Transactions of KSAE, Vol. 25, No. 3, pp.389-396 (2017) Copyright C 2017 KSAE / 148-15 pissn 1225-6382 / eissn 2234-0149 DOI https://doi.org/10.7467/ksae.2017.25.3.389 상용차디젤의연료분사장치유닛인젝터핵심부품인스필밸브의성능복원관한연구 이충근 *1) 이정호 2) 이대엽 2) 인하대학교대학원건설기계공학과 1) 인하대학교대학원기계공학과 2) A Study on Restoration Technology of Unit Injector Spill Valve for Injection System of Commercial Diesel Engine Chunggeun Lee *1) Jeongho Lee 2) Daeyup Lee 2) 1) Graduate school of Engineering, Inha University, Incheon 22212, Korea 2) Department of Mechanical Engineering, Inha University, Incheon 22212, Korea (Received 3 June 2016 / Revised 10 April 2017 / Accepted 12 April 2017) Abstract : Restorations of automotive parts have been done ever since the first vehicle was produced. Because the most expensive parts of a vehicle are in the engine system, there have been various restoration methods developed for engine parts. In the case of commercial diesel engines, the fuel injection device is a key and expensive component. It also has a significant effect on vehicle performance. In particular, reduced engine power and increased exhaust gas emissions may result from mechanical damage due to abrasion of the spill valve in the fuel injection system of a diesel engine. In this paper, restoration techniques for damaged parts are applied to restore the abrasion of a spill valve of fuel injection, also called as the unit injector, of commercial diesel engines. In order to recover the damage, optimized polishing techniques using hard-metal and coating processes are applied. To evaluate restoration techniques for the spill valve, performance and durability s are performed on a bench. Key words : Unit injector( 유닛인젝터 ), Restoration( 복원 ), Failure analysis( 고장분석 ) Spill valve( 스필밸브 ), Polishing and coating( 연마와표면처리 ), Remanufacturing( 재제조 ), SEM( 주사형전자현미경 ) 1. 서론 1) 차량은지속적인경제발전과함께계속증가할전망이며, 이에따라배출되는유해가스에의한환경오염의우려도커지고있다. 따라서차량의배기가스를줄이는연구가자동차의다양한분야에서진행되고있다. 디젤엔진은가솔린엔진보다연료효율이높고일산화탄소와탄화수소의배출량이적지만진동과소음이크고질소산화물과미세먼지의발생량이많아대기오염을악화시키는주요요인으로지적되고 * Corresponding author, E-mail: chung541@naver.com 있다. 특히상용차량의경우노후한엔진에서나오는유해배출가스는대기환경오염의주된원인으로지적되고있다. 본연구에서는대기환경오염의주원인으로주목받고있는대형상용차량디젤엔진의핵심부품인유닛인젝터의성능복원기술개발을통하여성능이부족한부품의신속한교체유도로유해배출가스발생을줄이고, 모듈단위교체에따른소비자의경제적부담을줄이고단품수준에서의성능복원기술개발을구현함으로써배기가스개선효과를얻고자한다. 상용디젤엔진유닛인젝터의불량은유해배기가스증가에직접적으로영향을주는것으로파악 389
