KR100521161B1

KR100521161B1 - 엔진의 배기장치

Info

Publication number: KR100521161B1
Application number: KR10-2002-0063170A
Authority: KR
Inventors: 양일석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2005-10-13
Also published as: KR20040033882A

Abstract

본 발명은 엔진의 배기포트로부터 상방으로 굴곡되어 형성된 배기관들을 구비함과 아울러, 상기 배기관들이 연결되는 콜렉터가 이들 배기관들 중 인접된 순번에 연소가 일어나지 않는 연소실들로 연결되는 배기관들이 각각 합류되도록 중앙의 격벽에 의해 차단된 공간을 구비하도록 함으로써, 각 배기관들 사이에서 배기간섭이 발생하지 않도록 하여 엔진의 저/중속 성능을 충분히 확보하도록 하면서도, WCC가 요구하는 엔진과의 근접도를 충족시킬 수 있는 구조를 제공하여 차량의 단가를 저감시킬 수 있도록 한다.

Description

엔진의 배기장치{exhaust system of an engine}

본 발명은 엔진의 배기장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 4실린더 엔진에서 배출되는 배기가스의 상호 배기간섭을 방지하고 엔진에 근접한 위치에 촉매컨버터를 설치하여 촉매의 귀금속 함유량을 저감시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린엔진에서 배기매니폴드는 연료의 연소후 연소가스를 외부로 배출시키기 위해 사용되는 것이며, 상기 배기매니폴드를 통해 배출되는 배기가스는 촉매컨버터에 의해 정화되어 대기중으로 방출되도록 되어 있다.

상기한 바와 같은 배기매니폴드는 그 재질의 측면에서 보면, 주철재와 SUS재로 대별되며, 상기 주철재는 단가는 저렴하지만 러너(RUNNER)의 길이가 제한되고 품질이 일정하지 못하다는 단점이 있어서 최근에는 보다 고성능의 엔진의 구현하기 위해 그 형상 및 길이의 구성에 융통성이 큰 SUS재의 배기매니폴드가 많이 사용된다.

한편, 상기 배기매니폴드를 그 연결된 형상 및 구조적인 측면에서 보면, 4-1 타입과 4-2-1 타입이 있는바, 상기 4-1 타입은 가장 단순한 형태로서 도 1에 도시된 바와 같이 4개의 배기관을 한꺼번에 한곳으로 모으는 형태이며, 상기 4-2-1 타입은 도 2에 도시된 바와 같이 배기간섭의 회피를 위해 1번과 4번 배기관과, 2번과 3번 배기관을 먼저 각각 합류시킨 후, 이들을 다시 하나로 합류시키는 형태이며, 이들 4-1 및 4-2-1 타입 모두 그 기본적인 구조는 배기가스의 유동이 하방으로 형성되도록 엔진의 배기포트로부터 하향하는 구조의 배기관들을 사용하고 있다.

여기서, 상기 4-1 타입은 그 구조가 가장 단순하고 WCC(Warm-Up Catalytic Converter)를 장착하기 위해 사용하는 형태인데, 상기 WCC에서 요구되는 엔진과의 근접도를 충족시키기 위해 배기관의 길이에 제한이 있고, 이는 배기간섭에 의한 역류에 의해 엔진의 저/중속 성능을 상당히 저하시키는 원인으로 작용되는 문제점이 있다.

