자동차 디젤 인젝터 재제조품의 성능 분석에 관한 연구

1.1 순환 경제

최근 국내⋅외에서 순환경제(Circular Economy)개념의 확대와 더불어 산업계에서도 순환 경제로의 전환에 대한 관심이 증가하고 있다. 순환 경제라는 용어는 1990년도에 Pearce와 Turner가 공저한 『천연자원과 환경의 경제학』¹⁾에서 처음으로 사용되었으며, 그 후 오랜 시간을 거쳐 정의가 정립되었다. Naustdalslid는 순환 경제를 지속가능한 생산과 소비를 목표로 하는 활동으로 표현하였으며, 이뿐만 아니라 한번 생산된 제품을 여럿이서 다시 공유해 사용하는 공유경제 접근방식을 적용하여 정의²⁾하였다. Hobson은 의도된 설계에 의해 복원 또는 재생되는 산업 시스템으로 정의하였고, 수명의 종료 개념을 복원으로 대체하고, 재생에너지 사용으로 전환, 제품 내 재사용을 저해하는 독성화학물질 사용제한 등의 비즈니스 모델을 통해 폐기물이 발생하지 않는 것으로 설명³⁾하였다. Hass 등⁴⁾은 간단하지만 설득력 있는 전략으로, 자원 흐름의 경제와 생태적 고리를 폐쇄함으로써 자원의 투입과 폐기물의 생산량을 모두 줄이는 것을 목표로 하는 전략으로 표현하였다. 또한, Ma 등⁵⁾은 환경을 보호하고 오염을 방지하여 지속가능한 경제발전을 촉진하는 경제발전의 한 방식으로 정의하였다. 이와 같이 조사한 문헌들의 내용을 재정리하면, 순환 경제는 자원의 지속가능한 사용과 가치 극대화, 사용 후 제품 또는 물질 등을 재사용⋅재활용할 수 있도록 시스템화하여 폐기물을 최소화하기 위한 전략으로 이해할 수 있다.⁶⁾ 순환경제라는 용어는 1990년대부터 사용되었지만, 구체적인 정책은 2010년대 이후부터 사회적 관심과 함께 이루어진 것을 확인할 수 있다.

