디젤 커먼레일 소형 인젝터 컨트롤 밸브 수명복원 기술개발

1. 서 론

선진국의 재제조 산업은 사용 후 자동차부품의 재활용, 재이용 그리고, 재제조를 포함한 물질 재활용 목표치를 95 % 이상으로 요구하고 있으며, 특히 재제조율은 85 % 이상으로 부품들을 재제조하여 사용하는 것을 의무화하고 있다.¹⁾ 자동차 분야 재제조 산업은 선진국에서 자원순환 산업의 가장 중요한 분야를 담당하고 있으며, 국내에서도 자동차분야 재제조 산업이 산업적으로, 환경적으로도 중요한 분야라는 인식이 확산되고 있다. 그러나 국내의 경우 대기업중심의 산업구조와 영세한 재제조 기업 구조 때문에 아직 어려운 상황이다.

본 연구는 국내 자동차부품 재제조 성능 복원 기술에 대한 실증적 연구 결과로서 사용 후 자동차 부품의 재제조율 향상을 위하여 성능 복원 공정을 도입한 재제조 기술 개발 연구를 수행하였다. 성능 복원의 대상 부품으로 소형 디젤자동차 연료분사장치의 핵심부품인 컨트롤 밸브 니들을 연구하였다. 컨트롤 밸브의 니들부분의 마모된 형상을 복원하기 위한 연마 및 코팅공정을 적용하여 컨트롤 밸브의 성능을 복원함으로써 디젤 인젝터의 재제조에 활용 할 수 있는 성능을 만족하도록 연구를 수행하였다. 연구 결과, 재제조 공정 5단계를 적용한 재제조품의 성능 결과를 신품의 기준과 비교 시험함으로써 승용 디젤 인젝터 컨트롤 밸브의 성능 복원 공정 기술의 유효성을 확인하였다.

2. 인젝터 컨트롤 밸브 개요

국내 승용차용 커먼레일 시스템(Common rail direct injection system)용 부품 시장은 보쉬社, 델파이社, 덴소社의 3개 회사에서 국내시장을 독점하고 있다. 인젝터는 주로 Fig. 1과 같은 핵심부품들의 고장으로 인한 부품 교체와 수리 과정에서 모듈 단위로 수입된 부품을 사용하기 때문에 경제적인 손실이 높게 발생하고 있다.

Fig. 1

Shape of injector control valve

Fig. 1은 각 제조사의 인젝터에 사용되는 컨트롤 밸브의 형상을 나타낸 것이다. 이중 델파이社 인젝터의 컨트롤 밸브는 이물질에 의한 마모와 신품 가격에 대한 경제적 부담이 크기 때문에 재제조 대상으로 선정하여 컨트롤 밸브의 수명 복원 기술 연구 대상으로 하였다.

2.1 인젝터 및 컨트롤 밸브 구조

본 연구의 핵심 부품은 Fig. 2와 같이 디젤 인젝터의 컨트롤 밸브로 외경 14.5 mm, 길이 9.7 mm이고 경도는 HRC 65 이상의 물성을 갖는다.

Fig. 2

Delphi injector and control valve

Fig. 3

The operating process of delphi injector

인젝터는 내부에 솔레노이드 밸브가 장착되어 있어 ECU의 출력 신호에 따라 개폐 동작을 수행하게 된다. 고압펌프에서 연료가 공급되면 인젝터의 솔레노이드 밸브와 연결된 컨트롤 밸브 니들의 작동에 따라 노즐을 통과하여 연료는 연소실에 분사되는데, 이때 솔레노이드 밸브의 트리거 형태에 따라 컨트롤 밸브의 니들 작동이 이루어지고 이에 따른 노즐의 분사 패턴 및 분사 응답 시간이 결정된다. 정확한 분사 시기 및 분사량을 조정하는 것은 결국 컨트롤 밸브의 작동에 따라 이뤄지기 때문에 엔진 출력 성능에 직접적인 영향을 미치게 된다.²⁾

