KR101039527B1

KR101039527B1 - 배기매니폴드 변형 및 크랙을 방지하기 위한 쿨링장치

Info

Publication number: KR101039527B1
Application number: KR1020040108480A
Authority: KR
Inventors: 강호균
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2011-06-09
Also published as: KR20060069906A

Abstract

본 발명은 차량을 운행할 때 대기 중의 공기를 이용하여 배기매니폴드(를 냉각시키기 위한 배기매니폴드 변형 및 크랙을 방지하기 위한 쿨링장치에 관한 것으로, 주행풍을 이용하여 엔진의 성능을 증대시키기 위한 터보차져가 장착된 차량의 배기매니폴드에 있어서, 상기 터보차져의 일측에 근접된 위치에 설치되어 차량 주행시 외부공기를 도입시키는 주행풍 도입관과; 상기 주행풍 도입관의 도중에 설치되어 도입된 주행풍을 냉각시키는 방열기와; 상기 주행풍 도입관의 주행풍입구와 방열기 사이의 내측에 회전가능하게 설치되어 상기 터보차져로부터 회전력을 전달받아 회전하면서 주행풍의 도입하여 압축 공급하는 서브콤프레샤와; 상기 주행풍 도입관보다 작은 직경을 가진 채 그 도입관의 끝단에 연결되어 배기매니폴드로 주행풍을 공급하는 냉풍공급관과; 상기 냉풍공급관의 도중에 형성되며, 상기한 방열기에서 일차 냉각된 주행풍을 이차적으로 냉각시켜서 공급하게 되는 팽창밸브와; 상기 냉풍공급관의 끝단에 연결되며, 상기 팽창밸브로부터 냉각된 주행풍을 상기 배기매니폴드의 일측이나 양측으로 접촉되게 흐르도록 유도하는 냉풍유로;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발명이다.

엔진, 터보차져, 서브콤프레샤, 방열기, 냉풍유로, 배기매니폴드 쿨링장치

Description

배기매니폴드 변형 및 크랙을 방지하기 위한 쿨링장치{Cooling device to prevent crack or transformation of exhausting manifold}

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 쿨링장치의 전체 구성도.

도 2의 (a)(b)는 본 발명의 일요부인 터보차져의 메인콤프레샤에서 연장된 메인구동축과 서브콤프레샤의 서브연동축의 작동상태도.

도 3은 본 발명의 냉풍유로의 설치상태를 나타낸 단면도.

도 4는 도 3의 X-X선 단면도.

도 5는 도 4의 Y-Y선 단면도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 엔진 2 : 터보차져

21 : 메인콤프레샤 22 : 터빈

23 : 구동축 23a : 금속부

23b : 바이메탈부 3 : 서브콤프레샤

31 : 연결축 32 : 연결단층부

4 : 배기매니폴드 4a,4b,4c,4d : 헤드부

5 : 주행풍 도입관 51,52 : 주행풍 입구 및 출구

6 : 방열기 7 : 냉풍공급관

71 : 냉풍출구 8 : 팽창밸브

9 : 냉풍유로 9a,9b,9c,9d : 냉풍출구

본 발명은 차량을 운행할 때 대기 중의 공기를 이용하여 배기매니폴드(Exhaust Manifold)를 냉각시키기 위한 배기매니폴드 변형 및 크랙을 방지하기 위한 쿨링장치에 관한 것이다.

현재 엔진 배기가스는 엔진의 성능증대에 따라 계속 높아지고 있는 실정이며, 이로 인해 배기가스의 고열에 견딜 수 있는 배기매니폴드의 개발에 상당한 어려움을 격고 있다.

통상 배기매니폴드의 변형은 상대적으로 차가운 헤드와 고온의 배기가스와 직접적으로 접촉하게 되는 배기매니폴드의 온도구배가 상당한 차이를 나타내고 있기 때문에 온도차이에 의한 열팽창량의 차이에 의해서 응력이 발생하게 되며, 이러한 응력의 차이가 크면 클수록 배기매니폴드에는 변형 내지 크랙이 발생될 수 있는데, 기존의 차량에는 배기매니폴드를 배기가스의 고열로부터 보호하기 위한 장치 즉, 배기매니폴드 자체를 냉각시켜주는 장치가 마련되어 있지 않고, 단지 차량 주행시 엔진룸으로 유입되는 주행풍에 의존하여 냉각시키고 있는 실정이기 때문에 엔진성능이 증대됨에 따라서 배기매니폴드가 배기가스의 고온에 의한 열해로 인하여 변형되거나 또는 크랙이 발생될 수 있다.