한편, 상기 4-2-1 타입은 상기 4-1 타입의 저/중속 성능의 저하를 개선하기 위한 형태로서, 서로의 배기압력이 영향을 주지 않도록 1번 배기관과 4번 배기관 및 2번 배기관과 3번 배기관을 합류시키고, 이들을 다시 하류에서 하나로 합류시킴으로써, 역류방지에 의한 엔진의 저/중속 성능은 크게 향상시킬 수 있으나, 구조적으로 배기관이 길어져서 WCC가 요구하는 엔진과의 근접도를 충족시킬 수 없어서, WCC를 장착할 수 없고 귀금속의 함유량이 상대적으로 증대된 촉매컨버터를 사용해야 하므로 단가 상승의 원인이 된다는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 각 배기관들 사이에서 배기간섭이 발생하지 않도록 하여 엔진의 저/중속 성능을 충분히 확보하도록 하면서도, WCC가 요구하는 엔진과의 근접도를 충족시킬 수 있는 구조를 제공하여 단가를 저감시킬 수 있도록 한 엔진의 배기장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 엔진의 배기장치는, 엔진의 각 기통별 다수의 연소실측 배기포트와 각각 일단이 개별적으로 연통되면서 타단이 배기포트의 위치 보다 높게 상방향으로 굴곡된 상태로 연장 형성되는 다수의 배기관들과; 상기 다수의 배기관들과 접속되고, 연소의 순번이 서로 인접하지 않은 다수의 연소실로부터 각각 배출되는 배기가스를 각각 개별적으로 분리된 상태로 유입시키기 위해, 내부에 격벽을 매개로 복수로 분할되어 독립된 형태의 공간을 형성하는 콜렉터; 상기 콜렉터내 복수의 독립된 공간과 연통되는 디퓨져 및; 상기 디퓨져와 연통되어 연소후 배출되는 배기가스를 정화시켜 배기 파이프로 배출시키는 촉매 컨버터로 이루어지되; 상기 다수의 배기관들은 전장이 각각 동일한 길이로 설정되고; 상기 다수의 배기관들중 연소의 순번이 서로 인접한 연소실측 배기포트와 각각 연통되는 배기관들은 상기 콜렉터내 다수의 독립된 공간중 서로 다른 독립된 공간과 교통되도록 설치되고, 상기 다수의 배기관들중 연소의 순번이 서로 인접하지 않은 연소실측 배기포트와 각각 연통되는 배기관들은 상기 콜렉터내 다수의 독립된 공간중 동일한 독립된 공간을 상호 공유하도록 설치되며; 상기 디퓨져는 상기 콜렉터측 입구부로부터 상기 촉매 컨버터측 출구부에 이르기까지 유동 단면적이 점진적으로 확대되는 단면 점진 확대관으로 형성되며 상기 다수의 배기관들 사이에 위치하여 배기가스의 열이 외부로의 유출을 최소화하는 것을 특징으로 한다.또한, 본 발명 엔진의 배기장치는, 1,2,3,4번 연소실이 차례로 배치된 직렬 4기통 엔진의 경우에, 상기 배기관들중 양측 단부 기통측 1,4번 연소실의 배기포트와 연통되는 배기관들의 출구부는 엔진으로부터 멀고 낮게 배치되어, 상기 콜렉터내 다수의 독립된 공간중 동일한 독립된 공간을 상호 공유하도록 접속되고; 중간 기통측 2,3번 연소실의 배기포트와 연통되는 배기관들의 출구부는 엔진으로부터 가깝고 높게 배치되어, 상기 콜렉터내 다수의 독립된 공간중 동일한 독립된 공간을 상호 공유하도록 접속된 것을 특징으로 한다.또한, 본 발명 엔진의 배기장치는, 상기 콜렉터가 상기 격벽을 중심으로 전/후방 부위에서 각각 결합되어 내부에 폐공간을 형성하는 전방쉘 및 후방쉘과, 상기 디퓨져와 연통되는 출구부에 결합되는 플랜지를 일체로 구비하되; 1,2,3,4번 연소실이 차례로 배치된 직렬 4기통 엔진의 경우에, 양측 단부에 위치한 단부 기통측 1,4번 연소실의 배기포트와 연통되는 배기관들은 상기 격벽과 상기 전방쉘이 형성하는 전방 공간부를 좌/우측에서 상호 공유하도록 배치되고, 중간에 위치한 중간 기통측 2,3번 연소실의 배기포트와 연통되는 배기관들은 상기 격벽과 상기 후방쉘이 형성하는 후방 공간부를 좌/우측에서 상호 공유하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.또한, 본 발명 엔진의 배기장치는, 상기 전방쉘과 상기 후방쉘은 상기 양측 단부 기통측 1,4번 연소실측 배기포트와 연결되는 배기관들과 상기 중간 기통측 2,3번 연소실측 배기포트와 연결되는 배기관들에 각각 연결되는 양측 상부에, 상기 다수의 배기관들로부터 유입되는 배기가스의 유동을 완만하게 유입시키도록 완만한 유선형상의 굴곡부를 일체로 형성한 것을 특징으로 한다.

