시동장치

시동장치(starting system)는 차량에 시동을 걸어 엔진을 회전시키는 데 필요한 장치이다.

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개요

자동차의 시동장치는 정지되어 있는 크랭크샤프트(crank shaft)를 구동하여 엔진을 시동하게 하는 장치이다. 시동 조작 형식에 따라 점화 스위치의 절환에 의한 키 스위치 절환식 시동장치와 리모컨 조작에 의한 원격 시동장치, 푸시 버튼에 의한 버튼식 시동장치로 구분할 수 있다. 리모컨 제어식 원격 시동장치는 키 스위치 절환식 시동장치에 스타트 릴레이(start relay)를 일정 시간 제어하기 위한 수신 제어 모듈과 리모컨이 추가된 시스템으로 편의성을 높인 시동장치이다. 이에 비해 버튼식 시동장치는 사용자의 아이디를 인식하기 위한 송수신 모듈과 스타트 릴레이를 제어하기 위한 컨트롤 모듈로 구성된 원격 제어 스마트 시스템이다.

역사

1886년에 등장한 최초의 가솔린자동차인 카를 벤츠(Karl Friedrich Benz)의 페이턴트 모터바겐은 차 뒤쪽에 가로로 놓여 있는 플라이휠을 직접 손으로 돌리면 휠 위쪽에 연결되어 있는 금속 테이프가 서로 부딪히면서 생긴 불꽃이 점화코일로 전달되면서 시동이 걸렸다. 그리고 1890년에서 1915년에 등장한 크랭크핸들은 라디에이터 그릴 아래에 있는 쇠로 된 시동막대를 끼워 두고, 이것을 양손으로 잡고 시계 방향으로 힘껏 돌려 시동을 걸었다. 그러나 이 방식은 힘센 남자가 사력을 다해 핸들을 돌려야만 겨우 시동이 걸릴 정도로 몹시 힘이 많이 들고 위험했다. 당시에는 품위를 유지해야 하느 귀족들이나 관리들만이 자동차를 이용했는데, 그들은 자동차에 시동을 걸기 위해 운전석 옆좌석에 시동을 거는 사람을 태우고 다녔고, 그때부터 운전석 옆좌석을 조수석이라고 부르게 되었다. 1911년에는 캐딜락(Cadillac)에 전기점화장치를 납품하던 델코(Delco)의 찰스 케터링(Charles Franklin Kettering)이 버튼만 누르면 시동이 걸리는 전기식 셀프 스타터를 발명했다. 이것은 배터리에서 공급된 직류 전기로 움직이는 모터를 크랭크축 플라이휠 기어에 연결해 시동을 거는 방식이다. 이 버튼식 시동장치는 1912년형 캐딜락 모델 30에 처음으로 장착되었으며. 1914년에 이르러서는 미국 자동차의 90%가 셀프스타터를 장착하게 되었다. 이때부터 자동차 산업이 유니섹스 시대에 접어들게 되었고, 노인과 여성도 쉽게 운전할 수 있는 계기가 되었다. 1940년대에는 제2차 세계대전 때 미 육군의 주문에 의해 선보인 밴텀(Bantam), 윌리스(Willys), 포드(Ford)의 지프형 차량들은 버튼을 발로 밟아서 시동을 거는 방식을 채택했다. 시동 버튼이 대시보드에서 액셀레이트 페달 오른쪽으로 옮겨진 것이다. 모양은 대시보드에 있어 손으로 누르는 것보다 크기가 크고 투박했다. 시동 버튼을 밟으면 시동모터로 배터리의 전류가 흘러들어가 엔진이 움직이게 되는 방식이다. 1949년에 이르러서는 미국의 크라이슬러(Chrysler)가 시동장치의 전기 시스템을 자동차의 키 스위치에 연결하여 키만 돌리면 시동이 걸리는 턴키스타터를 개발하여 뉴요커, 임페리얼 같은 양산차에 적용했다. 그때부터 자동차의 키를 돌려서 시동을 거는 방식이 일반적인 방식이 되었다. 하지만 자동차 키를 쉽게 복제할 수 있어 도난 사고가 빈번하게 일어나기도 했다. 또한 같은 키로 엔진은 작동시키지 않고 배터리만 연결하여 실내등이나 라디오 등 부속 편의 장치(accessory)를 사용할 수 있는 중간 단계도 선택할 수 있게 됐다.

