KR100335904B1 - 내연기관의 유동 최적화 배기 매니폴드 - Google Patents

Abstract

유동 최적화 배기 매니폴드의 각 런너 파이프의 형상을 유선형으로 개선, 고안 설계하여 배기 유동을 최적화하며, 이와 동시에 배기가스의 열손실을 저감시켜 유해 배기가스를 크게 감소시키기 위하여 엔진의 각 실린더와 연통된 제1 및 제4런너 파이프가 믹싱 파이프의 상단에 결합된 배기 매니폴드에 있어서,

제1 및 제4런너 파이프를 유선형으로 형성하면서 각각 직접 믹싱 파이프에 연결됨을 특징으로 하는 내연기관의 유동 최적화 배기 매니폴드를 제공하는데 있다.

Description

내연기관의 유동 최적화 배기 매니폴드{LIGHT-OFF EXHAUST MANIFOLD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관의 유동 최적화 배기 매니폴드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유동 최적화 배기 매니폴드의 각 런너 파이프의 형상을 유선형으로 개선, 고안 설계하여 배기 유동을 최적화하며, 이와 동시에 배기가스의 열손실을 저감시켜 유해 배기가스를 크게 감소시키기 위한 내연기관의 유동 최적화 배기 매니폴드에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 연료를 연소시켜 그 폭발력으로 동력을 발생시키는 것으로서, 이러한 엔진은 그 연소 동작에 의한 부산물인 배기가스를 배출하게 되어 있다.

이러한 배기가스는 대부분이 엔진 시동 초기에 발생하기 마련인데, 엔진 시동 초기에 촉매가 얼마나 빠르게 활성화되는 지의 여부가 촉매를 통과한 후, 배기가스의 발생량을 결정하는데 많은 영향을 미치게 되며, 이와 같이 엔진에서 배출되는 배기가스가 배기 파이프에 설치된 촉매를 거쳐 대기상에 배출될 수 있도록 안내하는 것이 배기 매니폴드이다.

도7내지 도9는 종래의 배기 매니폴드를 도시한 것으로서, 엔진(1)의 실린더에 제1 및 제4런너 파이프(2~5)의 일측이 연결되고, 이 제1 및 제4런너 파이프(2~5)의 타측은 각각의 런너 파이프(2~5)를 통해 배출되는 배기가스를 한곳으로 모아주는 믹싱 파이프(6)에 결합된 구성이다.

그리고 제1 및 제4런너 파이프(2,5)는 'ㄴ'자 모양으로 형성된 것으로 엔진(1)과의 연결 부위에 일정 길이의 직선 구간이 존재하고, 그 후단부가 믹싱 파이프(6)의 벽면쪽을 지향하게 결합되어 있으며, 상기 각각의 런너 파이프 (2-5)의 단면은 달걀 모양 또는 타원형으로 형성된 것이다.

이와 같이 구성된 종래의 배기 매니폴드에 의하면, 엔진(1)의 각 실린더에서 배출되는 배기가스가 제1 및 제4런너 파이프(2~5)를 통해 이동하여 믹싱 파이프(6)에서 모아진 후 배기 파이프에 설치된 촉매를 통과하면서 유해 성분이 정화된 후 대기상으로 배출된다.

일반적으로 가솔린의 엔진에 사용되는 촉매는 활성화 온도(약350℃)에 도달할 경우 배기가스 정화 효율이 거의 98%~99%에 가까우나 활성화 온도에 도달하지 않을 경우에는 정화 효율이 매우 낮아지는 특성을 갖고 있다.

그러나 종래의 배기 매니폴드는 제1 및 제4런너 파이프가 도1내지 도3에 도시된 바와 같이 믹싱 파이프의 결합부분에 대해 약 130°~135°의 경사각(A)을 갖도록 결합되어 있기 때문에 엔진에서 배출된 고온의 배기가스가 런너 파이프를 거쳐 믹싱 파이프로 이동할 때 런너 파이프와 믹싱 파이프가 갖는 경사각(A)에 의해 배기가스가 믹싱 파이프의 벽면에 부딪히면서 열손실이 발생하게 되고, 이 열손실에 의해 촉매가 활성화 온도에 도달하는데 걸리는 시간이 지연되고 있다.

그리고 제1런너 파이프와 제4런너 파이프가 믹싱 파이프의 벽면쪽으로 마주보며 결합되어 있기 때문에 제1런너 파이프와 제4런너 파이프를 통해 이동한 배기가스는 도1에 도시된 바와 같이 믹싱 파이프의 입구에선 1차적으로 부딪힌 후 그 반발력으로 다시 믹싱 파이프의 벽면에 부딪히게 되어 배기가스의 열손실량이 증가하여 배기가스가 촉매에 도달하는 시간이 지연되는 것이다.

이러한 이유로 초기 시동시에 촉매의 활성화가 늦어져 유해 성분을 포함한 배기가스의 배출량이 증가하는 문제점이 발생하고 있다.

