KR100350130B1

KR100350130B1 - 엔진용 배기

Info

Publication number: KR100350130B1
Application number: KR1020000046382A
Authority: KR
Inventors: 김한상
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2000-08-10
Publication date: 2002-08-24
Also published as: KR20020013040A

Abstract

V형 엔진용 배기 (exhaust manifold)가 개시된다. 개시된 V형 엔진용 배기 , 엔진의 실린더에 설치되어 배기가스를 배출시키는 레프트 뱅크와, 라이트 뱅크를 구비하여 된 V형 엔진용 배기 있어서, 상기 레프 뱅크는, 상기 엔진의 실린더에 설치된 제2,4,6러너 파이프와, 상기 제2,4,6러너 파이프를 통해 배출되는 배기가스가 모이도록 상기 제2,4,6러너 파이프와 설치된 제1 파이프와, 상기 제1 파이프의 설치되어 배기가스중의 산소를 검출하는 포함하고, 상기 제2러너 파이프와 상기 제6러너 파이 내의 배기가스가 상기 제4러너 파이프에서 만나는 교차부가 형성되고, 상기 교 적어도 R40으로 형성된 것을 그 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 배기 유동이 개선되는 이점이 있다.

Description

엔진용 배기 {EXHAUST MANIFOLD FOR V-TYPE ENGINE}

본 발명은 V형 엔진용 배기 매니폴드(exhaust manifold)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기 유동이 개선될 수 있도록 그 구조가 개선된 V형 엔진용 배기 매니폴드에 관한 것이다.

배기 매니폴드는 여러 관들의 집합체이며, 배기 가스를 실린더 헤드로부터배기계로 배출하는 작용을 한다. 배기 매니폴드는 헤드 상에 설치된 배기포트가 관의 개구부 위치와 일치하도록 헤드에 부착되어 있다. 직렬(in-line) 엔진에서는 하나의 V형 엔진용 배기 매니폴드만이 필요하지만, V형 엔진과 수평 대향 엔진 배열의 경우 각 뱅크에 대해 한 개씩 즉, 두 개의 V형 엔진용 배기 매니폴드가 필요하다.

두 개의 V형 엔진용 배기 매니폴드는 교차용 파이프를 통해 연결되며, 이 것은 각 뱅크로부터 나온 배기가스가 촉매 변환기와 머플러를 통해 흐르도록 유도한다.

도 1a 내지 도 1c에는 이러한 V형 엔진용 배기 매니폴드의 레프트 뱅크(left bank)가 개략적으로 각각 도시되어 있다.

각각 도시된 바와 같이, V형 엔진용 배기 매니폴드 중 레프트 뱅크(100)에는, 엔진의 실린더(미도시)에 설치되는 제2,4,6러너 파이프(120, 140, 160)와, 상기 제2,4,6러너 파이프(120, 140, 160)를 통해 배출되는 배기가스가 모이도록 제2,4,6러너 파이프(120, 140, 160)와 연통된 제1믹싱 파이프(mixing pipe)(180)가 형성된다.

그리고 레프트 뱅크(100)의 제1믹싱 파이프(180)의 일측에는 배기가스 중의 산소를 검출하기 위한 산소센서(oxygen sensor)(190)가 설치된다.

이를 보다 구체적인 구성을 설명하면, 우선, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 제2러너 파이프(120)와 제6러너 파이프(160)는 제4러너 파이프(140) 쪽으로 직선(L1)으로 접하게 되며 접합부(111)형성되고, 이때 하방으로 형성되는 각도(α1)가 약 30°정도로 형성되어 있다.

이러한 형성으로 인하여 배기가스의 유동이 원활하지 못하고, 특히 그 각도(α1)가 낮게 형성되어 있어 배기가스가 각 파이프 벽면으로 유동이 집중되어 촉매 활성화 시간이 지연되는 문제점이 있다.

