KR100489111B1 - 배기계의 프론트 파이프 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기계의 프론트 파이프 구조에 관한 것으로, 배기 매니폴드와 촉매 정화 장치 사이를 연결하는 프론트 파이프를 배기 매니폴드와 연결되는 분기된 부위와, 촉매 정화 장치와 연결되는 합류된 부위 및, 상기 프론트 파이프 전체를 이중 구조로 감싸고서 내부에 단열의 공기층을 형성하도록 함으로써, 연소시 발생하는 압력파에 의한 영향을 줄여 엔진의 체적 효율의 향상에 따른 출력의 증대를 도모할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 엔진의 배기 포트와 연결되는 배기 매니폴드(10)와, 이 배기 매니폴드(10)의 후미에서 연소후 발생되는 배기 가스를 촉매 정화 장치에 이르도록 안내하는 프론트 파이프(20)를 포함하는 엔진의 배기계에 있어서, 상기 프론트 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(10)와 개별적으로 연통되는 복수의 듀얼 파이프(22)와, 이 듀얼 파이프(22)가 형성하는 복수의 통로를 단일의 통로로 합류시키도록 일측이 분기되게 형성된 합류 파이프(24) 및, 이 합류 파이프(24)에 일측 선단이 연결됨과 더불어 타측 선단이 상기 촉매 정화 장치와 연결되는 싱글 파이프(26)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

배기계의 프론트 파이프 구조{front pipe structure for exhaust system}

본 발명은 배기계의 프론트 파이프 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차의 배기계에서 배기 매니폴드와 촉매 장치 사이를 연결하는 프론트 파이프의 구조를 이중 구조로 하여, 연소시 배기 포트를 통해 전달되는 압력파가 다른 배기 포트로 전달되지 않도록 하여 엔진의 체적 효율의 증대에 따른 엔진 성능의 향상을 도모함과 더불어, 고온의 배기 가스에 의한 주변 부품의 열해를 줄일 수 있도록 하는 배기계의 프론트 파이프 구조에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 엔진의 배기계는 도 1에 도시된 바와 같이, 4기통 엔진의 경우에 각 기통별 연소실의 배기 포트(도시안됨)와 개별적으로 연결되는 배기 매니폴드(10)와, 이 배기 매니폴드(10)의 후미에 결합되는 단일 부재로 이루어진 프론트 파이프(20) 및, 이 프론트 파이프(20)의 외주에 설치되어 배기시 발생하는 충격파에 의한 진동을 흡수하는 진동 완충 장치(30)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 프론트 파이프(20)는 이의 후단부에서 배기 가스중 포함된 유해 성분을 제거시키는 촉매 정화 장치(도시안됨)와 연결되고, 이 촉매 정화 장치는 배기 소음을 줄여 주는 소음기(도시안됨)를 포함하여 미들 파이프(도시안됨)와 연결된다.

여기서, 상기 배기 매니폴드(10)는 이의 양측 선단에 각각 플랜지(10a,10b)를 갖추고 있는 바, 상기 전단측 플랜지(10a)는 엔진의 연소실측 배기 포트와 결합되는 것이고, 상기 후단측 플랜지(10b)는 상기 프론트 파이프(20)와 각각 결합되는 것이다.

그리고, 상기 배기 매니폴드(10)는 일측이 두 개의 배기 포트와 각각 독립적으로 연통되도록 형성된 분지 관로(12)와, 이들 분지 관로(12)가 형성하는 두 개의 통로를 하나의 통로로서 합류시키도록 형성된 합류 관로(14)로 이루어진다.

또한, 상기 프론트 파이프(20)는 이의 양측 선단에 각각 플랜지(20a,20b)를 갖추고 있는 바, 상기 전단측 플랜지(20a)는 배기 매니폴드(10)의 후단측 플랜지(10b)와 결합되는 것이고, 상기 후단측 플랜지(20b)는 촉매 정화 장치와 각각 결합되는 것이다.

즉, 상기 프론트 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(10)와 촉매 장치 사이를 하나의 통로로서 연통시키는 단일의 파이프 구조물로 이루어진다.

