점화프러그 열가에 대해서

[Toney]

점화플러그는 흔히 엔진 연소실에 흡입되는 연료와 공기의 혼합기에 불을 붙여주는 기능만을 생각하게 됩니다만 점화플러그의 특성을 가름짓는 더 중요한 기능이 있습니다. 보통 점화플러그의 성능을 이야기 할 때 열가(Heat Range)라는 기준이 있습니다. 열가라는게 얼만큼 더 많은 양의 스파크를 발산하는지를 가름짓는 기준이 아닙니다. 점화플러그의 기능은 가장 기본적으로 연소실에 불꽃을 공급하므로 연료와 공기의 혼합기가 연소할수 있도록 해줌에 있고 두 번째 중요한 기능은 바로 연소실내의 불필요한 열을 방출시키는데 있습니다.

바로 열가란 이 두 번째 기능에 관련된 이야기입니다. 점화플러그는 엔진에 있어서 일종의 열교환기(heat exchager) 역할을 하여 연소실에 잔재하는 열을 실린더헤드를 거쳐 냉각수 라인으로 전달하는 기능이 있습니다. 흔히 튜닝용 플러그는 열가가 높은 것을 사용하면 '좋다'라고 이야기 합니다만 사실과는 정반대입니다. 더욱이 튜닝샵에서는 점화플러그와 점화플러그배선의 교환을 제일 먼저 권유합니다만 사실상 제일 나중에 권유해야할 부분입니다. 점화플러그의 열가와 점화플러그가 발생하는 스파크의 크기와는 전혀 상관관계가 없습니다.

점화플러그의 열가는 점화플러그의 중심전극과 중심전극을 둘러싸고 있는 단열재(중심전극 아랫부분의 흰색의 세라믹부분)의 길이와 재질에 따라서 열방출량이 달라집니다. 여기서 점화플러그의 열방출량은 두가지 이유 때문에 중요합니다.

첫 번째는 노킹의 억제입니다.

노킹이란 의도하지 않은 점화가 연료와 공기의 혼합기에 불을 붙였다는 개념으로 알고 계시면 됩니다. 노킹의 종류는 대단히 많이 있습니다만 대부분은 점화플러그가 연료/공기 혼합기에 불을 붙여주어야 할 시점 이전에 어떠한 이상 원인에 의하여 불이 먼저 붙어버린 케이스입니다. 노킹은 연소보다는 폭발에 가까운 제어되지 못한 이상 연소라고 생각하시면 됩니다. 그렇다면 이러한 이상연소는 어디서 올까요? 점화플러그의 전극(tip)이 노킹의 원인이 될수도 있습니다. 왜냐하면 엔진이 연소할 때는 어마어마한 열이 발생하는데 점화플러그는 연소실 정중앙에 위치하게 되므로 그 어마 어마한 열을 다 받게 됩니다. 이렇게 엔진연소실에 한부부을 차지하고 있는 점화플러그가 냉각기능을 하지 않는다면 어떻게 될까요? 점화플러그가 어떻게 생긴 부품인지 보신 분들은 알겠지만 전극은 상당히 작습니다. 만일 점화플러그가 냉각을 하지 않는다면 작은 전극은 빨갛게 달아오르겠죠? 여기에 폭발하기 좋게 적당한 비율로 잘 혼합한 공기와 연료를 뿜어준다면 당연히 불이 붙겠죠? 이러한 이상 조기점화를 방지하기 위해서는 점화플러그는 폭발행정이 끝난후에는 신속히 냉각되어야 합니다. 이러한 기능을 가름짓는 요소가 바로 열가입니다. 압축비가 높고 엔진회전수가 높은 고성능 경주용 엔진은 연소실에서 어마 어마한 양의 열 에너지가 발생합니다. 그러면 당연히 열을 방출하는 양도 많아져야 내구성을 보장하면서 제 성능을 낼수 있습니다.

두 번째 기능은 위에 설명한 내용과 연관이 있습니다.

