내연 기관 점화 플러그 전극 간극 변화에 따른 배출가스 특성에 관한 실험적 연구

1. 서 론

현재 양산되는 대부분의 차량 내연기관은 ‘흡입-압축-폭발-배기’의 4단계 과정을 1 사이클로 구성한다.^1,2) 이 과정에서 차량의 동력은 유일하게 ‘폭발’ 행정에 발생하게 되고, 이외의 과정은 관성 행정에 해당된다.^2-4) 즉, 폭발(Power) 행정은 화학적 에너지를 보유한 연료가 연소 과정을 통해 열 에너지로 변환되고, 이 열 에너지는 다시 피스톤과 크랭크 축 등의 기구적 장치에 의해 기계적 에너지로 변환되는 과정을 만들어 내는 핵심 과정이라고 할 수 있다.^5,6) 가솔린 기관에서 폭발 행정에 진입되기 위해서는 점화 불꽃을 만들어 내야 하는 하는데 점화 플러그(Spark plug)가 그 역할을 담당한다. 차량이 운행되는 전체 기간 동안 점화 플러그의 성능이 일정하게 유지되지 못할 경우 연료의 완전 연소 과정이 진행되지 못해 엔진의 출력(Torque)은 낮아져 연료 소비 효율이 감소하게 되고, 배출가스가 증가되는 부작용이 발생하게 된다. 차량 사용자는 엔진 오일, 오일 필터 및 에어 필터의 경우 주기적인 교환 작업을 진행하고 있으나^7,8) 점화 플러그의 경우 이 과정을 간과하고 있는 실정이다. 그 이유는 점화 플러그의 교환 주기가 오일과 필터류에 비해 5 ~ 10배 이상으로 월등히 길고, 교환 필요성에 대한 시장의 유지 보수 기술적 이해도와 공감대가 부족하기 때문이다. 1990년 초부터 30년간 개발한 엔진의 연비가 현재 시점에 개선되었다고 보기는 어렵다. 2000년부터 시작된 차량의 다양한 전장품들이 적용되며 엔진의 부화를 과중 시켰고, 높은 압축비(Compression ratio)를 통해 엔진의 출력을 높이는 과정에서 많은 부작용이 발생하기도 하였다.⁹⁾ 자동차배출가스 기준이 강화되며, 다양한 흡기 재순환 장치와 후처리 기술들이 개발되고 적용 되었다. 그러나 이들 각각 시스템들의 작동이 개입되는 운전 조건 제한적이므로 대부분의 교통체증이 발생하는 현시대의 도심 주행에 적합하지 않고 작동의 안전성 역시 미흡한 실정이다.^10,11) 다른 제품과 달리 자동차 소유자는 일정한 유지 관리를 통해 차량의 안정성 기준과 배출가스 기준을 의무적으로 준수해야 한다. 엔진의 폭발 행정을 위한 연소 불꽃을 생성하는 점화 플러그 역시 유지 관리를 통해 엔진의 출력 성능과 일정한 배출가스 유지가 가능해 진다. 앞서 발표된 많은 연구들의 경우 흡기와 배기 효율 향상 및 가변 기술, 압축비 증가 및 가변 기술, 배출가스 재순환 기술 및 친환경 연료 기술에만^12-14) 집중되고 있어 2,600여 만대가 넘는 기존 차량의 유지 관리 측면의 대안 기술이 되지 못하고 있는 실정이다.⁸⁾

따라서 본 논문에서는 사용자가 유지 보수 및 교환이 가능한 점화 플러그 전극 간극(Electrode gap) 변화에 따른 배출가스 특성 및 영향도를 집중적으로 분석한다. 양산된지 20년이 지난 가솔린 차량을 실험 차량으로 선정하였고, 점화 플러그 전극 간극은 경험치에 기반한 4단계로 변화시켜 가며, 일산화탄소(Carbon monoxide: CO)와 탄화수소(Hydrocarbon: HC)를 끝단 배기 장치에서 계측하여 분석하였다. 이번 연구 논문으로부터 점화 플러그 전극 간극 변화에 따른 배출가스 영향도를 결과로 확인할 수 있으며, 이를 통해 연식이 오래되고 운행 시간과 주행 거리가 긴 기존 차량을 대상으로 점화 플러그의 교환 필요성의 근거한 연구 논문 자료로 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