따라서, 종래 배기계에서 상기 프론트 파이프(20)는 단일의 파이프 구조물로 형성되어, 연소후 발생되는 엔진의 연소실내 배기 가스를 배기 매니폴드(10)를 거쳐 촉매 정화 장치로 유도하는 역할을 하게 된다.

그런데, 상기와 같은 구조의 종래 배기계에서는 냉간 시동시, 상기 촉매 정화 장치가 연소후 배출되는 배기 가스의 온도에 의해 활성화 온도에 도달하도록 가열됨에 있어 상기 프론트 파이프(20)를 통한 열손실로 인해 촉매의 활성화 온도에 도달하는 데 소요되는 시간이 길어지므로, 촉매 정화 장치의 초기 정화 효율이 저하되는 단점이 있다.

그리고, 상기 배기 매니폴드(10)와 연결되는 프론트 파이프(20)가 단일의 파이프 구조물로 이루어짐에 따라, 연소시 4개의 배기 포트에서 각각 순차적으로 발생되어 전달되는 압력파가 상기 프론트 파이프(20)를 통해 주변에 인접한 배기 포트로 전달되어 엔진의 체적 효율을 저하시키게 되고, 이로 인해 엔진의 출력이 저하되는 단점이 있다.

또한, 엔진의 연소후 배출되는 배기 가스의 온도가 대략 600 내지 800 ℃ 정도의 고온이므로, 고온의 열이 상기 프론트 파이프(20)의 주변에 위치한 엔진룸 내부의 기타 다른 부품에 전열되어 이에 열해를 입히게 되는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 배기 매니폴드와 촉매 정화 장치 사이를 연결하는 프론트 파이프를 배기 매니폴드와 연결되는 분기된 부위와, 촉매 정화 장치와 연결되는 합류된 부위 및, 상기 프론트 파이프 전체를 이중 구조로 감싸고서 내부에 단열의 공기층을 형성하도록 함으로써, 연소시 발생하는 압력파에 의한 영향을 줄여 엔진의 체적 효율의 향상에 따른 출력의 증대를 도모할 수 있도록 하는 배기계의 프론트 파이프 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진의 배기 포트와 연결되는 배기 매니폴드와, 이 배기 매니폴드의 후미에서 연소후 발생되는 배기 가스를 촉매 정화 장치에 이르도록 안내하는 프론트 파이프를 포함하는 엔진의 배기계에 있어서, 상기 프론트 파이프는 상기 배기 매니폴드와 개별적으로 연통되는 복수의 듀얼 파이프와, 이 듀얼 파이프가 형성하는 복수의 통로를 단일의 통로로 합류시키도록 일측이 분기되게 형성된 합류 파이프 및, 이 합류 파이프에 일측 선단이 연결됨과 더불어 타측 선단이 상기 촉매 정화 장치와 연결되는 싱글 파이프를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 자동차 엔진의 배기장치를 도시한 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 프론트 파이프를 확대하여 도시한 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 프론트 파이프의 일부를 절개하여 도시한 사시도이다.

본 발명은 자동차의 엔진에 있어 배기계에 관한 것으로, 4기통 엔진의 경우를 예로 하여 설명한다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진의 배기계는 각 기통별 연소실의 배기 포트(도시안됨)와 개별적으로 연결되는 배기 매니폴드(10)와, 이 배기 매니폴드(10)의 후미에 결합되는 프론트 파이프(20), 이 프론트 파이프(20)의 외주에 설치되어 배기시 발생하는 충격파에 의한 진동을 흡수하는 진동 완충 장치(30) 및, 상기 프론트 파이프(20)의 후미에 결합되어 배기 가스중 포함된 유해 성분을 제거시키는 촉매 정화 장치(도시안됨)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 촉매 정화 장치는 이의 후미에 소음기(도시안됨)를 포함하여 미들 파이프(도시안됨)와 결합된다.

여기서, 상기 배기 매니폴드(10)는 이의 양측 선단에 각각 플랜지(10a,10b)를 갖추고 있는 바, 상기 전단측 플랜지(10a)는 엔진의 연소실측 배기 포트(도시안됨)와 결합되고, 상기 후단측 플랜지(10b)는 상기 프론트 파이프(20)와 각각 결합된다.