고압의 연료는 일정량 공급되고 잔량은 리턴되어 순환하게 되는데, 인젝터 연료 분사시 리턴량이 과다 발생한 현상은 인젝터 컨트롤 밸브가 과도하게 마모된 현상으로 나타난다. 이 경우 엔진 시동이 지연되고, 엔진 공회전시 엔진 부조현상이 발생할 수 있으며, 운전시 출력이 급속도로 낮아지는 현상과 심하면 시동 꺼짐이 발생하게 되어 운전자에게 아주 위험한 사고로 이어질 수 있다. 일반적으로 인젝터 컨트롤 밸브 마모에 따라 엔진의 이상 소음과 진동 발생, 엔진 출력 부족, 가속 불량, 엔진 헌팅 및 백색 배기가스가 발생하게 된다.

2.2 컨트롤 밸브의 고장 분석

재제조 승용차용 소형 디젤 인젝터의 고장 모드 분석을 수행하였다. Table 1은 소형 디젤 인젝터의 고장부품과 고장 현상을 분석한 결과이다.

Table 1

FMEA of injector

이러한 고장 모드 분석은 승용 소형 디젤 인젝터의 핵심 부품인 컨트롤 밸브와 고장의 연관성을 확인하기 위하여 진행하였다. 고장 모드 분석 결과 컨트롤 밸브의 구성 부품인 니들 및 밸브 시트의 기계적 마찰에 의한 마모 및 스크래치에 의한 파손이 주요 고장 원인으로 파악되었으며, 이와 같은 고장의 주요 원인은 필터 교환 소홀로 인한 이물질 유입, 연료내 수분 유입, 과다 피로에 따른 것으로 예상된다.

Fig. 4는 레이저 절단기로 비정상 작동인 인젝터에서 컨트롤 밸브를 수거하여 중앙을 절단한 사진으로 밸브와 슬라이딩 접촉된 부분의 표면이 마모 되고 이물질이 붙어있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4

Cross-sectional shape of control valve

3. 인젝터 컨트롤 밸브의 수명 복원 공정

3.1 인젝터 재제조 공정

재제조(Remanufacturing)공정은 일반적으로 Fig. 5와 같이 재제조 공정 5단계로 구성되어 있으며, 이중 가공을 통하여 수명 복원이 이루어지는 재제조 공정은 보수조정 단계에서 진행되었다.

Fig. 5

Remanufacturing process

폐기되는 차량에서 회수되는 소형 디젤 인젝터 코어를 회수하면 통상적으로 A, B, C, D의 4 등급으로 분류한다. A등급의 경우 세척 공정 후 그대로 사용 가능한 상태이며, B 및 C등급의 경우 마모 상태에 따라 복원이 가능한 상태, D등급의 경우는 마모가 심하여 복원이 어렵고 재사용이 불가능한 상태로 재제조 공정에서는 폐기된다. 재제조가 가능한 대상은 B와 C 등급으로 분류되는 코어가 대상이 되며, 검사 공정을 통해 신품을 사용할 것인지 수명을 복원 할 것인지는 작업자의 판단에 의해 이루어져 왔기 때문에 정확한 가이드를 개발 필요성이 있으며, 소형 델파이 인젝터의 컨트롤 밸브에 대한 수명 복원은 검사 단계에서 결정되고 보수조정 단계에서 진행된다.

3.2 컨트롤 밸브 성능복원 과정

1차적으로 소형 인젝터 컨트롤 밸브 수명 복원 기술을 적용하기 위하여 이물질을 제거 한 후 성능복원 가능성 여부를 판단하였다. Fig. 6은 소형 인젝터 컨트롤 밸브를 검사하는 모습이다.