구성

시동장치의 기본적인 구성은 크랭크 샤프트의 링 기어(ring gear)를 기동(起動)하기 위한 시동모터와 시동모터를 구동하기 위한 고율 방전 특성의 배터리, 그리고 시동회로의 접점 소손과 원격 제어가 가능하도록 스타트 릴레이, 그리고 오토기어 차량인 경우 자동변속기의 변속 조작 스위치인 인히비터 스위치(inhibitor switch) 및 점화 스위치로 구성되어 있다. 이들 구성품 중 시동장치에 중심이 되는 시동모터는 엔진의 크랭크축을 구동하기 위해 구동력이 큰 토크(torque)를 요구하고 있어 보통 직권식 모터를 많이 사용하고 있다. 직권식 모터는 필드 코일(field coil)과 아마추어(armature)가 직렬로 결선된 방식으로, 기계적인 부하가 증대되어 모터의 회전수가 저하되면 아마추어 코일은 필드 코일의 자계 내에 회전하는 자체 유도 기전력은 감소하게 되어 배터리로부터 필드 코일로 흐르는 전류는 오히려 증가하게 된다. 따라서 코일에 흐르는 전류 I는 자속 Φ에 비례 관계를 가지고 있어 모터의 회전 토크가 증가하는 특성을 가지고 있다. 즉, 직권식 모터의 부하를 걸어 회전 속도가 저하하면 할수록 모터의 회전력은 증가하게 돼 초기 엔진을 기동하는 데 적합한 특성을 가지고 있어 시동모터의 주종을 이루고 있다.

시동모터

시동모터의 작동은 시동 시에만 모터의 피니온 기어(pinion gear)가 엔진의 링 기어와 치합하여 회전하고, 시동 후에는 치합이 이탈되어 원래의 자리로 돌아가 정지하도록 되어 있다. 따라서 시동모터의 주요 구조는 회전력을 발생하는 모터부(아마추어 코일, 필드 코일)와 모터에 전원을 공급하기 위한 마그네틱 스위치, 피니언 기어를 엔진의 링 기어와 치합하기 위한 마그네틱 스위치의 플런저(plunger)와 시프트 레버, 시동 후 피니언 기어가 이탈해 원위치로 돌아오도록 하는 오버 런닝 클러치(Over running clutch), 그리고 무부하 시동 시에도 일정 부하를 걸 수 있도록 한 브레이크부로 구성되어 있다. 시동모터의 동력을 전달하는 경로는 일반적으로 아마추어의 축과 직결되어 있는 피니언 기어가 직접 엔진의 링 기어를 회전시키는 방식과 아마추어의 피니언 기어가 감속 기어(Reduction gear)와 연결되어 회전력을 증대시키는 방식이 사용되고 있다. 피니언 기어가 직접 엔진의 링 기어를 회전시키는 방식을 직결식 시동모터라고 하고, 피니언 기어가 감속 기어와 연결되어 회전력을 증대시키는 방식을 리덕션식 시동모터라 한다. 현재 주종을 이루고 있는 마그네틱 스위치식 시동모터에는 직결식 시동모터와 리덕션식 시동모터가 사용되고 있다.

시동모터를 소형화하는 데에는 모터의 효율을 향상하지 않으면 안 되는데, 모터의 효율을 향상하기 위해서는 모터에 흐르는 전류가 중심이 된다고 볼 수 있다. 시동모터에 전류가 증가하면 주울열(Joule heat)에 의해 모터는 급격히 온도가 상승하게 된다. 결국 시동모터를 소형화하기 위해서는 온도 상승에 충분히 견딜 수 있는 재료를 사용하지 않으면 안 된다. 또한 모터를 소형화하기 위해서는 아마추어 코일을 소형화하지 않으면 안 되는데, 모터를 소형화하기 위해서는 코일의 권수를 작게 감지 않으면 안된다. 즉, 모터는 회전수가 증가하는 고속형 모터의 구조를 하게 된다. 이와 같이 시동모터는 고속형 모터를 기어를 감속해 회전력을 증대하기 위한 근본 이유는 아니지만, 대전류에 의한 모터보다는 소형화가 가능하기 때문이라고 할 수 있다. 직결식 시동모터의 경우에는 주로 회전력이 낮은 소형차에 많이 적용되고 있으며 리덕션식 시동모터는 소형에서부터 중형 차량까지 폭넓게 적용되고 있다.

