KR100534694B1 - Ｖ형 엔진의 배기 시스템 - Google Patents

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Abstract

배기가스의 유동특성이 개선되고 배기가스가 캐털리틱 컨버터의 촉매 활성화 온도를 유지할 수 있는 V형 엔진의 배기 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 의한 V형 엔진의 배기 시스템은, 제1 및 제2 배기 매니폴드; 그 상류측이 제1 및 제2 프론트 캐털리틱 컨버터를 통하여 상기 제1 및 제2 배기 매니폴드에 각각 연결되며, 그 후단부는 서로 연결되어 합류부를 형성하는 제1 및 제2 프론트 배기 파이프; 상기 합류부의 하류측에 연결되며, 메인 촉매 컨버터가 설치되는 센터 배기 파이프; 및 상기 센터 배기 파이프의 하류측에 연결되는 리어 배기 파이프를 포함하되, 상기 제1 프론트 배기 파이프의 말단부의 중심선과 상기 제2 프론트 배기 파이프의 말단부의 중심선이 이루는 각도는 20도 이내인 것을 특징으로 한다.

Description

Ｖ형 엔진의 배기 시스템{AN EXHAUST SYSTEM FOR A V-TYPE ENGINE}
본 발명은 V형 엔진의 배기 시스템에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 V형 엔진을 답재한 차량의 메인 촉매 컨버터 전방으로 구성되는 양측 프론트 배기 파이프 합류부의 구성을 개선하여 배기가스의 유동 균일화 특성을 개선하고, 히트 프로텍터를 추가 구성하여 배기가스의 촉매 활성화 온도를 보존할 수 있도록 하는 V형 엔진의 배기 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 배기 시스템은 차량의 엔진 룸 내 레이아웃과 배기 저감 요구정도를 고려하여 촉매 컨버터의 배치에 따라 촉매 컨버터가 배기 매니폴드의 각 런너로부터 가까이 연결되는 클로즈 커플드 캐털리스트(CLOSE-COUPLED CATALYST; CCC) 타입과, 촉매 컨버터가 배기 매니폴드와 비교적 멀리 떨어져 연결되어 배기 유동 균일화의 요구가 상대적으로 작은 언더 플로어 캐털리틱 컨버터(UNDER-FLOOR CATALYTIC CONVERTER; 이하 UCC라 칭함)타입을 선택적으로 적용하게 된다.
이러한 배기 시스템은 상기한 배기가스의 유동특성을 개선하기 위하여 여러 측면에서 연구 및 개발되어 왔으며, 그 배기 시스템 내 배기 유동특성의 개선요구는 촉매 전면에서의 유동 균일화 정도 개선, 산소센서의 효율적인 장착 위치 선정, 초기 시동 시 촉매의 활성화 온도 개선, 배압 증가 억제 등의 4가지 개선 목표로 요약될 수 있다.
특히, V형 엔진을 탑재한 차량에 적용되는 언더 플로어 캐털리틱 컨버터(UCC)타입의 배기 시스템은, 도 5에서 도시한 바와 같이, 양측의 배기 매니폴드(101, 103)와 각각의 언더 플로어 캐털리틱 컨버터(105,107;UCC)를 통하여 좌,우측 프론트 배기 파이프(109,111)가 연결되어 구성된다.
상기 좌,우측 프론트 배기 파이프(109,111)는 양단부가 연결되어 합류부(113)를 이루어 메인 촉매 컨버터(115)와 프론트 및 센터 머플러(116,117)를 구성한 센터 배기 파이프(119)의 전방단과 연결되며, 상기 센터 배기 파이프(119)의 후방단에는 분기되어 각각 메인 머플러(121,123)를 구비하는 리어 배기 파이프(125)와 연결되어 이루어진다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 V형 엔진의 배기 시스템에서, 상기 좌,우측 프론트 배기 파이프가 합류부에서 서로 직각방향으로 연결되어 이루어짐에 따라 상기 합류부에서의 배기가스 유동이 불규칙한 난류 형태의 흐름을 발생시키게 되며, 이 부분에서의 내부 단면적이 급격히 축소되어 압력 강하가 크게 나타나게 되고, 이는 배압 증가로 인한 전부하 성능이 저하되는 문제점을 내포하고 있다.