본 발명은 상기와 같이 엔진에서 배출되는 배기가스를 배출시키는 배기매니폴드가 고온의 배기가스에 의해 변형 또는 크랙이 발생되지 않도록 하기 위하여 제안된 것으로, 터보차져가 장착된 차량에 있어 터보차져의 메인콤프레샤의 회전력을 이용하여 주행풍을 도입하도록 구성하고, 그 도입된 주행풍을 냉각시켜서 배기매니폴드의 외주를 흐르도록 하는 구조로서 배기매니폴드를 냉각시킬 수 있도록 하는데 목적을 두고 발명한 것이다.

이를 위한 본 발명의 수단은,

주행풍을 이용하여 엔진의 성능을 증대시키기 위한 터보차져가 장착된 차량의 배기매니폴드에 있어서,

상기 터보차져의 일측에 근접된 위치에 설치되어 차량 주행시 외부공기를 도입시키는 주행풍 도입관과;

상기 주행풍 도입관의 도중에 설치되어 도입된 주행풍을 냉각시키는 방열기와;

상기 주행풍 도입관의 주행풍입구와 방열기 사이의 내측에 회전가능하게 설치되어 상기 터보차져로부터 회전력을 전달받아 회전하면서 주행풍을 도입하여 압축 공급하는 서브콤프레샤와;

상기 주행풍 도입관보다 작은 직경을 가진 채 그 도입관의 끝단에 연결되어 배기매니폴드로 주행풍을 공급하는 냉풍공급관과;

상기 냉풍공급관의 도중에 형성되며, 상기한 방열기에서 일차 냉각된 주행풍 을 이차적으로 냉각시켜서 공급하게 되는 팽창밸브와;

상기 냉풍공급관의 끝단에 연결되며, 상기 팽창밸브로부터 냉각된 주행풍을 상기 배기매니폴드의 일측이나 양측으로 접촉되게 흐르도록 유도하는 냉풍유로;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서브콤프레샤는 터보차져를 향해 돌출 형성된 연결축의 끝단에 단면이 "ㄴ"자형으로 된 연결단층부가 상기 터보차져의 메인콤프레샤에서 터빈의 반대방향으로 돌출된 구동축으로부터 회전력을 전달받을 수 있도록 구성하되, 상기한 구동축은 열에 의한 열팽창반응이 일어나지 않는 금속부와 열팽창반응이 일어나는 바이메탈부가 단면이 원형을 이루도록 형성되어 있으며, 상기 터보차져의 메인콤프레샤가 배기가스에 의해 가열되는 열을 전달받아 상기한 바이메탈부가 열팽창되어 서브콤프레샤의 연결축 끝단에 형성된 연결단층부에 연결되므로서 상기 서브콤프레샤가 터보차져와 함께 회전하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉풍공급관의 냉풍출구와 냉풍유로의 냉풍입구는 볼트로 연결되는 것임을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉풍유로는 엔진에서 배기가스를 배출시키는 배기포트 각각에 연결되는 배기매니폴드의 헤드부 각각에 분기 형성된 각 냉풍출구가 냉풍입구보다 작게 형성되어 냉풍공급관에서 유입되는 냉풍이 냉풍유로에 머무르는 시간을 지연시킬 수 있도록 구성된 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 실시에를 첨부한 도면에 따라서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 쿨링장치의 전체 구성도이며, 도 2의 (a)(b)는 본 발명의 일요부인 터보차져의 메인콤프레샤에서 연장된 메인구동축과 서브콤프레샤의 서브연동축의 작동상태도이고, 도 3은 본 발명의 냉풍유로의 설치상태를 나타낸 단면도이며, 도 4는 도 3의 X-X선 단면도이고, 도 5는 도 4의 Y-Y선 단면도를 도시한 것이다.