이충근 이정호 이대엽 되고있으며, 특히유닛인젝터의핵심부품인스필밸브의마모나피로에의한기계적손상이직접적으로엔진출력저하및매연발생증가로이어진다. 유닛인젝터의구동메커니즘은두단계로구분할수있다. 먼저로커암으로부터전달되는동력이플런저를구동하여연료의압력을발생시키는펌핑엘리먼트와컨트롤신호에의해작동되는솔레노이드와여기에연결된스필밸브를통하여연료를공급하는제어엘리먼트로구성된다. 1) 본연구에서는상용디젤엔진의핵심부품인유닛인젝터스필밸브의기계적마모와피로누적에대한파손부위의기능을복원하기위하여최적화된연마기술과코팅기술을적용하고성능을평가함으로써최적의복원기술을연구하고자하였다. 또한, 복원기술이적용된스필밸브의품질평가를위하여내구성시험이후의성능을평가함으로써현장에서적용가능한복원기술을확보하는것을목표로연구를수행하였다. Table 1 FMEA of unit injector (UI) Cluse Symptom Part Failure Type Use of bad fuel Different substance add Fuel filter exchange cycle Exceeded Water add Excessive fatigue phenomenon Different substance add in fuel tank - Engine start delay and disable start - Soot generation - Engine start delay - Decrease engine power - Unit injector wear - Nozzle hole wear - Nozzle hole clogging - Spill valve wear - Spill valve wear - Nozzle hole clogging - Decrease engine power - No fuel flow - Clogged fuel lines - Decrease engine power - White smoke generation - Engine start delay - Engine hunting phenomenon - Engine start delay - Unit injector corrosion - Spill valve corrosion - Unit injector wear - Spill valve wear - Unit injector wear - Nozzle tip wear Table 2 Classification of used unit injector A - Grade B - Grade 2. 상용유닛인젝터고장분석및고장형태 2.1 유닛인젝터고장분석본연구에서는 2002년부터출하된 10 L급이상의상용디젤엔진에장착된유닛인젝터를재제조하는과정에서성능복원을위한대상부품및기술을선정하였다. 사용후상용디젤유닛인젝터의성능복원을위해서해당유닛인젝터의고장모드분석을수행하였다. 이러한고장모드분석은유닛인젝터의핵심부품인스필밸브와고장의연관성을확인하기위하여진행하였으며, 고장모드분석결과노즐막힘과스필밸브의마모가가장큰고장형태로파악되었다. Table 1은유닛인젝터의고장원인과고장형태를분석한결과이다. 회수된유닛인젝터의주요고장현상에대한원인을분석한결과, 불량연료사용과이물질유입, 연료필터교환주기실기, 수분유입, 과다피로현상, 연료탱크내이물질유입현상이유닛인젝터스필밸브손상의주원인으로파악되었다. 2,3) 특히스필밸브의마모에따른이물질이노즐의분사홀의막힘원인으로연결되는고장전파를확인하였다. 7) C - Grade D - Grade 또한, 유닛인젝터의성능복원가능유무를판단하기위하여수거된유닛인젝터를 4 등급으로분류하였다. 자동차고품 (Core) 의분류기준은통상 A, B, C, D 의 4 등급으로나누고있다. Table 2는유닛인젝터를네등급으로분류한사진이다. A등급의경우세척공정후그대로사용가능한상태이며, B 및 C등급의경우마모상태에따라복원이가능한상태, D등급의경우는마모가심하여복원이어렵고재사용이불가능한상태로현장에서는폐기되는상태를말한다. 4) 2.2 스필밸브고장형태이상이발견된스필밸브를확대해보면 Fig. 1에 390 한국자동차공학회논문집제 25 권제 3 호, 2017
상용차디젤의연료분사장치유닛인젝터핵심부품인스필밸브의성능복원관한연구 Fig. 1 Spill valve design Table 3 New and damaged spill valve 손상 Damaged New Scratch Spill valve breakage Fig. 2 Scanning electron microscope(sem) device 원형으로표시된부분과같이 45 경사진부분이거칠게마모되거나파손되는경우가많이관찰되었다. Table 3은유닛인젝터스필밸브고장부분을 SEM 장비를이용하여확대한사진이고옆에는같은부위의신품사진을비교하였다. Fig. 2는스필밸브분석에사용된 SEM 장비사진이다. 3. 유닛인젝터스필밸브복원공정 3.1 유닛인젝터재제조공정도 본연구에서는사용후폐기되는차량의코어부품들을체계적으로회수하여제조사의공정순서에 Fig. 3 Remanufacturing pocess of UI 따라분해, 세척, 검사, 수리, 조정, 재조립, 성능검사등의과정을거쳐원래의성능을발휘할수있도록복원하는유닛인젝터의재제조공정중스필밸브의성능을복원하는기술을수리조정단계에적용하여유닛인젝터의재제조율 ( 코어부품을활용하여신품과동등한 ( 유사한 ) 수준으로성능복원시킬때재제조되는비율 ) 을향상시킬수있는기술로활용하고자한다. 재제조 (Remanufacturing) 공정은일반적으로 Fig. 3 과같이 5 단계분류할수있으며, 이중유닛인젝터의스필밸브에대한성능복원은재제조공정중수리조정단계 (Reconditioning) 기술로분류할수있다. 유닛인젝터의스필밸브성능복원기술은 1차초음파세척작업으로이물질을제거한후에육안으로검사를실시한다. 스필밸브마모상태에따라 A, B, C, D 등급으로분류한다. A, B 등급은유닛인젝터바디에재조립하여신품과동등한수준의성능을발휘하는지를확인하며, C, D 등급으로분류된부품가운데전자현미경 (160배율) 으로점검하여성능복원이불가한경우 (D 등급 ) 은폐기처분한다. 통상 A, B 등급중에성능검사를통과하지못한제품과 C 등급으로분리된스필밸브가복원기술의적용대상이된다. Table 4는유닛인젝터스필밸브에대한재제조공정중검사공정을나타낸다. Table 5는재제조공정에서회수한 C 등급스필밸브에대한 160 배확대사진을나타낸다. 3.2 스필밸브성능복원과정스필밸브는시동및주행중연료분사량을조절 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 25, No. 3, 2017 391