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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 배기장치에서 요부에 해당하는 배기관의 설치상태를 도시한 것으로서, 외부로부터 엔진을 바라보는 방향으로의 상태가 도시되어 있으며, 도 4 내지 도 6에는 배기관의 구체적인 형상이 도시되어 있고, 도 7에는 콜렉터의 구조가 분해사시도로 도시되어 있다.

여기서, 본 발명의 주된 특징을 살펴보면, 엔진의 각 기통별 다수의 연소실측 배기포트와 접속되면서 배기포트로부터 상방으로 굴곡되어 연장 형성된 배기관(1)들과, 상기 배기관(1)들이 연결되는 콜렉터(3)가 이들 배기관(1)들 중 인접된 순번에 연소가 일어나지 않는 연소실들로 연결되는 배기관들이 각각 합류되도록 중앙의 격벽(5)에 의해 차단된 독립된 공간을 구비하고 있다는 점이다.즉, 상기 배기관(1)들은 엔진의 각 기통별 다수의 연소실측 배기포트와 일단이 개별적으로 연통되도록 접속되면서 타단이 배기포트의 위치보다 높게 상방향으로 굴곡되어 길이가 최대한 연장된 상태로 형성되고, 상기 콜렉터(3)는 상기 다수의 배기관(1)들과 접속되되, 연소의 순번이 서로 인접하지 않은 다수의 연소실로부터 각각 배출되는 배기가스를 각각 개별적으로 분리된 상태로 유입시키기 위해, 내부에 격벽(5)을 매개로 복수로 분할되어 독립된 형태의 공간을 형성하고 있다.

물론, 상기한 바와 같은 기술적 사상은 여러 다른 형태의 엔진에 사용될 수 있으나, 본 실시예에서는 직렬 4기통 엔진에서 1,2,3,4번 연소실이 차례로 배치되고, 연소실의 연소순서는 1-3-4-2 순서로 이루어져, 상기 1,4번 연소실들과 2,3번 연소실들은 각각 서로 인접한 순번으로 연소가 일어나지 않는 엔진에 대한 경우로 한정하여 설명하기로 한다.

상기 배기관(1)들을 도 4 내지 도 6을 통해 살펴보면 1,4번 배기관(1-1,1-4)들의 출구부는 엔진으로부터 멀고 낮게 배치되고, 상기 2,3번 배기관(1-2,1-3)들의 출구부는 엔진으로부터 가깝고 높게 배치되어, 각 배기관(1-1,1-2,1-3,1-4)의 길이가 동일하게 형성되도록 하였으며, 상기 배기관(1)들의 출구부는 상기 격벽(5)과 평행한 현(弦; CHORD; 7)을 가진 반원형 단면으로 형성하여 배기가스 유동 단면 형상의 급격한 변화를 피하도록 하였다.