도면부호 1은 엔진을, 2는 터보차져를 나타내는 것으로, 상기 터보차져(2)는 기존의 터보차져차량에 설치되어 있는 것과 같이 엔진(1)에서 배출되는 배기가스의 배출압에 의하여 메인콤푸레샤(21)가 회전작동함에 따라 터빈(22)도 함께 회전하면서 흡기를 엔진으로 공급하도록 구성되어 있는바, 이에 대한 구체적인 구성 및 설명은 생략하였다.

본 발명의 특징은, 상기한 터보차져(2)의 메인콤프레샤(21)와는 별도로 설치되며, 상기한 메인콤프레샤(21)가 배기가스에 의해 가열되는 열을 이용하여 서브콤프레샤(3)를 회전시킬 수 있도록 구성되며, 상기 서브콤프레샤(3)는 주행풍을 도입 압축하여 배기매니폴드(4)로 공급토록 하며, 또한 상기 서브콤프레샤(3)로부터 도입된 주행풍은 일차 및 이차에 걸쳐 냉각되어 배기매니폴드(4)의 냉각작용이 잘 이루어질 수 있도록 구성한 것에 있다.

이를 위해, 엔진룸 내부에는 터보차져(2)의 배기가스관로와 흡기관로와는 별도로 주행풍 도입관(5)이 설치되어 있으며, 이 주행풍 도입관(5)의 주행풍입구(51) 내측에 상기한 서브콤프레샤(3)가 회전가능하게 설치되어 있다.

상기 서브콤프레샤는 터보차져(2)의 메인콤프레샤(21)로부터 회전력을 전달 받을 수 있도록 구성되어 있다.

상기 서브콤프레샤(3)의 연결축(31)은 메인콤프레샤(21)쪽을 향해 돌출 형성된 채 그 자유단은 "ㄴ"자형의 연결단층부(32)가 형성되어 있으며, 상기 메인콤프레샤(21)의 구동축(23)은 열팽창하지 않는 재질로 된 금속부(23a)와 열팽창하는 재질로 된 바이메탈부(23b)가 양분된 상태에서 하나로 합쳐져 원형의 단면을 이루는 상태로 형성된 채 상기 서브콤프레샤(3)를 향해 돌출 형성되어 있는데, 상기한 서브콤프레샤의 연결축(32)과 메인콤프레샤의 구동축(23)은 엔진(1)이 구동하지 않을시 및 엔진에서 배출되는 배기가스의 온도가 저온일 때에는 일정한 간격(t)을 두고 서로 이완된 상태로 있게 되며, 이때에는 터보차져(2)의 메인콤프레샤(21)가 회전하게 되더라도 서브콤프레샤(3)는 회전하지 않게 된다. 그리고 엔진(1)에서 배출되는 배기가스의 온도가 고온일 경우에는 그 배기가스에 의해 가열된 메인콤프레샤(21)의 고온이 구동축(23)에 전달됨에 따라 바이메탈부(23b)가 서서히 열팽창하여 연결축(31)의 연결단층부(32)에 접속되며, 이에 따라 메인콤프레샤(21)의 회전력이 서브콤프레샤(3)에 전달된다.

상기에서의 바이메탈부(23b)는 온도변화에 따라 열팽창 또는 열수축되는 금속재로 형성되는 것이며, 또는 열팽창 레진으로 형성시킬 수도 있다.

상기 주행풍 도입관(5)의 도중에는 서브콤프레샤(3)에 의해 압축되어 흐르는 주행풍의 온도를 일차적으로 냉각시키기 위한 방열기(6)가 장착되어 있으며, 상기한 주행풍 도입관(5)의 주행풍출구(52)에는 냉풍공급관(7)이 연결되어 있는데, 상기한 냉풍공급관(7)은 주행풍 도입관(5)보다 작은 직경으로 형성되어 있으며, 냉풍 공급관의 입구측에는 주행풍출구(52)로 배출되는 주행풍을 이차적으로 냉각시키기 위한 팽창밸브(8)가 장설되어 있다.

그리고 상기 배기매니폴드(4)의 일측 또는 양측에는 냉풍유로(9)가 형성되어 있는데, 상기한 냉풍유로(9)는 배기매니폴드(4)에 접속된 상태로 형성되어 그 내부를 흐르는 냉풍이 배기매니폴드(4)와 열교환을 하게 된다.

