KR100534837B1 - 엔진 배기매니폴드의 히트프로텍터 개폐장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진 배기매니폴드의 히트프로텍터 개폐장치에 관한 것으로, 히트프로텍터(1)에 열방출홀(2)을 형성하고, 여기에 도어(4)를 설치하여, 엔진회전수가 4000rpm 이상이고 스로틀포지션센서 출력전압이 3V 이상이면 엔진제어유니트(8)가 상기 도어(4)를 개방하여 주행풍에 의해 배기매니폴드가 신속하게 냉각될 수 있도록 되어 있다.

따라서, 고속운전영역(4000~6000rpm) WOT(wide open throttle) 상태에서도 공연비를 출력공연비로 제어할 수 있게 됨에 따라 엔진의 출력이 향상되고 연비가 개선되는 효과가 있다.

Description

엔진 배기매니폴드의 히트프로텍터 개폐장치{heat protector opening and closing device of exhaust manifold for engine}

본 발명은 엔진의 배기매니폴드에 장착되는 히트프로텍터에 관한 것으로, 특히 배기매니폴드의 열방출량을 조절할 수 있도록 된 엔진 배기매니폴드의 히트프로텍터 개폐장치에 관한 것이다.

자동차의 엔진은 혼합기를 연소시켜 작동하고, 그 부산물로서 고온의 배기가스를 배출함으로써 배기가스가 배출되는 통로인 배기매니폴드 역시 고온으로 가열되는 바, 이 배기매니폴드에서 방출되는 열에 의해 이에 근접한 부속 장치들에 열해가 발생하게 된다.

따라서, 상기와 같은 열해 현상을 방지하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이, 배기매니폴드(10)의 전면을 덮는 히트프로텍터(11)를 설치하여, 배기매니폴드(10)로부터 방출되는 열을 차단해주고 있다.

한편, 엔진 작동에 있어서 최대의 출력을 낼 수 있는 공연비(A/F)를 출력공연비라 하는데, 출력공연비는 대략 12.0~13.0이며 보통 12.5로 보고 있다.

따라서, 각 엔진 회전수 영역에서 스로틀밸브 최대 개방(WOT=Wide Open Throttle)시에는 상기 출력공연비로 공연비제어를 실시하고 있다.

한편, 하기 표 1에서 보는 바와 같이,

[표 1]

공연비(A/F)	배기온도(℃)
10.0	825.3
11.0	861.2
12.0	878.9
13.0	900.5

(히트프로텍터 장착 2.2ℓ엔진, 5000rpm WOT 상태에서 측정)

고속영역에서는 배기가스의 온도가 공연비 12.0~13.0일 때 약 880℃를 지나 900℃를 넘어서고 있다.

그런데, 주철로 제작되는 배기매니폴드의 내열한계는 표면온도 750℃정도로서 이 온도를 넘게 되면 크랙이 발생하는 등 손상되어 어느 정도 시간이 경과하게 되면 더 이상 사용할 수 없게 된다.

따라서, 배기매니폴드에 히트프로텍터가 장착된 상태에서는 고속영역에서 공연비를 출력공연비로 제어하는 것이 불가능함으로써, 현재 6000rpm WOT 시에 보통 출력공연비보다 농후한 10.0~11.0의 공연비로 엔진을 운전하고 있다.

(만약, 이 영역에서 공연비를 출력공연비인 12.5로 제어하게 되면 배기가스온도가 배기가스 한계온도 850℃를 훨씬 뛰어 넘어 950℃ 이상으로 상승될 것이 분명하기 때문이다.)

즉, 히트프로텍터가 장착된 엔진은 과도한 배기가스 온도 상승으로 인한 배기매니폴드 파손이 우려되어, 고속영역에서 출력공연비 제어를 하지 못함으로써 엔진 출력감소를 감수해야만 하는 실정이다.

한편, 배기매니폴드(10)의 열은 삼원촉매의 신속한 활성화(라이트 오프 타임-light off time-의 감소)를 위하여 엔진의 초기 냉간시동시에는 외부로 방출되지 않도록 차단되는 것이 좋다.

그런데, 전술한 바와 같이, 종래의 히트프로텍터(11)는 소정 형상으로 이루어진 단순한 판형 부품으로서 배기매니폴드(10)에서 방출되는 열을 항상 차단만 할뿐, 그 방출량을 엔진 상태에 따라 조절할 수는 없다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 엔진 상태에 따라 배기매니폴드의 열 방출량을 조절할 수 있게 됨으로써 초기 냉간 시동시 삼원촉매의 활성화 시간을 감소시키고, 고속영역 WOT 시 배기매니폴드 과열에 대한 우려 없이 공연비를 출력공연비로 제어할 수 있게 됨으로써 엔진의 고속영역 출력을 향상시키며, 동시에 연비도 개선될 수 있도록 된 배기매니폴드의 히트프로텍터 개폐장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 몸체에 형성된 열방출홀에 힌지를 매개로 장착된 도어를 구비한 히트프로텍터와, 상기 도어에 연결된 와이어를 권취하여 도어를 여는 DC모터와, 상기 도어의 상단과 열방출홀의 상부 사이에 연결되어 도어의 닫힘 상태를 유지하는 스프링과, 엔진 워밍업 이후 고속영역 WOT시 상기 DC모터를 작동시켜 도어를 개방하는 엔진제어유니트를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 엔진 배기매니폴드의 히트프로텍터 개폐장치의 구성도로서, 히트프로텍터(1)에는 몸체의 전면 전반에 걸쳐 사각의 열방출홀(2)이 형성된다.