순환경제가 이렇게 주목받게 된 것은 오늘날까지 이루어온 경제성장과 지속적인 인구증가로 인한 자원 소비의 증가가 자원고갈을 넘어 환경과 경제가 지속가능한 성장을 하지 못할 것이라는 문제성을 인지하고 나서부터이다. 이에 EU와 G7 국가를 중심으로 자원효율 정책과 UN의 지속가능발전 목표(Sustainable development goals)를 이행하기 위한 전략으로 순환 경제 시대를 준비하고 있다. 순환 경제는 기존의 자원채취(Take), 생산(Make), 사용(Use), 폐기(Disposal)로 이루어지는 선형경제구조에서 순환형 구조로 전환하는 정책이다.⁷⁾ EU는 이를 중장기적으로 지속가능하고 자원효율적인 경제 패러다임으로 파악하고, 경제의 경쟁력과 성장에 중요한 정책으로 파악하고 있다. 2015년 12월 순환 경제 패키지(Circular economy package)를 발표하였으며, 동 정책의 주요 전략으로 자원효율을 중심으로 폐기물 저감과 친환경 처리, 발생 폐기물의 재활용 증대와 이차자원 활용 등에 대한 중장기 정책 목표 및 대안을 구체적으로 제시하였다. 또한, 순환 경제를 이행하기 위한 7대 원칙을 발표하여 산업계의 구조 전환을 촉구하고 있다. 첫째, 재생 자원의 활용 방법에 대한 우선순위를 정해야 한다. 재생⋅재사용이 가능하며 독성이 없는 자원을 효율적으로 고려하여 원료와 에너지로 다시 활용하여야 한다. 둘째, 이미 만들어진 것은 보존하고 수명을 연장해야 한다. 사용 중인 자원을 유지, 보수 및 업그레이드하여 수명을 연장하고 더 활용할 수 없는 자원에 대해서는 이차 라이프(2nd Life)를 부여하여야 한다. 셋째, 폐기물을 자원으로 사용해야 한다. 폐기물을 이차 자원의 원천으로 생각하고 어떻게 활용할 수 있을지 분석하고 재사용 및 재활용을 위해 회수하여야 한다. 넷째, 사업모델을 재검토해야 한다. 제품과 서비스 간의 상호작용을 기반으로 하는 비즈니스 모델을 통해 더 큰 가치를 창출할 수 있도록 재검토해야 한다. 다섯째, 미래를 위해 설계해야 한다. 적절한 제품수명과 그 수명을 연장할 수 있도록 적합한 원료 및 재료를 도입하고 체계적으로 설계해야 한다. 여섯째, 디지털 기술과 융합하여 온라인플랫폼 및 기술을 통해 자원사용을 추적 및 최적화하고 공급망 관리자 간의 연결을 강화하여야 한다. 마지막으로, 공유가치 창출을 위해 협력해야 한다.⁸⁾ EU는 이러한 원칙을 산업계에 강조하며, 순환 경제로 전환하기 위해 노력하고 있다. 일본의 경우에는 제5차 환경기본계획(2018∼2023)에 지속가능발전 목표를 달성하기 위한 내용을 포함하였으며, 여러 과제를 통합적으로 해결하는 중점전략을 수립하였다. 주요내용으로는 첫째, 지속가능한 생산과 소비를 실현하는 녹색경제시스템 구축, 둘째, 국토자원으로서의 가치향상, 셋째, 지역자원을 활용한 지속가능한 지역 구축, 넷째, 건강하고 풍요로운 삶의 실현, 다섯째, 지속가능성을 지원하는 기술 개발 보급 등이 있으며, 기본계획을 바탕으로 순환 경제로의 전환을 위한 기반을 마련하고 있다.⁹⁾ 중국은 2008년도에 ｢순환경제촉진법｣을 제정하여 자원이용효율성을 높이고, 지속가능한 발전을 위한 준비를 시작하였다. 감량화, 재활용 및 자원화를 목표로 자원의 효율적 사용에 관한 정부의 행동지침과 표준체계 등을 규정하여 기업에 이행하도록 요구하고 있다.¹⁰⁾ 우리나라는 2018년에 ｢자원순환기본법｣ 시행과 제1차 자원순환기본 계획에 따라 순환 경제 실현을 위한 정책적 기반을 마련하였다. 주요내용으로 자원의 효율적 이용, 폐기물 발생 억제 및 순환이용 촉진에 대한 정책으로 구성되어 있다. 순환 경제 실현을 비전으로 2027년까지 폐기물 발생량을 20 % 감축하고 현재 70 % 수준인 순환이용률을 82 %까지 향상하는 등 구체적인 목표를 수립하여 사회 전반적인 이해관계자에게 참여를 독려하고 있다.

주요 선진국에서는 이러한 순환 경제를 준비하기 위한 정책적 도구로 Fig. 1과 같이 재사용(Reuse), 재수리(Repair), 재분배(Redistribute), 재정비(Refurbish), 재제조(Remanufacturing)로 파악하고 있다. 이러한 정책적 도구를 활용하여 원료추출 및 수입에 대한 의존도를 줄이고, 폐기물을 이차 자원으로 활용하는 방법을 마련하기 위한 정책을 수립하고 연구하고 있다.¹¹⁾

Fig. 1

A simplified model of the circular economy for materials and energy

Fig. 2

Remanufacturing definition

재제조를 정책적 도구로 활용해야 하는 이유는 재제조(Remanufacturing)가 기존의 자원순환의 방법인 재활용(Material recycling), 재사용(Reuse)보다 자원의 효율성, 에너지 절감, 품질 등에서 더 우수한 것으로 나타났으며, 순환 경제에서 중점적인 정책으로 활용될 수 있기 때문이다. 재제조의 장점은 크게 환경적 효과와 경제적 효과로 나누어 파악할 수 있다. 환경적 효과로는 사용 후 제품의 매립 및 물질 재활용을 통한 자원순환 대신 에너지 및 자원절감을 통한 자원순환을 촉진함으로써 폐기물 발생량 및 환경부하를 절감시킬 수 있다. 경제적 측면으로는 노동집약적 공정특성으로 인해 다른 산업에 비해 상대적으로 자동화하기 어려워 일자리 창출효과에 기여할 수 있다.¹²⁾ 이외에도 재제조품은 신품 생산 대비 이산화탄소 감소량이 평균 18.3 kg이며, 에너지 소모량은 86 % 절감이 가능한 것으로 조사되었다.¹³⁾