2. 점화 플러그와 배출가스 특성

점화 플러그의 구조는 Fig. 1과 같으며, 가장 상단에 터미널 존재한다. 터미널(Terminal)은 1차와 2차로 구분된 각각의 점화 코일과 연결되며, 12 V 배터리의 전압을 고전압으로 변환된 형태의 전기 에너지를 공급받게 된다. 절연체(Insulator)는 점화 플러그의 높은 전압이 절연될 수 있는 기능과 함께 엔진 블록에 장착되는 역할을 한다. 점화 플러그에 고전압이 유도되는 중심 전극(Center electrode)은 전기 불꽃을 발생하게는 역할을 담당하며 구리, 니켈 및 백금 등으로 소재로 만들어 진다. 접지 전극(Ground electrode)은 중심 전극과 전위차를 만들며 전기적 불꽃 방전을 발생하게 된다. 보통의 경우 두 전극은 0.5 ~ 1.5 mm 정도의 간극을 규정으로 한다.

Fig. 1

Basic structure of a spark plug

점화 플러그 터미널과 연결된 1차 점화 코일 전압은 약 300 ~ 400 V, 2차 점화 코일 전압은 10 ~ 30 kV까지 상승하며, 두 전극 간극(Electrode gap (g_e)) 공간에서 전위차를 만들어 내게 된다. 10 : 1 이상의 높은 연소실 압축비, 2,000 ~ 2,500 ^oC 수준의 고온과 높은 전위차의 열악한 환경의 원인으로 작동 시간이 누적되며 전극이 마모하게 되고, 전극 간극(g_e)은 넓어지게 된다. 두 전극 간격에 따른 발생 가능한 방전 전압(Discharge voltage)이 변경되는 이에 대한 경향성은 Fig. 2와 같다.

Fig. 2

Relationship of discharge voltage according to electrode gap

두 전극의 0.1 mm 차이는 수 천 V의 전압 차이를 만들어 낼 수 있으며, Fig. 2와 같이 지수적 비례 특성을 보인다. 자동차 운행 시간이 지속되며 전극은 마모되게 되고 두 사이의 간격은 넓어지게 된다. 규정값 보다 넓어진 간극에서 기존과 같은 점화 불꽃을 발생시키기 위해서는 기존의 전압보다 높은 전압이 필요로 하게 된다. 하지만, 차량에서 제공 가능한 전기적 에너지는 한정적 적인 만큼 점화 코일에 공급된 전압으로 점화 불꽃을 발생시킬 수 있는 만큼 전위차를 만들어 내지 못 할 경우 엔진의 부조 현상과 실화 현상을 일으키게 되어 결국 연료의 완전 연소를 진행하지 못하게 되는 주요 원인이 된다.

점화 플러그 전극 간극 변화에 따른 방전 전압의 관계는 식 (1)과 같이 정의할 수 있다. 식 (1)을 상세히 살펴보면 두 전극 간극이 규정 전극(g_s) 보다 넓어지게 되면 전극 방전 전압(V_dis)은 선형적 형태가 아닌 완만하게 증가되는 지수적 형태를 가지게 되는 것으로 정의된다.

여기서, V_dis : 전극 방전 전압, v_s : 규정 간극 조건에서 방전 전압, g_s: 규정 전극 간격, g_e→c : 변화된 전극 간극, k_v: 방전 전압 비례 상수를 의미한다.

엔진 출력(P_i)은 식 (2)와 같이 엔진 출력 토크 (T_i)와 엔진 RPM (n_i)에 의해 결정되며, 엔진의 회전 각속도(w_i)와의 관계은 식 (3)과 같이 정의할 수 있다. 또한 엔진의 출력 토크는 (T_i)는 온도 및 공연비 등에 의해 결정되게 되는데 이는 식 (4)와 같이 정의할 수 있다.

여기서, P_i : 엔진 출력(W), T_i : 엔진 출력 토크(Nm), g_s : 규정 전극 간격, t_c : 연소실 온도, p_c : 실린더 압력, λ_i :최적 공연비, r_t : 점화 시점을 의미한다.

이번 연구에서는 우리는 점화 플러그 전극 간격에 따른 엔진 출력 토크와 배출가스 영향도를 식 (5)와 같이 정의하였다.

여기서, $$ T_i^k$$ : 현재 엔진 출력 토크(Nm), $$ T_i^s$$ : 엔진 기준 출력 토크(Nm), t_s : 기준 연소실 온도, p_s : 기준 연소실 압력, $$ {\lambda }_i^k$$ : 현재 공연비, E_CO : 일산화탄소 기준 배출량, E_HC : 탄화수소 기준 배출량, k_g : 전극 간극 비례 상수, k_t : 연소실 온도 비례 상수, k_p : 연소실 압력 비례 상수, k_λ : 공연비 비례 상수, $$ k_e^{co}$$ : 일산화탄소 배출가스 비례 상수, $$ k_e^{hc}$$ : 탄화수소 배출가스 비례 상수를 의미한다.

