점화코일과 점화플러그의 교체 전후 엔진 소음, 진동, 점화 특성 비교
점화플러그와 점화코일 교체 전과 후를 비교한 결과, 엔진 진동, 소음, 공연비, 점화타이밍, RPM과 같은 점화 특성이 개선되는 것을 수치상으로 확인할 수 있었다. 하지만 교체전 부품 상태가 크게 나쁘지 않았다면, 체감상 크게 느껴지는 수준은 아니다.
좀 더 조용하게 만들 수 없을까?
본 필자가 더 뉴 카렌스 중고차를 구매한 후 가장 크게 다가온 문제는 생각보다 심한 진동과 소음, 그리고 변속 충격이었다. 진동과 변속 충격은 미미 삼종 세트(엔진 마운트, 미션 마운트, 롤 로드)와 미션 오일을 교체한 후 많이 개선되었지만, 엔진 자체의 소음은 여전히 크게 느껴졌다.
소음을 개선하기 위해 후드에 흡음재를 설치하는 것도 고민해 보았으나, 가뜩이나 뜨거운 LPI 엔진을 더 뜨겁게 할 것 같아 실행하지 못했고, 엔진에서 발생하는 소음을 줄여야 한다는 결론과 함께 자료를 찾던 중 많은 사람들이 공통적으로 하는 말을 보게 되었다.
점화 플러그 교체하면 진동과 소음이 줄어든다.
점화 계통이 엔진 소음과 진동에 주는 영향
자동차의 점화 계통을 구성하는 부품은 여러 종류가 있지만, 다음의 두 부품이 핵심적인 역할을 담당한다.
- 점화코일
- 자동차의 12V 또는 24V 전원을 수만V 수준으로 승압시켜 점화플러그에 공급해 준다.
- 점화플러그
- 점화코일로부터 전달받은 에너지를 이용해 실린더 내부에 불꽃(스파크)을 발생시켜 연료와 공기의 혼합기를 연소시킨다.
결론적으로 점화 계통에 문제가 생기면 실린더에서 연소가 일어나지 않거나(실화, Misfire), 너무 느리게 진행되거나(화염 전파 지연, 불완전 연소), 엉뚱한 타이밍에 연소가 일어나는등의 문제가 생긴다. 이는 실린더들의 점화시기 균형을 무너뜨려 엔진의 회전수(RPM)가 불안정해지게 되고, 피스톤을 밀어주어야 할 때 정확히 밀어주지 못하게 되어 출력 저하와 연비 감소 등을 일으킨다.
점화코일 및 점화플러그 교체 전후 비교
테스트에 사용한 장비들은 공인된 검교정 절차를 거치지 않은 개인 장비를 이용해 측정했으며, 수치의 절대성과 재현성을 보장할 수 없다는 점을 독자 제위께 밝히는 바이다. 다만, 최대한 동일한 조건에서 테스트를 진행했으므로, 교체 전후의 전반적인 상대적 변화를 관찰하기에는 충분하리라 판단된다.
점화코일과 점화플러그 교체는 본 필자에 의해 직접 진행되었으며, 과정은 본 링크를 통해 확인할 수 있다. 테스트 환경은 다음과 같다.
- 테스트 장소 : 본 필자의 집 주차장 (다세대 주택 필로티 구조 주차장)
- 측정 시점 : 공회전 시작 후 약 35분 경과 후, 공회전 상태 유지
- 오디오 샘플링 방법 : Gain 80%, 필터 없음, 라디에이터 커버 위에서 엔진 커버 방향으로 지향, 48kHz, 스테레오 녹음기 사용
- 진동 샘플링 방법 : 엔진 커버 위 LPI 로고의 P 문자 위에 스마트폰을 올려두고 측정. 가로선에 수직 방향 유지, 스마트폰 진동 측정 애플리케이션 사용
- 엔진 수치 측정 방법 : 진단기 사용
부품의 열화 정도
중고차의 특성상 점화플러그와 점화코일의 마지막 교체 시점은 알 수 없으나, 본 필자가 느끼기에 엔진 상태는 별 문제가 없었고, 몇몇 정비소에서도 엔진 상태가 매우 좋다는 평가를 받아왔기 때문에, 교체 시점과는 별개로 기존의 부품 상태는 양호했던 것으로 보면 되겠다.
점화플러그는 일반적으로 부품의 열화 정도를 전극의 간격이 얼마나 벌어졌는가를 기준으로 판단한다. 정비 지침상 0.7~0.8mm를 정상이라 본다.