앞에서 설명드렸듯이 점화플러그의 열가는 연소실에서 열을 방출시켜서 노킹을 억제한다면 무조건 열가는 높은 냉형플러그(cold type)를 사용해야 할까요? 설사 노킹과 상관없다 하더라고 연소실 온도를 낮춰서 엔진을 보호하면 좋지 않을까요? 그러나 정답은 전혀 그렇지 않습니다. 앞에서 설명드렸듯이 전극의 온도가 너무 높으면 노킹이 발생한다고 말씀드렸습니다만 그와 반대로 온도가 너무 낮다면 어떻게 될까요? 점화플러그 전극 온도는 항상 450°C to 850°C 사이를 유지해야 합니다. 왜냐하면 점화플러그에는 자가청정온도(self cleaning temperature)라는 것이 있기 때문입니다. 자가청정온도란 연소중에 점화플러그에 낀 카본찌꺼기(그을음)나 불순물들이 점화에 지장을 주기 때문에 전극부분에 카본이나 그을음이 소착되면 이를 태워버리므로써 깨끗한 전극의 상태를 유지하는데 필요한 최소한의 온도를 말합니다. 보통 이 온도가 450°C 이상으로 자가청정온도를 유지하지 못하는 경우에는 카본퇴적물이나 그을음이 점화에너지의 방출을 방해하여 엔진의 성능을 저하시킵니다. 그러나 점화플러그 전극의 온도가 850°C를 넘는다면 전극은 녹아 버릴수도 있고 노킹을 초래할수도 있습니다. 그러므로 점화플러그는 엔진특성에 맞도록 적당한 열을 연소실로부터 제거해 주고 전극의 온도를 적당히 보전해 주어야만 합니다. 너무 뜨거워도 안되고 너무 차가워도 안되는 것이 바로 점화플러그입니다.

그렇다면 어떤 플러그를 사용해야 할까요? 엔진의 압축비를 올렸거나 ECM 프로그램을 조정하여 점화시기를 앞당기지 않았다면 순정플러그의 열가가 제일 적합합니다. 자기의 운전습관이 좀 거칠고 엔진을 혹사시킨다고 해서 열가가 높은 냉형플러그를 사용할 필요가 없습니다. 왜냐하면 자동차 제작사에서 이미 상상을 초월하는 수준으로 엔진을 혹사시키는 혹독한 테스트를 거쳐서 선정한 플러그의 열가이기 때문입니다. 엔진설계시 가해지는 엔진내구테스트는 엔진을 부숴버리기 위해서 행하여지는 테스트라고 할 정도로 엔진을 혹사시키므로 순정열가로 충분합니다.

그럼 올바른 점화플러그의 열가는 어떻게 찾을까요? 보통 열가가 높은 플러그를 냉형(cold type)이라고 하며 반대로 열 방출량이 낮은 플러그를 열형(hot type)이라고 합니다. 이러한 열가를 구분짓는 국제적인 기준은 두가지입니다. 독일 Bosch에서 사용하는 열가기준과 일본 NGK에서 사용하는 열가기준이 통용됩니다. 보통 튜닝샵에서 이야기하는 열가기준은 NGK기준이고 대우자동차에서 이야기하는 열가기준은 Bosch기준입니다.

제가 가지고 있는 자료를 정리하면 각 점화플러그 제작사별 열가기준은 다음과 같습니다.


NGK
11 ----- 10 ----- 9 ----- 8 ----- 7 ----- 6 ----- 5 ----- 4 ----- 3

Bosch
3 ----- 4 ----- 5 ----- 6 ----- 7 ----- 8 ----- 9 ----- 10

Champion
5 ----- 6 ----- 7 ----- 8 ----- 9 ----- 10 ----- 11

HKS (NGK기준 곱하기 5를 하면 근사치임)
S55i -----------S45i-----S40i-----S35i

Nippon Denso
NGK열가기준을 곱하기 3하면 니폰덴소 열가 근사치임. 니폰덴소 열가 20이 NGK 6과 7 중간 정도임


점화플러그의 열가는 다음과 같은 경우에 조정해 주어야 합니다.