상기 열방출홀(2)에는 이를 개폐하는 도어(4)가 구비되는데, 이 도어(4)는 히트프로텍터(1)와 동일한 재질인 방열판재이며, 하단 양측이 열방출홀(2) 하부의 히트프로텍터(1) 몸체에 힌지(3)를 매개로 고정되어 있고, 상단의 양측은 스프링(5)으로 히트프로텍터(1) 몸체의 상단에 연결되어 있다.

상기 스프링(5)은 인장스프링으로서, 보통상태에서는 상기 도어(4)를 닫힌 상태로 유지하고, 도어(4)가 열렸을때는 도어(4)를 닫힘방향으로 끌어당기는 역할을 한다.

상기 도어(4)는 DC모터(6)에 의해 개방되는데, 이 DC모터(6)의 회전축에는 도어(4)의 전면 양측에 일단이 고정된 와이어(7)의 타단이 권취되며, 상기 DC모터(6)는 히트프로텍터(1)의 전면으로부터 소정 거리 떨어진 위치에 장착되어 상기 와이어(7)가 히트프로텍터(1)의 전면에 대하여 소정 각도 경사진 상태를 유지하게 된다.(DC모터를 히트프로텍터의 전면으로부터 소정 거리 떨어진 위치에 장착하는 것은 히트프로텍터에 별도 또는 일체의 수평브라켓을 설치하고, 이 수평브라켓 상에 DC모터를 볼트와 너트 또는 클램프 등의 체결수단을 매개로 고정하면 되는 바, 이는 당업자가 용이하게 실시할 수 있는 정도의 내용이므로 별도의 상세한 구조 설명은 생략한다.)

따라서, DC모터(6)가 작동되면 회전축에 와이어(7)가 감겨지면서 도어(4)를 당기게 되어 열방출홀(2)이 개방된다.

한편, 상기 DC모터(6)는 엔진제어유니트(ECU;8)에 의해 작동제어된다. 기본적으로 엔진제어유니트(8)는 냉각수온센서, 엔진회전수센서, 스로틀포지션센서, 차속센서 등으로부터 각종 정보를 인가받고 있는 바, 본 발명에서도 이를 이용하며, 본 발명에서는 추가로 배기매니폴드의 표면 온도를 검출하기 위하여 배기매니폴드 표면 온도센서(9)를 장착하였다.

이제 도 3을 참조하여 본 발명의 작용을 설명한다.

엔진이 시동되면 엔진제어유니트(8)는 먼저 엔진이 워밍업 되었는지를 판단한다. 엔진의 워밍업 여부는 냉각수온을 측정하여 판단하는바 엔진제어유니트(8)는 냉각수온센서로부터 전달된 냉각수 온도가 70℃ 이하이면 엔진이 냉간 운전중인 것으로 판단하여 DC모터(6)를 작동시키지 않는다.

따라서, 도어(4)가 닫혀진 상태를 유지하여 열방출홀(2)이 개방되지 않으므로 히트프로텍터(1)에 의해 주행풍에 대해 차단되어 있는 배기매니폴드의 열방출량은 최소가 되며, 이로써 배기가스의 온도도 떨어지지 않게 되어 삼원촉매의 활성화시간이 짧아지게 된다.

한편, 냉각수온이 70℃ 보다 높으면 엔진이 워밍업된 것으로 판단하고, 이어서 엔진의 작동 상태를 체크한다.

본 발명에서 상기 도어(4)를 개방하여 배기매니폴드를 냉각시킬 필요가 있는 경우는 고속도영역 WOT 상태에서 출력공연비 제어를 시작하여 배기가스온도가 한계온도 이상으로 상승할때이다.

따라서, 엔진제어유니트(8)는 엔진회전수센서와 스로틀포지션센서를 통해 엔진회전수(rpm)와 스로틀개도를 인지하여 그 때의 운전상태가 고속도영역이며 WOT 상태라면 상기 DC모터(6)를 작동시켜 와이어(7)를 권취함으로써 도어(4)를 개방한다.

여기서, 상기 엔진제어유니트(8)가 엔진의 운전상태가 고속도 영역이며 WOT상태임을 판단하는 기준은 각각 엔진 회전수가 4000rpm 이상이고 스로틀포지션센서로부터의 입력전압이 3V 이상인가 이다.