또한, 상기 배기 매니폴드와 메인 촉매 컨버터 사이의 거리가 멀어 좌,우측 프론트 배기 파이프와 센터 배기 파이프를 통과하는 배기가스의 온도가 촉매의 활성화 온도에 못 미치는 등의 문제점을 내포하고 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로써, 본 발명의 목적은 V형 엔진을 답재한 차량의 메인 촉매 컨버터 전방으로 구성되는 양측 프론트 배기 파이프의 합류부의 구성을 개선하고, 히트 프로텍터를 추가 구성하여 배기가스의 유동 균일화 특성 및 전부하 성능을 개선하고, 배기가스의 촉매 활성화 온도를 보존할 수 있도록 하는 V형 엔진의 배기 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 V형 엔진의 배기 시스템은 제1 및 제2 배기 매니폴드; 그 상류측이 제1 및 제2 프론트 캐털리틱 컨버터를 통하여 상기 제1 및 제2 배기 매니폴드에 각각 연결되며, 그 후단부는 서로 연결되어 합류부를 형성하는 제1 및 제2 프론트 배기 파이프; 상기 합류부의 하류측에 연결되며, 메인 촉매 컨버터가 설치되는 센터 배기 파이프; 및 상기 센터 배기 파이프의 하류측에 연결되는 리어 배기 파이프를 포함하되, 상기 합류부는, 상기 제1 프론트 배기 파이프의 말단부의 중심선과 상기 제2 프론트 배기 파이프의 말단부의 중심선이 이루는 각도가 20도 이내가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 합류부는, 상기 제1 프론트 배기 파이프의 말단부의 중심선과 상기 센터 배기 파이프의 중심선이 이루는 각도와, 상기 제2 프론트 배기 파이프의 말단부의 중심선과 상기 센터 배기 파이프의 중심선이 이루는 각도가, 각각 60도 이내가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 제1 프론트 배기 파이프와 상기 제2 프론트 배기 파이프의 끝단 중 어느 하나에는 경사부가 형성되고, 나머지 하나에는 곡선부가 형성되며, 상기 경사부와 상기 곡선부가 합류되어 상기 합류부를 형성하는 것이 바람직하다. 상기 합류부는, 그 수직방향 중심선과 상기 제1 및 제2 배기 매니폴드 중 상기 메인 촉매 컨버터로부터 거리가 더 먼 배기 매니폴드의 수직방향 중심선 사이의 거리가 800mm 이상이 되도록 위치되는 것이 바람직하다.
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이하, 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 V형 엔진의 배기 시스템의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 V형 엔진의 배기 시스템의 양측 프론트 배기 파이프의 합류부의 상세도이다.
본 발명의 실시예에 의한 V형 엔진의 배기 시스템은, 먼저, 상기 도 1에서 도시한 바와 같이, V형 엔진의 양측의 배기 매니폴드(1,3)와 각각의 언더 플로어 캐털리틱 컨버터(5,7; UCC)를 통하여 좌,우측 프론트 배기 파이프(9,11)가 연결된다.
그리고 상기 좌,우측 프론트 배기 파이프(9,11)는 양단부가 연결되어 합류부(13)를 이루어 메인 촉매 컨버터(15)와, 프론트 머플러(미도시) 및 센터 머플러(미도시)를 구성한 센터 배기 파이프(17)의 전방단과 연결된다.
상기 센터 배기 파이프(17)의 후방단에는 분기되어 각각 메인 머플러(미도시)를 구비하는 리어 배기 파이프(미도시)와 연결되어 이루어진다.
이러한 V형 엔진의 배기 시스템에서, 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 좌,우측 프론트 배기 파이프(9,11)가 연결되는 합류부(13)는 엔진 룸 내의 레이아웃을 고려하여 상기 메인 촉매 컨버터(15)로부터 먼쪽인 좌측 배기 매니폴드(1)와 중심거리(L)가 적어도 800mm 이상 이격되어 형성되며, 좌,우측 프론트 배기 파이프(9,11)의 상호 연결각도(a)는 20도 이내의 범위에서 설정되며, 동시에 상기 센터 배기 파이프(17)에 대한 좌,우측 프론트 배기 파이프(9,11) 각각의 연결각도(b,c)는 60도 이내의 범위에서 설정되도록 우측의 프론트 배기 파이프(11) 일부분이 곡관 부분(P1)으로 형성된다.