우리나라 정부에서도 재제조 활성화를 위하여 ｢환경친화적 산업구조로의 전환촉진에 관한 법률｣에서 ‘재제조’를 “고품을 분해, 세척, 보수, 조정 및 재조립 등 일련의 과정을 거쳐 원래의 성능을 유지할 수 있는 상태로 만드는 것”이라 정의하고 다양한 활동을 추진하고 있다. 이러한 노력에도 불구하고 미국의 재제조 시장규모는 56.1조원, 유럽의 시장규모 46.8조원에 대비하여 우리나라는 재제조 시장규모 0.8조, 업체 수 1,400여 개 및 고용인원은 7,000여명으로 선진국 대비 1/10의 시장⋅산업 규모로 파악되었으며, 열악한 환경인 것으로 조사되었다.¹⁴⁾

재제조의 다양한 장점에도 불구하고 국내에서는 재제조 산업이 시장에서 외면 받는 이유로 소비자가 재제조품의 품질을 신뢰하지 못한다는 의견이 지배적이다. 재제조 품질인증제도가 활성화되지 않은 이유에는 대상품목의 협소함, 대중에게로의 홍보 부족 등의 다양한 이유가 존재하겠지만 객관적인 재제조품에 대한 성능 및 품질결과의 제시가 부족했다는 것도 중요한 원인이라고 판단된다. 최근에 실시한 재제조품 관련 소비자 인식 설문조사 결과에 따르면, 재제조 제품에 대한 우려점으로는 안전성 45.7 %, 내구성 31.6 %, 보증 20 % 등으로 응답했으며, 재제조품 사용 의향 여부에 관한 질문에서는 재제조 제품의 품질을 신뢰할 수 없어서 37.8 %가 가장 높은 비중을 차지하였다.

이와 같은 소비자의 신뢰도 향상을 위하여 정부는 2005년 ｢환경친화적 산업구조로의 전환촉진에 관한 법률｣개정을 통하여 재제조 제품의 품질인증을 시행(2006년 6월)하였다. 현재 자동차 부품 48종, 전기⋅전자제품 및 부품 14종, 건설기계 부품 6종, 산업기계 8종의 부품에 대해 산업표준을 제정하여 운영하고 있다. 이러한 정부의 제도적 노력에도 불구하고 현재 재제조 제품의 품질인증제도 역시 그렇게 활성화되어있지 않은 상태이다.

이러한 다양한 제도적 노력에도 불구하고 재제조품에 대한 품질이 시장에서 고객들에게 신뢰를 받지 못하는 이유는 제도적으로 제공하는 정보가 소비자에게 신뢰성을 부여하지 못하는 수준의 정보를 제공하는 오류를 범하였을 가능성이 존재한다고 생각된다. 특히 자동차부품과 같이 일반 소비자의 판단이 구매에 결정적으로 작용하는 부품⋅제품일수록 훨씬 객관적이고 과학적인 성능 및 품질 정보를 제공하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 재제조품과 신품에 대한 성능시험을 통해 재제조품의 성능에 대한 객관적인 수준을 확인하고, 재제조품의 품질 저하 시 원인을 조사하고 현재의 재제조품 품질인증제도의 문제점 및 개선점을 제안하고자 한다.

2.1 커먼레일 디젤 인젝터

커먼레일 디젤 인젝터는 Fig. 3과 같이 솔레노이드(Solenoid) 방식과 피에조(Piezo) 방식으로 나누어진다. 솔레노이드 방식은 전자석의 원리로 인젝터 노즐을 가동한다. 솔레노이드 인젝터는 2,200 Bar까지의 분사압을 견딜 수 있으며, 분사 타이밍은 약 120∼150 us 정도이다. 피에조 인젝터 방식은 피에조라고 하는 압전소자를 사용해 연료를 고압 상태에서 정교하게 분사하며, 분사의 정확성과 반응성을 상승시키는 방식이다. 피에조 인젝터는 2,500 Bar까지 분사압을 견딜 수 있으며, 분사 타이밍은 약 30 us이다. 피에조 인젝터가 솔레노이드 인젝터보다 분사압력이 강하고 빠르게 반응하기 때문에 연비향상 및 배출가스 감소 등에 장점이 있지만, 가격 면에서 비싼 단점도 있다. 2000년대 초반부터 재제조품 솔레노이드 인젝터가 시장에 보급되었으며, 관련 재제조 기술, 기반과 시장 등이 형성되어 있지만, 피에조 인젝터의 경우에는 2010년대 후반부터 시장에 보급되어 재제조 기술과 인프라 등이 부족한 상황이다. 이에 따라 솔레노이드 인젝터를 대상으로 신품과 재제조품 성능 비교하여 분석하고자 한다.

