자동차 매카트로닉스-3

6.3 엔진 전장

 자동차에 필요한 전력은 엔진 출력의 일부로 발전시킨 것을 배터리에 충전시켜 비축해 두어 필요에 따라서 엔진, 조명, 계기 및 주거성 등의 각 계통에 분배되고, 여기서 소모된 전력은 엔진의 회전에 따라 반복하여 발전되어 발전기에 충전 보급되어 리사이클을 반복한다. 이상의 전기장치 중에도 가장 다량의 전력을 소모하고 또한 복잡한 전기계통을 가지는 것이 엔진 주위를 전장품이다.

 자동차 각부에는 여러 가지 전장품이 사용되고 있으나, 특히 엔진과 관련되어 있는 것을 엔진 전장 계통이라고 불러 구별하고 있다. 이 전장 계통을 더욱 세밀하게 분류하면 시동, 점화, 충전의 세 부분으로 갈라져 전기는 그 사이를 순환하고 있다.

 엔진 전장 중에도 가장 특징이 있는 것은 점화 계통으로 작은 전압을 천 배 이상의 고압으로 올려서 불꽃을 튀기고, 그것을 적절한 타이밍으로 각 실린더로 분류하는 시스템이라고 하는 것은 다른 일반적인 전기 제품이 도 볼 수 없는 것이다. 그 외에 ECU 등 주행 장치와 관련된 제어 장치도 있다.

1. 축전지

 자동차의 각 전기장치를 작동하는 전원으로서 축전지는 엔진을 시동할 때 혹은 엔진이 정지하고 있을 때에 각 전기장치에 전기를 공급한다. 축전지는 엔진이 작동되고 있을 때에는 충전장치에 의해서 항상 충전되도록 하고 있다. 현재 자동차에서 사용하고 있는 축전지에는 납(또는 납산) 축전지와 알칼리 축전지의 두 종류가 있으나, 자동차용으로는 납산 축전지를 주로 사용하고 있다.

1) 구성

 자동차용 납축전지는 상자형의 케이스를 여러 개의 방으로 나누고, 각 셀마다 극판, 격리판 및 전해액이 들어 있는 구조로 되어 있다. 극판은 해면상 납(Pb)으로 된 음극판(-)과 과산화납(PbO2)으로 된 양극판(+)이 있다. 그리고 양극판과 음극판이 서로 접촉하지 않도록 극판 사이에 끼워 놓은 다공성의 강화섬유, 미공 성 고무 및 합성수지로 된 절연판이다.

 전해액은 무색 무취의 묽은 황산액으로 축전지 내부의 화학작용을 돕고 극판 사이의 전류 전도를 한다.

 전해액의 비중은 축전지가 완전충전 상태일 때를 표준으로 일반지역에서는 1.27~1.29으로 하고, 열대지방에서는 1.23~1.25으로 한다.

2) 화학작용

 축전지의 +,- 양 단자 사이에 부하를 접속하여, 축전지에서 전류가 흘러 나가는 것을 방전이라 하고, 반대로 충전기나 발전기 등에서 축전지로 전류가 흘러 들어오는 것을 충전이라 한다. 축전지가 방전되었을 때에 양 극판은 백색의 황산납으로 변하고, 충전되었을 때에는 양극판은 갈색의 과산화 납이 되고, 음극판은 회색의 해면상 납으로 된다. 극판은 음극의 해면상 납과 양극의 과산화 납으로 된 두 전극 사이에서 전해액의 화학반응이 일어난다.

2. 점화장치

1)구성

 가솔린 엔진에서 점화장치는 전기적으로 불꽃을 발생시켜 연소실 내의 압축된 연료-공기 혼합기에 점화시키는 장치로서, 기본적인 구조로 축전지, 점화 스위치, 밸러스트 저항, 점화코일, 점화플러그, 배전기, 점화 케이블 등으로 구성되어 있다. 

2) 종류

 자동차용 엔진에 사용되는 점화장치는 고전압을 발생하기 위한 점화 코일의 1차 전류 단속방법에 따라 접점식, 세미 트랜지스터식, 풀 트랜지스터식, 축전기 방전식 점화장치 등으로 분류된다.

3) 첨단 점화 장치

 배전기 없는 점화장치는 점화 코일의 2차 전압을 점화코일에서 직접 점화플러그로 공급하는 방법으로 기계적인 전압 강하와 누전의 발생이 없으며, 로터와 외부전극 사이의 에어갭에 따른 고전압 에너지의 손실이나 전파잡음이 없다. 제어 방식에 따라 다이오드 분배식과 코일 분배식으로 구분되며, 코일 분배식은 점화코일의 배치에 따라 동시 점화 방식과 독립 점화 방식으로 분류된다.