Chunggeun Lee Jeongho Lee Daeyup Lee Table 4 Unit injector spill valve check process Remanufacturing process Core collection Decomposition, washing Initial inspection Microscopy inspection Photo Process contents - Bare eyed inspection - Remove foreign matter - Inspection of damaged part - Ultrasonic cleaning - Measurement of wear - Values comparison - Precision measurement of damaged part 분이있는경우는연마와폴리싱공정을거처형상을회복한후모두표면처리기술을적용하도록복원공정을구성하였다. 유닛인젝터스필밸브마모부위를전자현미경으로분석한결과 3 μm 이상마모되면성능에부정적인영향을미치는것으로파악되었으며, 마모부위는연마를통한가공후폴리싱공정을거쳐성능복원을진행하였다. 통상 1 μm ~ 2 μm정도마모되면표면을고르게폴리싱한후전자현미경으로확대하여표면상태를점검한후복원을진행하였다. Fig. 4는초경합금을사용한연마장면이고, Fig. 5는연마후폴리싱공정을거친스필밸브를표면처리하는사진이다. 폴리싱공정또는연마와폴리싱공정을거친스필밸브의성능복원을위하여다음의 3가지표면처리기술을적용하였다. TiN 코팅, TiCN 코팅, DLC Table 5 Spill valve wear parts and pictures Spill valve Spill valve wear part Fig. 4 Spill valve polishing process Spill valve wear photo ( 160 magnified) 하는역할을담당하는부품으로고장발생시시동지연및출력부족현상이나타난다. 스필밸브의기능에이상이오면, 연료소모량이급격히증가하고매연발생이증가하는문제점이나타나기때문에재제조공정에서도유닛인젝터내의스필밸브에대한검사가반드시필요하며, 이상이있는스필밸브는반드시복원또는교체가필요하다. 스필밸브의고장원인은피로누적과불량연료사용에따른마모및파손등이다. 스필밸브가마모만된경우는폴리싱공정만진행하고, 파손부 Fig. 5 Spill valve surface treatment process 392 한국자동차공학회논문집제 25 권제 3 호, 2017
A Study on Restoration Technology of Unit Injector Spill Valve for Injection System of Commercial Diesel Engine 코팅의 3가지코팅방법을스필밸브에복원공정에적용하고시험평가를수행하였다. 4. 실험장치및실험방법 본실험에서는신품유닛인젝터와스필밸브만을복원한샘플로교체한유닛인젝터를사용하여성능을비교하였다. 실험대상인젝터는델파이사의 10 L급상용디젤엔진용이고, 시험기의제원은 Table 6과같다. Table 7은유닛인젝터스필밸브성능평가기준을나타낸다. Fig. 6 과 Fig. 7은 10 L급에장착된디젤엔진의분사장치인유닛인젝터에대한성능평가를수행하기위하여사용된하트리지사의벤치테스터기와주요구성부품을나타내고있다. 성능과내구를수행하는조건은전부하시험조건을사용하였으며, 시험에사용된하트리지사의벤치테스터는실차엔진회전수의 2:1로감속하여시험을진행하기때문에실차 idle 조건 (700 rpm) 을장비에서는 350 rpm(pulse 2 ms) 에서, 중속조건은 600 rpkm(pulse 4 ms), 고속조건은 900 rpm(pulse 3 ms) 으로시험을진행하였으며, 실험유온도는 40 C로 Fig. 6 Test unit injector bench Table 6 Hartridge equipment spec Supply pressure (5±0.5) bar Supply voltage 90 V Peak current 7.0 A Peak width 1.00 ms Hold current 3.5 A Injector offset 56.0 º Injector delay 1.10 ms Max speed 1150 rpm Resistance High limit 1.700 Ω Low limit 1.000 Ω Coil response Frequency 2 Hz Pulse width 5.000 ms Table 7 Unit injector performance spec (New products) Comment Speed (RPM) Pulse (ms) Delivery Idle 350 2 41 ~ 49 Max torque 600 4 252 ~ 267 Max power 900 3 229 ~ 247 Fig. 7 Hartridge Main Components of Equipment Table 8 Test Conditions of durability for coating performance Item rpm 20,000 km Add 20 % Time Idle 350 2,351,250 2,821,500 134.4 Max torque 600 8,242,500 9,891,000 274.8 Max power 900 6,553,750 7,864,500 145.6 Total 554.7 유지하며내구전후의성능을비교하였다. 