KR100836203B1 - 배기매니폴드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 엔진의 좌측 또는 우측 배기포트에 연결되는 3개의 러너와, 상기 각 러너를 통해 이송되는 배기가스가 모이는 합류부와, 상기 러너의 입구 측과 합류부의 출구 측에 각각 형성되는 플랜지로 이루어지되, 상기 합류부의 출구는 중앙에 형성된 러너의 중심으로부터 어느 한 러너 측으로 소정 거리 편의되는 바, 배기가스의 유동을 최적화함으로써 열응력이 집중되는 것을 방지할 수 있는 배기매니폴드를 제공한다.
배기매니폴드, 배기가스, 유동화, 열응력, 소성변형

Description

배기매니폴드{Exhaust Manifold}
도 1은 본 발명에 의한 배기매니폴드 중 V형 엔진의 좌측에 설치되는 제 1 배기매니폴드를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 A-A 단면을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제 1 배기매니폴드의 배면을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제 1 배기매니폴드의 저면을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 의한 배기매니폴드 중 V형 엔진의 우측에 설치되는 제 2 배기매니폴드를 도시한 도면.
도 6은 도 2의 B-B 단면을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 제 2 배기매니폴드의 배면을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 제 2 배기매니폴드의 저면을 도시한 도면.
도 9는 일반적인 배기시스템을 도시하는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 제 1 배기매니홀드 110 : 러너
120 : 합류부 130 : 제 1 플랜지
140 : 제 2 플랜지
본 발명은 V형 엔진에 구비되는 배기매니폴드에 관한 것으로, 구체적으로는 형상을 개선하여 열응력이 집중되는 것을 방지하고, 배기가스의 유동 효율을 향상시킨 배기매니폴드에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 배기시스템은 차량의 엔진 룸 내 레이아웃과 배기 저감 요구정도를 고려하여 촉매 컨버터의 배치에 따라 촉매 컨버터가 배기 매니폴드의 각 러너로부터 가까이 연결되는 클로즈 커플드 캐털리스트(Close-Coupled Catalyst : CCC) 타입과, 촉매 컨버터가 배기매니폴드와 비교적 멀리 떨어져 연결되어 배기 유동 균일화의 요구가 상대적으로 작은 언더 플로어 캐털리틱 컨버터(Under-Floor Catalytic Converter : UCC)타입을 선택적으로 적용하게 된다.
이러한 배기시스템은 상기한 배기가스의 유동특성을 개선하기 위하여 여러 측면에서 연구 및 개발되어 왔으며, 그 배기시스템 내 배기가스 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 9에 도시한 바와 같이, 양측의 배기매니폴드(12, 14)와 각각의 클로즈 커플드 캐털리스트(16, 18)를 통하여 좌, 우측 프론트 배기파이프(22, 24)가 연결되어 구성된다.
또한, 상기 좌, 우측 프론트 배기파이프(22, 24)는 양단부가 연결되어 합류부(26)를 이루어 메인 촉매 컨버터(언더 플로어 캐털리틱 컨버터, 28)와 프론트 및 센터 머플러(32, 34)를 구성한 센터 배기 파이프(36)의 전단과 연결되며, 상기 센터 배기파이프(36)의 후단에는 분기되어 각각 메인 머플러(42, 44)를 구비하는 리어 배기파이프(46)와 연결되어 이루어진다.
이 중에서 엔진의 배기포트와 연결되어 고온의 배기가스를 배기파이프(22, 24) 측으로 배출하기 위한 종래의 배기매니폴드(12, 14)는 엔진 구동 시 약 900℃정도의 배기가스에 직접 노출되어 팽창하고, 엔진 정지 시 엔진을 순환하는 냉각수에 의해 수축된다. 이와 같은 팽창과 수축을 반복함에 따라 배기매니폴드(12, 14)의 각 러너들이 모이는 부분에는 열응력이 집중되고, 그로 인하여 균열이 발생하게 되며 종국에는 파괴되는 등의 문제가 있다.