즉, 본 실시예에서는 상기 좌측 프론트 배기 파이프(9)는 상기 센터 배기 파이프(17)에 대하여 약 40도(각 b)로 설정되는 경사부(P2)를 형성하여 합류되며, 상기 우측 프론트 배기 파이프(11)는 상기 곡관 부분(P1)을 통하여 상기 센터 배기 파이프(17)에 대하여 약 55도(각 c)로 설정되어 합류된다.
그리고 상기 센터 배기 파이프(17) 상에는 상기 좌,우측 프론트 배기 파이프(9,11)의 합류부(13)와 연결되는 일측에 메인 히트 프로텍터(19)를 구성하고, 상기 좌측 프론트 배기 파이프(9)에 비하여 길이가 길어 대기중에 노출량이 많은 우측 프론트 배기 파이프(11) 상의 일측에는 보조 히트 프로텍터(21)를 구성하여 이루어진다.
따라서, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 V형 엔진의 배기 시스템에 의하면, 메인 촉매 컨버터(15) 전방으로 구성되는 양측 프론트 배기 파이프(9,11)의 합류부(13)를 엔진 룸 내의 레이아웃을 고려하여 상기 메인 촉매 컨버터(15)로부터 먼쪽인 좌측 배기 매니폴드(1)와 중심거리가 적어도 800mm 이상 이격된 상태로, 좌,우측 프론트 배기 파이프(9,11)의 상호 연결각도는 20도 이내의 범위에서 설정하고, 동시에 상기 센터 배기 파이프(17)에 대한 좌,우측 프론트 배기 파이프(9,11) 각각의 연결각도는 60도 이내로 설정하도록 각 파이프 상에 경사부(P2)와 곡관 부분(P1)의 형상을 취함으로써, 배기가스의 배기 흐름의 간섭을 최소화하여 배기가스의 유동 균일화 특성을 개선하고, 배압을 줄여 전부하 성능을 향상시키게 되는 것이다.
즉, 도 3과 도 4는 이러한 V형 엔진의 배기 시스템의 그 성능 및 배압특성을 검출 비교한 곡선으로, 먼저, 도 4는 상기 좌,우측 프론트 배기 파이프(9,11)의 전방단의 일측(즉, 배기 메니폴드의 하단)과 양측 프론트 배기 파이프(9,11)의 합류부(13)에서의 RPM별 배압특성 곡선으로 상기 2부분에서의 배압차가 최소화 될 수록 엔진의 성능의 변화가 없다는 것을 의미하며, 이는 최적의 엔진 상태를 구현할 수 있도록 하는 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 V형 엔진의 배기 시스템에 의하면, 도 3에서 도시한 바와 같이, 엔진의 성능이 2,500 ~ 3,000RPM 영역에서 종래에 비하여 최대 4% 정도의 출력향상을 얻을 수 있었으며, 특히, 중속 영역에서의 성능향상 효과가 두드러짐을 알 수 있다.
또한, 센터 배기 파이프(17)와 우측 배기 파이프(11)상에 메인 히트 프로텍터(19) 및 보조 히트 프로텍터(21)를 추가 구성함으로써, 대기온도에 대한 배기가스의 냉각을 방지하여 메인 촉매 컨버터(15)에서의 배기가스의 촉매 활성화 온도를 보존할 수 있도록 하여 촉매의 배기가스 정화효율을 높임으로 배기가스의 발생을 최소화하게 되는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 V형 엔진의 배기 시스템에 의하면, 좌,우측 프론트 배기 파이프의 합류부를 엔진 룸 내의 레이아웃을 고려하여 상기 메인 촉매 컨버터로부터 먼쪽의 배기 매니폴드와 중심거리가 적어도 800mm 이상 이격된 상태로, 좌,우측 프론트 배기 파이프의 상호 연결각도는 20도 이내의 범위에서 설정하고, 상기 센터 배기 파이프에 대한 좌,우측 프론트 배기 파이프 각각의 연결각도는 60도 이내로 설정하여 배기가스의 배기 흐름의 간섭을 최소화하여 배기가스의 유동 균일화 및 엔진의 전부하 성능을 향상시키며, 동시에 센터 배기 파이프와 우측 배기 파이프상에 히트 프로텍터를 추가 구성함으로써, 메인 촉매 컨버터에서의 촉매 활성화 온도까지 배기가스 온도를 보존하여 촉매의 배기가스 정화효율을 높여 배기가스의 발생을 최소화하는 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 V형 엔진의 배기 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 V형 엔진의 배기 시스템의 양측 프론트 배기 파이프의 합류부의 상세도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 V형 엔진의 배기 시스템의 성능곡선이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 V형 엔진의 배기 시스템의 배압특성 곡선이다.