내부 회로

시동모터의 내부 회로는 모터부와 마그네틱 스위치로 구성되어 있다. 모터부에는 아마추어 코일과 필드 코일이 직렬로 연결되어 마그네틱 스위치의 M-단자와 연결돼 있고, 마그네틱 스위치의 플런저에는 풀링 코일(pulling coil)과 홀딩 코일(holding coil)이 서로 반대로 감겨 직렬로 연결되어 있는 구조를 하고 있다. 또한 마그네틱 스위치의 접점에는 차종에 따라 50~250 A 정도의 대전류가 흐르기 때문에 접점의 재질로는 구리(Cu)를 사용하고 있다. 마그네틱 스위치는 마그네틱 SW의 S 단자를 통해 전원이 공급되면 한쪽은 풀링 코일과 필드 코일을 통해 약 40A 정도의 전류가 흘러 모터는 서서히 회전을 시작하고, 한쪽은 홀딩 코일을 통해 약 10A의 전류가 흘러 플런저는 자화되어 접점으로 흡인한다. 이때에는 풀링 코일과 홀딩 코일이 자속 방향이 서로 일치돼 흡인력이 강하게 되어 마그네틱 스위치의 접점에 플런저는 빠른 속도로 접촉하게 된다. 접점이 접속되면 배터리 B-단자로부터 상시 전원은 마그네틱 SW의 접점을 통해 모터부로 공급하게 된다. 엔진 시동이 걸려 점화 스위치를 끄면 배터리 B-단자의 상시 전원은 M-단자를 통해 풀링 코일과 홀딩 코일로 전류가 흘러 자속은 서로 상쇄된다. 이때 풀링 코일과 홀딩 코일의 자속이 서로 반대가 되어 상쇄되고 플런저 리턴 스프링에 의해 빠르게 접점으로부터 탈락하게 되는 구조를 가지고 있다. 아마추어의 커뮤테이터(commutator)에 전원을 연결하는 브러시는 전류가 잘 흐르는 물질은 물론 커뮤테이터의 고속 회전으로 브러시가 잘 마모되지 않는 것을 요구한다. 시동 모터와 같이 대전류가 흐르는 곳에서는 동(銅) 분말과 흑연 분말을 혼합하여 압착 소결하여 사용하는 것이 일반적이다. 12V용 모터의 경우에는 보통 동 75%, 흑연 25% 정도를 혼합한 것을 사용하고, 24V용 모터의 경우에는 열에 충분히 견딜 수 있도록 동 65%, 흑연 35% 정도를 혼합한 것을 사용한다.

전기자

전기자는 시동장치가 회전하는 주요부로서 축과 철심, 절연되어 철심에 감겨져 있는 전기자 코일, 정류가(comutator)등으로 구성되어 있고, 축의 양 끝은 베어링으로 지지되어 있다. 전기자 철심(armature core)으로는 자기력선을 잘 통과시키고, 와전류의 감소와 발열을 방지하기위하여 규소 강판을 절연시켜 겹쳐 만든 성층 철심을 사용한다. 정류자는 그림 Ⅴ-8과 같이 여러 개의 정류자편을 조립한 것이고, 전기자 코일은 각각의 정류자편에 납땜으로 연결되어 있다. 각 정류자편은 그 사이에 운모를 끼워 절연시켰고, 운모는 정류자편의 마멸에 의하여 정류자편보다 높아지는 것을 방지하기 위하여 미리 정류자 표면보다 0.5~0.8mm 정도 낮게 언더컷되어 있다.

브러시

브러시는 정류자에 미끄럼 접촉을 하면서 전기자 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꾸는 역할을 한다. 브러시는 흑연과 구리 분말을 원료로 하여 만든 것이다. 윤활성과 전도성이 우수하고, 고유 저항 및 접촉 저항 등이 작다. 브러시는 브러시 홀더에 끼워지고 브러시 스프링이 브러시를 정류자에 적당한 장력으로 눌러 주고 있다. 4극식 전동기인 경우 브러시 홀더의 2개는 절연되어 계자 코일과 연결되어 있고, 2개는 접지되어 있다.