또한, 종래의 배기매니폴드는 엔진에서 배출된 고온의 배기가스가 러너를 거쳐 합류부로 이송될 때 합류부의 내측 벽면에 부딪히면서 열손실이 발생하고, 이 열손실로 인하여 촉매가 활성화 온도에 도달하는데 많은 시간이 소요된다. 따라서 초기 시동 시 촉매의 활성화가 늦어져 배기가스에 포함되는 유해 성분의 양이 증대되는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서 러너 및 합류부의 형상을 개선하여 배기가스의 유동을 최적화함으로써 열응력이 집중되는 것을 방지할 수 있는 배기매니폴드를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 러너 및 합류부의 형상을 개선하여 배기가스의 유동을 최적화함으로써 열손실을 감소시키고 촉매의 활성화를 조기에 실현할 수 있는 배기매니폴드를 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 배기매니폴드는, 엔진의 좌측 또는 우측 배기포트에 연결되는 3개의 러너와, 상기 각 러너를 통해 이송되는 배기가스가 모이는 합류부와, 상기 러너의 입구 측과 합류부의 출구 측에 각각 형성되는 플랜지로 이루어지되, 상기 합류부의 출구는 중앙에 형성된 러너의 중심으로부터 어느 한 러너 측으로 소정 거리 편의된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 배기매니폴드는 6기통 V형 엔진에 설치되어 배기포트를 통해 배출되는 고온의 배기가스를 외부로 배출하기 위한 수단으로, V형 엔진의 좌측에 설치되는 제 1 배기매니폴드(도 1의 100)와, 우측에 설치되는 제 2 배기매니폴드(도 5의 200)로 구성된다. 이때, 상기 제 1 및 제 2 배기매니폴드(100, 200)는 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이 그 형상이 서로 상이한데, 이는 자동차의 엔진룸 내에 설치된 다른 부품과의 간섭을 피하기 위함이다.
우선, 도 1 내지 도 4를 참조하여 6기통 V형 엔진의 좌측에 설치되는 제 1 배기매니폴드(100)에 대해 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 배기매니폴드 중 V형 엔진의 좌측에 설치되는 제 1 배기매니폴드를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 A-A 단면을 도시한 도면이며, 도 3과 도 4는 본 발명의 제 1 배기매니폴드의 배면과 저면을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 배기매니폴드(100)는, 엔진(6기통 V형 엔진, 이하 엔진이라 함.)의 좌측에 마련된 배기포트(미도시)와 연결되는 3개의 러너(110)와, 상기 각 러너(110)를 통해 이송되는 배기가스가 모이는 합류부(120)와, 상기 러너(110)의 입구(118) 측에 마련되어 엔진에 결합되는 제 1 플랜지(130)와, 상기 합류부(120)의 출구(124) 측에 마련되어 클로즈 커플드 캐털리스트(도 9의 16, 18)가 결합되는 제 2 플랜지(140)로 이루어진다.
상기 러너(110)와 합류부(120)는 일체로 형성되고, 상기 제 1 및 제 2 플랜지(130, 140)는 별도로 제작되어 용접 등에 의한 방법으로 결합된다. 또한, 상기 합류부의 상면에는 산소센서(미도시)가 장착되는 센서장착홀(122)이 형성된다.
이때, 일체로 형성된 상기 러너(110) 및 합류부(120)는 표면온도의 급격한 변화를 방지할 수 있도록 스테인리스 스틸로 제작하되, 2.5㎜ 이상의 스테인리스 스틸 판재(특히, SUS444)를 벤딩이나 하이드로포밍하여 튜브 형태로 제작한다. 이와 같이 스테인리스 스틸로 제작할 경우 기존의 주철에 비하여 내구성이 우수하고, 촉매 활성화 도달시간을 단축시켜 배기가스에 포함된 유해 성분을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
여기서 도 3에 도시된 바와 같이 상기 합류부(120)의 출구(124)는 타원형으로 형성되고, 상기 출구(124)의 중심축(C1)은 상기 제 1 배기매니폴드(100)의 중앙에 형성된 제 2 러너(114)의 중심축(C2)으로부터 제 1 러너(112) 측으로 약 5㎜ 편의된다(도 2 참조). 또한, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제 1 러너(112)를 포함 한 러너(110)의 단면은 일측이 뾰족한 레이스트랙형상으로 형성되고, 러너(110) 및 합류부(120)의 상면은 부분적으로 함몰된 형상으로 형성된다. 상기 러너(110) 및 합류부(120)의 형상을 상술한 바와 같이 개선한 이유는 배기가스의 유동을 최적화하기 위함이며, 이에 따라 열응력이 집중되는 것을 방지하여 러너(110) 및 합류부(120)의 소성변형을 방지하기 위한 것이다. 또한, 촉매 활성화 도달시간을 단축시켜 유해 성분을 효과적으로 감소시키기 위한 것이다. 이와 같은 효과를 실험결과를 통해 입증되었는데, 이는 아래의 표 1과 표 2를 참조하면 쉽게 알 수 있다.
[표 1]
Figure 112007033762811-pat00001
[표 2]
Figure 112007033762811-pat00002
표 1은 특징이 각각 적용되었을 때와 모두 적용되었을 때의 소성변형율차를 측정한 결과이고, 표 2는 각 특징이 모두 적용되었을 때의 유속균일도 및 배압을 측정한 결과이다. 표 1과 표 2에서 알 수 있듯이, 각 특징이 모두 적용되었을 때에 소성변형율의 차와 유속균일도가 가장 우수하다.