그리고, 상기 배기 매니폴드(10)는 일측이 두 개의 배기 포트와 각각 독립적으로 연통되는 분지 관로(12)와 이들 분지 관로(12)가 형성하는 두 개의 통로를 하나의 통로로서 합류시키도록 하는 합류 관로(14)로 구성된다.

또한, 상기 프론트 파이프(20)는 이의 양측 선단에 각각 플랜지(20a,20b)를 갖추고 있는 바, 상기 전단측 플랜지(20a)는 배기 매니폴드(10)의 후단측 플랜지(10b)와 결합되고, 상기 후단측 플랜지(20b)는 촉매 정화 장치와 각각 결합된다.

그리고, 상기 프론트 파이프(20)는 도 3과 도 4에 각각 도시된 바와 같이, 일측이 두 갈래로 분기되어 상기 배기 매니폴드(10)와 결합됨과 더불어, 타측이 한 갈래로 합류되어 상기 촉매 정화 장치와 각각 결합되도록 되어 있는 바, 상기 프론트 파이프(20)의 전체 길이는 엔진의 성능 구현에 있어 최적화가 된 상태로 길이 등의 지오메트리가 실험에 따른 해석을 통해 설정된 것이다.

이를 위해, 상기 프론트 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(10)의 두 개의 합류 관로(14)와 각각 연통되도록 형성된 한 쌍의 듀얼 파이프(22)와, 이들 한 쌍의 듀얼 파이프(22)가 형성하는 두 개의 통로를 하나의 통로로 합류시키도록 일측이 두 갈래로 분기됨과 더불어 타측이 한 갈래로 합류되는 대략 "Y" 자 형태의 합류 파이프(24) 및, 이 합류 파이프(24)와 일측 선단이 연결됨과 더불어 타측 선단이 상기 촉매 정화 장치와 연통되는 단일의 싱글 파이프(26)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 프론트 파이프(20)는 전단측 플랜지(20a)와 후단측 플랜지(20b) 사이에서 상기 듀얼 파이프(22)와 합류 파이프(24) 및 싱글 파이프(26)를 각각 외부에서 다소 유격이 있는 상태에서 기밀있게 감싸고서 내부에 단열의 공기층을 형성하는 덮개 부재(28)를 갖추고 있는 바, 이 덮개 부재(28)는 이의 길이방향으로의 축선에 대해 상하로 분할되어, 각각의 분할면들이 접합되어 결합되는 반원통 형상의 상측부(28a)와 하측부(28b)로 구성된다.

그리고, 상기 덮개 부재(28)의 일측 선단은 이의 외주면이 상기 전단측 플랜지(20a)의 내측으로 삽입되어 전단측 플랜지(20a)의 내주면과 접합되어 고정되고, 상기 덮개 부재(28)의 일측 선단의 내주면은 상기 전단측 플랜지(20a)의 내측에서 환형상으로 형성되어 결합된 보조 캡(32)의 외주면으로 접합되어 고정되며, 이 보조 캡(32)의 내주면으로 상기 듀얼 파이프(22)의 일측 선단부가 끼움 방식으로 삽입되어 다소 이동이 가능한 상태로 고정되어 있다.

이를 위해, 상기 전단측 플랜지(20a)에는 상기 덮개 부재(28)의 일측 선단부를 내주면으로 수용하여 접합하기 위해 오목한 형태로 형성된 안착홈(20c)이 구비되어 있다.즉, 상기 덮개 부재(28)의 일측 선단의 외주면은 상기 안착홈(20c)으로 삽입되어 안착홈(20c)의 내주면과 접합되어 고정되고, 상기 덮개 부재(28)의 일측 선단의 내주면은 상기 보조 캡(32)의 외주면으로 접합되어 고정되며, 상기 보조 캡(32)의 내주면으로 상기 듀얼 파이프(22)의 일측 선단부가 이동이 가능한 상태의 끼움 방식으로 삽입되어 결합되는 것이다.