 그리고 전자제어 점화장치는 엔진의 운전 상태에 따라 기준이 되는 점화시기를 미리 컴퓨터의 메모리에 기억시켜 두고 각 센서로부터 신호에 의해 엔진의 상태(회전수, 부하, 난기 상태)에 적당한 최적의 점화시기를 컴퓨터로부터 연산하여 결정하는 방식이다. 이것은 전자제어 연료분사 시스템 엔진에서 적용되고 있다.

3. 시동장치

 자동차의 엔진은 자력으로 시동할 수 없기 때문에 엔진을 시동하기 위해서는 외력을 이용하여 크랭크 축을 회전시켜 주어야 한다. 이일을 하는 장치가 시동장치이다. 자동차에서는 시동장치로 시동 전동기, 시동 스위치, 축전기 및 배선 등으로 구성되어 있다. 시동 전동기는 자석 사이의 도체에 전류가 흐를 때 프레밍의 왼손 법치에 따르는 방향으로 전자력이 발생되는 원리를 이용한 직류 전동기로써 직권 전동기를 사용한다. 시동전동기는 a. 회전력을 발생하는 부분(전동기 부분) b. 회전력을 엔진에 전달하는 부분(동력 전달 기구), c. 피니언을 섭동 시켜 크랭크 링기어에 물리게 하는 부분의 3 부분으로 구성된다. 

4. 충전장치

 충전장치는 자동차의 각 전기장치에 알맞은 전력을 공급하고, 또 축전지에 규정 용량으로 전력을 충전하는 장치이다. 발전기와 발전기 조정기로 구성되어 있으며, 엔진의 크랭크 풀리에 의해 V 벨트로 구동된다. 자동차용 발전기는 자체에 발생한 교류 전기를 직류로 바꾸는 정류 방법에 따라 직류(DC) 발전기와 교류(AC) 발전기의 두 종류가 있다. 현재 자동차에는 주로 교류 발전기가 사용되고 있다.

1) 직류 발전기

 직류 발전기는 전기자에서 발생한 교류전압을 정류지와 브러시를 사용하여 직류로 바꾸어 주며, 발생 전압은 저속 회전에서는 낮고, 고속 회전에서는 높아진다. 발전기 조정기는 역류방지를 위한 컷아웃 릴레이, 발생 전압을 일정한 충전 전압으로 유지하기 위한 전압 조정기, 발전기의 부하 전류를 제한하여 발전기의 소손을 방지하기 위한 전류 제한기를 사용한다. 현재는 자동차용으로 거의 사용되지 않는다.

2) 교류 발전기

 교류 발전기는 전자석을 형성하는 회전자를 회전시켜 하우징에 고정된 스테이터에서 전류를 발생시키고, 스테이터에서는 교류가 발생되어 정류기를 통하여 직류로 바뀐다. 교류 발전기는 소형 경량으로 출력이 크고, 고속 회전에 잘 견디며, 저속에서도 충전이 가능하다. 또한 발전기의 전기적 용량을 크게 할 수 있고, 컷아웃 릴레이 및 전류 제한기를 필요로 하지 않고 전압 조정기만 필요로 한다.

 교류 발전기의 구조는 스테이터, 로터, 슬립링, 브러시, 실리콘 다이오드로 구성되어 있다.

3) 조정기

 로터 코일에 흐르는 전류를 제어함으로써 발전기의 출력 전압을 일정하게 유지시키는 장치를 전압 조정기라 하며, 접점식과 트랜지스터식(반트 랜지 스터식, 전 트랜지스터식, IC 식)이 있다. 3상 중상점 검출식 전압조정기로 여자 릴레이와 전압 조정기가 일체로 구성되어 있다. 그리고, IC식 전압 조정기는 트랜지스터와 제너 다이오드를 이용하여 구동시키는 방식으로 트랜지스터나 다이오드 등의 전자 부품의 세라믹 기판 위에 집적시킨 형태이다. 일반 트랜지스터식보다 훨씬 소형으로 경량화할 수 있고, 전압조정의 정밀도가 높으며, 내구성이 우수하고 신뢰성이 높다.

5. 계기장치

 계기장치는 자동차의 운행상태를 나타내는 각종 정보를 표시하고, 운전자에게 알려 자동차를 안전하게 운행할 수 있도록 유도하는 장치로 다음과 같은 것들이 있다.

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