 선택 사양 전자 점화를 제공하기 시작했습니다; 애프터마켓 측에서는 Prest-O-Lite CD-65(50,000마일 보증)와 Delta Mark 10이 출시되었습니다.
• 1967-68년: Motorola는 브레이커리스 CD 시스템을 선보였습니다; Fiat Dino는 전자 점화를 기본으로 장착한 최초의 양산 자동차가 되었습니다.
• 1971-75년: Jaguar XJ Series 1에 이어 Chrysler, Ford, GM이 잇달아 도입했습니다; GM의 HEI 시스템은 1974년 말 일부 차량에 도입되었습니다.

1970년대 중반 점접촉점이 트랜지스터로 교체되기 시작할 때 점화 전압은 약 20kV까지 상승했습니다 - Kettering 시스템의 10,000볼트 한계의 두 배입니다. 디스트리뷰터 자체는 한동안 더 살아남았습니다; 배분 역할은 계속 수행했지만 타이밍은 이제 기계적 추 대신 전자 두뇌가 결정했습니다. 디스트리뷰터는 1980년대와 1990년대에 대부분 전자 점화 시스템으로 대체되었습니다; 컴퓨터 제어 장치는 더 정밀한 타이밍과 훨씬 적은 정비를 제공했습니다.

디스트리뷰터의 은퇴: 코일 온 플러그와 직접 점화

배분 논리의 해체는 1980년대 중반에 시작되었습니다. GM은 디스트리뷰터와 단일 코일을 없애고 각각 두 실린더에만 공급하는 멀티 코일 팩으로 전환하기 시작했습니다; 이 장치에서 전압은 100,000볼트 까지 올라갈 수 있었습니다. 하나의 코일로 두 실린더를 관리하고 그중 하나가 낭비 스파크(wasted spark)로 알려진 이 방식은 디스트리뷰터리스 점화의 최초의 실용적인 형태 중 하나가 되었습니다. Nissan의 NDIS(Nissan Direct Ignition System)라는 이름의 시스템이 처음으로 1985년 RB20DET NICS 및 CA18DE NICS 엔진에서 등장했습니다.

1990년대부터 코일 온 플러그 방식이 보편화되었습니다: 각 점화 플러그 위에 직접 코일이 장착되며, 고전압 케이블과 디스트리뷰터 로터는 완전히 사라집니다. 덴소(DENSO)는 1996년에 자동차 업계 최초의 컴팩트 스틱형 점화 코일을 개발하여 오늘날의 실린더 헤드 환경을 확립했습니다. 현대 엔진에서는 ECU가 점화와 연료 분사를 포함한 다양한 엔진 기능을 하나의 장치로 제어합니다 - 이전 시대의 분리형 시스템과는 정반대의 아키텍처입니다. 점화는 이제 독립적인 하위 시스템이 아니라 엔진 관리의 하위 집합입니다.

점화 시스템은 오늘날 어디에 있는가? 경계와 논쟁

점화플러그 발명의 주인공만큼이나, 클래식카 세계의 포인트-전자식 논쟁도 여전히 활발합니다. 기술적인 면은 명확합니다: 점화 포인트는 마모되며 조정이 필요하고 비효율적인 스파크를 발생시킬 수 있습니다. 반면 클래식카 오너들 사이에서는 "잘 관리된 포인트 위에 일반 전자식 점화를 얹는 것은 이득이 없다"는 견해가 널리 퍼져 있으며, 실제로 타당한 경우도 있습니다; 전자 부품의 수리 비용이 더 높을 수 있다는 점도 사실입니다. 케터링 시스템의 개발 연도에 관한 자료 간 차이와 마찬가지로, 여기서의 의견 차이도 측정의 정의보다 사용 맥락에서 비롯됩니다: 일상 사용과 콩쿠르 수준의 오리지널리티는 서로 다른 요구 사항입니다.

미래에 관해서 2013년 평가들은 스파크 점화와 압축 점화가 한동안 우세를 유지할 것으로 예측했습니다. HCCI(균질 압축 점화) 엔진은 가솔린으로 작동하면서 주행 조건에 따라 두 점화 모드 간에 전환할 수 있으며 효율성을 디젤 수준에 가깝게 끌어올릴 수 있습니다; 이는 오늘날에도 여전히 대체로 이론적인 틀입니다. 한편 클래식카 시장에서는 123ignition 같은 마이크로프로세서 기반의 블루투스 탑재 현대식 디스트리뷰터가 케터링 외관을 유지하면서 현대적인 신뢰성을 제공합니다 - 과거의 미학이 오늘날의 전자 기술과 화해된 상태입니다.

결론: 같은 스파크, 변화하는 아키텍처

점화 기술의 160년 곡선은 세 가지 숫자로 요약됩니다: 케터링 구조의 10,000볼트, 전자 전환의 20,000볼트, 그리고 코일온플러그의 100,000볼트. 목적은 결코 변하지 않았습니다; 변한 것은 스파크를 생성하고 타이밍을 맞추는 아키텍처가 기계식에서 고체 상태로 진화했다는 점입니다. 마그네토에서 디스트리뷰터로, 디스트리뷰터에서 점화플러그당 코일로 이어진 길은 자동차 공학의 전반적인 이야기를 그대로 축소한 모습입니다: 덜 마모되는 부품, 더 많은 제어, 더 높은 전압.

출처

• Ignition system
• Spark plug
• Ignition magneto
• 1886-1905: 첫 워크숍에서 공장까지
• Bosch 자동차 - 제품의 역사
• Bosch의 마그네토 점화 장치가 점화 플러그를 가능하게 한 방법
• 점화 장치의 진화
• DENSO가 조명하는 점화 코일의 진화
• 포인트에서 정밀 기술로: 점화 시스템의 한 세기
• 전자식 점화
• 자동차용 마그네토 점화와 코일 점화
• Frederick Richard Simms
• Étienne Lenoir
• 전자식 점화 배전기의 이해
• 오래된 자동차의 포인트 방식 대 전자식