그리고 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 제4러너 파이프(140)의 측부에서 그린 반경(R1)이 예컨대 약 70mm 정도 형성되어 있다. 또한 제2,6러너 파이프(120, 160)와 제4러너 파이프(140)가 서로 접하는 접합부(111)는 그 입구부(112)로부터 매우 근접된 위치에 접해 있다. 즉, 상기 접합부(111)는 상기 산소센서(190)로부터 먼 거리에 위치되어 형성된다.

따라서 도 1d에 화살표 선으로 도시된 바와 같이 제2,4,6러너 파이프(120, 140,160) 내에 형성되는 유동 라인이 부드럽게 형성되지 못하여 유동 손실이 크고, 각 러너 파이프를 흐르는 배기가스의 유동 간섭이 크다.

또한 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 제2,6러너 파이프(120,160)가 상기 제4러너 파이프(140)를 향하는 각도(α2)가 약 7°정도로 거의 직선에 가깝게 형성되고, 상기 각도를 이루며 제4러너 파이프(140)에서 곡률반경(R2)이 예컨대 약 35mm 정도로 아주 작은 곡률을 이루고 있다.

이에 따라 배기가스의 유동성이 좋지 않고, 특히 상기 산소센서(190)의 위치에서 효과적으로 센싱(sensing)이 되지 않는 문제점이 있다. 즉, 산소센서(190) 장착 위치에서 공연비 검출이 용이하게 이루어질 수 없다.

그리고 도 2a 내지 도 2c에는 라이트 뱅크(right bank)가 각각 개략적으로도시되어 있다.

각각 도시된 바와 같이, 라이트 뱅크(200)에는 엔진의 실린더에 설치되는 제1,3,5러너 파이프(210, 230, 250)와, 상기 제1,3,5러너 파이프(210, 230, 250)를 통해 배출되는 배기가스가 모이도록 제1,3,5러너 파이프(210, 230, 250)와 연통된 제2믹싱 파이프(270)가 형성된다. 그리고 라이트 뱅크(200)의 제2믹싱 파이프(270)의 일측에는 배기가스 중의 산소를 검출하기 위한 산소센서(290)가 설치되어 있다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 우선, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 제1,5러너 파이프(210, 250)의 입구에서 그 하방으로 소정 반경(R3) 예컨대 약 35mm를 그리며 형성되고, 상기 제3러너 파이프(230)는 제2믹싱 파이프(270)를 향해 거의 직선(L2)으로 형성된다. 그리고 상기 제1,5러너 파이프(210, 250)의 각 접합부(201)가 서로 접하여 형성된 한편, 상기 산소센서(290)와 상당한 거리를 두고 형성되어 있다.

이에 따라 배기가스의 유동이 좋지 않을 뿐만 아니라, 상기 산소센서(290) 쪽으로의 배기가스 유동이 좋지 않게 되어 촉매 활성화 시간이 지연되는 문제점이 있다.

그리고 도 2b 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 제1,5러너 파이프(210, 250)의 측부가 제3러너 파이프(230)에 대하여 배기가스의 유동라인(화살표 선)이 서로 그 입구부(203)에서부터 서로 간섭을 일으킬 정도로 작은 곡률을 그리며 그 하방으로 형성되며, 이에 따라 상기 제1,5러너 파이프(210,250)와 제3러너파이프(230)가 접하는 접지부(202)가 상기 산소센서(290)로부터 멀리 형성되어 있다.

이와 같이 각 러너 파이프(210,230,250)의 성형이 공기역학적으로 성형되지 못해 배기가스의 유동성이 좋지 않고, 특히 유동 간섭이 심하게 나타나는 문제점이 있다.

또한 도 2c 및 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 제1,3,5러너 파이프(210, 230,250)의 유동라인(화살표 선)이 서로 만나는 형태로 형성되어 있다.