전기자 코일

시동 전동기에서는 자기장을 형성하기 위하여 폴 코어(pole core)에 코일을 감고, 이것에 전류를 흐르게 하여 자기력을 발생하는 전자석을 사용한다. 이 코일을 계자 코일(field coil)이라 한다. 도선에 해당하는 회전 코일을 전기자 코일(armature coil)이라고 한다. 전기자(armature)란 전동기축과 코어에 전기자 코일을 감고 정류자를 붙인 것으로, 전동기의 회전 부분이 된다.

오버러닝 클러치

오버러닝 클러치는 전동기의 토크를 기관에 전달하는 역할과 동시에 기관 회전 토크가 전동기로 전달되는 것을 막아 준다. 롤러식과 다판식 등이 있다. 기관이 시동된 후 피니언 기어와 링 기어가 물린 상태로 있으면 전동기는 기관의 회전 속도보다 약 10배 이상의 빠른 속도로 회전하게 된다. 이렇게 되면 전동기의 정류자, 전기자 코일, 베어링 등이 파손될 수 있다. 따라서 시동된 다음에는 피니언이 링 기어에 물려 있어도 기관의 회전력이 전동기에 전달되지 않도록 하여야 한다. 이러한 목적으로 사용되는 장치가 오버러닝 클러치이다.

• 롤러식 오버러닝 클러치 : 이너 레이스(inner race), 아우터 레이스(outer race), 클러치 롤러(clutch roller), 스프링 등으로 구성되어 있다. 이너 레이스는 피니언과 일체로 되어 있고 아우터 레이스는 슬리브와 일체로 되어 있다. 아우터 레이스에는 쐐기형의 홈이 마련되어 있고 여기에 롤러가 삽입되어 있다. 전동기의 토크가 기관에 전달될 때는 클러치 롤러가 이너 레이스와 아우터 레이스 사이의 좁은 홈에 끼어 이너 레이스, 클러치 롤러, 아우터 레이스가 일체로 되어 회전된다. 기관이 시동된 후에는, 이너 레이스의 회전 속도가 아우터 레이스의 회전 속도보다 빨라져 클러치 롤러가 넓은 홈으로 옮겨져 회전력이 전달되지 않는다.
• 다판식 오버러닝 클러치 : 디젤 기관용의 시동 전동기 등 구동 회전력이 크고, 큰 결합력을 필요로 하는 경우에 다판식 오버러닝 클러치가 사용된다. 피니언과 일체로 된 이너 케이스와 드라이브 슬리브(drive sleeve)와 일체로 된 아우터 케이스사이에 금속으로 만든 구동판과 수동판이 서로 겹치도록 조립되어 있다. 기관을 시동시키고자 할 때에는 스플라인에 의해 구동 슬리브가 좌측으로 추진력을 발생하므로 구동판과 수동판은 강하게 밀착된다. 따라서 전기자의 회전력이 피니언에 전달되므로 링 기어가 구동되어 기관의 시동이 이루어진다. 기관이 시동된 후에는 피니언의 회전 속도가 전기자축보다 빠르게 회전하므로 나선형 스플라인의 작동에 의하여 드라이브 슬리브가 우측으로 이동되어 구동판과 수동판 사이의 결합이 풀린다. 따라서, 피니언은 공회전하므로 기관으로부터의 회전력이 전동기로 전달되지 않는다.

마그네틱 스위치

마그네틱 스위치는 피니언을 링기어에 물리게 하고 전동기의 회로에 전류를 흐르게 하는 작용을 한다. 솔레노이드 스위치라고도 한다. 플런저(plunger), 플런저를 끌어당기는 풀인 코일(pull in coil), 끌어 당긴 플런저를 계속 유지시켜 주는 홀딩 코일, 리턴 스프링, 전동기 회로에 전류를 개폐시켜주는 메인 스위치 등으로 구성되어 있다.