Fig. 6

Inspection process of used control valve

Fig. 7은 표시 부분에 소형 인젝터 컨트롤 밸브의 니들 부위 마모 및 스크래치 부를 확대한 사진이다. (a)는 마모부위를 나타내고, (b)는 신품(오른쪽)과 비교 사진이다.

Fig. 7

Photos of worn control valve needle

B 등급 및 C 등급에 해당하는 컨트롤 밸브의 Needle 부의 가공을 위하여 별도로 지그를 개발하여 제작하였다. Fig. 8은 컨트롤 밸브의 니들부에 대한 형상 및 치수와 재제조 코어에서 파악된 마모부위를 도면화한 것이다. 니들 부의 두 경사면의 스크래치 및 마모에 따른 변형에 의해서 인젝터의 분사량이 변하기 때문에 이러한 부분을 원래의 형상에 맞도록 가공 및 연마하는 공정을 개발하였다. ‘a’니들 단면의 경우 수직으로 연마하고 중앙의 ‘b’경사면의 경우 마모면을 가공하기 위하여 83°범위내에서 임의로 각도 조절이 가능한 선반을 제작하여 적용하였다. 선반 팁 각도 데이터는 원제조사 컨트롤 밸브 신품의 형상 측정을 통해 얻은 데이터에 맞게 각도를 조절하였다.

Fig. 8

Control valve needle dimension and worm parts

Fig. 9는 컨트롤 밸브 니들을 고정하기 위한 지그와 니들을 폴리싱하는 공정의 모습과 지그를 도면으로 나타냈다.³⁾

Fig. 9

Control valve needle polishing process and fixture

4. 실험 장치 및 실험 방법

본 논문에서는 소형 디젤 인젝터 컨트롤 밸브의 성능 복원을 확인하기 위해 인젝터 Assembly를 분해하여 컨트롤 밸브만 교체한 후 성능 평가를 수행하였다. 연구 대상 컨트롤 밸브는 제조사 델파이의 디젤 엔진용 컨트롤 밸브이고, 성능 장치는 Fig. 10과 같은 델파이社의 전용 시험 장비를 사용하였다. 시험 장치의 제원은 Table 2와 같다.

Fig. 10

Injector test bench

Table 2

Hartridge test equipment spec

5. 실험 결과

소형 인젝터 컨트롤 밸브를 성능 복원 후 연료 공급압력 및 분사 조건에 따른 분사량 변화를 확인 하였다. 각 구간 별로 펌프 회전수에 따라 워밍업(Purge), 아이들, 중속, 고속 및 백리크 구간으로 구분하여 인젝터 시험 조건을 설정하였다.

Table 3은 성능 복원 대상인 디젤 인젝터 성능 시험 기준으로 컨트롤 밸브 성능복원 샘플에 대한 시험 결과와 비교하기 위하여 제시하였다.

Table 3

Performance test spec. (New products)

Table 4는 컨트롤 밸브 성능복원 전 소형 인젝터에 대한 성능을 파악하기 위하여 진행한 시험 결과이다. 분사량 및 백리크량이 신품 기준에서 벗어나서 과다하게 측정되는 구간이 있음을 확인할 수 있다.

Table 4

Test results before restoration process

Fig. 11의 (a)는 시험 조건에 따른 Injection quantity을 나타내며, Purge와 중속 구간에서 기준을 벗어났다. (b)는 Back leak을 나타내며, 중속과 백리크 구간에서 기준을 벗어났다. 그림에서 Y축은 컨트롤 밸브의 Injection quantity과 Back leak을 나타내며, X축은 Test condition을 나타낸다.

Fig. 11

Test results (a) injection quantity (b) back leak

Table 5는 컨트롤 밸브 마모 부분을 폴리싱만 처리하여 성능 복원한 제품 대상으로 성능을 파악하기 위하여 진행한 시험 결과이다. Fig. 12(a)에서 분사량은 Purge와 Full 조건에서 기준을 벗어났다. Fig. 12(b)에서 백리크는 Purge, Idle, Mid, Full 구간에서 신품 기준을 벗어나서 과다하게 측정되었다.