또한, 배기가스가 믹싱 파이프의 벽면에 부딪히면서 그 벽면을 타고 이동하게 되므로 촉매의 전체 면적에 골고루 퍼져 통과하지 않고 촉매의 일부분만을 통과하게 되므로 정화 효율이 낮아지는 문제점이 있었다.

또, 배기 유동 구조가 최적화 되어 있지 않아 촉매 내 유동 분포 개선에 한계가 있어 촉매의 효율적 활용에 한계가 있다.

배기가스의 벽면으로 열손실이 많은 구조로 초기 차량 시동시 촉매의 효율적인 조기 활성화에 불리한 구조로 인해 엄격해지는 배기 규제 대응에 제대로 대응하지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 유동 최적화 배기 매니폴드의 각 런너 파이프의 형상을 유선형으로 개선, 고안 설계하여 배기 유동을 최적화하며, 이와 동시에 배기가스의 열손실을 저감시켜 유해 배기가스를 크게 감소시키기 위한 내연기관의 유동 최적화 배기 매니폴드를 제공하는데 있다.

도1은 본 발명에 따른 배기 매니폴드를 도시한 사시도.

도2는 본 발명에 따른 배기 매니폴드를 도시한 정면도.

도3은 본 발명에 따른 배기 매니폴드를 도시한 평면도.

도4는 본 발명에 따른 배기 매니폴드를 도시한 측면도.

도5는 도3의 A-A를 도시한 도면.

도6은 도4의 B-B를 도시한 도면.

도7은 종래의 배기 매니폴드를 도시한 정면도.

도8은 종래의 배기 매니폴드를 도시한 측면도.

도9는 종래의 배기 매니폴드를 도시한 평면도.

이를 실현하기 위한 본 발명은

엔진의 각 실린더와 연통된 제1 및 제4런너 파이프가 믹싱 파이프의 상단에 결합된 배기 매니폴드에 있어서,

제1 및 제4런너 파이프를 유선형으로 형성하면서 각각 직접 믹싱 파이프에 연결됨을 특징으로 하는 내연기관의 유동 최적화 배기 매니폴드를 제공하는데 있다.

그리고 상기 제1런너 파이프와 제4런너 파이프는 그 일측이 엔진에 결합된 상태로 그 중간부분이 유선형으로 굴곡되고, 그 끝단부는 믹싱 파이프의 상측에 거의 수직 방향으로 엔진 외측에 결합되며,

상기 제2런너 파이프와 제3런너 파이프는 그 일측이 엔진에 결합된 상태로 그 중간부분이 믹싱 파이프의 상측에서 유선형으로 꺾어져 그 끝단부가 믹싱 파이프의 상측에서 거의 수직 방향으로 엔진측에 결합되도록 한 내연기관의 유동 최적화 배기 매니폴드를 제공하는데 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부한 도면의 하여 더욱 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 배기 매니폴드를 도시한 사시도이고, 도2,3,4는 본 발명에 따른 배기 매니폴드를 도시한 정면도, 평면도, 측면도이다.

그리고 도5는 도3의 A-A를 도시한 도면이고, 도6은 도4의 B-B를 도시한 도면이다.

배기 매니폴드(20)는 엔진의 각 실린더와 연통된 제1,2,3,4런너 파이프(22~25)에서 믹싱 파이프(26)에 연결하기 위해 꺾이는 부분인 일점쇄선(L) 표시 부분을 유선형으로 형성하여 믹싱 파이프()의 상단에 제1~4런너 파이프(22~25)를 1개씩 각각 연결하여 이루어지고 있다.

상기 제2런너 파이프(23)와 제3런너 파이프(24)가 연결되는 믹싱 파이프(26) 상에서 엔진측에 가까운 위치에 연결되고, 제1,4런너 파이프(22)(25)는 엔진 외측에 배치되어 연결되고 있다.

엔진에 연결된 제1~4런너 파이프(22~25)의 일점쇄선(L) 부분을 유선형으로형성하면서 믹싱 파이프(6)의 상면에 대해 상부에서 일정 경사 각도로 기울어지게 연결하므로서 런너 파이프(22~25)를 이동한 배기가스가 믹싱 파이프(26)로 유입될 때 믹싱 파이프(26)의 벽면에 부딪히지 않도록 하고 있다.

즉, 제1런너 파이프(22)와 제4런너 파이프(25)에서 중간부분인 일점쇄선(L)구역 부분을 최대한 유선형으로 굴곡시키고, 끝단부는 믹싱 파이프(6)의 상측면에 일정 경사 각도로 연결되게 하므로서 제1런너 파이프(22)와 제4런너 파이프(25)의 연결부분이 믹싱 파이프(26) 상부면에서 약간 각도(θ)를 갖게 기울어져 연결되고 있다.

