[엔진] 엔진 신기술 - 코로나 이그니션

혼합기를 플라즈마로 만들어 점화시키다.

 

업이 업이다 보니 아직 내연기관 쪽에 관심이 더 많은 듯 합니다. 이번 포스팅의 플라즈마 이그니션도 가솔린엔진에 적용되는 최신 기술 중 하나입니다. 

우선 가솔린 엔진이 전기점화 방식을 사용하는건 아실 겁니다. 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 폭발시키는 방법으로 기체에 불꽃을 튀기는 방법이지요. 이는 라이터의 그것과 흡사 비슷하여, 스파크 플러그(점화플러그)라는 점화장치가 부싯돌 역할을 담당합니다.

출처 : hdabob.com

출처 : www.omnitekcorp.com

출처 : en.wikipedia.org

 

스파크 플러그에는 전극간 작은 공간이 있어 그 틈사이에서 불꽃이 발생하게 됩니다. 전극 한쪽에 높은 전압이 걸리면 다른 한쪽 전극으로 전자가 이동합니다. 

출처 : www.highperformancepontiac.com

보통 최고 40KV 이상의 고전압이 사용되는데 이는 가정용 전압인 200볼트의 약 200배 가량의 크기입니다. 실린더 내에 연소열, 압력에 고전압을 견디어 내야 하다 보니 정기적으로 갈아주어야 하죠. 엔진오일과 함께 사용되는 대표적인 소모품이기도 합니다. 

소모품 교환주기 (니켈알로이 사양은 3만km - 쉐보레 홈페이지)

 

출처 : www.pawlikautomotive.com

그런데 최근 개발되고 있는 점화장치들에 스파크 플러그가 사라지고 있습니다. 플라즈마 이그니션으로의 대체를 시도하고 있는 중이지요.

 

출처 : lotusproactive.com / 사진내 기재 (Federal Mogul)

내연기관의 발전은 더 적은 연료로 더 큰 힘을 낼 수 있게 발전하는 중입니다. 연비를 좋게 하면서도 고성능이 되어야 합니다. 터보차져가 대표적인 사례가 되겠군요. 결국은 더 희박한 연료로 더 많은 일을 할 수 있도록 만들어야 잘 팔 수 있습니다.

 

출처 : link.springer.com

희박한 연료라. 린번 조건에서는 화염전파가 기존의 조건보다 열악하기 때문에 플라즈마 방식을 사용하겠다는 소리인데요. 연료가 부족하니 불붙는 속도가 늦다 정도로 보시면 됩니다. 이를 해결한 방법이 플라즈마 - 기체에 고압을 걸면 순간 이온화가 되는 원리 - 를 사용하는 겁니다. 

출처 : hdabob.com

기체가 플라즈마 상태가 되면 연소가 보다 쉬워지게 되는데 기체의 전자가 자유롭게 돌아다니기 때문입니다. 정확히는 더 빨라진다고 표현해야 겠군요. 50 μsec 의 점화시간이 nsec, 나노초 단위로 바뀐다고 알려져 있습니다. (전체 연소까지는 3,000 μsec ) 플라즈마 상태를 활용하여 희박연소로 인한 연소지연 문제를 해결하는 컨셉입니다.

출처 : contemporarychemistry.com

(좌:플라즈마, 우:컨벤셔널) 출처 : pulsedpower.usc.edu

효율이라는 측면에서도 (같은 공연비 조건이라면) 플라즈마가 기존 스파크플러그 보다 약 10% 정도 연료절감 효과가 있는 것으로 보고 있습니다.

 

벗뜨...좋은 시스템이 도입이 되지 않는건 문제가 있기 때문이겠지요? 

우선 시스템의 가격이 비쌉니다. 일반 점화시스템보다 약 두 배의 전압이 필요합니다. 코일의 크기가 커지고 비싼 소재를 사용할 수 밖에 없지요. 

출처 : www.motortrend.com

기존 시스템을 대체하기 위해서 패키지 문제도 중요한데, 현재의 기술로는 같은 사이즈의 플라즈마 시스템 개발이 힘든 편입니다. 현재 코일의 자리에 바꿔끼울 수 없으면 실린더 헤드 설계를 변경해야 합니다. 아무래도 선뜻 적용하기 껄끄럽습니다.

 

출처 : www.popularhotrodding.com

출처 : www.convoyautorepair.com

가솔린 압축착화 같은 기술도 걸림돌입니다. 이미 가솔린을 이그니션 시스템 없이 압축만으로 점화시키는 방법이 있습니다. GDCI/HCCI 라는 엔진이지요 (포스팅 클릭) 필요없어진 시스템에 천문학적인 비용을 굳이 들일 필요가 없어진 겁니다. 

아니 내연기관의 존재기반 이 희박해지는데 이그니션이 문제겠습니까. 이런 걸림돌들 때문에 플라즈마 점화의 적용은 늦어지고 있는 중입니다. 

출처 : www.dieselpowermag.com

아마 전기차가 등장하면 어떻게 될 지 모르는 플라즈마 점화방식. 가솔린엔진의 연비개선에 대표적인 사례가 아닐까 합니다. 조만간 만나 볼 수 있으면 좋겠네요.

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