아쉽게도 본 필자는 점화플러그의 전극 간격을 측정할 만한 도구가 없다. 따라서 상대적인 비교를 위해 신품과 사용품의 사진으로 갈음한다. 육안 상으로는 기존 점화플러그의 색상이 양호한 것을 볼 수 있다.
점화코일은 기본적으로 인덕터(Inductor)이기 때문에 DC 저항과 인덕턴스(Inductance)를 통해 열화 정도를 가늠해볼 수 있다. 신품과 사용품을 측정한 결과는 아래와 같다. 정비 지침상 정상 저항값은 0.75Ω ±15% 이다.
| 코일 번호 | 신품 점화코일 | 기존 사용 점화코일 | ||
|---|---|---|---|---|
| DC 저항 | 인덕턴스 | DC 저항 | 인덕턴스 | |
| 코일 1 | 0.7Ω | 137uH | 0.8Ω | 137uH |
| 코일 2 | 0.6Ω | 140uH | 0.8Ω | 136uH |
| 코일 3 | 0.8Ω | 142uH | 0.8Ω | 138uH |
| 코일 4 | 0.8Ω | 137uH | 0.8Ω | 136uH |
측정 수치상으로만 보면 신품 대비 큰 차이가 없으며, 오히려 코일간의 편차는 기존 사용 점화코일이 더 작은 것을 볼 수 있다.
엔진 회전 수(RPM)의 비교 분석
엔진 회전수는 1분당 엔진이 회전하는 횟수를 나타낸다. 액셀레이터의 조작이 없는 공회전 상태에서 엔진의 동작 상태를 직접적으로 보여주는 지표로, 당연히 변동이 없이 일정하게 유지되는 것이 좋은 상태다.
- 아이들 상태 평균 RPM : 약 611RPM → 약 610RPM (약 -0.16%)
- 아이들 상태 RPM 변동 범위 : 598~625 RPM → 602~620 RPM (약 -33.3%)
- 그래프의 떨림이 줄어들었다.
RPM 수치 자체는 크게 변함이 없고 바닥값이 조금 상승했지만 변동 범위가 줄어들었다. 즉, 공회전 시 엔진 회전수의 미세한 흔들림이 줄어들어 안정화된 것을 확인할 수 있다. 한마디로 하면, 엔진 찐빠가 줄어들었다.
공연비 순시 보정치(STFT, Short Term Fuel Trim)의 비교 분석
공연비 순시 보정치는 ECU가 연료 분사량을 얼마나 실시간으로 보정하고 있는가를 나타내는 값이다. Lambda Sensor Correction Value 라고도 한다.
ECU가 계산한 기본 연료량에서 얼마나 추가 또는 감소시켰는가를 나타내기 위해 측정 단위는 %를 사용한다. 보정치의 변화 폭이 크지 않고 0%에 가까운 상태로 떨리는 것이 좋은 상태다.
- 평균값 : 약 -0.05% → 약 0% (약 +0.05%)
- 연료 분사량의 보정 폭이 커졌다.
평균값이 0에 가까워 진다는 것은 ECU의 예상과 실제 연소 상태가 동일해 진다는 것으로, 연소 상태가 안정되었다는 의미이다. 다만, 보정폭은 2배 가까이 늘어났는데, STFT는 즉각적인 비례제어가 되지만 기본적으로 학습된 LTFT의 영향이 남아 있는 것으로 해석할 수 있다.
점화 타이밍(Ignition Timing)의 비교 분석
점화 타이밍은 점화플러그가 불꽃을 만들어 내는 시점을 의미한다. 피스톤이 완전히 올라오기 직전(상사점 이전)에 점화가 이루어져야 폭발 압력이 상사점에서 내려가는 피스톤을 눌러줄 수 있다. 점화상태가 영 시원치 못하다고 ECU가 판단하면, 상사점으로 향하는 피스톤을 때려 누르는 것을 방지하기 위해 점화 시기를 늦춘다.
측정 단위는 상사점에 도달하기 전후, 크랭크축 회전각을 기준으로 몇 도에서 점화가 이루어졌는가를 나타내기 위해 °(도, Degree)를 사용한다.
- 점화 타이밍 중심값 : 약 -1.7° → 약 -0.5° (약 +0.67%)
- 점화 타이밍 변동 폭 : 약 3.0° → 약 3.8° (약 +0.44%)
점화 상태가 안정되면 ECU는 보다 빠른 점화 타이밍을 허용할 수 있으며, 연소 압력을 보다 효율적인 시점에 형성할 수 있게 된다. 교체 후에는 점화 타이밍의 제어 범위가 보다 넓어 졌는데, 이는 연소 상태가 교체 전보다 안정적이라 판단하고 보다 적극적으로 점화 제어를 하고 있다 해석할 수 있다.
