스파크 플러그의 고장 유형

 실화의 직접적인 원인에 되기도 하는 스파크 플러그의 고장 유형을 빈번히 발생하는 순서로 차례로 설명하겠습니다. 스파크 플러그는 점화플러그와 동일한 용어이고 둘 다 일반적으로 사용됩니다.

스파크 갭 증가

스파크 플러그 갭은 고전압을 공급받는 단자로부터 이어지는 (+) 전원의 중심 전극과 엔진 헤드에 접지(-)된 금구 부에서 돌출된 외측 전극의 간극을 말합니다. 스파크 플러그의 마모는 방전 마모와 산화 마모로 나뉘고 항상 커지는 방향으로만 진행됩니다. 만약 스파크 플러그 갭이 줄었다면 취급 부주의로 인해 외측 전극이 찍혀서 줄었다고 예상할 수 있습니다. 갭이 증가하면 두 전극 사이의 저항을 커지고 절연파괴를 위한 요구 전압이 증가하고 만약 점화코일이 충분한 전압을 공급하지 못하는 경우 방전이 일어나지 않고 실화(Misfire)가 발생합니다.

방전 마모

커패시터(Capacitor)에 전원을 인가한 상황을 생각해 보면 커패시터는 얇은 판이 떨어져 있는 상태로 양단에 전압은 형성되지만 전류는 흐르지 않습니다. 하지만 점점 전압을 높여 특정 전압을 넘어가면 전자들이 튀어 나가면서 전류를 발생시켜 방전이 일어납니다. 스파크 플러그도 완전히 동일한 과정이 진행됩니다. 공기와 같은 고저항을 뛰어넘기 때문에 불꽃 형태로 방전이 일어나고 흔히 불꽃 방전이라 부릅니다. 방전이 일어나면서 필연적으로 중심 전극과 외측 전극을 조금씩 파먹게 되고 간극이 벌어지고 전극 사이의 저항은 증가합니다. 방전에 강건화하는 방법으로 귀금속을 사용하는데 중심 전극은 일반적으로 이리듐을 많이 사용하고 외측 전극은 니켈 합금 모재에는 백금 팀을 용접합니다. 

산화 마모

 금속 재질은 종류에 따라 정도는 다르지만 공기 또는 물속에서 표면이 산소와 반응하여 산화 발생합니다. 일반적으로 부식된다고 표현합니다. 빈번히 폭발이 일어나는 실린더 내부는 온도가 250°C ~ 1,000°C  사이에서 형성되는데 이런 고온 조건에서는 금속의 산화가 가속되고 귀금속 사용으로 상대적으로 산화가 빠르게 진행되지 않지만 산화 마모는 지속해서 진행되고 결국에는 갭이 증가합니다. 

옆면 방전

스파크 플러그의 갭이 점점 증가하면 불꽃이 점점 튀기 어렵게 됩니다. 전기는 항상 저항이 작은 쪽으로 흐르려는 성질이 있습니다. 중심 전극과 금구부 가장자리 부근 저항이 스파크 플러그 갭보다 작아지는 시점이 오면 그곳으로 불꽃이 튀기 시작하는데 이것을 옆면 방전이라 부릅니다. 옆면 방전은 불꽃이 형성되기는 하지만 의도한 곳보다 높은 위치에서 불꽃이 발생하여 화염 시작점이 피스톤을 기준으로 보았을 때 멀리 떨어져 있습니다. 그리고 화염이 전파되는 과정에서 튀어나온 중심 전극과 외측 전극이 화염 전파를 방해하는 구조물로 작용하여 화염이 약해지고 화염 전파 속도는 상당히 늦어지게 됩니다. 정확하게 말하면 옆면 방전 방전은 엄연히 불꽃이 형성되고 화염이 퍼져나가기 때문에 실화는 아닙니다. 하지만 필요한 때에 정확한 힘이 전달되지 않기 때문에 실화와 유사하게 주행 중에 울컥거림의 현상이 발생할 수 있습니다. 

플래시 오버(Flash Over) 발생

 스파크 플러그에서 플래시 오버는 노출부 절연체 표면을 따라 방전이 되는 현상입니다. 스파크 플러그 갭이 증가하여 방전을 위한 요구전압이 높아지는데 금구부와 단자부 사이의 방전 요구전압이 상대적으로 작아지는 경우 플래시 오버가 발생합니다. 실린더는 기본적으로 고온 고압 조건으로 실린더 외부의 상온 대기압 조건보다 방전이 상대적으로 어려운데 스파크 플러그 갭으로 만회하고 있습니다. 그래서 갭이 증가할수록 플래시 오버가 쉽게 발생하는 조건으로 급격히 변하게 됩니다. 플래시 오버가 발생하면 스파크플러그 노출부 절연체에는 금이 간 것 같은 무늬가 나타나고 스파크 플러그 깨지므로 보고되는 경우가 많습니다. 실제로는 플래시 오버 흔적을 제거하면 스파크 플러그는 정상으로 돌아옵니다. 플래시 오버 무늬가 생기고 점점 진해지면 그것이 전류 통로 역할을 하여 절연의 기능을 완전히 상실하고 당연히 스파크 플러그 갭에서 불꽃이 생성되지 않아 실화가 지속해서 발생한다. 