1. 공연비가 너무 과다할 때: 즉, 엔진연소실로 분사되는 연료의 양이 너무 많으면 점화플러그에 그을음이 쉽게 낍니다. 중앙전극을 둘러싸고 있는 전열재는 어떠한 경우에도 검정색의 카본이 끼면 안됩니다. 열가가 너무 높으면 중앙전극을 둘러싼 전열재 주변이 검게 변하고 공연비가 너무 과다하다면 전열재는 물론 접지전극(끝에 ㄱ자로 생긴 전극)도 검게 카본이 낍니다. ECU튜닝등으로 연료분사량을 조정한 경우 점화플러그의 상태를 살펴보아야 합니다. 그러나 연료분사량이 너무 과도할 경우에는 플러그를 교환해도 자가청정기능을 수행할수 없습니다.

2. 압축비가 상승되었을 때: 고압축비 피스톤 적용, 메탈가스켓 적용, 헤드면연(밀링), 터보차져나 수퍼차져 등의 과급압 사용, 하이캠 적용등으로 압축비가 상승하였을 경우에는 열가나 높은 냉형의 플러그를 사용하여야 노킹을 억제할수 있습니다.

3. 점화시기를 진각시켰을 때 (앞당겼을 때): ECU튜닝을 통하여 성능향상을 위하여 점화시기를 앞당겼을때에는 점화플러그의 열가를 조정해 주어야 합니다. 보통 점화시기가 10°진각될때마다 점화플러그의 온도는 약 70°C to 100°C정도 상승합니다. 그러므로 열가가 한단계 높은 냉형플러그를 장착해주어야 합니다.

4. 높은 RPM의 연속적인 사용: 자동차 경주와 같이 항상 높은 RPM으로 주행하는 경우에는 점화플러그의 온도가 상승되므로 주행후 점화플러그의 상태를 확인하여 열가를 조정해주어야 할 경우가 있습니다.

5. 외부기온이 높을 때: 외부온도가 높다는 의미는 산소밀도가 낮다는 의미입니다. 산소밀도가 낮다면 완전연소가 일어나지 않아 점화플러그 온도가 내려가면서 그을음이 낄 가능성이 높으므로 자가청정기능을 높히기 위해서는 보다 열가가 한단계 낮은 열형을 플러그를 적용할수도 있습니다. 산소밀도에 따라서 연료분사량도 조정되어야 하나 전자제어식 엔진은 자동적으로 조정하므로 큰 상관없으나 ECU튜닝을 하였다면 문제가 가끔 플러그를 탈착하여 상태확인을 하셔야 할 필요가 있습니다.

6. 외부습도: 주변 습도가 높다면 엔진으로 흡입되는 공기의 밀도는 낮아집니다. 이러한 경우에는 엔진압축비가 상대적으로 낮아지고 연소실 온도가 낮아집니다. 그렇기 때문에 점화플러그의 온도 또한 낮아지게 되므로 열가를 조정해야 할 필요성이 있으나 장마철이나 습도가 높은 계절이라 할지라도 일상적인 주행으로는 큰 문제가 되지 않습니다.

결론적으로 점화플러그의 기능은 연료와 공기의 혼합기에 불을 붙여주는 것과 이러한 기능을 잘 수행할수 있도록 자가청정기능을 유지하는 것이 가장 중요합니다. 상대적으로 단순하죠.

그런데 과연 플라티늄 플러그(백금), 실버 플러그(백은), 이리듐 플러그의 사용이 엔진의 성능을 향상시킬까요? 정답을 말씀드리자면 꼭 그렇지는 않습니다. 왜냐하면 점화플러그에서 방전될수 있는 최대에너지는 이미 점화코일에서 이미 결정되어있기 때문입니다. 다만 점화플러그의 전극 모양에 따라서 열악한 환경에서도 얼만큼 쉽게 많은 양의 전기에너지를 한꺼번에 방전시킬수 있는지가 점화플러그의 성능조건입니다.