엔진 소음 비교 분석
엔진에서 발생하는 소음의 변화를 확인하면 점화플러그와 점화코일을 교체하고 나서 얼마나 더 조용해졌는지 확인할 수 있다. 라우드니스 레벨(LKFS)이 감소하거나 노이즈의 성분이 둔감한 대역으로 이동한다면, 체감되는 엔진의 소음이 줄었다고 판단할 수 있다.
- 청감음량(라우드니스) : -40.30 LUFS → -40.66 LUFS (-0.36 LUFS / 음압 약 -4%)
- 좌우 평균 RMS 진폭 : -43.76 dB → -42.40 dB (+1.36 dB / 음압 약 +17%)
- 좌우 평균 다이나믹레인지 : 14.00 dB → 10.15 dB (약 -27.5%)
- 1.5KHz, 700Hz, 300Hz 대역의 에너지가 줄고 150Hz 이하 저주파수 에너지가 증가
소리의 크기는 오히려 약간 증가했다. 하지만 다이나믹레인지가 감소하였다. 이는 소리의 크기 변화 폭이 줄었다는 것으로 심리적으로는 더 조용하게 인지된다. 또한 중고음역대의 소리 크기가 줄어들고 대신 저음역대의 크기가 커졌다. 이는 엔진 소리가 귀에 거슬리는 카랑카랑한 소리에서 더 낮은 소리로 바뀌었음을 알 수 있다. 불규칙적으로 발생하던 충격음 역시 감소하여 전반적으로 듣기에 거북함이 나아졌다 판단할 수 있다.
엔진 진동 비교 분석
자동차가 정지된 상태에서 느껴지는 흔들림은 결국 엔진이 돌아가면서 만드는 진동이다. 엔진의 회전이 균일하지 않으면 진동의 크기가 커지게 된다. 측정 시작 전후의 오염된 샘플을 배제하기 위해 측정된 샘플의 중앙 1분 구간을 분석했다.
- 전체 진동 평균 : 4.160 cm/s² → 3.849 cm/s² (-7.5%)
- 대표값 : 약 4.08 cm/s² → 약 3.79 cm/s² (약 -7.1%)
- 최대 진동값 : 약 8.80 cm/s² → 약 8.40 cm/s² (약 -4.6%)
- 80% 진동 평균 : 약 4.53 cm/s² → 약 4.12 cm/s² (약 -9.1%)
모든 진동 지표가 감소한 것을 볼 수 있다. 기본적인 진동 수준과 최대 진동 수준, 평상시의 진동 수준 모두 일관되게 감소하였다.
비교 분석 종합
- RPM 분석에서는 평균 회전수 자체는 거의 변화가 없었지만, 변동폭이 598~625RPM에서 602~620RPM 수준으로 감소하였다. 이는 엔진의 목표 공회전 속도가 변한 것이 아니라, 아이들 상태의 RPM이 안정되게 유지되는 것을 의미한다.
- 공연비 순시보정(STFT)값은 전후 모두 ±1% 이내의 매우 양호한 범위였으며, 교체 후에는 평균값이 0% 부근으로 이동했다. 교체 후 ECU의 연소 보정이 조금 더 안정된 것을 의미한다.
- 점화 타이밍의 중심값이 약 -1.7°CRK에서 약 -0.5°CRK로 이동하였다. 즉 점화 타이밍이 조금 더 당겨졌다는 것으로, ECU가 점화 상태가 안정되어 있어 점화 타이밍을 늦출 필요가 없다고 판단한 것이다. 이는, 점화플러그와 점화코일 교체 후 연소 상태가 좋아졌다는 것을 뜻한다.
- 오디오 분석에서는 평균 RMS 진폭이 약 17% 증가하였으나, LUFS 기준 청감 음량은 약 4.1% 감소하였다. 또한 1.5kHz, 700Hz, 300Hz 대역의 에너지는 감소하고 150Hz 이하 저주파 에너지가 증가하였다. 중고역의 거친 연소음과 불규칙한 폭발성 노이즈가 줄어들고 보다 낮고 묵직한 엔진음 중심으로 변화했음을 의미한다. 한마디로 엔진 소리가 덜 거슬려 졌다는 뜻이다.
- 진동 분석에서는 종합 진동이 약 7.5% 감소하였고, 최대 진동의 강도 역시 감소하였다. 이는 실린더별 폭발 압력 편차와 순간 토크 변동이 줄어들며 엔진 회전이 보다 균일해졌음을 말한다.