여기서, 상기 보조 캡(32)은 내측의 듀얼 파이프(22)와 외측의 덮개 부재(28)가 각각 두께 및 크기의 상이함에 따라, 배기시 이들 사이에서 발생하는 열응력의 차이를 흡수할 수 있는 중간 매개체의 역할을 하는 것으로, 이의 내부에 상기 듀얼 파이프(22)를 용접에 의한 접합이 아닌 상호 끼움 방식의 결합으로 지지함에 따라, 배기시 고온의 배기 가스로부터 직접 큰 열용량을 전달 받아 팽창되는 상기 듀얼 파이프(22)의 열변형을 고려하여 흡수할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 덮개 부재(28)의 타측 선단은 싱글 파이프(26)의 외주에 장착된 진동 완충 장치(30)의 전단부와 기밀있게 결합되어 있다.

또한, 상기 프론트 파이프(20)를 구성하는 듀얼 파이프(22)와 합류 파이프(24) 및 싱글 파이프(26)와, 상기 덮개 부재(28) 사이의 공간인 공기층에는 이들 사이의 유격을 안정되게 보장하도록 금속재의 와이어를 그물망 처럼 촘촘히 엮어 만든 이른 바 메쉬 구조물 형태의 스틸 와이어 매트(34)가 설치되어 있는 바, 이 스틸 와이어 매트(34)는 상기 듀얼 파이프(22)와 덮개 부재(28) 사이와, 상기 합류 파이프(24)와 덮개 부재(28) 사이 및, 상기 싱글 파이프(26)와 덮개 부재(28) 사이에 각각 소정의 이격 거리를 두고서 상기 파이프 부재(22,24,26)의 둘레를 감싸도록 설치되어 있다.

이하, 본 발명의 배기계 프론트 파이프 구조에 따른 작용을 상세히 설명한다.

먼저, 상기 프론트 파이프(20)는 이의 외주에 덮개 부재(28)를 매개로 하여 덮개 부재(28)와의 사이에 단열의 공기층을 형성함에 따라, 엔진의 냉간 시동시 상기 배기 매니폴드(10)를 통해 프론트 파이프(20)를 거쳐 촉매 정화 장치로 배출되는 고온의 배기 가스의 온도를 급격하게 냉각되지 않도록 함으로써, 상기 촉매 정화 장치에서 촉매가 활성화 온도에 도달하기까지 소요되는 시간을 단축시킬 수 있으므로, 촉매 정화 장치의 초기 정화 효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.

그리고, 상기 배기 매니폴드(10)와 연결되는 프론트 파이프(20)가 듀얼 파이프(22)와 합류 파이프(24) 및 싱글 파이프(26)로 이루어짐에 따라, 연소시 4개의 배기 포트에서 각각 순차적으로 발생되어 전달되는 배기 가스의 압력파가 종래와 같이 단일의 프론트 파이프(20)를 통해 주변의 인접한 배기 포트로 바로 전달되는 것이 아니라, 상기 듀얼 파이프(22)와 합류 파이프(24) 및 싱글 파이프(26)를 순차적으로 거치면서 상기 덮개 부재(28)와의 사이에 형성된 단열의 공기층을 매개로 감쇠된 다음, 상기 덮개 부재(28)와의 사이에 설치된 스틸 와이어 매트(34)에 의해 추가로 감쇠될 수 있으므로, 주변의 인접한 배기 포트로 압력파가 미치는 영향력을 효과적으로 감소시킬 수 있게 된다.

그 결과, 엔진에서의 흡기에 대한 체적 효율은 도 5에 도시된 바와 같이, 엔진의 중,저속 영역에서 향상될 수 있어 엔진의 출력 증대에 기여할 수 있게 된다.

또한, 상기 프론트 파이프(20)와 덮개 부재(28) 사이에 설치된 스틸 와이어 매트(34)는 내구의 진행에 따라 상기 프론트 파이프(20)의 듀얼 파이프(22)와 합류 파이프(24) 및 싱글 파이프(26)가 각각 상기 덮개 부재(28)에 접촉되어 발생할 수 있는 소음의 생성을 배제할 수 있으므로, 이들 사이의 간섭과 그에 따른 이음의 생성을 원천적으로 차단시킬 수 있게 된다.