이에 따라 배기가스의 흐름이 산소센서(290) 쪽으로 흐르기 어렵게 형성되어 있고, 특히 상기 제5러너 파이프(250)로 흐르는 배기가스가 산소센서(290) 쪽으로 흐르기 어렵게 되어 있어 전술한 바와 같은 문제점을 동일하게 갖고 있다.

종합컨대, 배기가스의 유동성이 좋지 않아 엔진 효율이 떨어지고, 산소센서의 센싱 효율이 떨어져 이미션(emission)이 증가되어 엄격해지는 배기가스 규제에 대응할 수 없고, 미세한 공연비 제어가 어려우며, 촉매의 활성화가 어렵게 된다.

아래의 표 1에는 상술한 바와 같은 각 뱅크의 실린더별 산소센서의 영향 요인(factor)을 나타낸 것이다.

라이트 뱅크	레프트 뱅크
1	3	5	2	4	6
0.388	0.338	0.274	0.296	0.343	0.365

상기 표 1에서 각 숫자는 예컨대 1은 라이트 뱅크의 제1러너 파이프(210)를나타낸 것이다. 그리고 산소센서 영향 요인은 0.333일 때 실린더별 산소센서 감지가 가장 좋다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 배기가스의 유동성이 개선되고 산소센서의 센싱 효율이 증대될 수 있는 V형 엔진용 배기 매니폴드를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 2e는 일반적인 V형 엔진용 배기 매니폴드 및 배기 유동 상태를 각각 나타내 보인 도면.

도 3a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 V형 엔진용 배기 매니폴드 및 배기 유동 상태를 각각 나타내 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

300. 레프트 뱅크 320. 제2러너 파이프

340. 제4러너 파이프 360. 제6러너 파이프

400. 라이트 뱅크 410. 제1러너 파이프

430. 제3러너 파이프 450. 제5러너 파이프

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 V형 엔진용 배기 매니폴드는, 엔진의 실린더에 설치되어 배기가스를 배출시키는 레프트 뱅크와, 라이트 뱅크를 구비하여 된 V형 엔진용 배기 매니폴드에 있어서, 상기 레프트 뱅크는, 상기 엔진의 실린더에 설치된 제2,4,6러너 파이프와, 상기 제2,4,6러너 파이프를 통해 배출되는 배기가스가 모이도록 상기 제2,4,6러너 파이프와 연통되게 설치된 제1믹싱 파이프와, 상기 제1믹싱 파이프의 일측에 설치되어 배기가스중의 산소를 검출하는 산소센서를 포함하고, 상기 제2러너 파이프와 상기 제6러너 파이프 내의 배기가스가 상기 제4러너 파이프에서 만나는 교차부가 형성되고, 상기 교차부가 적어도 R40으로 형성된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 라이트 뱅크는, 상기 엔진의 실린더에 설치된 제1,3,5러너 파이프와, 상기 제1,3,5러너 파이프를 통해 배출되는 배기가스가 모이도록 상기 제1,3,5러너 파이프와 연통되게 설치된 제2믹싱 파이프와, 상기 제2믹싱 파이프의 일측에 설치되어 배기가스중의 산소를 검출하는 산소센서를 포함하고, 상기 제3러너 파이프(430)와 상기 제5러너 파이프가 상기 제3러너 파이프를 향해 하방으로 형성될 때 상기 제1,5러너 파이프의 입구가 임의 위치에서 적어도 R40을 그리며 형성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3a 내지 3c 및 도 4a 내지 도 4c에는 본 발명에 따른 V형 엔진용 배기 매니폴드를 개략적으로 나타낸 구성 사시도가 도시되어 있다. 여기에서는 일반적인 V형 엔진용 배기 매니폴드의 구성 설명은 생략하고, 본 발명의 특징에 따른 구성만을 설명하기로 한다.

각각 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 V형 엔진용 배기 매니폴드는, 엔진의 실린더에 설치되어 배기가스를 배출시키는 레프트 뱅크(300)와, 라이트 뱅크(400)를 구비하여 이루어진다.