작동 과정

• 시동 스위치를 스타트로 설정하면 풀인 코일과 홀딩 코일이 여자된다. 이것에 의한 자기력으로 플런저를 잡아당겨 피니언과 링 기어를 결합시킨다. 이때 전원은 홀딩 코일을 지나 전동기에 공급되나, 전력이 약해 전기자를 회전시키지는 못한다.
• 플런저에 의해 메인 스위치가 닫히면 축전지에서 전동기로 큰 전류가 흘러 전동기가 큰 회전력으로 회전되므로 기관이 회전된다. 이 때, 플런저는 홀딩 코일에 의해 당겨진 상태가 유지된다.
• 기관이 시동되어 시동 스위치가 꺼지면 풀인 코일과 홀딩 코일에 흐르던 전류가 정지되어 자기력이 없어져 리턴 스프링에 의해 플런저가 복귀되어 피니언이 링 기어와 분리되며 정지한다. 유지시켜 주는 홀딩 코일, 리턴 스프링, 전동기 회로에 전류를 개폐시켜주는 메인 스위치 등으로 구성되어 있다.

진단법

시동장치의 고장 현상은 크랭킹이 전혀 되지 않는 경우와 크랭킹이 되는데도 불구하고 시동이 되지 않는 경우로 구분할 수 있다. 전자의 경우는 배터리 가부(可不) 여부를 판단하여 배터리의 이상이 없는 경우에는 시동 회로에 기인한 것으로 점화 퓨즈 및 터미널 연결 상태를 확인한 후 시동 회로를 점검하는 것이 점검 수순이다. 반면, 후자의 경우에는 크랭킹이 정상적으로 되는 경우로 시동 회로 이외의 부분에 기인한 것으로 판단하여 점화 장치나 연료 공급 장치를 점검하는 것이 수순이다. 시동 회로의 점검은 크랭킹이 전혀 되지 않는 경우는 물론, 마그네틱 스위치의 작동음은 들리는데 크랭킹이 되지 않는 경우나, 크랭킹 시 시동 모터의 회전속 저하의 원인 점검에도 적용된다. 시동 회로의 점검 방법에는 현상에 따라 회로의 전압 강하를 측정하여 진단하는 방법과 시동 모터의 크랭크 전류를 측정하여 진단하는 방법, 정비 현장에서 자주 사용하는 간이 점검 방법 등이 사용되고 있다. 회로의 전압 강하를 점검하는 방법에는 시동 모터의 어스 상태 점검과, 시동 모터의 B-단자 케이블 전압 강하 시험, 마그네틱 스위치 접점의 전압 강하 시험 등을 측정하여 판단하는 방법이 사용되고 있다. 또한 시동 모터의 크랭킹 전류를 측정하여 시동 회로를 진단하는 방법은 시동 모터의 크랭킹 전류와 배터리의 전압 강하치를 측정하여 진단하는 방법이다. 이 방법은 시동 모터의 B 케이블에 클램프 테스터(clamp tester)를 연결하고 멀티미터를 이용하여 배터리의 전압 강하를 확인하는 방법이다. 크랭킹 전류가 규정치보다 작고 배터리 단자 전압이 10 V 이하인 경우에는 배터리의 이상으로 판단하며, 크랭킹 전류가 규정치보다 낮고 배터리 전압이 11 V 이상인 경우에는 시동 모터와 주변에 연결되어 있는 와이어 하니스(wire harness)나 배터리 터미널, 시동 모터의 어스 상태 등의 접촉 불량을 예상할 수 있다. 또한 시동 모터의 크랭킹 전류가 규정치를 훨씬 초과하고, 배터리 터미널 양단 간 전압 강하가 10 V 이하인 경우에는 시동 모터의 자체에 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다. 즉 이 방법은 크랭킹 전류량과 배터리의 전압 강하를 측정하여 시동 회로를 진단하는 방법으로 시동 모터의 전류량 변화와 배터리 능력을 동시에 확인할 수 있다는 측면이 있다.

참고자료

• 김민복 교수, 〈자동차의 시동장치〉, 《AEM》, 2007-08
• 삼성화재교통박물관, 〈자동차 시동장치는 어떻게 변했을까요?〉, 《네이버 블로그》, 2018-07-10
• 이승복 기자, 〈(자동차 이것이 알고싶다) 시동장치 변천〉, 《매일경제》, 2002-04-22
• 〈시동 장치의 구성과 종류〉, 《강주원자동차》

같이 보기

• 엔진
• 시동모터

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