상기 콜렉터(3)는 도 7에 도시된 바와 같이 상기 1,4번 배기관(1-1,1-4)이 연결되는 전방쉘(9)과 상기 2,3번 배기관(1-2,1-3)이 연결되는 후방쉘(11)이 상기 격벽(5)을 중심으로 하여 결합된다.즉, 상기 콜렉터(3)를 구성하는 상기 전방쉘(9)과 후방쉘(11)은 각각 상기 격벽(5)을 중심으로 내부에 독립된 형태의 전방 공간부와 후방 공간부를 각각 형성하게 된다.또한, 상기 콜렉터(3)의 출구부에는 플랜지(13)가 일체로 결합는 구조로 되어 있고, 이들 격벽(5)과, 전방쉘(9), 후방쉘(11) 및 플랜지(13)는 서로 용접에 의해 결합되는 구조이며, 상기 전방쉘(9)과 후방쉘(11)에는 각각 상기 1,4번 배기관(1-1,1-4)들과 2,3번 배기관(1-2,1-3)들로부터 서로 마주하는 방향으로 배출되는 배기가스가 완만한 유선형을 형성하면서 합류될 수 있도록 가이드 하는 굴곡부(15)가 일체로 형성되어 있다.따라서, 1,2,3,4번 연소실이 차례로 배치된 직렬 4기통 엔진의 경우에, 상기 배기관들중 양측 단부에 위치한 단부 기통측 1,4번 연소실의 배기포트와 연통되는 1,4번 배기관(1-1,1-4)들의 출구부는 엔진으로부터 멀고 낮게 배치되고, 중간에 위치한 중간 기통측 2,3번 연소실의 배기포트와 연통되는 2,3번 배기관(1-2,1-3)들의 출구부는 엔진으로부터 가깝고 높게 배치되어, 상기 1,4번 배기관(1-1,1-4)과 상기 2,3번 배기관(1-2,1-3)은 각각 상기 콜렉터(3)내에서 격벽(5)과 전방쉘(9) 및 후방쉘(11)이 형성하는 전/후방 공간부에 각각 개별적으로 접속되어진다.

아울러, 상기 콜렉터(3)에는 산소센서(17)를 설치하기 위한 센서 설치구멍(19)이 형성되고, 상기 격벽(5)에는 상기 산소센서(17)가 양쪽 공간의 배기가스에 공통적으로 노출되도록 연통구멍(21)이 형성되어 있다.

상기 플랜지(13)에는 도 8에 도시된 바와 같이 상기 콜렉터(3)의 격벽(5)에 연장되는 연장격벽(23)이 마련된 디퓨져(25)를 구비한 촉매 컨버터가 결합되어 각 배기관들 사이에서 다른 배기관들로부터의 배압에 의한 영향을 더욱 극소화할 수 있는 바, 상기 촉매 컨버터는 통상의 촉매 장치에 해당하는 UCC(Under-floor Catalytic Converter)에 비해 귀금속의 함량이 비교적 적게 함유된 WCC(Warm-Up Catalytic Converter;27)를 채택하고 있다. 또한, 상기 플랜지(13)에는 상기 WCC(27)와의 결합을 위한 다수의 체결구멍(29)이 형성되어 있다.이 경우, 상기 디퓨져(25)는 상기 콜렉터(3)측 입구부로부터 상기 WCC(27)측 출구부에 이르기까지 유동 단면적이 점진적으로 확대되는 단면 점진 확대관으로 형성되어 있어, 배기시 상기 콜렉터(3)를 통해 포집된 배기가스가 디퓨져(25)를 지나는 동안에 유동을 보다 안정화 내지 균일화시킬 수 있게 되고, 이로 인해 상기 WCC(27)로 유비되는 배기가스의 압력 구배를 낮춰 WCC(27)내 촉매에 대한 유동압의 최소화를 통해 촉매장치의 내구성을 최대화시킬 수 있게 된다.또한, 상기 디퓨져(25)는 다수의 배기관(1)들 사이에 위치할 수 있어 배기가스의 열이 외부로 유출되는 것을 최소화할 수 있으므로, 냉간 시동시 상기 WCC(27)내 촉매에 대한 조기 활성화를 유도하게 된다.

물론, 상기 디퓨져(25)는 도 9에 도시된 바와 같이 연장격벽이 구비되지 않은 것이 사용될 수도 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 엔진의 배기장치를 살펴보면, 엔진의 연소실들로부터 배출되는 배기가스는 서로 인접하지 않은 연소순서를 갖는 연소실에 연결된 배기관들만이 연결되는 콜렉터(3)의 공간으로 배출되고 서로 상기 격벽(5)에 의해 차단됨으로써, 배기간섭을 제거하여 도 10에 도시된 바와 같이 역류를 방지하여 엔진의 저/중속의 출력성능을 향상시키는 효과를 가져오게 된다.

