배전기

배전기(distributor)

배전기(distributor)는 점화플러그에 점화용 고전압을 분배하는 장치이다. 불꽃 점화기관 내부에서 각 실린더의 점화플러그에 점화용의 고전압 펄스를 순차적으로 전달한다.

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상세

배전기는 자동차의 엔진 같은 불꽃 점화기관에서 실린더가 여러 개 있을 경우, 각각의 실린더에 점화용 고전압 펄스를 순차적으로 전달하는 역할을 하는 장치이다. 점화코일의 단속기에서 발생한 고전압 펄스는 배전기 중앙에 있는 배전자의 회전에 의해서 그 주위에 배치된 점화플러그의 단자에 질서 있게 차례로 전달된다. 전달법에는 접촉형과 비접촉형이 있다. 접촉형은 배전자의 회전팔 끝에 있는 탄소조각이 직접 단자 위를 미끄러지는 것이다. 비접촉형은 배전자의 끝과 단자의 사이에 약 0.5mm의 간극을 유지하는 것으로 많이 사용하는 방식이다.

발명 및 진화

미국인 발명가 아서 애트워터 켄트(Atwater Kent)는 전기 및 기계 기구에 빠져 있었다. 그의 공장은 바닥의 갈라진 틈이 너무 커서 쓰레받기가 필요 없을 정도였다. 그는 벌어들인 돈으로 자동차를 구매한 후 해당 차를 수리하면서 자신의 점화장치 개발에 대한 영감을 얻었다. 점화장치는 엔진의 필수 부품으로 점화코일은 자동차 배터리의 12볼트를 점화플러그의 불꽃을 생성하는 데 충분한 수천 볼트로 승압시키는 역할을 한다. 점화장치는 고전압 변압기처럼 작동하며, 메탈 코어 주변에 감긴 주 코일 및 보조 코일로 이루어져 있다. 주 코일은 보조 코일보다 적은 횟수로 회전하며 회로가 끊어지면 주 코일의 자기장이 사라진다. 코일의 고전압은 점화 플러그로 보내지기 전 실린더에 정확히 분배될 필요가 있다. 이것은 실린더마다 한 번씩 접촉하여 전기를 배포하는 회전 메커니즘으로 수행된다. 켄트는 자동차 점화 장치의 필수 요소인 이 메커니즘을 1907년에 생각해냈다 신뢰할 수 있는 최초의 배터리 작동 점화는 미국의 자동차 회사인 제너럴모터스(GM)의 자동차 부품회사인 AC델코에서 개발했으며 1910년 캐딜락(Cadillac)에 도입되었다. 이 점화는 찰스 케터링(Charles Kettering)에 의해 개발되었으며 당시의 경이로 여겨졌다. 애트워터 켄트는 AC델코와 경쟁하여 유니스파커(Unisparker) 점화 시스템을 발명했다. 20세기 말에는 엔진의 크랭크축 속도에 직접 시간을 맞추기보다는 엔진제어장치(ECU)로 완전히 제어되는 유도성 또는 용량성 전자점화를 위해 자동차 응용 분야에서 기계적 점화가 사라졌다.

구조 및 기능

배전기는 고압의 전기를 점화 코일로부터 받아 점화 순서대로 각 실린더의 점화 플러그에 전달하는 기능(배전부)과 엔진의 회전수와 부하에 따라 점화 시기를 조절하여 주는 역할을 하며(진각부), 1차 전류를 차단하여(단속부) 점화 코일에서 2차 전압을 발생시키도록 하는 기능을 하고 있다. 배전기는 캠축의 헬리컬 기어에 의해 구동된다. 인젝터 등을 사용하는 배전기는 크랭크각 센서에서 배전부까지로 되어 있다. 자동차에 탑재되는 기계식 배전기는 고전압 분배기구, 1차전류 단속기구, 배전기 구동축과 캠, 그리고 원심식 진각기구 등으로 구성되어 있으며, 배전기 하우징 외부에는 축전기와 진공식 진각기구가 설치되어 있다.