그렇다면 전극의 재질에 따라서 성능차이가 날까요? 글쎄요... 저도 뭐라고 답변드리기가 좀 그렇습니다. 전극의 재질이 희귀금속으로 바뀔수록 녹는점이 올라가므로 내구성은 좋아지는 것은 확실하게 말씀드릴수 있지만 성능이 좋아진다고 볼수는 없습니다. 하지만 전극의 재질의 녹는점이 낮다면 내구성을 보장하기 위하여 전극의 모양을 투박하게 만들어야만 하고 순간적인 방전을 어렵게 합니다. 그러나 내구성이 높은 희귀금속을 사용할 경우에는 전극의 모양을 방전효율을 높일수 있는 날카로운 모양으로 만들 수 있기 때문에 보다 많은 양의 전기에너지를 순간적으로 방전시킬수 있다는 장점은 있습니다.

그러므로 점화플러그에서 기대할수 있는 성능향상은 전극의 재질에서 비롯된다기 보다는 점화플러그 제작사에서 개발한 디자인 노하우에 따라서 달라진다고 말씀드릴수 있습니다.

여기서 잠깐 이야기를 좀 돌리자면 과연 Bosch에서 나오는 4발짜리 플러그는 점화를 4배 확실하게 할까요? 아닙니다. 접지전극이 4개라도 방전은 한곳에서만 일어납니다. 왜냐하면 전기는 가장 방전되기 좋은 조건의 한곳에서만 이루어지기 때문입니다. 계속 사용하다가 방전이 일어나던 한 개의 전극이 마모되면 다른 전극으로 방전이 일어나겠죠? 이론상 4배 오래사용할수 있는 플러그이지만 성능향상 효과는 없다고 볼수 있습니다. 전극이 4개이므로 내구성은 좋겠지만 열가가 너무 낮을 경우에는 사용되지 않는 3개의 전극은 노킹을 초래할수 있는 열점(熱占)으로 작용 할수도 있으므로 사용을 자제하는 편이 좋겠습니다.

그럼 점화플러그가 엔진과 궁합이 잘 맞는지 않맞는지를 미리 알수는 없을까요?

딱 잘라서 말씀드리자면 없습니다. 일단 장착한후 일정거리를 주행한후 탈착하여 상태를 보는 것이 제일 좋은 방법입니다. 참고로 매그너스의 점화플러그는 NGK기준 열가6(보쉬기준 8)의 보쉬 2극 플러그가 순정품으로 장착되어 있습니다. 제 개인적으로 NGK VX(BKR6EVX-11), HKS Iridium(S35i), Nippon Denso Iridium(IK20), Splitfire Triple Platinum(392c)를 사용해 보았습니다만 엔진진동이 약간 줄고 회전이 다소 부드럽다는 것 이외에 눈에 띄는 큰 이득은 없는것 같았습니다. 주행거리가 30,000km가 넘은 차량들은 점화플러그의 교환시기가 되었으므로 이러한 고성능 점화플러그로의 교환을 고려하시는 것도 좋겠습니다만 Splitfire Triple Platinum(392C)는 매그너스에는 열가가 너무 높으며 전극재질 내구성에 문제가 있다고 판단되므로 추천하고 싶지 않습니다.

그러나 백금 또는 이리듐 플러그가 내구성 향상에 도움이 된다지만 광고처럼 10만km까지 마모가 발생하지 않지는 않더군요. 백금 플러그는 일반 플러그의 수명인 2만km의 2배인 약 4만km정도까지, 이리듐 플러그는 약 6만 km까지 안전하게 사용하실 수 있다고 생각하시면 되나 매 10,000km 주행후 점화플러그를 탈착하여 상태확인후 청소하여 재장착하여 사용하시는 방법이 가장 권장할만한 방법이라고 할수 있겠습니다.

[박부장]

궁금했던 내용인데 덕분에 공부 잘 하게 되어 감사드립니다.
긴 내용인데 수고 많으셧습니다.