상기 배기관(1)들은 모두 길이가 동일하게 형성되어 배기압력이 콜렉터(3)에 전달되는 시간이 고르게 배분됨으로써, 모든 배기관에 동일한 배압이 형성될 수 있도록 한다.

또한, 상기 배기관(1)들은 엔진의 배기포트로부터 상향하여 굴곡되고, 그 상측에서 상기 콜렉터(3)를 통해 WCC(27)가 연결될 수 있도록 함으로써, WCC(27)가 요구하는 엔진과의 근접도를 충분히 제공한다. 따라서 촉매컨버터에 귀금속의 함량이 비교적 적게 함유될 수 있도록 함으로써, 차량의 단가를 저감시키는 역할을 하게 된다.

한편, 산소센서(17)는 상기 격벽(5)의 일부에 형성된 연통구멍(21)을 통해 격벽의 양측으로 공급되는 배기가스에 모두 노출되어 하나의 산소센서로 모든 배기관을 통해 공급되는 배기가스의 산소농도를 측정할 수 있으며, 상기 연통구멍(21)은 상기 산소센서(17) 자체에 의해 어느 정도 막히게 되므로 격벽(5)의 양쪽에 배기간섭을 일으킬 정도의 배기압력을 전달하지는 않는다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 엔진의 배기포트로부터 상방으로 굴곡되어 형성된 배기관들을 구비하고, 상기 배기관들이 연결되는 콜렉터가 이들 배기관들 중 인접된 순번에 연소가 일어나지 않는 연소실들로 연결되는 배기관들이 각각 합류되도록 중앙의 격벽에 의해 차단된 공간을 구비하도록 함으로써, 각 배기관들 사이에서 배기간섭이 발생하지 않도록 하여 엔진의 저/중속 성능을 충분히 확보하도록 하면서도, WCC가 요구하는 엔진과의 근접도를 충족시킬 수 있는 구조를 제공하여 차량의 단가를 저감시킬 수 있도록 한다.

도 1은 종래 기술에 의한 4-1 타입 배기매니폴드를 도시한 도면,

도 2는 종래 기술에 의한 4-2-1 타입 배기매니폴드를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 엔진의 배기장치에서 요부에 해당하는 배기관의 구성을 도시한 도면,

도 4는 도 3의 배기관을 상측에서 관측한 도면,

도 5는 도 3의 배기관을 엔진측에서 배기가스가 토출되는 방향을 따라 관측한 도면,

도 6은 도 3의 배기관을 중앙에서 측면으로 관측한 도면,

도 7은 도 3의 배기관을 집결시키는 콜렉터의 구조를 도시한 도면,

도 8은 본 발명에 따른 엔진의 배기장치에 대한 전체 구성을 도시한 정면도와 측면도,

도 9는 도 8의 디퓨져에 격벽이 구비되지 않은 상태를 도시한 단면도,

도 10은 본 발명에 따른 배기장치의 적용한 결과를 종래의 4-1 타입 배기매니폴드와 비교하여 도시한 그래프로서 3000RPM에서 크랭크각의 변화에 따른 흡/배기포트의 압력 및 흡입유량을 도시한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1; 배기관 3; 콜렉터

5; 격벽 9; 전방쉘

11; 후방쉘 13; 플랜지

17; 산소센서 19; 센서 설치구멍

21; 연통구멍 23; 연장격벽

25; 디퓨져

27; WCC (Warm-Up Catalytic Converter)

Claims

엔진의 각 기통별 다수의 연소실측 배기포트와 각각 일단이 개별적으로 연통되면서 타단이 배기포트의 위치 보다 높게 상방향으로 굴곡된 상태로 연장 형성되는 다수의 배기관들과;

상기 다수의 배기관들과 접속되고, 연소의 순번이 서로 인접하지 않은 다수의 연소실로부터 각각 배출되는 배기가스를 각각 개별적으로 분리된 상태로 유입시키기 위해, 내부에 격벽을 매개로 복수로 분할되어 독립된 형태의 공간을 형성하는 콜렉터;