Fig. 3

Solenoid injector and Piezo injector configuration; (a) Solenoid injector (b) Piezo injector

2.2 솔레노이드 인젝터 재제조 공정

디젤 인젝터 재제조 표준 공정은 국가법령정보센터 행정규칙에서 확인할 수 있으며, 공정절차는 총 9단계로 구성되어 있다. 재제조 공정은 폐차장과 사고차량 등으로부터 발생한 고품(코어)을 회수한 순간부터 시작된다. 그 후 수거한 코어를 세척액을 이용하여 외부 오염물질(녹, 탄소, 찌꺼기) 등을 제거한 후에 보호 뚜껑으로 밀봉한다. 세척한 코어를 육안으로 점검하고, 절연계를 이용하여 코일저항 및 절연저항을 검사하여 솔레노이드 밸브의 이상 유⋅무를 파악한다. 그 후 인젝터의 백리크(Back-Leak) 기능이 작동하는지 확인한다. 제품의 주요 부품인 노즐, 볼, 실 및 챔버를 분해하고 마모상태, 스크래치 여부를 현미경을 통해 확인하고 그 후 주요부품에 대해 세척작업과 부품교체가 필요한 부분과 가공이 필요한 곳을 파악하여 보수⋅조정 작업을 진행한다. 최종적으로 출하하기 전 마지막으로 솔레노이드 작동상태 확인, 분사 개시 압력 적정성 유⋅무, 분사패턴 적합성 확인과 후적 여부 등의 성능평가 후 수요자에게 공급된다.

Fig. 4

Remanufacturing process of injector

3.1 시험 분석 방법

본 연구에서는 국가기술표준원이 제정한 “자동차용 재제조 디젤 인젝터 시험방법(KS I 4007)”에서 명시한 기준을 바탕으로 시험 분석을 실시하였다. 시험은 분사 개시 압력 시험, 후적 시험 및 동적유량 시험을 실시하여 재제조품에 대한 성능을 파악하였다. 분사 개시 압력 시험은 커먼레일에서 인젝터로 일정한 압력을 전달하였을 때, 전자제어 장치(Electronic Control Unit, ECU)의 신호에 따라 노즐에서 정상적으로 분사하는지 확인하였다. 시험 후 분사 개시 압력과 분사량을 측정하여, 재제조품의 성능을 검사하였다. 다음은 후적 시험이다. 자동차 내부 ECU에서 분사 신호 없이 노즐에서 분사하는지의 여부와 노즐에서 후적이 발생하는지를 확인하는 시험을 실시하였다. 그리고 분사되지 않는 유량이 커먼레일로 Back Leak되는 유량 값을 확인하여, 인젝터의 이상유⋅무를 확인하였다. 마지막으로 동적유량 시험을 실시하였다. 자동차가 운행될 때 공회전, 저속 및 고속 구간에서 인젝터별로 엔진에 분사해야 하는 유량 기준을 준수하는지 확인하는 성능시험을 수행하였다. 시험 후 고속, 중속, 공회전 구간에서 인젝터 분사량을 기록하여 신품과 재제조품의 성능 차이 여부를 확인하였다.

3.2 일반 조건

본 연구에서는 신품과 재제조품 성능을 시험하기 앞서서 최대한 자동차 운행 시에 부품이 작동되는 환경과 시험 환경을 동일하게 하여 성능 시험을 수행했다. 먼저 재제조품 인젝터의 외관 상태를 파악하여 파손, 휨, 비틀림 등 이상이 없는지 확인하였다. 시험실은 상온(23∼25 °C)의 조건에서 진행하였고, 시료는 현재 디젤 차량에서 사용하고 있는 인젝터를 대상으로 실시하였으며, 보쉬 14개, 델파이 6개종의 인젝터에 대해 비교 검사하였다. 시험한 차종은 Table 1과 같다.

Table 1

Test sample type

3.3 시험 장비

시험 장비는 Photo. 1과 같이 자동차 운행 시 이루어지는 엔진 내부 환경과 유사한 온도인 5∼40 °C로 조절할 수 있는 기능을 구성하였고, 최대압력은 220 MPa, 최대속도는 4,000 rpm까지 출력할 수 있도록 기능을 구성하였다. 인젝터 시험 시 외부로부터 방해받지 않도록 보호 덮개를 설치하였으며, 실험 데이터를 실시간으로 확인할 수 있도록 모니터를 구축하였다.