즉, 이상의 5가지 데이터를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
엔진의 회전이 좀 더 안정되었고, 그 결과 소음과 진동이 줄어들었다.
RPM 변동폭 감소, STFT 안정화, 점화 타이밍 중심 이동, 진동 감소, 다이나믹레인지 감소는 모두 점화와 연소 과정이 좀 더 안정화 되었다는 것을 의미한다. 음향 분석결과 또한 불규칙한 노이즈와 고주파 중심의 소음이 청감 레벨(라우드니스, LUFS)이 줄어들어 ‘덜 시끄러워졌음’을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 점화플러그 및 점화코일을 교체하면 엔진의 연소 상태와 진동 및 소음에 실제적인 변화가 발생하며, 그 변화는 긍정적인 영향을 끼친다는 것을 수치적으로 확인할 수 있다.
분석에 사용된 점화플러그및 점화코일 교체 전후 원본 데이터는 링크를 통해 다운로드 받을 수 있다.
결론
점화플러그를 교체하면 진동과 소음이 줄어든다.
이 말은 사실이었다. 다만, 본 필자에게 점화플러그와 점화코일을 교체한 이후 몸으로 체감되는 실질적인 변화는 거의 없었다. 다행히도 이전 차주께서 엔진 관리를 잘 해주신 덕인지 교체하기 전의 상태가 나쁘지 않았으며, 교체한 점화코일의 상태만 보아도 신품과 거의 동일한 상태였다. (오히려 편차만 보면 사용하던 코일들의 상태가 더 나아 보이기도 한다.)
관리가 이루어지지 않아 점화계통의 상태가 좋지 못하다면 그 효과가 체감될 수 있겠으나, 인터넷 등에서 얘기하는 것처럼 ‘조용하고 부드러워졌어요!’라고 느끼기에는 본 필자가 너무 둔한 듯 하다. 그리고 생각보다 사용중이던 부품의 상태가 좋았던지라, 부품값도 약간 아깝다는 생각이 솔직히 들었다.
다만, 막연하게만 알고 있던 ‘점화계통 교체 시 진동과 소음이 감소한다’는 사실을 직접 측정하고 눈으로 확인해 볼 수 있었다는 점에서 삽질만은 아니었던 듯 하다.
결론적으로, 점화플러그와 점화코일을 교체하는 것은 엔진의 연소 상태를 안정시켜 준다. 하지만 엔진룸에서 전달되는 소음을 줄이고 싶다면 후드 안쪽에 흡음재를 도배하는 것이 더 효과적일 것이다.
FAQ
- 점화플러그를 교체하면 엔진 소음이 줄어드는가?
- 점화플러그와 점화코일의 상태가 좋지 않다면 연소가 불규칙해지면서 엔진의 진동과 소음이 증가한다. 반대로 점화 상태가 안정되면 RPM 변동폭과 진동, 불규칙한 연소음이 감소하면서 체감 소음이 줄어들 수 있다.
- 점화플러그 교체 후 체감이 크지 않을 수도 있는 이유는?
- 기존 점화플러그와 점화코일의 상태가 이미 양호했다면, 교체 후에도 체감되는 변화는 크지 않을 수 있다. 다만 측정 장비를 이용해 분석해 보면 RPM 안정성, 진동, 공연비 보정 등의 수치가 소폭 개선되는 것을 확인할 수 있다.
- 점화플러그 교체만으로 연비가 좋아질 수 있는가?
- 점화 상태가 불안정했던 차량이라면 점화플러그 교체 후 연소 효율이 개선되면서 연비가 소폭 좋아질 수 있다. 하지만 기존 상태가 양호한 차량에서는 체감될 정도의 연비 차이가 나타나지 않을 수도 있다.
- STFT(공연비 순시 보정치)란 무엇인가?
- STFT(Short Term Fuel Trim)는 ECU가 산소센서의 값을 바탕으로 연료 분사량을 얼마나 실시간으로 수정하고 있는지를 나타내는 값이다. 일반적으로 0% 부근에서 안정적으로 움직이는 상태가 양호한 연소 상태로 판단된다.
- 점화플러그와 점화코일 중 하나만 교체해도 효과가 있나?
- 반드시 두 부품을 동시에 교환할 필요는 없다. 점화플러그는 소모품이기 때문에 주기적으로 교체가 필요하지만, 점화코일은 상태가 양호하다면 계속 사용할 수도 있다. 다만 점화코일이 열화되어 있다면 점화플러그만 교체해도 원하는 수준의 개선 효과가 나타나지 않을 수 있다.