상기 냉풍유로(9)의 냉풍입구(91)는 상기 냉풍공급관(7)의 냉풍출구(71)에 접속 연결되어 있으며, 냉풍유로(9)의 냉풍출구(92a,92b,92c,92d) 각각은 엔진(1)에 연결된 배기매니폴드(4)의 각 헤드부(4a,4b,4c,4d)를 향해 분기된 상태로 형성되어 있다.

또한 상기한 냉풍입구(91)는 분기된 냉풍출구(92a,92b,92c,92d) 각각에 냉풍을 원활하게 공급할 수 있도록 냉풍공급관(7)의 냉풍출구(71)를 향해 점차로 넓어지게 형성되어 있는 반면에, 상기한 각 냉풍출구(92a,92b,92c,92d)들은 끝단으로 갈수록 점차로 좁아지게 형성되어 냉풍유로(9)로 유입된 냉풍의 흐름에 저항을 주도록 하므로 냉풍유로(9)에 머무르는 시간을 지연시켜서 배출배기매니폴드(4)와의 열교환작용이 충분히 한 후 배출될 수 있도록 하였다.

이와 같이 구성된 본 발명은 엔진구동시 배기매니폴드(4)로 배출되는 배기가스의 배출압에 의하여 터보차져(2)의 메인콤프레샤(21)가 회전하여 엔진의 흡기작동을 향상시키게 되는데, 엔진(1)에서 배출되는 배기가스가 저온시에는 터보차져(2)의 메인콤프레샤(21)는 저온상태가 되며, 이때에는 구동축(23)의 바이메탈부(23b)는 열팽창작동을 하지 않은 상태가 되어 메인콤프레샤(21)의 구동축(23)과 서 브콤프레샤(3)의 연결축(31)은 도 2의 (A) 도시와 같이 서로 이완되어 메인콤프레샤(21)의 회전력이 서브콤프레샤(3)에 전달되지 않게 된다.

엔진(1)에서 배출되는 배가가스의 온도가 고온일 경우에는 터보차져(2)의 메인콤프레샤(21)도 고온으로 가열되어지며, 이때에는 구동축(23)의 바이메탈부(23b)가 열팽창되어 도 2의 (B) 도시와 같이 구동축(23)과 연결축(31)이 서로 접속 연결된 상태가 되므로서 메인콤프레샤(21)의 회전력이 서브콤프레샤(3)에 전달된다.

상기와 같이 메인콤프레샤(21)의 회전력이 서브콤프레샤(3)가 전달되면 서브콤프레샤(3)가 회전하게 되므로서 외부의 공기 즉, 주행열이 주행풍 도입관(5)으로 유입되며, 유입된 주행풍은 서브콤프레샤(3)에 의해 압축되며, 압축된 주행풍은 방열기(6)를 통과하는 과정에서 일차적으로 냉각되어 냉풍공급관(7)으로 공급되며, 상기 냉풍공급관(7)에 장설되어 있는 팽창밸브(8)는 주행풍을 이차적으로 냉각시키게 되며, 상기 팽창밸브(8)에 의해 이차적으로 냉각된 주행풍은 배기매니폴드(4)의 일측 또는 양측에 형성된 냉풍유로(9)로 공급되는데, 상기 냉풍유로(9)는 도 3 내지 도 5의 도시와 같이 배기매니폴드(4)에 접촉하면서 흐르게 되며, 또한 냉풍유로(9)의 각 냉풍출구(92a,92b,92c,92d)들이 점차로 좁아지는 상태로 형성되어 있으므로 냉풍입구(91)로 유입되어 흐르게 되는 냉각된 주행풍은 좁아진 각 냉풍출구에 의한 저항으로 인하여 냉풍유로(9)에 머무르게 되는 시간이 길어지게 되며, 이에 따라 냉각된 주행풍은 배기매니폴드(4)와의 열교환작동이 활발하게 이루어지게 되므로서 배기매니폴드(4)의 가열온도를 낮출 수 있게 되는 것이다.