한편, 상기 제 1 플랜지(130)는 소정의 두께를 갖는 판재로 절곡되고, 그 둘레에는 엔진과의 결합을 위한 결합공(132)이 형성되고, 그 일면에는 커버가 장착되는 브래킷(134)이 형성된다. 또한, 제 2 플랜지(140)는 상부의 직경에 비하여 하부의 직경이 큰 원뿔형상으로 형성되어, 그 상부에는 상기 합류부(120)의 출구(124)가 결합되고 그 하부에는 클로즈 커플드 캐털리스트(16, 18)가 결합된다.
도 5는 본 발명에 의한 배기매니폴드 중 V형 엔진의 우측에 설치되는 제 2 배기매니폴드를 도시한 도면이고, 도 6은 도 2의 B-B 단면을 도시한 도면이며, 도 7과 도 8은은 본 발명의 제 2 배기매니폴드의 배면과 저면을 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 배기매니폴드(100)는, 엔진(6기통 V형 엔진, 이하 엔진이라 함.)의 우측에 마련된 배기포트(미도시)와 연결되는 3개의 러너(210)와, 상기 각 러너(210)를 통해 이송되는 배기가스가 모이는 합류부(220)와, 상기 러너(210)의 입구(218) 측에 마련되어 엔진에 결합되는 제 1 플랜지(230)와, 상기 합류부(220)의 출구(224) 측에 마련되어 클로즈 커플드 캐털리스트(도 9의 16, 18)가 결합되는 제 2 플랜지(240)로 이루어진다.
이와 같은 구조의 상기 제 2 배기매니폴드(200)는 제 1 배기매니폴드(100)와 구조 및 형상이 유사하되, 상기 합류부의 출구 위치가 서로 상이하다. 따라서 이하에서는 상기 합류부의 출구 위치에 대해서만 설명하도록 한다.
도 7에 도시된 바와 같이 상기 합류부(220)의 출구(224)는 타원형으로 형성되고, 상기 출구(224)의 중심축(C1)은 상기 제 1 러너(212)와 제 2 러너(214)의 중 앙에 위치된 축(C2)으로부터 제 2 러너(214) 측으로 약 5㎜ 편의된다(도 6 참조). 또한, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 제 1 러너(212)를 포함한 러너(210)의 단면은 일측이 뾰족한 레이스트랙형상으로 형성되고, 러너(210) 및 합류부(220)의 상면은 부분적으로 함몰된 형상으로 형성된다. 상기 러너(210) 및 합류부(220)의 형상을 상술한 바와 같이 개선한 이유는 배기가스의 유동을 최적화하기 위함이며, 이에 따라 열응력이 집중되는 것을 방지하여 러너(210) 및 합류부(220)의 소성변형을 방지하기 위한 것이다. 또한, 촉매 활성화 도달시간을 단축시켜 유해 성분을 효과적으로 감소시키기 위한 것이다. 이와 같은 효과를 실험결과를 통해 입증되었는데, 이는 아래의 표 3과 표 4를 참조하면 쉽게 알 수 있다.
[표 3]
Figure 112007033762811-pat00003
[표 4]
Figure 112007033762811-pat00004
표 3은 특징이 각각 적용되었을 때와 모두 적용되었을 때의 소성변형율차를 측정한 결과이고, 표 4는 각 특징이 모두 적용되었을 때의 유속균일도 및 배압을 측정한 결과이다. 표 3과 표 4에서 알 수 있듯이, 각 특징이 모두 적용되었을 때에 소성변형율의 차와 유속균일도가 가장 우수하다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배기매니폴드의 구성 및 형상을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의한 배기매니폴드는 러너 및 합류부의 형상을 개선하여 배기가스의 유동을 최적화함으로써 열응력이 집중되는 것을 방지하여 러너 및 합류부의 소성변형을 방지한다. 또한, 배기가스의 유동이 최적화됨에 따라 촉매 활성화 도달시간이 단축되어 유해 성분을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 6기통 V형 엔진의 좌측 및 우측에 각각 설치되는 배기매니폴드에 있어서,
    엔진의 좌측 또는 우측 배기포트에 연결되는 3개의 러너, 상기 각 러너를 통해 이송되는 배기가스가 모이는 합류부 및 상기 러너의 입구 측과 합류부의 출구 측에 각각 형성되는 플랜지로 이루어지되,
    상기 합류부의 출구는 중앙에 형성된 러너의 중심으로부터 어느 한 러너 측으로 소정 거리 편의되거나, 인접한 한 쌍의 러너 중앙에서 어느 한 러너 측으로 소정 거리 편의된 것을 특징으로 하는 배기매니폴드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 합류부의 출구는 타원형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배기매니폴드.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 러너의 단면은 일측이 뾰족한 레이스트랙형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배기매니폴드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 러너 및 합류부의 상면은 부분적으로 함몰된 형상인 것을 특징으로 하는 배기매니폴드.
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