식 (5)로부터 조건에서는 점화 코일에 충분한 전압이 공급되지 못할 경우 완전 연소가 진행되지 못하게 되어 엔진의 출력 토크는 감소하게 되고, 배출가스인 일산화탄소와 탄화수소 배출량은 증가하게 될 것이다. 이와 반대로 $$ \left(g_s-g_{e\to c}\right)>0$$ 조건일 경우 전극 간극이 좁아 연소 속도의 변화가 발생하게 되고, 연소실 압력의 불균형으로 이어져 엔진 출력 토크가 감소하는 현상과 함께 배출가스의 양도 증가되는 것으로 해석된다. 이번 실험 연구에서 우리는 점화 플러그 간극 변화에 따른 배출가스 발생 영향도를 집중적으로 검증하기 위해 엔진 출력 토크, 엔진 RPM, 공연비 및 온도 등의 조건은 일정한 값으로 유지한 상태에서 진행하였다.

2.1 실차 실험 환경 및 조건

점화 플러그 간극 변화에 따른 배출가스 특성 변화 실차 시험에 적용한 시험 차량은 20만 km 이상의 주행 거리가 있는 노후 차량을 대상으로 Idle 상태에서 실시하였다. OBD-II 스캐너(Scanner)를 통해 차량의 상태 데이터를 계측하여 일정한 실험 조건를 유지하였고, 배출가스 측정기를 사용하여 CO(%)와 HC(ppm)을 계측하였다. 실험 환경은 Fig. 3, 실험에 적용된 점화 플러그 전극 규정 간극과 차량 제원은 Table 1과 같다.

Fig. 3

Real vehicle test environment for spark plug gap

Table 1

Standard spark plug electrode gap and vehicle specifications

2.2 점화 플러그 간극 변화

점화 플러그 전극 간극은 필러 게이지(Feeler gauge)를 이용하여 1차 측정후에 마이크로미터(Micrometer)로 2차 측정하여 1 × 10^-6 m 단위 해상도의 확인 과정을 거쳐 진행하였다. 전극 간극의 변화의 정확성과 높은 재현성을 확보하기 위해 총 2차에 걸쳐 정밀성을 확보하였다. 이는 전극 간격을 인위적으로 넓이는 과정에서 발생할 수 있는 불규칙성을 최소화하기 위한 방안으로 고려되었다. 특히, 접지 전극의 경우 굵은 금속판의 형태가 사용되는 만큼 변화된 간극의 경우 상대적으로 짧은 실험 기간 동안 일정한 상태를 유지할 수 있다. 그러나 실제 엔진의 경우 사용 시간에 따라 플러그 전극 간극이 다양한 형태로 변화하게 되는데, 보통 기준 간극 대비 넓어지는 경향성을 보이고 있다. 내연기관에서 발생하는 모든 실제 작동 조건을 반영하는데 한계가 있는 만큼 우리는 사용 빈도에 따라 전극 간극이 넓어지는 조건만을 고려하여 실험을 진행하였다. 점화 플러그 전극 간극은 1.0 ~ 1.1 mm을 기준으로 0.5 mm 단위로 2.5 mm 까지 4단계 단위로 증가시켜가며, 총 15차례 반복 실험을 진행하였다. 이는 Fig. 4에서 확인할 수 있다.

Fig. 4

Test environment for spark plug electrode gap variation

3. 실험 결과

점화 플러그 전극 기준 간극(g_s)은 1.0 ~ 1.1 mm일 경우 CO(%)의 발생량은 Fig. 5와 같다. 중앙값(Median)은 0.02 %, 분위수(Quartile)는 0.02 %, 0.03 %로 확인되었다. 변화된 전극 간극(g_e) 은 1.5 ~ 1.6 mm 일 경우 CO(%)의 발생량은 중앙값은 0.06 %, 분위수 0.06 %, 0.07 %로 계측되었다. 이어 진행된 g_e = 2.0 ~ 2.1 mm 조건에서는 CO (%) 중앙값은 0.07 %, 분위수 0.0525 %, 0.08 %, 전극 간극이 가장 넓은 g_e = 2.5 mm 조건에서 CO(%) 중앙값은0.07 %, 분위수 0.05 %, 0.0775 %로 확인되었다. 모든 결과는 Figs. 5 ~ 8까지 확인할 수 있다.