실린더 내부에 있는 절연체를 발화부 절연체라고 하고 실린더 외부에서 점화코일과 결합하여 있는 절연체를 노출부 절연체라고 합니다.

카본 오손

 스파크 플러그의 발화부 절연체에 연료가 연소하고 남은 탄소 성분이 붙게 되는 것을 카본 오손이라고 합니다. 절연체의 역할은 말 그대로 전기가 통하기 어렵게 만드는 것입니다. 하지만 탄소 성분은 통전이 쉽게 발생하게 하여 절연력을 약화시킵니다. 방전은 금속 성분의 전극 사이에서 일어나야 하는데 카본 오손이 되면 절연체가 금속처럼 성질이 바뀌고 금구부와 방전을 일으킵니다. 카본 오손에 의한 방전은 스파크 플러그 깊숙한 곳에서 일어나서 화염이 전파속도가 옆면 방전보다 훨씬 느리고 차량에서 울컥거림 현상이 더 심하게 발생합니다.

카본 오손의 해소

절연체에 붙어 있는 카본은 400°C부터 조금씩 날아가고 600°C 이상에서는 완전히 사라집니다. 약 70km/h 이상의 속도로 30분 정도만 주행해도 카본은 다 날아갑니다. 카본 오손이 쉽게 생기는 주행 패턴은 아래와 같습니다.

•  잦은 저속 주행
• 가고 멈추는 주행이 많은 시내 주행
• 아이들 방치가 많은 택시, 경찰차, 견인차
  
  

스파크 플러그 녹아 내림

프리 이그니션(Pre-igniton) 등 비정상적인 연소에 의해 급격하게 실린더 온도가 높아지는 경우가 있습니다. 중심 전극과 외측 전극은 1,000°C 가 넘어가는 시점부터 급격하게 산화 마모가 진행되고 약 1,300°C를 넘어가면 녹아서 흘러내리고 기능을 완전히 상실합니다. 

절연체 파괴

취급 부주의

 스파크 플러그 절연체는 산화규소 성분이 조밀하게 모여 있는 집합체이고 쉽게 말해 도자기라고 생각할 수 있습니다. 실제로 절연체는 도자기를 만드는 과정과 동일한 과정으로 만들어집니다. 절연체는 고전압, 고온 조건에는 매우 강하지만 상대적으로 취성이 약하여 쉽게 깨집니다. 당연히 스파크 플러그는 떨어뜨리면 절연체가 깨어질 수 있다. 또 스파크 플러그 조립 과정에서 공구를 정확하게 금구에 물리지 않고 전동 공구를 돌리면 공구와 스파크 플러그 간섭에 의한 충돌이 그대로 절연체에 전달되어 깨질 수 있습니다. 그리고 정상적으로 체결하더라도 장착 토크를 정해진 스펙보다 과하게 주면 절연체가 파괴될 수 있습니다. 

발화부 절연체 가로 크렉

 일반적인 연소에서는 스파크 플러그가 발화점이 되어 화염 퍼져나갑니다. 하지만 비정상적인 연소에서는 다른 곳에서 폭발이 발생하고 화염이 전파되는 과정에서 스파크 플러그 절연체에 충격을 줍니다. 이런 경우가 반복되면 발화부 스파크 플러그에는 가로 크렉이 발생하고 절연 기능을 상실합니다. 

발 화부 절연체 세로 크렉

 실린더는 상대적으로 차가운 공기 유입, 연료 분사, 폭발 과정이 반복되면서 온도 변화가 매우 심합니다. Δ T 가 크다고 표현하기도 하는데 절연체에 다른 부품에 비해 열충격이 심할 수밖에 없습니다. 특히 외부에 차가운 수분이 유입되어 절연체에 뿌려질 경우 열충격이 더 심해져 절연체가 견디지 못하여 파괴되는데 세로 크렉으로 나타납니다

 

 

실화 관련 부품별 고장 유형

• 점화코일의 고장 유형
• 스파크 플러그의 고장 유형
• 전원 계통 고장 유형
• 인젝터의 고장 유형
• 고압 펌프의 고장 유형