Table 5

Test results after first restoration process

Fig. 12

Test results (a) injection quantity (b) back leak

Table 6은 마모된 니들 부분을 0.1~0.2 mm 연마 복원하여 성능을 평가한 결과이다. Fig. 13(a)에서 분사량은 Purge와 Full 조건에서 기준을 벗어났다. Fig. 13(b)의 백리크 경우 Purge 구간을 제외하면 신품의 기준을 만족하는 결과를 확인할 수 있다.

Table 6

Test results after second restoration process

Fig. 13

Test results (a) injection quantity (b) back leak

최종적으로 마모된 니들 부분을 0.1 ~ 0.2 mm 연마한 컨트롤 밸브를 Fig. 14와 같이 DLC 코팅을 적용하였다.⁵⁾ Table 7은 DLC 코팅을 컨트롤 밸브 니들에 적용하여 디젤 인젝터의 분사량을 확인한 결과이다. 각 구간에서 분사량 및 백리크량이 신품과 동등하게 측정되는 것을 Fig. 15를 통하여 확인할 수 있다.

Fig. 14

Control valve needle with DLC coating

Table 7

Test results after restoration process

Fig. 15

Test results (a) injection quantity (b) back leak

Fig. 15(a)는 분사량이 모든 시험 조건에서 신품 기중안에 들어 있음을 나타낸다. Fig. 15(b)의 백리크의 경우도 모든 시험 조건이 신품의 기중을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

6. 결 론

본 연구에서는 소형 디젤 인젝터를 재제조하기 위하여 핵심부품인 컨트롤 밸브의 마모부분을 성능복원 하였다. 연마와 가공 그리고, 코팅 공정을 적용하였으며, 신품기준에 의하여 성능 평가를 수행하였고, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

• 1) 고품(Core) 소형 인젝터를 수거하여 고장원인을 분석하였다. 컨트롤 밸브와 노즐 팁에 관한 고장이 대부분으로 나타났다. 고장의 유형은 마모와 소착에 의한 것이었고, 그 원인은 불량연료 사용, 이물질 유입, 피로 마모가 원인인 경우가 대부분으로 확인되었다.
• 2) 회수된 인젝터를 분해 후 컨트롤 밸브를 확대 분석한 결과, 니들부에 마모, 경사면의 스크래치 마모를 확인하였다. 마모에 의해서 분사량이 변화되었고 엔진 출력 부족, 엔진부조 현상과 직접적으로 연관이 있는 것으로 파악되었다.
• 3) 컨트롤 밸브의 마모 부위를 파악하기 위하여 신품 형상을 측정하였고, 마모된 컨트롤 밸브 니들부분의 경사면을 가공 할 수 있는 별도의 지그를 설계 제작하였다. 절삭과 연마를 위하여 기존 선반기계를 개조하였으며 전용 가공 장비로 제작하여 성능 복원 공정에 적용하였다.
• 4) 컨트롤 밸브 성능 복원을 위하여 절삭 및 연마 공정만으로 성능 시험 결과가 부족하였으며 추가적으로 연마, 가공한 컨트롤 니들 밸브에 DLC 코팅을 적용함으로써 신품과 유사한 성능을 확보 할 수 있었다.

본 연구에서는 소형엔진용 델파이 디젤 인젝터의 재제조 공정에서 핵심 부품인 컨트롤 밸브의 성능 복원에 적용 가능한 연마 기술과 가공 기술을 제시하였다. 재제조 소형 인젝터의 컨트롤 밸브 재제조율 향상을 위한 경제적인 요소 기술로 활용 될 수 있을 것으로 예상된다.

Acknowledgments

본 연구는 한국에너지기술 평가원에(과제번호20165010300800) 연구비 지원으로 수행되었습니다.

References

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