Photo. 1

Test equipment

시험기준은 인젝터 신품 제조 시 사용되는 DB를 장비에 적용하여, 신뢰성 있는 검사를 진행하였다. 시험장비와 관련된 세부적인 스펙은 Table 2와 같다.

Table 2

Performance equipment Spec

4.1 분사 개시 압력

인젝터의 분사는 고압연료 펌프에서 생성한 고압의 연료를 커먼레일에 전달하고, 커먼레일에 공급된 연료는 ECU로부터 보내진 신호에 따라 인젝터에 고압으로 연료를 전달하여, 노즐을 통해 분사하는 순으로 이루어진다. ECU에서 보내지는 펄스 신호는 니들의 리프트를 제어하며, 펄스시기에 의해 분사시기를 결정하고, 펄스 폭에 따라 분사량이 정해진다. 또한 컨트롤 밸브의 조절에 따라 분사하는 양이 달라진다. 즉 인젝터 분사 개시는 ECU의 펄스 신호가 인젝터의 솔레노이드로 전달되면서 시작되고, 분사연료량은 커먼레일 내의 연료압력, 밸브 개변시간 및 노즐개방 등에 의해서 결정된다. 총 20개의 재제조 인젝터를 대상으로 일정한 압력이 전달되었을 때, 노즐에서 정상적으로 분사하는지를 확인하는 분사 개시 시험을 실시하였다. 분사 개시 시험을 하기 전 시험 조건으로 시험실 온도는 상온으로 조절하였으며, 시험유는 교정용 액체(ISO 4113)를 사용하여 실시하였다. 시험장비 기능은 인젝터에 일정한 압력, 작동속도와 시간 등의 신호를 인가할 수 있는 기능을 할 수 있는 장비로 구성하였다.

Table 3

Opening pressure test conditions

성능시험을 진행하기 위해 시료를 먼저 장비에 장착 하였고, 커먼레일과 인젝터를 고압파이프로 연결하여 연료가 전달되게 구성하였다. 그 후 백리크 밸브와 인젝터를 연결하여, 분사 후 남은 연료가 다시 연료통에 전달될 수 있도록 구성하였다. 인젝터 분사 개시 압력 시험 조건은 “자동차용재제조 디젤 인젝터 시험방법(KS I 4007)”에서 제시한 기준을 바탕으로 시험을 실시하였으며, 인젝터 별로 아래와 같은 원제조사 기준에 따라, 성능시험을 실시하고 결과를 파악하였다.

재제조 인젝터 성능시험 결과 Starex는 커먼레일 압력 160 MPa에서 68,7 mm³ 분사하는 것으로 파악되었다. 신품과 비교하였을 때 분사량 차이는 0.1 mm³로 분사량 차이는 거의 없는 것으로 조사되었다. Porter2는 커먼레일 압력이 160 MPa에서 인젝터가 분사하는 것으로 조사되었다. 분사량은 86.4 mm³로 신품(71.7 mm³)과 미세한 차이가 있었지만, 분사량 허용기준에는 만족하는 것으로 확인되었다. 총 20개의 재제조품에 대한 분사 개시 압력 시험결과 모두 인젝터 기준 압력에서 분사하는 것으로 조사되었으며, 분사량도 신품과 거의 흡사한 것으로 조사되었다. 결과적으로 분사 개시 압력과 분사량은 재제조품과 신품은 성능 차이가 없는 것으로 조사되었다. 일부 인젝터에 대한 재제조품과 신품의 성능 비교결과는 Fig. 5와 같다.

