점화의 시기 (1부)

엔진 안의 아주 작은 불꽃의 씨앗, 화염 핵

연료와 공기가 혼합된 다음 높은 압력으로 압축되어 온도가 300 - 400도 정도로 올라가 있는 가운데 점화코일에서 만들어진 20,000 – 30,000 볼트의 전압이 점화 플러그의 전극에서 불꽃방전을 일으키면, 먼저 점화플러그의 전극사이에 아주 작은 “화염 핵”이 만들어진다.

그러나 맨 처음 만들어진 이 화염 핵은 아직 주위로 화염을 전파할 수 있는 힘이 없는 아주 작은 불꽃의 씨앗일 뿐이다. 그러나 수천 분의 일초의 시간이 지나면서 화염 핵이 자라나서 크기가 커지게 되면 드디어 주위에 분포되어있는 가연성의 혼합기로 아주 빠른 속도로 전파되어가기 시작하며 결국 실린더 안의 혼합기를 모두 연소 시킨다.

우리가 얘기하고 있는 왕복 운동형 엔진은 그 구조상, 힘을 가장 효율적으로 받을 수 있는 순간이 한정되어 있다. 운전석에서 자동차의 핸들을 돌리려 한다고 가정해보자. 그러면 핸들의 어느 위치에 손을 잡고 돌리는 것이 가장 적은 힘으로 돌릴 수 있을 것인가? 당연하게도 핸들의 중심에서 좌우측으로 가장 먼 곳을 잡고 돌리는 것이 힘이 가장 적게 들 것이다.

마찬가지로 엔진의 피스톤을 아래로 내리 미는데 있어서도 위의 그림에서 보는 최고의 폭발력을 내는 순간을 피스톤의 위치와 잘 조화시켜야 폭발의 힘을 가장 효율적으로 엔진의 회전력으로 흡수할 수 있게 된다. 즉, 엔진에서는 점화의 시기를 잘 조절하여 연료를 태우면서 발생하는 힘을 가장 효율적으로 피스톤에 전달해야 하는 것이다.

만일 점화의 시기가 너무 빨라 피스톤이 올라오고 있는 중에 점화 시킨다면 엔진을 돌리기는 커녕 돌고 있는 엔진을 멈추게 하거나 엔진에 심각한 손상을 입히게 할 수도 있으며 반대로 점화 시기가 너무 늦어서 이미 피스톤이 내려가고 있는 중에 점화를 시킨다면 그 폭발의 힘이 전혀 전달되지 않는 결과를 가져오게 될 것이다.

마음 같아서는 크랭크축이 실린더의 방향과 90도가 되어있는 순간에 순간적인 폭발을 일으키게 하는 것이 가장 좋겠지만 엔진의 구조상, 또 연소의 필연적인 과정상 그렇게는 불가능하고 대충 피스톤이 최고점(TDC)을 지나고 15도에서 20도 정도를 회전 했을 때 실린더 안의 연소압력이 최고가 되게 하는 타이밍으로 점화시기를 맞추어 주는 것이 가장 효과적이다. 자동차 제어를 담당하는 엔지니어들은 이 최적의 타이밍을 MBT (Minimum Advance for Best Torque)라고 부른다.

엔진의 효과적인 이용을 위하여 이 점화의 시기는 아주 중요한 사항이다. 만일 점화의 시기가 적절하지 못하면 연료는 엄청나게 먹지만 엔진이 뿜어 주는 힘은 보잘것없다거나 또는 엔진 안에서 연소가 고르게 일어나지 않아 심할 경우 엔진이 망가진다거나 하는 중대한 문제들이 발생할 소지가 있으므로 아주 중요하게 그리고 주의 깊게 다루어져야 할 분야이다.

(2부에서 계속됩니다...)