Fig. 5

CO emission at a spark plug electrode gap 1.0 ~ 1.1 mm

Fig. 6

CO emission at a spark plug electrode gap 1.5 ~ 1.6 mm

Fig. 7

CO emission at a spark plug electrode gap 2.0 ~ 2.1 mm

Fig. 8

CO emission at a spark plug electrode gap 2.5 mm

점화 플러그 전극 간극 변화에 따른 CO(%) 발생량은 Fig. 9에서 확인할 수 있다. 전극 간극이 넓어 질수록 완전연소의 과정이 진행되지 못해 CO의 발생량이 증가되는 것을 확인할 수 있었고, 기준 간극 1.0 ~ 1.1 mm보다 2배 넓어진 2.0 ~ 2.1 mm부터는 CO(%)의 발생은 약 3.5배 증가한 상태로 배출가스 포화 상태에 진입하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 9

CO emission at a spark plug electrode gap variation

동일한 전극 간극의 넓이 변화로 HC(ppm)을 측정한 결과는 Figs. 10, 11과 같다. 기준 간극(g_s) 은 1.0 ~ 1.1 mm에서 HC(ppm)의 발생량은 Fig. 10과 같다. 중앙값은 0 ppm, 분위수는 0 ppm, 1 ppm로 확인되었다. 변화된 전극 간극(g_e) 은 1.5 ~ 1.6 mm일 경우 HC(ppm)의 발생량은 중앙값은 11 ppm, 분위수 10.0 ppm, 11.75 ppm로 계측되었다.

Fig. 10

HC emission at a spark plug electrode gap 1.0 ~ 1.1 mm

Fig. 11

HC emission at a spark plug electrode gap 1.5 ~ 1.6 mm

g_e = 2.0 ~ 2.1 mm 조건에서는 HC(ppm) 중앙값은 30 ppm, 분위수 27 ppm, 30.75 ppm, 전극 간극이 가장 넓은 g_e = 2.5 mm 조건에서는 CO(%) 중앙값은 45 ppm, 분위수 42.25 ppm, 46.75 ppm로 확인되었다. 이에 대한 상세결과는 Figs. 12, 13에서 확인할 수 있다.

Fig. 12

HC emission at a spark plug electrode gap 2.0 ~ 2.1 mm

Fig. 13

HC emission at a spark plug electrode gap 2.5 mm

점화 플러그 전극 간극 변화에 따른 HC(ppm) 발생량은 CO(%)와 다른 경향성을 보였다. 전극 간극이 넓어 질수록 HC 양은 지속적으로 증가되고, 기준 간극 대비 2배 이상 넓어진 조건에서도 이와 같은 현상은 지속되고 있음을 확인할 수 있었다. 엔진 Idle 상태, 기준 간극 조건에서 HC 배출은 미비했으며, 0.5 mm 단위로 간극을 넓여갈 경우 10 ~ 40배의 수준까지 포화되지 않은 상태로 배출량이 지속적으로 증가되는 것을 확인할 수 있다. 결과 그래프는 Fig. 14에서 확인할 수 있다.

Fig. 14

HC emission at a spark plug electrode gap variation

4. 결 론

이번 연구에서 우리는 토크 출력에 영향을 주는 온도, 압력, 공연비 및 배출 가스 관계식 제안과 함께 점화 플러그 전극 간극 변화에 따른 CO와 HC의 배출 가스 특성에 대한 실험을 진행하였다. 예상한 대로 간극이 넓어지며 불완전 연소의 원인으로 CO와 HC는 모두 증가되는 경향성을 보였다. 다만, 증가되는 경향성은 각각 다른 현상을 보였다. 차량의 Idle 상태에서 점화 플러그 전극 규정 간극 대비 50 % 넓어졌을 경우 CO의 배출량은 3.0배까지 증가되었고, 그 이상의 간극에 대해서는 추가적인 영향을 받지 않으며, 0.07 % 수준의 포화된 상태를 유지하는 것으로 확인되었다. HC의 경우 점화 플러그 전극 규정 간극 조건에서 배출되는 가스량은 미비했으나, 규정 간극 대비 50 %로 확장될 경우 배출 증가폭이 급상승하였고, CO와 달리 간극이 넓어질 수록 지수 함수의 형태로 지속적으로 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 이런 결과를 통해 점화 플러그 유지 및 교환의 필요성을 확인할 수 있었다. 향후 연구 계획으로는 차량 동역계 (Chassis dynamometer)를 이용하여 상경사 주행 상황, 엔진 과부화 및 부하 변동 조건과 함께 점화 플러그 전극 간극 조합에 따른 CO, HC 및 NOx의 배출량이 분석될 것이다. 여기는 운영 기간을 3단계로 세분화된 신차 및 노후 엔진이 포함될 계획이다.

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