Fig. 5

Opening pressure test result (Starex, Porter2, I30 etc)

4.2 후적 시험

후적 시험은 분사 개시 전 압력에서 인젝터 노즐의 분사 여부, 후적발생 여부와 백리크량을 검사하는 시험이다. 후적이란 노즐에 연료 방울이 생겨 연소실 등에 떨어지는 것을 말하는데, 커먼레일에서 일정한 압력과 엔진을 회전시켰을 때 노즐에서의 변화를 육안으로 확인하여 점검하였다. 후적 시험과 동시에, 커먼레일에서 전달한 고압의 유량이 노즐을 통해 분사하는 것이 아닌 백리크 밸브로 전달되는지 확인하는 백리크 시험을 실시하였다. 인젝터 노즐에 후적이 발생하면 자동차 운행시 인젝터에서 엔진으로 연료를 분사할 수가 없으며, 공회전시 다량의 배기가스를 발생하는 문제 등이 발생한다. 백리크 시험은 인젝터의 불량 여부를 판단할 수 있는 중요한 품질검사이다. 백리크량이 과다일 경우에는 시동지연, 시동 불능, 주행 중 시동 꺼짐 등의 문제가 발생할 수 있으며, 백리크량이 적을 경우에는 연료 압력이 높아져 연료 소비가 많아지는 현상이 발생한다.

재제조 인젝터의 문제여부를 파악하기 위해 후적 시험과 백리크 시험을 실시하였다. 본 시험을 실시하기 위해 먼저 시료를 장비에 장착하였고, 시험실 온도는 상온으로 유지한 후 진행하였다. 시험압력은 커먼레일에서 최대의 압력을 인젝터로 전달하였다. 인젝터 후적 시험과 백리크 시험 조건은 “자동차용재제조 디젤 인젝터 시험방법(KS I 4007)”에서 제시한 기준을 바탕으로 시험을 실시하였으며, 원제조사 기준에 따라, 성능시험을 실시하고 결과를 분석하였다. 세부시험기준은 Table 4와 같다.

Table 4

Dribbling test conditions

시험결과 총 20개의 재제조품 인젝터는 360초 동안 노즐에서 후적이 발생하지 않았다. 신품 제조 시 실시하는 품질검사에서 모두 문제가 없는 것으로 나타났고, 신품과 성능 차이가 없음을 확인하였다. 백리크 성능시험 결과 Starex 재제조품의 백리크량은 16.4 mm³로 나타났으며, 백리크량을 신품과 비교분석한 결과 0.4 mm³ 미세한 차이 나는 것으로 조사되었다. Starex 재제조품은 성능 기준에 부합한 것으로 조사되었으며, 품질에 문제가 없는 것으로 검증되었다. Trajet XG 재제조품의 백리크량은 17.5 mm³로 조사되었고, 신품은 18 mm³로 나타났다. 오차 범위는 0.5 mm³인 것으로 큰 차이가 없는 것으로 조사되었다. Avante HD는 재제조품의 백리크량은 15.5 mm³인 것으로 나타났으며, 신품의 경우에도 15.5 mm³로 재제조품과 신품의 백리크량이 차이가 없는 것으로 나타났다. 이번에 실시한 20개의 재제조 인젝터의 후적 시험과 백리크 시험 결과 재제조품 모두 성능에 이상이 없는 것으로 확인되었으며, 재제조품의 품질이 신품과 비교하였을 때 큰 차이가 없었다. 후적 시험과 백리크 시험의 세부 결과는 Table 5와 같다.

Table 5

Dribbling test result

4.3 동적유량 시험

디젤 인젝터는 고압연료펌프로부터 송출된 연료를 연소실에 직접 분사하는 방식이다. 작동원리는 ECU에서 코일에 전류를 공급하며 밸브가 연료의 압력으로 들어 올려 컨트롤 챔버를 통해 연료를 배출하고 그와 동시에 니들과 노즐이 상승되면서 고압의 연료가 연소실에 분사되는 원리이다. 인젝터의 제어는 ECU 내부 구동 드라이버에서 전압과 전류로 제어한다. 인젝터의 연료분사는 고압연료펌프의 캠축과 플랜저가 서로 연결되어 분사노즐에서 분사하도록 되어 있기 때문에 분사압력의 증가속도와 연료 분사량이 함께 증가하며, 실제 분사 과정 동안에 분사 압력 변화로 분사 말기에 분사 노즐이 닫히므로 압력이 낮아지는 특성을 가지고 있다.

