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본 연구에서는 2002년부터 출하된 10 L급 이상의 상용 디젤 엔진에 장착된 유닛 인젝터를 재제조 하는 과정에서 성능 복원을 위한 대상 부품 및 기술을 선정하였다. 사용 후 상용 디젤 유닛 인젝터의 성능 복원을 위해서 해당 유닛 인젝터의 고장모드 분석을 수행하였다. 이러한 고장모드 분석은 유닛 인젝터의 핵심 부품인 스필 밸브와 고장의 연관성을 확인하기 위하여 진행하였으며, 고장모드 분석 결과 노즐 막힘과 스필 밸브의 마모가 가장 큰 고장 형태로 파악되었다. Table 1은 유닛 인젝터의 고장 원인과 고장 형태를 분석한 결과이다. 회수된 유닛 인젝터의 주요 고장 현상에 대한 원인을 분석한 결과, 불량 연료 사용과 이물질 유입, 연료 필터 교환 주기 실기, 수분 유입, 과다 피로 현상, 연료 탱크 내 이물질유입 현상이 유닛 인젝터 스필 밸브 손상의 주원인으로 파악되었다.^2,3)

특히 스필 밸브의 마모에 따른 이물질이 노즐의 분사 홀의 막힘 원인으로 연결되는 고장 전파를 확인하였다.⁷⁾

또한, 유닛 인젝터의 성능 복원 가능 유무를 판단하기 위하여 수거된 유닛 인젝터를 4 등급으로 분류하였다.

자동차 고품(Core)의 분류기준은 통상 A, B, C, D의 4 등급으로 나누고 있다. Table 2는 유닛 인젝터를 네 등급으로 분류한 사진이다. 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 현장에서는 폐기되는 상태를 말한다.⁴⁾

A - Grade	B - Grade
C - Grade	D - Grade

이상이 발견된 스필 밸브를 확대해 보면 Fig. 1에 원형으로 표시된 부분과 같이 45° 경사진 부분이 거칠게 마모되거나 파손되는 경우가 많이 관찰되었다. Table 3은 유닛 인젝터 스필 밸브 고장 부분을 SEM 장비를 이용하여 확대한 사진이고 옆에는 같은 부위의 신품 사진을 비교하였다. Fig. 2는 스필 밸브 분석에 사용된 SEM 장비 사진이다.

Fig. 1 
Spill valve design

손상	Damaged	New
Scratch
Spill valve breakage

Fig. 2 
Scanning electron microscope(SEM) device

본 연구에서는 사용 후 폐기 되는 차량의 코어 부품들을 체계적으로 회수하여 제조사의 공정 순서에 따라 분해, 세척, 검사, 수리, 조정, 재조립, 성능검사 등의 과정을 거쳐 원래의 성능을 발휘 할 수 있도록 복원 하는 유닛 인젝터의 재제조 공정 중 스필 밸브의 성능을 복원하는 기술을 수리 조정 단계에 적용하여 유닛 인젝터의 재제조율(코어 부품을 활용하여 신품과 동등한(유사한) 수준으로 성능복원 시킬 때 재제조 되는 비율)을 향상시킬 수 있는 기술로 활용하고자 한다.

재제조(Remanufacturing)공정은 일반적으로 Fig. 3과 같이 5 단계 분류 할 수 있으며, 이중 유닛 인젝터의 스필 밸브에 대한 성능 복원은 재제조 공정 중 수리조정 단계(Reconditioning) 기술로 분류할 수 있다.

Fig. 3 
Remanufacturing pocess of UI

유닛 인젝터의 스필 밸브 성능 복원 기술은 1차 초음파 세척 작업으로 이물질을 제거한 후에 육안으로 검사를 실시한다. 스필 밸브 마모 상태에 따라 A, B, C, D 등급으로 분류 한다. A, B 등급은 유닛 인젝터 바디에 재조립하여 신품과 동등한 수준의 성능을 발휘하는지를 확인하며, C, D 등급으로 분류된 부품 가운데 전자 현미경(160배율)으로 점검하여 성능 복원이 불가한 경우(D 등급)은 폐기처분 한다. 통상 A, B 등급 중에 성능 검사를 통과하지 못한 제품과 C 등급으로 분리된 스필 밸브가 복원 기술의 적용대상이 된다. Table 4는 유닛 인젝터 스필 밸브에 대한 재제조 공정 중 검사 공정을 나타낸다. Table 5는 재제조 공정에서 회수한 C 등급 스필 밸브에 대한 160 배 확대 사진을 나타낸다.