이와 같이 하면 상기 제1런너 파이프(22)와 제4런너 파이프(25)를 통과하여 믹싱 파이프(26)로 유입되는 배기가스가 믹싱 파이프(26)의 벽면에 부딪히지 않게 되어 열손실을 방지할 수 있다.

또한, 엔진의 중앙부분에 설치되는 제2런너 파이프(23)와 제3런너 파이프(24)를 그 일측이 엔진에 결합된 상태로 그 중간부분이 믹싱 파이프(26)의 상측에서 거의 유선형으로 부드럽게 꺾여 믹싱 파이프(26)상에서 엔진측에 가깝게 연결하고 있다.

상기 믹싱 파이프(26)에 산소센서(28)의 장착 위치도 42mm 상승하게 되어 배기가스 규제에 대응할 수 있게 하고 있다.

이와 같이 하면 상기 제2런너 파이프(23)와 제3런너 파이프(24)를 통과하여 믹싱 파이프(26)로 유입되는 배기가스가 믹싱 파이프(26)의 벽면에 부딪히지 않게 되어 배기가스의 열손실을 방지할 수 있다.

상기한 제1~4런너 파이프(22~25)는 믹싱 파이프(26)에 각각 1개씩 연결되고 있어 배기가스가 믹싱 파이프(26)에서 혼합이 이루어지도록 하고 있다. (도5 참조)

그리고 상기와 같이 제1 및 제4런너 파이프(22~25)의 연결부분을 믹싱 파이프(26)에 직접 연결하므로서 유동이 균일화한 상태로 통과하게 되고, 믹싱 파이프(26)에서 골고루 퍼진 상태로 이동하여 촉매로 공급된다.

이에 따라 엔진에서 배출된 고온의 배기가스가 종래에 비해 열손실이 현저히 줄어든 상태로 촉매에 공급되어 촉매가 바른 시간 내에 활성화됨은 물론이고 촉매의 전체 단면적에 대해 골고루 통과하게 되므로 배기가스의 정화 효율이 월등히 향상된다.

한편 본 발명에 적용된 제1내지 제4런너 파이프(22~25)는 그 단면이 도6 도시된 바와 같이 매니폴드 입구, 즉 엔진측 장방형(OVAL형)에서 믹싱 파이프에 결합되는 부분은 라운드형으로 연속적으로 단면 모양이 변하도록 설계되어 지도록 형성하여 배기가스와 접촉 면적을 가급적 최소한으로 줄여 열손실을 감소시켰다.

차량 배기 실험에 의하면 런너 파이프의 단면 형상을 장방형으로 형성했을 때 보다 원형으로 했을 때가 열손실이 약9% 감소하는 것으로 확인 되었다.

또한, 믹싱 파이프(26)에 결합되는 제1~4런너 파이프(22~24)의 결합 위치가 도1~4와 같이 제1,2런너 파이프(22,23)와 제3,4런너 파이프(24,25)가 서로 대칭되는 위치에 결합되어 있으므로, 각각의 런너 파이프(22~25)에서 배출되는 배기가스가 서로 잘 혼합되어 촉매로 이동하므로 촉매에서의 배기가스 정화 효율이 더욱 향상되는 효과를 기대할 수 있으며, 런너 파이프(22~25)가 믹싱 파이프(26)에 좌,우대칭적으로 결합되어 있으므로 산소센서(28)의 최적 장착 위치를 선정하기가 용이해져 피드백에 의한 공연비 제어를 정확하게 구현할 수 있다.

믹싱 파이프에 연결되는 제1~4런너 파이프를 유선형으로 하므로서 촉매 활성화를 조기에 실현하게 된다.

배기가스 규제에 대응을 위한 촉매의 위치 상승을 고려할 수 있게 된다.

런너 파이프의 길이 축소 및 산소센서를 최적의 위치에 설치할 수 있게 된다.

런너 파이프의 단면을 원형에 가깝게 유지하여 표면적은 최소로 하면서 동시에 체적은 그대로 유지할 수 있게 한다.

유동 구조 개선에 따라 주물재질로 제작 가능하여 배기 규제 대응을 만족할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 엔진의 각 실린더와 연통된 제1 및 제4런너 파이프가 믹싱 파이프의 상단에 결합된 배기 매니폴드에 있어서,

   제1 및 제4런너 파이프에서 일점쇄선(L)으로 나타낸 부분을 유선형으로 형성하면서 믹싱 파이프에 연결됨을 특징으로 하는 내연기관의 유동 최적화 배기 매니폴드.
2. 청구항 1에 있어서, 믹싱 파이프에 연결되는 제1~4런너 파이프는 다른 런너 파이프 간섭을 주지 않고 1개씩 직접 연결됨을 특징으로 하는 내연기관의 유동 최적화 배기 매니폴드.
3. 청구항 1에 있어서, 제1~4런너 파이프는 믹싱 파이프에 일정 경사 각도를 이루면서 연결됨을 특징으로 하는 내연기관의 유동 최적화 배기 매니폴드.