본 시험 장비는 커먼레일 연료 분사시스템 방식을 통해 고압 연료펌프를 사용하여 저속영역에서도 연료압력을 높일 수 있는 구조로 구성하였고, 분사된 연료의 무화 및 공급효율을 상승시킬 수 있으며, 저속, 중속, 고속 영역에서는 연료압력을 일정하게 제어할 수 있도록 하였다. 본 성능시험은 자동차가 고속, 중속, 공회전 상태일 때 인젝터에서 엔진으로 기준에 맞게 분사하는지 확인하였다. 동적 유량 시험을 위해 디젤 엔진 연료 시스템에 적용되는 고압연료펌프, 커먼레일, 인젝터 그리고 센서 등으로 구성된 시스템 회로로 구성하였다. 시료를 장비에 장착할 수 있도록 준비하였으며, 인젝터 동적유량 시험 조건은 “자동차용재제조 디젤 인젝터 시험방법(KS I 4007)”에서 제시한 기준을 바탕으로 시험을 실시하였으며, 원제조사 기준에 따라, 성능시험을 실시하고 결과를 분석하였다. 시험기준은 다음과 같다.

• 1) 고속 : 고압연료펌프의 엔진 회전수 1,000 rpm, 커먼레일압력 130∼160 MPa, 인젝터에 전달하는 압력 20 kPa, 연료분사 시간은 0.8∼1 ms로 설정하여 인젝터의 분사량을 측정하였다. 총 시험시간은 40초로 진행하였다.
• 2) 중속 : 고압연료펌프의 엔진 회전수 450 rpm, 커먼레일압력 60∼80 MPa, 인젝터에 전달하는 압력 20 kPa, 연료분사 시간은 0.63 ms로 설정하여 인젝터의 분사량을 측정하였다. 시험시간은 40초 동안 진행하였다.
• 3) 공회전 : 고압연료펌프의 엔진 회전수 450 rpm, 커먼레일압력 25∼30 MPa, 인젝터에 전달하는 압력 20 kPa, 연료분사 시간은 0.6 ms로 설정하여 인젝터의 분사량을 측정하였다. 시험시간은 40초 동안 진행하였다.

재제조품의 성능결과를 분석하기 위해 시험 후 디젤 인젝터의 각 연료 분사 구간(고속, 중속, 공회전)의 운전조건에서의 분사량과 시험조건에 대해서 기록하였다. 먼저 Starex 인젝터의 동적유량 시험결과 고속일 때 66.9 mm³, 중속일 때 19.3 mm³, 공회전일 때 6.3 mm³인 것으로 결과가 나타났다. 고속, 중속, 공회전일 때 나온 성능결과는 신품과 분사량 차이는 1∼3 mm³ 범위 내였으며, 분사량 품질 기준을 충족하는 것으로 조사되었다. Starex 재제조품 신품 동적유량 성능시험결과는 Fig. 6과 같다.

Fig. 6

Starex dynamic flow rate test result

Fig. 7

Trajet XG dynamic flow rate test result

Trajet XG 인젝터의 동적유량 시험결과 고속일 때 49.0 mm³, 중속일 때 25.7 mm³, 공회전일 때 5.3 mm³인 것으로 결과가 나타났다. 고속, 중속, 공회전일 때 나온 성능결과는 신품과 차이가 거의 없었으며, 성능에 있어 기준 허용치를 모두 충족하는 것으로 나타났다. Tucson의 경우에는 재제조품의 고속 분사량 63.2 mm³, 신품 63.3 mm³, 재제조품 중속 분사량 15 mm³, 신품 15.4 mm³, 재제조품의 공회전일 때 분사량은 5.4 mm³, 신품은 5.8 mm³인 것으로 조사되었으며, 신품과 재제조품의 오차범위가 1 mm³ 이내인 것으로 확인되었다. 이외에도 13개의 재제조품 인젝터는 동적유량시험에서 신품과 거의 유사한 성능을 내는 것으로 분석되었다.

하지만 성능기준에 부합하지 않는 4개의 인젝터가 확인되었다. Porter 2는 고속에서 인젝터 분사량이 신품은 73.2 mm³, 재제품은 81.9 mm³를 분사하는 것으로 나타났으며, 재제조품이 고속 시 허용기준을 충족하지 못하는 것으로 확인되었다. I30의 경우 고속 시 인젝터 분사량 불량발생, Sorento는 중속 시 분사량 문제발생 등이 나타났다. 델파이 제품인 Bongo3(4X450)의 경우에는 재제조품에서는 고속과 중속에서 분사기준을 만족하지 못하는 것으로 조사되었다.

동적유량시험 결과 총 20개의 인젝터에서 16개(80 %이상)가 문제없는 것으로 나타났으며, 성능기준을 통과하지 못한 인젝터가 4개인 것으로 조사되었다. 성능기준을 충족하지 못한 인젝터를 대상으로 구성 부품에 대해 원인을 분석하였다. 이번에 진행한 인젝터별 동적유량 시험 세부결과는 Table 6과 같다.