상기 레프트 뱅크(300)는, 도 3a 내지 도 3c에 각각 도시된 것으로, 상기 엔진의 실린더에 설치된 제2,4,6러너 파이프(320,340,360)와, 상기 제2,4,6러너 파이프(320,340,360)를 통해 배출되는 배기가스가 모이도록 상기 제2,4,6러너 파이프(320,340,360)와 연통되게 설치된 제1믹싱 파이프(380)와, 상기 제1믹싱 파이프(380)의 일측에 설치되어 배기가스중의 산소를 검출하는 산소센서(390)를 포함하여 구성된다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 제2러너 파이프(320)와 제6러너 파이프(360) 내의 배기가스가 상기 제4러너 파이프(340)에서 만나는 위치에 교차부(311)가 형성되고, 상기 교차부(311)가 각각 적어도 R40으로 형성된다. 상기 교차부(311)의 큰 라운드 형성으로 배기가스의 유동이 원활하게 유도될 수 있다.

그리고 상기 제2러너 파이프(320)와 제6러너 파이프(360)가 상기 교차부(311)를 향해 그 하방으로 각도(β1)가 적어도 40°로 형성된다. 상기 각도(β1)가 종래의 30°에서 40°로 변경됨에 따라 촉매로 향하는 유동을 강화할 수 있고, 배기 매니폴드 벽면 쪽으로 향하는 유동 집중 경향을 완화할 수 있다. 이로써 촉매 활성화 시간을 단축시킬 수 있고, 상기 산소센서(390) 장착 위치에서 공연비 검출이 용이해진다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 제4러너 파이프(340)는 그 측면이 라운드(Rb)를 형성하며 하방으로 형성된다. 이때 제4러너 파이프(340)가 그리는 라운드(Rb)는 적어도 R120mm로 형성된다. 이와 같이 제4러너 파이프(340)의 측면 라운드(Rb)가 R120mm로 형성됨으로서 배기가스의 유동 손실을 감소시킬 수 있게 된다.

그리고 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 제1믹싱 파이프(380)의 통로(381)가 보이도록 한 자세에서 상기 제2러너 파이프(320) 및 제6러너 파이프(360)가 제4러너 파이프(340)를 향해 상방으로 형성되며, 이때 상기 제2,6러너 파이프(320,360)가 그 입구 중심에서 상방으로 형성된 각도(β2)가 적어도 12°이다. 이는 전술한 바와 같이 상기 산소센서(390) 장착 위치에서 공연비 검출이 용이해진다.

또한 전술한 바와 같이, 상기 제2,6러너 파이프(320,360)가 각도(β2)로 형성된 그 각도선(L11)이 연장되어 각각 임의의 위치에서 적어도 R40mm를 그리며 상기 제1믹싱 파이프(380)의 중심으로 향하며 형성된다.

이에 따라 각 제2,4,6러너 파이프(320,340,360) 내를 유동하는 배기가스의 곡률반경을 크게 할 수 있고, 도 3d에 도시된 각각의 유동라인과, 도 1d에 도시된 유동라인에는 차이가 있는 것을 알 수 있다. 즉, 제2,4,6러너 파이프(320,340,360)의 화살표가 표시된 유동라인은 종래에 비해 큰 원을 그리며 유동되는 것을 알 수 있다. 이는 제2,4,6러너 파이프(320,340,360) 내의 유동 간섭을 최소화할 수 있도록 이들 파이프의 중심선을 부드럽게 연결한 것에 기인될 수 있다.

상기 제2,4,6러너 파이프(320,340,360)가 접하는 접합부(312)는 상기 레프트 뱅크(300)가 설치되는 설치부 중심에서 축방향으로 적어도 77.5mm 이격된 곳에 형성된다. 상기 접합부의 후방으로의 이동에 따라 각 제2,4,6러너 파이프(320,340,360)를 통해 유입된 배기가스의 유동이 상기 산소센서의 위치에서 검출이 용이해진다.