고전압 분배기구

고전압 분배기구는 캡과 로터로 구성된다. 배전기캡은 중앙에 중심전극, 그리고 외주에는 실린더수와 같은 수의 극편(segment)이 설치되어 있다. 중심전극과 배전기 로터 사이에는 스프링 장력이 작용하는 카본 핀(carbon pin)이 설치되어, 배전기캡과 로터의 접촉을 확실하게 한다. 그리고 로터 암(rotor arm)과 극편 사이의 공극(air gap, 약 0.3mm)은 로터 암 선단의 마모를 방지하고 스파크플러그의 불꽃을 더 강하게 한다. 고전압은 점화코일 → 고전압 배선 → 배전기캡의 중심전극 → 로터 → 공극(스파크) → 극편 → 고전압 배선 → 스파크플러그 중심전극 → 공극(스파크) → 접지전극에 전달된다.

1차전류 단속기구

1차전류 단속기구는 단속기, 단속기 판, 그리고 단속기접점 개폐용 캠으로 구성된다.

• 캠(cam) : 기관의 실린더수 만큼의 모서리를 가지고 있으며, 배전기 구동축에 의해서 구동된다. 캠의 회전속도는 4행정기관에서는 크랭크축 회전속도의 ½로, 2행정기관에서는 크랭크축 회전속도와 같은 속도로 회전한다. 캠은 회전하면서 일정 시간마다 단속기 암(arm)에 부착된 힐(heel)과 접촉, 단속기접점을 개/폐한다.
• 단속기(contact breaker) : 캠에 의해 개폐되는 접점스위치로서 단속기 암(breaker arm), 암 힐(arm heel), 접점(contact point), 그리고 암 스프링(arm spring)으로 구성되어 있다. 접점은 대부분 텅스텐 또는 텅스텐합금이며, 캠에 의해 열리고 암 스프링의 장력에 의해 닫힌다. 4행정 4기통기관이 6,000min－1으로 회전할 경우, 접점은 1분간에 약 12,000회 개폐되므로, 이는 진동수 200Hz에 해당된다. 따라서 암 스프링의 장력이 약하면 고속에서는 채터링 현상이 발생하게 된다. 채터링 현상이란 단속기 암의 관성에 의해 접점의 개폐시기가 달라지는 현상으로, 일종의 공진현상이다. 이를 방지하기 위해서는 단속기 암의 관성을 작게 하고, 암 스프링의 장력을 크게 함과 동시에 캠의 형상을 완만하게 하여 접점이 닫히는 속도를 느리게 하는 방법이 고려되고 있다. 그러나 암 스프링의 장력이 너무 크면, 캠과 암 힐(arm heel)의 접촉이 과대하게 되어 캠과 암 힐의 마모가 촉진된다. 그리고 단속기 접점에는 최대 5A 정도의 전류와 최대 500V 정도까지의 1차유도전압이 작용한다. 따라서 접점의 소손을 피할 수 없다. 캠과 암 힐의 마모, 그리고 접점의 소손은 점화시기와 캠각이 변화하는 원인이 되며, 동시에 점화코일에 충분한 에너지를 저장할 수 없게 된다.
• 드웰각(dwell angle) : 단속기 접점이 닫혀있는 기간 즉, 점화코일에 1차전류가 흐르는 기간을 드웰기간(dwell period)이라 하고, 그 사이 배전기 캠의 회전각을 드웰각이라 한다. 기관의 회전속도가 변화함에 따라 드웰기간은 변화하며, 그 기간이 아주 짧기 때문에 상대비교에 적당하지 않다. 따라서 드웰기간에 비례하면서도 회전속도에 관계없이 일정한 값으로 표시되는 드웰각이 상대비교에 주로 이용된다. 드웰각은 차종에 따라 다르며, 때로는 점화간격(γ)의 백분율(%)로 표시하기도 한다. 드웰각의 크기는 대략 0.55~0.6γ 정도이며, 접점간극과 접점 개폐시기에 영향을 미친다. 드웰각이 크면 접점간극은 작고, 드웰각이 작으면 접점간극은 크다. 접점식 점화장치에서 드웰각은 기관회전속도에 관계없이 일정하게 초기 조정된다. 그러나 사용함에 따라 캠과 힐의 마모, 그리고 접점의 소손에 의해 드웰각이 변화하게 된다. 따라서 접점식 점화장치에서는 필요하면 단속기를 교환하고, 정기적으로 드웰각을 수정해야 한다. 실제로는 접점간극을 조정하여 드웰각을 수정하고, 이어서 점화시기를 조정한다. 접점의 개폐를 확실하게 하기 위해서는 최소한의 접점간극이 필요한 데, 4기통기관에서는 0.3mm, 6기통기관에서는 0.25mm 이상이 되어야 하는 것으로 알려져 있다.