한편, 상기 프론트 파이프(20)의 외주에 설치된 덮개 부재(28)는 프론트 파이프(20)의 전체를 이중 구조로 감싸고 있으므로, 내부에 형성된 단열의 공기층을 매개로 하여 상기 프론트 파이프(20)의 주변에 위치한 엔진룸 내부의 기타 다른 부품으로 고온의 배기 가스의 열에 의한 열해를 최대한 방지할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 배기계의 프론트 파이프 구조에 의하면, 배기 매니폴드(10)와 촉매 정화 장치 사이를 연결하는 프론트 파이프(20)를 이중 구조로 함과 더불어, 내부에 단열의 공기층을 형성함으로써, 배기시 발생하는 압력파에 의한 엔진의 체적 효율 저하를 방지하고, 또한 프론트 파이프(20)와 덮개 부재(28) 사이에 구비되는 스틸 와이어 매트(34)를 매개로 하여 배기계에서 발생되는 이상 진동과 그에 따른 발생 소음을 줄일 수 있게 된다.

도 1은 종래 자동차 엔진의 배기장치를 도시한 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 자동차 엔진의 배기장치를 도시한 구성도.

도 3은 도 2에 도시된 프론트 파이프를 확대하여 도시한 사시도.

도 4는 도 3에 도시된 프론트 파이프의 일부를 절개하여 도시한 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 자동차 엔진의 배기장치를 매개로 하여 엔진의 체적 효율이 상승되는 결과를 나타내는 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10-배기 매니폴드 12-분지 관로

14-합류 관로 20-프론트 파이프

22-듀얼 파이프 24-합류 파이프

26-싱글 파이프 28-덮개 부재

30-진동 완충 장치 32-보조 캡

34-스틸 와이어 매트

Claims (5)

1. 엔진의 배기 포트와 연결되는 배기 매니폴드(10)와, 이 배기 매니폴드(10)의 후미에서 연소후 발생되는 배기 가스를 촉매 정화 장치에 이르도록 안내하는 프론트 파이프(20)를 포함하는 엔진의 배기계에 있어서,

   상기 프론트 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(10)와 개별적으로 연통되는 복수의 듀얼 파이프(22)와, 이 듀얼 파이프(22)가 형성하는 복수의 통로를 단일의 통로로 합류시키도록 일측이 분기되게 형성된 합류 파이프(24), 이 합류 파이프(24)에 일측 선단이 연결됨과 더불어 타측 선단이 상기 촉매 정화 장치와 연결되는 싱글 파이프(26) 및, 상기 듀얼 파이프(22)와 상기 합류 파이프(24) 및 상기 싱글 파이프(26)의 외주에서 각각 이들과의 사이에 단열의 공기층을 두도록 양측 선단이 상기 프론트 파이프(20)의 전단측 플랜지(20a)와 후단측 플랜지(20b)에 각각 기밀있게 접합된 덮개 부재(28)를 갖추고;

   상기 전단측 플랜지(20a)에는 상기 덮개 부재(28)의 일측 선단부를 내주면으로 수용하기 위해 환형상으로 오목한 형태로 형성된 안착홈(20c)이 구비되고, 상기 안착홈(20c)의 내주면에는 환형상으로 형성된 보조 캡(32)이 접합되어 고정되며;

   상기 덮개 부재(28)의 일측 선단은 이의 외주면이 상기 안착홈(20c)으로 삽입되어 안착홈(20c)의 내주면과 접합되어 고정되고, 상기 덮개 부재(28)의 일측 선단의 내주면은 상기 보조 캡(32)의 외주면으로 접합되어 고정되며, 상기 보조 캡(32)의 내주면으로 상기 듀얼 파이프(22)의 일측 선단부가 이동이 가능한 상태의 끼움 방식으로 삽입되어 결합되고;

   상기 듀얼 파이프(22)와 합류 파이프(24) 및 싱글 파이프(26)는 각각 이의 외주를 감싸고 있는 다수의 스틸 와이어 매트(34)를 구비하고서 상기 덮개 부재(28)와 이격된 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 배기계의 프론트 파이프 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 덮개 부재(28)는 이의 길이방향으로의 축선에 대해 상하로 분할되어, 각각의 분할면들이 접합되어 결합되는 반원통 형상의 상측부(28a)와 하측부(28b)로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기계의 프론트 파이프 구조.
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