한편, 상기 라이트 뱅크(400)는, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 엔진의 실린더에 설치된 제1,3,5러너 파이프(410,430,450)와, 상기 제1,3,5러너 파이프(410,430,450)를 통해 배출되는 배기가스가 모이도록 상기 제1,3,5러너 파이프(410,430,450)와 연통되게 설치된 제2믹싱 파이프(470)와, 상기 제2믹싱 파이프(470)의 일측에 설치되어 배기가스중의 산소를 검출하는 산소센서(490)를 포함하여 구성된다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 제1러너 파이프(410)와 제5러너 파이프(450)가 제3러너 파이프(430)를 향해 하방으로 형성될 때, 상기 제1,5러너 파이프(410,450)의 입구가 임의 위치에서 그린 라운드(Ra)가 형성된다. 이 라운드(Ra)는 적어도 R40을 그리며 형성된다. 이는 종래에 비해 큰 라운드(Ra)로 형성됨으로서 촉매로 향하는 배기가스의 유동이 강화되는 것으로 촉매 활성화 시간을 단축하게 된다.

그리고 상기 제3러너 파이프(430)의 입구에서 제1러너 파이프(410) 쪽을 향하며 임의의 위치에서 그 하방으로 라운드(Rc)가 형성된다. 이 라운드(Rc)는 적어도 R100mm를 그리며 형성된다. 이로서 종래에는 상기 라운드(Rc)가 형성되지 않을 때에 비해 상기 산소센서(490) 방향으로 배기가스의 유동이 효과적으로 안내된다.

또한 도 4b 및 도 4d에 도시된 바와 같이, 종래의 도 2d에 도시된 것과 비교해 볼 때 배기가스의 유동라인이 크게 형성된 것을 알 수 있다.

그리고 도 4c 및 도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 제1,3,5러너 파이프(410,430,450)는 그 각각의 중심선이 한 점에서 만나지 않도록 형성된다. 특히 상기 제5러너 파이프(450)를 통한 배기가스의 유동이 산소센서(490) 쪽으로 효과적인 유동이 이루어질 수 있도록 한 것이다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 V형 엔진용 배기 매니폴드의 레프트 뱅크(300)의 각 러너 파이프는 각 접합부분이 그 입구부에서 후방으로 이동되었고, 이는 산소센서(390) 쪽으로 효과적인 주유동이 향하도록 하였다. 특히 도 3b에 도시된 바와 같이 그 측면의 곡률을 부드럽게 하여 각 러너 파이프를 통한 주유동이 효과적으로 산소센서(390) 장착 위치로 진행할 수 있도록 하였다.

그리고 라이트 뱅크(400)도 각 러너 파이프의 접합되는 부분에서는 산소센서(490) 쪽으로 향하도록 하여 산소센서(490)에 의한 주유동 검출 감도가 증가될 수 있도록 하였다.

아래의 표 2에는 상술한 바와 같은 각 뱅크의 실린더별 산소센서의 영향 요인(factor)을 나타낸 것이다.

라이트 뱅크	레프트 뱅크
1	3	5	2	4	6
0.351	0.357	0.290	0.312	0.326	0.361

전술한 바와 같이 산소센서 영향 요인은 0.333일 때 실린더별 산소센서 감지가 가장 좋다. 그런데 표 1과 표 2를 비교해 보면 산소센서 감지가 개선된 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 V형 엔진용 배기 매니폴드는 다음과 같은 효과를 갖는다.

배기 매니폴드의 레프트 뱅크와 라이트 뱅크를 각각 변경하여 산소센서 감지를 개선하여 공연비 정밀 제어가 가능해져 배기 특성이 개선되고 엔진 아이들 특성 개선도 동시에 이루어진다. 따라서 이미션이 저감되므로 환경 친화도가 향상된다.