점화진각기구

진각기구에는 원심식과 진공식이 있으며, 이들이 동시에 또는 따로 따로 점화시기에 영향을 미치게 할 수 있다. 일반적으로 원심식과 진공식 진각기구는 서로 기계적으로 연결되어 두 기구의 진각량이 합산되어 점화시기를 변화시키도록 설계되어 있다.

• 원심 진각기구 : 기관의 회전속도에 따라 점화시기를 진각시킨다. 원심 진각기구는 원심추(centrifugal weight), 리턴스프링(return spring), 거버너 플레이트(governor plate), 그리고 캠요크(cam yoke)와 일체로 된 캠으로 구성된다. 기관의 회전속도가 일정 속도에 도달하면 원심추는 스프링장력을 이기고 바깥쪽으로 벌어지면서 캠요크를 구동축 회전방향으로 일정각도(α) 회전시키게 된다. 캠요크가 회전한 각도만큼 캠이 구동축 회전방향으로 회전하여 점화시기를 진각시킨다. 원심 진각기구는 대체로 전부하운전 시에 주로 작동된다.
• 진공 진각기구 : 스로틀밸브 근방의 진공도를 이용하여 점화시기를 변화시킨다. 스로틀밸브 근방의 진공도는 기관의 부하에 대응하여 변화하므로 결과적으로는 기관의 부하에 대응하여 점화시기를 변경시키는 것이 된다. 진공진각기구는 주로 부분부하에서 효과가 크다. 진공은 1개 또는 2개의 다이어프램 체임버에 의해서 측정된다. 부하수준이 낮을수록 잔류가스의 양이 증가하여 혼합기는 희박해진다. 따라서 혼합기의 연소속도가 낮아지므로 점화시기를 진각시켜야 한다. 기관의 부하가 감소함에 따라 스로틀밸브 상부의 진공도가 증가하므로, 진공진각 유닛의 진공도 역시 증가한다. 진공도가 증가함에 따라 다이어프램은 우측으로 이동하면서 단속기판을 캠의 회전방향과 반대방향으로 회전시켜, 점화시기를 진각시키게 된다. 이 경우엔 스로틀밸브 하부의 진공이 이용된다. 공전 또는 오버런할 때와 같은 경우에 배기가스 상태를 개선시키기 위해서 진공지각유닛을 작동시켜 점화시기를 지각시키게 된다. 스로틀밸브가 거의 닫힌 상태에서는 진각체임버에는 대기압이 작용하고, 지각체임버에는 부압이 작용한다. 따라서 단속기판을 캠의 회전방향과 같은 방향으로 회전시켜, 점화시기를 지각시키게 된다. 지각시스템은 진각시스템에 종속되어 있다. 따라서 부분부하 상태에서는 진공이 두 체임버에 동시에 작용하지만 진각유닛의 다이어프램이 지각유닛의 다이어프램보다 더 크기 때문에 점화시기는 진각된다.

참고자료

• 〈배전기 ( distributor,配電器 )〉, 《두산백과》
• 〈배전기〉, 《위키백과》
• 〈배전기 ( distribuotr )〉, 《자동차용어사전》
• 잭 챌리너, 〈죽기 전에 꼭 알아야 할 세상을 바꾼 발명품 1001 - 배전기〉, 《마로니에북스》, 2010-01-20
• 김재휘 교수, 〈최신자동차공학시리즈: 자동차가솔린기관(오토기관) - 접점식 코일 점화장치의 구조 및 기능〉, 《도서출판 골든벨》, 2012-09-03
• 형이야, 〈(자동차의 구조와 이해) 타이밍벨트에 대한 총체적 조사분석기타레포트〉, 《네이버 블로그》, 2018-12-03

같이 보기

• 엔진
• 점화플러그
• 실린더

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