상기와 같은 본 발명은 터보차져가 장착된 차량에 적용되어 엔진에서 배출되는 배기가스의 온도가 낮은 저온시에는 배기매니폴드를 냉각시키지 않고 있다가 배기가스의 온도가 높은 고온시에는 배기매니폴드를 냉각시켜주므로서 배기매니폴드가 배기가스의 고온으로부터 보호하여 배기매니폴드의 설치수명을 연장시켜줌과 동시에 엔진성능의 증대에 따라 배기매니폴드의 성능을 향상시킬 수 있게 하는 효과를 제공한다.

Claims

주행풍을 이용하여 엔진(1)의 성능을 증대시키기 위한 터보차져(2)가 장착된 차량의 배기매니폴드(4)의 쿨링장치에 있어서,

상기 터보차져(2)의 일측에 근접된 위치에 설치되어 차량 주행시 외부공기를 도입시키는 주행풍 도입관(5)과;

상기 주행풍 도입관(5)의 도중에 설치되어 도입된 주행풍을 냉각시키는 방열기(6)와;

상기 주행풍 도입관(5)의 주행풍입구(51)와 방열기(6) 사이의 내측에 회전가능하게 설치되어 상기 터보차져(2)로부터 회전력을 전달받아 회전하면서 주행풍을 도입하여 압축 공급하는 서브콤프레샤(3)와;

상기 주행풍 도입관(5)보다 작은 직경을 가진 채 그 도입관(5)의 끝단에 연결되어 배기매니폴드(4)로 주행풍을 공급하는 냉풍공급관(7)과;

상기 냉풍공급관(7)의 도중에 형성되며, 상기한 방열기(6)에서 일차 냉각된 주행풍을 이차적으로 냉각시켜서 공급하게 되는 팽창밸브(8)와;

상기 냉풍공급관(7)의 끝단에 연결되며, 상기 팽창밸브(8)로부터 냉각된 주행풍을 상기 배기매니폴드(4)의 일측이나 양측으로 접촉되게 흐르도록 유도하는 냉풍유로(9);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 배기매니폴드 변형 및 크랙을 방지하기 위한 쿨링장치.
제 1 항에 있어서,

상기 서브콤프레샤(3)는 터보차져(2)를 향해 돌출 형성된 연결축(31)의 끝단에 단면이 "ㄴ"자형으로 된 연결단층부(32)가 상기 터보차져(2)의 메인콤프레샤(21)에서 터빈(22)의 반대방향으로 돌출된 구동축(23)으로부터 회전력을 전달받을 수 있도록 구성하되, 상기한 구동축(23)은 열에 의한 열팽창반응이 일어나지 않는 금속부(23a)와 열팽창반응이 일어나는 바이메탈부(23b)가 단면이 원형을 이루도록 형성되어 있으며, 상기 터보차져(2)의 메인콤프레샤(21)가 배기가스에 의해 가열되는 열을 전달받아 상기한 바이메탈부(23b)가 열팽창되어 서브콤프레샤(3)의 연결축(31) 끝단에 형성된 연결단층부(32)에 연결되므로서 상기 서브콤프레샤(3)가 터보차져(2)와 함께 회전하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배기매니폴드 변형 및 크랙을 방지하기 위한 쿨링장치.
제 1 항에 있어서,

상기 냉풍공급관(7)의 냉풍출구(71)와 냉풍유로(9)의 냉풍입구(91)는 볼트로 연결되는 것임을 특징으로 하는 배기매니폴드 변형 및 크랙을 방지하기 위한 쿨링장치.
제 1 항에 있어서,

상기 냉풍유로(9)는 엔진(1)에서 배기가스를 배출시키는 배기포트 각각에 연결되는 배기매니폴드(4)의 헤드부(4a,4b,4c,4d) 각각에 분기 형성된 각 출구가 냉풍입구(91)보다 점차로 좁아지도록 형성되어 냉풍공급관(7)에서 냉풍유로(9)로 유입되는 냉풍의 흐름에 저항이 발생되게 하여 냉풍이 배기매니폴드(4)와의 열교환작용이 잘 이루어지도록 냉풍유로(9)에 머무르는 시간을 지연시킬 수 있도록 구성된 것임을 특징으로 하는 배기매니폴드 변형 및 크랙을 방지하기 위한 쿨링장치.