그리고 배기 유동도 개선되고, 촉매 조기 활성화가 이루어질 수 있으며 차량초기 상태 이미션이 저감될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

엔진의 실린더에 설치되어 배기가스를 배출시키는 레프트 뱅크와, 라이트 뱅크를 구비하여 된 V형 엔진용 배기 매니폴드에 있어서,

상기 레프트 뱅크는,

상기 엔진의 실린더에 설치된 제2,4,6러너 파이프와, 상기 제2,4,6러너 파이프를 통해 배출되는 배기가스가 모이도록 상기 제2,4,6러너 파이프와 연통되게 설치된 제1믹싱 파이프와, 상기 제1믹싱 파이프의 일측에 설치되어 배기가스중의 산소를 검출하는 산소센서를 포함하고,

상기 제2러너 파이프와 상기 제6러너 파이프 내의 배기가스가 상기 제4러너 파이프에서 만나는 교차부가 형성되고, 상기 교차부가 적어도 R40으로 형성된 것을 특징으로 하는 V형 엔진용 배기 매니폴드.
제1항에 있어서,

상기 제2러너 파이프와 상기 제6러너 파이프가 상기 교차부를 향해 그 하방으로 형성된 각도가 적어도 40°로 형성된 것을 특징으로 하는 V형 엔진용 배기 매니폴드.
제1항에 있어서,

상기 제4러너 파이프의 측면이 라운드를 형성하며 그 하방으로 형성되며, 이때 상기 라운드는 적어도 R120mm로 형성된 것을 특징으로 하는 V형 엔진용 배기 매니폴드.
제1항에 있어서,

상기 제1믹싱 파이프의 통로가 보이도록 한 자세에서 상기 제2러너 파이프 및 상기 제6러너 파이프가 상기 제4러너 파이프를 향해 상방으로 형성되며, 이때 상기 제2,6러너 파이프가 그 입구 중심에서 상방으로 적어도 12°로 향하며 형성된 것을 특징으로 하는 V형 엔진용 배기 매니폴드.
제4항에 있어서,

상기 제2,6러너 파이프가 그 상방으로 적어도 12°를 향하며 형성된 각도선이 각각 임의의 위치에서 적어도 R40mm를 그리며 상기 제1믹싱 파이프의 중심으로 향하며 형성된 것을 특징으로 하는 V형 엔진용 배기 매니폴드.
제1항에 있어서,

상기 제2,4,6러너 파이프가 접하는 접합부가 상기 레프트 뱅크가 설치되는 설치부 중심에서 축방향으로 적어도 77.5mm 이격된 곳에 형성된 것을 특징으로 하는 V형 엔진용 배기 매니폴드.
제1항에 있어서, 상기 라이트 뱅크는,

상기 엔진의 실린더에 설치된 제1,3,5러너 파이프와, 상기 제1,3,5러너 파이프를 통해 배출되는 배기가스가 모이도록 상기 제1,3,5러너 파이프와 연통되게 설치된 제2믹싱 파이프와, 상기 제2믹싱 파이프의 일측에 설치되어 배기가스중의 산소를 검출하는 산소센서를 포함하고,

상기 제3러너 파이프(430)와 상기 제5러너 파이프가 상기 제3러너 파이프를 향해 하방으로 형성될 때 상기 제1,5러너 파이프의 입구가 임의 위치에서 적어도 R40을 그리며 형성된 것을 특징으로 하는 V형 엔진용 배기 매니폴드.
제7항에 있어서,

상기 제3러너 파이프의 입구에서 상기 제1러너 파이프 쪽을 향하며 임의의 위치에서 그 하방으로 적어도 R100mm를 그리며 형성된 것을 특징으로 하는 V형 엔진용 배기 매니폴드.
제7항에 있어서,

상기 제1,3,5러너 파이프는 그 각각의 중심선이 한 점에서 만나지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 V형 엔진용 배기 매니폴드.