상기 콜렉터내 복수의 독립된 공간과 연통되는 디퓨져 및;

상기 디퓨져와 연통되어 연소후 배출되는 배기가스를 정화시켜 배기 파이프로 배출시키는 촉매 컨버터로 이루어지되;

상기 다수의 배기관들은 전장이 각각 동일한 길이로 설정되고;

상기 다수의 배기관들중 연소의 순번이 서로 인접한 연소실측 배기포트와 각각 연통되는 배기관들은 상기 콜렉터내 다수의 독립된 공간중 서로 다른 독립된 공간과 교통되도록 설치되고, 상기 다수의 배기관들중 연소의 순번이 서로 인접하지 않은 연소실측 배기포트와 각각 연통되는 배기관들은 상기 콜렉터내 다수의 독립된 공간중 동일한 독립된 공간을 상호 공유하도록 설치되며;

상기 디퓨져는 상기 콜렉터측 입구부로부터 상기 촉매 컨버터측 출구부에 이르기까지 유동 단면적이 점진적으로 확대되는 단면 점진 확대관으로 형성되며 상기 다수의 배기관들 사이에 위치하여 배기가스의 열이 외부로의 유출을 최소화하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기장치.
제1항에 있어서,

1,2,3,4번 연소실이 차례로 배치된 직렬 4기통 엔진의 경우에, 상기 배기관들중 양측 단부에 위치한 단부 기통측 1,4번 연소실의 배기포트와 연통되는 배기관들의 출구부는 엔진으로부터 멀고 낮게 배치되고, 중간에 위치한 중간 기통측 2,3번 연소실의 배기포트와 연통되는 배기관들의 출구부는 엔진으로부터 가깝고 높게 배치되어, 상기 1,4번 배기관과 상기 2,3번 배기관은 각각 상기 콜렉터내에서 상호 독립된 공간을 상호 개별적으로 공유하도록 접속된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기장치.
제2항에 있어서,

상기 콜렉터는 상기 격벽을 중심으로 전/후방 부위에서 각각 결합되어 내부에 폐공간을 형성하는 전방쉘 및 후방쉘과, 상기 디퓨져와 연통되는 출구부에 결합되는 플랜지를 일체로 구비하되;

1,2,3,4번 연소실이 차례로 배치된 직렬 4기통 엔진의 경우에, 양측 단부에 위치한 단부 기통측 1,4번 연소실의 배기포트와 연통되는 배기관들은 상기 격벽과 상기 전방쉘이 형성하는 전방 공간부를 좌/우측에서 상호 공유하도록 배치되고, 중간에 위치한 중간 기통측 2,3번 연소실의 배기포트와 연통되는 배기관들은 상기 격벽과 상기 후방쉘이 형성하는 후방 공간부를 좌/우측에서 상호 공유하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기장치.
제3항에 있어서,

상기 전방쉘과 상기 후방쉘은 상기 양측 단부 기통측 1,4번 연소실측 배기포트와 연결되는 배기관들과 상기 중간 기통측 2,3번 연소실측 배기포트와 연결되는 배기관들에 각각 연결되는 양측 상부에, 상기 다수의 배기관들로부터 유입되는 배기가스의 유동을 완만하게 유입시키도록 완만한 유선형상의 굴곡부를 일체로 형성한 것을 특징으로 하는 엔진의 배기장치.
제3항에 있어서,

상기 플랜지에는 상기 콜렉터의 격벽에 연장되는 연장격벽이 마련된 디퓨져를 구비한 WCC가 결합되는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기장치.
제1항에 있어서,

상기 콜렉터에는 산소센서를 설치하기 위한 센서 설치구멍이 형성되고, 상기 콜렉터의 격벽에는 상기 산소센서가 양쪽 공간의 배기가스에 공통적으로 노출되도록 연통구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기장치.
제1항에 있어서,

상기 배기관들의 출구부는 상기 격벽과 평행한 현(弦; CHORD)을 가진 반원형 단면으로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기장치.