Table 6

Dynamic flow rate test result

4.4 성능 시험 불합격 원인 분석

총 20개 인젝터 중에서 4개의 재제조 제품이 동적 유량 시험을 통과하지 못한 것으로 조사되었다. Porter2, I30의 제품의 경우에는 고속 시 인젝터가 분사해야하는 기준치에서 벗어나는 것으로 측정되었으며, Sorento의 경우에는 중속에서 문제가 발생하였다. 마지막으로 Bongo3(델파이 제품)의 경우 고속, 중속의 인젝터 분사량이 해당 기준치를 허용하지 못하는 것으로 조사되었다. 인젝터의 성능의 문제점을 파악하기 위해 재제조 제품을 모두 분해하여, 인젝터의 핵심부품인 노즐, 챔버, 볼, 압력 조절 밸브 등의 이상 유⋅무와 부품별로 이물질, 조립과정 등의 오류 여부를 재확인 하였다.

Poter2 인젝터의 문제점을 파악하기 위해 구성 부품을 분해하였다. 제품의 세부적인 상태를 점검 하였으며, 현미경을 통해 점검한 결과 컨트롤 챔버 외관부분에 미세한 기스와 이물질이 끼어 있는 것을 확인하였다. 컨트롤 챔버의 외관 상태에 따라 고속에서 분사시 문제가 발생하는 것을 알 수 있었다. I30 인젝터의 경우, 점검 결과 컨트롤 플런저에 문제가 있는 것으로 확인되었다. 앞쪽 심부분이 심하게 노후화 되어 일부 파손 되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 컨트롤 챔버의 외관상태, 이물질 존재여부 그리고 컨트롤 플런져의 상태에 따라 고속시 인젝터 분사량에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 챔버와 플런저를 교환한 후 재시험 결과 Porter2와 I30 두 개의 인젝터 모두 고속에서 정상적으로 분사하는 것을 확인할 수 있었다.

Photo. 2

Porter2 (a) and Bongo3 (b) injector disassemble

Photo. 3

(a) Control chamber external defect (b) Control plunger defect

Photo. 4

(a) Remanufacturing product nozzle needle defect (b) New product nozzle needle

Photo. 5

(a) Defective control valve (b) Defective shim

Sorento의 인젝터 문제점을 파악하기 위해 분해하여 점검 하였다. 인젝터를 점검한 결과 노즐의 심이 안쪽으로 침하 되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 인젝터의 노즐 부분은 ECU신호에 따라 최종적으로 연료를 엔진으로 분사하는 기능을 하는데, 관련 부품의 손상으로 인해 중속일 때 분사 기준치를 충족하지 못하는 것으로 조사되었다. 인젝터를 재제조할 때 공정 속에서 보수가 필요한 부분이 일부 누락된 것으로 확인 되었다. 노즐을 교체한 후 시험 한 결과 인젝터 성능에 문제가 없는 것으로 확인되었다.

Bongo3 인젝터의 경우에는 고속과 중속에서 분사량 기준을 충족하지 못하는 문제가 있는 것으로 조사되었다. 문제의 원인을 파악한 결과 컨트롤 밸브와 심이 노후화되어 일부 파손 되었고, 이물질이 끼어 있음을 확인 하였다. 이로 인하여 분사시 문제가 있는 것으로 조사 되었다. 컨트롤 밸브는 솔레노이드 밸브의 형태에 따라 노즐의 분사 패턴 및 분사 응답시간을 결정하는 중요한 기능을 수행한다. 이에 따라 인젝터를 재제조 할 때 보다 자세히 점검하고, 보수해야 한다는 것을 파악할 수 있었다.

총 4개의 인젝터를 분해하여 분석한 결과, 각각의 부품이 문제가 없어야 동적유량 시험에서 문제가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 현재 정부의 재제조 품질인증 기준은 신품 인증제도에 기반하여 기준을 제⋅개정하고 있는데 본 실험의 결과를 통하여 별도의 재제조 부품의 성능을 확인할 수 있는 인자를 추가하여 불량률을 최소화하는 방안이 필요함을 확인할 수 있다. 이번에 진행한 분사 개시 압력, 후적 시험, 동적유량시험 결과는 Table 7과 같다.

Table 7

Performance inspection result