9) Table 8은코팅된스필밸브에대한내구성평가에사용된재제조내구기준 (20,000 km) 이며본연구에서는 20 % 추가된시험조건으로시험을수행하였다. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 25, No. 3, 2017 393
이충근 이정호 이대엽 5. 실험결과 5.1 유닛인젝터스필밸브성능시험결과일반적으로많이사용되는 TiN 코팅으로표면처리한스필밸브를적용한유닛인젝터에대한성능시험을진행한결과, Table 9와같이코팅후성능시험평가는만족하였으나 Table 10과같이내구성시험후성능평가를진행한결과분사량이구간별로기준을만족하지못한것으로나타났다. TiN 코팅에비해내마모성이강한 TiCN 코팅을적용한스필밸브를사용한유닛인젝터의경우도 Table 11과같이초기성능은만족하였으나 Table 12 와같이내구시험후성능을평가한결과, 미세한캐비테이션에의한손상 ( 스필밸브 ) 의마모가있는것으로판단된다. AL부품이나자동차부품코팅에많이적용되는 DLC(Diamond-like Carbon) 코팅을스필밸브에적 Table 12 TiCN coating performance results after durability Item rpm Width Delivery (mm 3 /st) Remarks Purge 350 5 214.0 206.2 228.0 Idle 350 2 41.0 41.3 49.0 Max torque 600 4 252.0 267.0 247.1 Max power 900 3 229.0 231.3 247.0 Table 13 DLC coating performance results after durability Item rpm Width Delivery (mm 3 /st) Purge 350 5 214.0 223.5 228.0 Idle 350 2 41.0 47.0 49.0 Max torque 600 4 252.0 259.2 267.0 Max power 900 3 229.0 244.4 247.0 TiN TiCN DLC Table 9 TiN coating performance results before durability Item rpm Width Delivery (mm 3 /st) Purge 350 5 214.0 218.0 228.0 Idle 350 2 41.0 43.4 49.0 Max torque 600 4 252.0 256.6 267.0 Max power 900 3 229.0 242.3 247.0 Table 10 TiN coating performance results after durability Item rpm Width Delivery (mm 3 /st) Remarks Purge 350 5 214.0 176 228.0 Idle 350 2 41.0 49.0 37.4 Max torque 600 4 252.0 267.0 237.1 Max power 900 3 229.0 247.0 217.1 Table 11 TiCN coating performance results before durability Item rpm Width Delivery (mm 3 /st) Purge 350 5 214.0 221.7 228.0 Idle 350 2 41.0 46.0 49.0 Max torque 600 4 252.0 258.4 267.0 Max power 900 3 229.0 241.7 247.0 Fig. 8 Used coating spill valve 용한경우는 Table 13과같이내구후성능시험도만족하는것으로나타났다. 12) Fig. 8은본논문에서사용한 3가지코팅을적용한스필밸브사진이다. 6. 결론본연구에서는 10 L급상용차디젤엔진용연료분사장치 EUI(Electronic Unit Injector) 스필밸브마모부분의성능복원을위하여연마와폴리싱공정을적용한후코팅공정을적용하였으며, 성능복원기술에대한현장적용가능성을평가하기위하여복원된스필밸브에대한내구시험을수행하고내구시험후성능평가를다시진행하였다. 이상의과정을거쳐다음과같은결론을도출하였다. 1) 고품 (Core) 유닛인젝터를수거하여고장원인을분석하였더니스필밸브및연관된고장이대부분으로나타났다. 고장의유형은마모및파손에 394 한국자동차공학회논문집제 25 권제 3 호, 2017