Remanufacturing process	Photo	Process contents
Core collection		- Bare eyed inspection
Decomposition, washing		- Remove foreign matter - Inspection of damaged part - Ultrasonic cleaning
Initial inspection		- Measurement of wear - Values comparison
Microscopy inspection		- Precision measurement of damaged part

Spill valve	Spill valve wear part
Spill valve wear photo (×160 magnified)

스필 밸브는 시동 및 주행 중 연료 분사량을 조절하는 역할을 담당하는 부품으로 고장발생시 시동지연 및 출력 부족 현상이 나타난다.

스필 밸브의 기능에 이상이 오면, 연료 소모량이 급격히 증가하고 매연 발생이 증가하는 문제점이 나타나기 때문에 재제조 공정에서도 유닛 인젝터 내의 스필 밸브에 대한 검사가 반드시 필요하며, 이상이 있는 스필 밸브는 반드시 복원 또는 교체가 필요하다. 스필 밸브의 고장 원인은 피로누적과 불량연료 사용에 따른 마모 및 파손 등이다. 스필 밸브가 마모만 된 경우는 폴리싱 공정만 진행하고, 파손 부분이 있는 경우는 연마와 폴리싱 공정을 거처 형상을 회복한 후 모두 표면처리 기술을 적용하도록 복원 공정을 구성하였다.

유닛 인젝터 스필 밸브 마모 부위를 전자 현미경으로 분석한 결과 3 μm 이상 마모되면 성능에 부정적인 영향을 미치는 것으로 파악 되었으며, 마모 부위는 연마를 통한 가공 후 폴리싱 공정을 거쳐 성능복원을 진행하였다. 통상 1 μm ~ 2 μm정도 마모되면 표면을 고르게 폴리싱 한 후 전자 현미경으로 확대하여 표면 상태를 점검 한 후 복원을 진행하였다. Fig. 4는 초경합금을 사용한 연마 장면이고, Fig. 5는 연마 후 폴리싱 공정을 거친 스필 밸브를 표면 처리하는 사진이다.

폴리싱 공정 또는 연마와 폴리싱 공정을 거친 스필 밸브의 성능 복원을 위하여 다음의 3가지 표면처리 기술을 적용하였다. TiN 코팅, TiCN 코팅, DLC 코팅의 3가지 코팅 방법을 스필 밸브에 복원공정에 적용하고 시험 평가를 수행하였다.

Fig. 4 
Spill valve polishing process

Fig. 5 
Spill valve surface treatment process

일반적으로 많이 사용되는 TiN 코팅으로 표면 처리한 스필 밸브를 적용한 유닛 인젝터에 대한 성능시험을 진행한 결과, Table 9와 같이 코팅 후 성능 시험평가는 만족하였으나 Table 10과 같이 내구성 시험 후 성능 평가를 진행한 결과 분사량이 구간별로 기준을 만족하지 못한 것으로 나타났다.

TiN 코팅에 비해 내마모성이 강한 TiCN 코팅을 적용한 스필 밸브를 사용한 유닛 인젝터의 경우도 Table 11과 같이 초기 성능은 만족하였으나 Table 12와 같이 내구 시험 후 성능을 평가한 결과, 미세한 캐비테이션에 의한 손상(스필 밸브)의 마모가 있는 것으로 판단된다.

AL부품이나 자동차 부품 코팅에 많이 적용되는 DLC(Diamond-like Carbon) 코팅을 스필 밸브에 적용한 경우는 Table 13과 같이 내구 후 성능 시험도 만족하는 것으로 나타났다.¹²⁾

Fig. 8은 본 논문에서 사용한 3가지 코팅을 적용한 스필 밸브 사진이다.

Fig. 8 
Used coating spill valve