도 5는 종래기술에 따른 V형 엔진의 배기 시스템의 사시도이다.

Claims (6)

  1. V형 엔진의 배기 시스템에 있어서,
    제1 및 제2 배기 매니폴드;
    그 상류측이 제1 및 제2 프론트 캐털리틱 컨버터를 통하여 상기 제1 및 제2 배기 매니폴드에 각각 연결되며, 그 후단부는 서로 연결되어 합류부를 형성하는 제1 및 제2 프론트 배기 파이프;
    상기 합류부의 하류측에 연결되며, 메인 촉매 컨버터가 설치되는 센터 배기 파이프; 및
    상기 센터 배기 파이프의 하류측에 연결되는 리어 배기 파이프를 포함하되,
    상기 제1 프론트 배기 파이프의 말단부의 중심선과 상기 제2 프론트 배기 파이프의 말단부의 중심선이 이루는 각도는 20도 이내인 V형 엔진의 배기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 합류부는, 상기 제1 프론트 배기 파이프의 말단부의 중심선과 상기 센터 배기 파이프의 중심선이 이루는 각도와 상기 제2 프론트 배기 파이프의 말단부의 중심선과 상기 센터 배기 파이프의 중심선이 이루는 각도가 각각 60도 이내가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 V형 엔진의 배기 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 프론트 배기 파이프와 상기 제2 프론트 배기 파이프의 끝단 중 어느 하나에는 경사부가 형성되고, 나머지 하나에는 곡선부가 형성되며, 상기 경사부와 상기 곡선부가 합류되어 상기 합류부를 형성하는 것을 특징으로 하는 V형 엔진의 배기 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 합류부는, 그 수직방향 중심선과 상기 제1 및 제2 배기 매니폴드 중 상기 메인 촉매 컨버터로부터 거리가 더 먼 배기 매니폴드의 수직방향 중심선 사이의 거리가 800mm 이상이 되도록 하는 지점에 위치되는 것을 특징으로 하는 V형 엔진의 배기 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 합류부에 인접한 상기 센서 배기 파이프에는 메인 히트 프로텍터가 설치되고, 상기 제1 및 제2 프론트 배기 파이프 중 그 길이가 더 긴 어느 하나의 파이프에는 보조 히트 프로텍터가 설치되는 V형 엔진의 배기 시스템.
  6. V형 엔진의 배기 시스템에 있어서,
    제1 및 제2 배기 매니폴드;
    그 상류측이 제1 및 제2 프론트 캐털리틱 컨버터를 통하여 상기 제1 및 제2 배기 매니폴드에 각각 연결되며, 그 후단부는 서로 연결되어 합류부를 형성하는 제1 및 제2 프론트 배기 파이프;
    상기 합류부의 하류측에 연결되며, 메인 촉매 컨버터가 설치되는 센터 배기 파이프; 및
    상기 센터 배기 파이프의 하류측에 연결되는 리어 배기 파이프를 포함하되,
    상기 합류부는, 상기 제1 배기 파이프의 말단부의 중심선과 상기 센터 배기 파이프의 중심선이 이루는 각도와 상기 제2 배기 파이프의 말단부의 중심선과 상기 센터 배기 파이프의 중심선이 이루는 각도가 각각 60도 이내가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 V형 엔진의 배기 시스템.
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