상용차디젤의연료분사장치유닛인젝터핵심부품인스필밸브의성능복원관한연구 의한부분이었고그원인을추적한결과, 불량연료사용, 이물질유입, 과다사용등에따른피로마모가원인인경우가약 95 % 를차지하는것으로나타났다. 2) 이상이있는스필밸브를확대분석한결과, 스필밸브주마모부위는 Table 5의상단원형표시부분의 45 경사면이거칠게마모되거나파손되면서연료분사불량이나타나는것으로파악되어이부분의가공과표면처리를통한기능복원이스필밸브의성능복원에주요인자로파악되었다. 3) 스필밸브의파손부위의초기형상확보를위하여파손된경사면을가공한후연마를통해경사면을확보하였으며가공에따른스필밸브의길이감소는성능에영향을미치지않는것으로파악되었다. 4) 스필밸브의연마와폴리싱가공후표면에코팅기술을적용하여내마모성을확보하고자하였으며 3가지코팅방법을적용한후, 신품유닛인젝터바디에서내구성시험을수행한후최종성능시험을진행하였다. 5) TiN 코팅과 TiCN 코팅의경우코팅초기성능은만족하였으나내구시험후분사량이불균일하게나타나는문제점이나타났으며, DLC 코팅을적용한경우는내구시험후에도성능기준을만족한것으로나타났다. 본연구에서는상용디젤엔진유닛인젝터의재제조공정중스필밸브에대한성능복원을위하여제한적이지만적용가능한연마기술과코팅기술을제시하였으며, 재제조유닛인젝터의재제조율향상을위한요소기술로활용될수있을것으로예상하고있다. 후 기 본연구는한국에너지기술평가원의 ( 과제번호 20135010300710) 연구비지원으로수행되었습니다. References 1) H. S. Mok, C. S. Jeon, C. H. Han, M. J. Song, B. S. Park, H. S. Kwak and S. J. Park, A Study on Remanufacturing Industry for Automobile Parts, Transactions of KSAE, Vo1.6, No.6, pp.184-191, 2008. 2) C. G. Nam, H. K. Lee, H. J. Kim, R. M. Kim, H. S. Song, C. S. Ha and C. K. Kang, A Study of Failure Analysis of used Common Rail Diesel Engine and Performance Comparison Remanufactured Engine, KSAE Spring Conference Proceedings, pp.1048-1054, 2015. 3) H. K. Lee, J. W. Woo, D. Y. Jung, H. S. Song, C. S. Ha and C. K. Kang, A Study of Remanufacturing Technolgy for Performance Restoration of used Common Diesel Engine, KSAE Spring Conference Proceedings, pp.1367-1372, 2014. 4) J. H. Lee and K. H. Choi, A Study on the Activation of Remanufacturing Industry According to the Korean Automobile Cultures, Seoul National University of Science & Technology, pp.229-236, 2013. 5) H. J. Parkinson and G. Thompson, Systematic Approach to the Planning and Execution of Product Remanufacture, Ph. D. Dissertation, University of Manchester Institute of Science and Technology, Manchester, 2001. 6) H. J. Parkinson and G. Thompson, Analysis and Taxonomy of Remanufacturing Industry Practice, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, Vol.217, Issue 3, pp.243-256, 2003. 7) A. Lam, M. Sherwood and L. H. Shu, FMEA- Based Design for Remanufacture Using Automotive-Remanufacturer Data, SAE 2001-01- 0308, 2001. 8) M. A. Seitz, A Critical Assessment of Motives for Product Recovery: the Case of Engine Remanufacturing, Journal of Cleaner Production, Vol.15, Issue 11-12, pp.1147-1157, 2007. 9) J. B. Bowles, An Assessment of RPN Prioritization in a Failure Modes Effects and Criticality Analysis(FMECA), University of South Carolina, Proceedings Annual Reliability and Maintainability Symposium, 2003. 10) A. Hassan, I. Dayarian, A. Siadat and J. Y. Dantan, Cost-based FMEA and ABC Concepts for Manufacturing Process Plan Evaluation, Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 25, No. 3, 2017 395
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