이는 통상 4000rpm부터 고속영역 운전이라고 취급하는 것과 스로틀밸브 완전개방시 스로틀포지션센서로부터 입력되는 전압은 5V 인 것에서 결정된 것인데, 본 발명에서 출력공연비 제어시 가장 문제가 되는 영역이 6000rpm WOT 영역이므로 안전율을 고려하여 6000rpm 보다는 낮고 스로틀밸브 완전 개방보다는 소정량 못 미치는 개도량의 수준에서 도어(4)가 개방될 수 있도록 4000rpm, 3V를 도어 개방 시점의 판단 기준으로 설정한 것이다.

단, 상기 조건을 만족하여 도어(4)를 개방함에 있어 표시된 바와 같이, 차속이 일정 수준 이상(차속센서를 통해 검출된 차속이 80km/h 이상)일 것이 요구된다. 이는 주행풍이 충분치 못한 상황에서는 도어(4)를 개방하여도 효과적으로 배기매니폴드를 냉각시킬 수 없으며, 오히려 배기매니폴드로부터의 방출열에 의해 주변 부품이 열해를 입을 우려가 있기 때문이다.

상기와 같이 각 조건의 판단 과정을 거치는 동안 모든 조건이 만족되면 도어(4)가 개방되어 주행풍에 의해 배기매니폴드가 신속하게 냉각됨으로써 6000rpm WOT 상태에서 출력공연비 12.5로 공연비제어를 실시하여 고온의 배기가스가 발생하여도 배기매니폴드가 과열되지 않게 되므로, 과열로 인한 배기매니폴드의 손상 문제를 우려할 필요가 없게 된다.

즉, 결과적으로 고속도 WOT 상태에서도 공연비를 출력공연비로 제어할 수 있게 되는 것이므로, 이 영역에서의 엔진 출력이 향상되고, 동일 출력 발생시 소모되는 연료량도 저감될 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 조건 판단의 각 단계에서 차량 및 엔진의 상태가 조건을 만족시키지 못하게 되면 엔진제어유니트(8)는 DC모터(6)를 작동시키지 않게 되며, 따라서 스프링(5)의 힘에 의해 도어(4)는 열려 있는 상태라면 다시 닫히게 되고, 닫혀 있는 상태에서는 계속 닫힌 상태를 유지하게 된다.

그러나, 이때 배기매니폴드 표면 온도센서(9)로부터 검출된 배기매니폴드의 표면온도가 한계온도인 750℃를 넘어서게 되면 배기매니폴드를 신속하게 냉각시킬 필요가 있으므로, 출력공연비로 제어되고 있는 공연비를 보다 농후하게(-0.5정도) 제어하여 배기가스의 온도를 떨어뜨림과 동시에 도어(4)를 개방하여 배기매니폴드를 냉각시킴으로써 배기매니폴드가 과열되어 파손되지 않도록 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 엔진 시동 초기 영역 및 고속영역 WOT 상태를 제외한 영역에서는 히트프로텍터에 의한 배기매니폴드의 방출열 차단으로 촉매의 활성화시간을 단축시킬 수 있음과 더불어 주변 부품을 열해로부터 보호하는 히트프로텍터 본래의 기능이 충실히 수행되고, 고속영역 WOT 상태에서는 히트프로텍터가 개방되어 배기매니폴드 냉각성능이 향상됨으로써 공연비를 출력공연비로 제어할 수 있게 되어 엔진의 출력이 향상되고 저연비를 실현할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 배기매니폴드에 일반적인 형태의 히트프로텍터가 장착된 모습을 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 히트프로텍터 개폐장치의 구성도,

도 3은 본 발명의 제어 흐름도이다.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1 : 히트프로텍터, 2 : 열방출홀,

3 : 힌지, 4 : 도어,

5 : 스프링, 6 : DC모터,

7 : 와이어, 8 : 엔진제어유니트,

9 : 배기매니폴드 표면 온도센서.

Claims (4)

1. 히트프로텍터(1)에 형성된 열방출홀(2)에 힌지(3)를 매개로 장착된 도어(4),

   상기 도어(4)에 연결된 와이어(7)를 권취하여 도어(4)를 여는 DC모터(6),

   상기 도어(4)의 상단과 열방출홀(2)의 상부 사이에 연결되어 도어(4)의 닫힘 상태를 유지하는 스프링(5),

   엔진 워밍업 이후 엔진회전수가 4000rpm 이상이고, 스로틀포지션센서 출력전압이 3V 이상이면 고속도영역 WOT시로 판단하고 상기 DC모터(6)를 작동시켜 도어(4)를 개방하는 엔진제어유니트(8)를 포함하여 구성되는 엔진 배기매니폴드의 히트프로텍터 개폐장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 엔진제어유니트(8)는 차속이 80km/h 이상일때만 DC모터(6)를 작동시켜 도어(4)를 개방하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기매니폴드의 히트프로텍터 개폐장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 엔진제어유니트(8)는 배기매니폴드 표면 온도센서(9)로부터 검출된 배기매니폴드 표면온도가 한계온도인 750℃를 넘어서면 공연비를 농후하게 제어함과 동시에 DC모터(6)를 작동시켜 도어(4)를 개방하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기매니폴드의 히트프로텍터 개폐장치.