KR101612361B1 - 배기 파이프 내부의 가변밸브를 이용한 배기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기 및 소음기가 일체형으로 이루어진 배기 시스템의 배기 파이프 내부에 위치한 가변밸브의 개폐를 통하여 배기가스 흐름을 조절하여 냉각수 및 오일의 온도 조절을 용이하게 할 수 있도록 함과 동시에, 보다 큰 흡음재 공간 확보를 통하여 고주파 배기토출음의 개선을 도모할 수 있는 배기 파이프 내부의 가변밸브를 이용한 배기 시스템에 관한 것이다.

Description

배기 파이프 내부의 가변밸브를 이용한 배기 시스템{Exhaust system using variable valve in exhaust pipe}

본 발명은 배기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기 및 소음기가 일체형으로 이루어진 배기 시스템의 배기 파이프 내부에 위치한 가변밸브의 개폐를 통하여 배기가스의 흐름을 조절할 수 있는 배기 파이프 내부의 가변밸브를 이용한 배기 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 배기 시스템은 정화장치와 소음기(머플러)로 대분할 수 있다.

상기 정화장치는 엔진 작동시 배출되는 배기가스의 일산화탄소나 질소화합물과 같은 인체에 유해한 성분들을 정화시키는 장치이고, 소음기는 자동차가 배출하는 배기가스의 배기음을 저감시키는 기능을 수행한다.

일반적으로, 상기 소음기는 배기가스를 흡기하고 배기하는 파이프들과, 상기 파이프들을 지지하며 배기가스의 흡음실과 공명실을 형성하는 구조를 이루는 배플판(baffle plate)과, 흡음실에 충진되는 흡음재와, 이들 구성요소들을 내부에 장착하는 케이스인 소음기 하우징(housing) 등으로 이루어져 있다.

이와 더불어, 차량의 초기 시동시 엔진이나 변속기 등의 장치의 웜업 과정이 필요하고, 차량 주행중에는 엔진이나 변속기 등의 장치의 냉각 과정이 필요한데, 상기와 같은 과정을 거쳐 차량에서 배출되는 높은 온도의 배기가스를 이용하여 보다 빠른 웜업 및 냉각을 달성하고 있다.

즉, 도1 에 도시된 바와 같이, 차량의 초기 시동시 엔진 및 변속기에 사용되는 오일의 온도를 빠르게 올려주기 위하여 배기가스와 냉각수 및 오일 사이에 열교환을 하고 있으며, 차량 주행중 엔진 및 변속기의 온도를 낮춰주기 위하여 1차적으로 냉각수가 사용되며 2차적으로 배기 시스템 주위에서 열교환을 통하여 다시 냉각 과정을 거치게 된다.

이와 같은 배기가스를 이용한 열교환 과정이 원활하게 일어날 수 있도록 하기 위하여 배기관 주변에 열교환기를 설치하여 오일 및 냉각수와 열교환을 하고 있으며, 상기 열교환기 내부에 위치한 배기관의 끝단에는 밸브가 설치되어 상기 밸브의 개방에 따라 배기가스는 소음기를 통과하여 배출되게 된다.

즉, 차량의 시동 이후 초기 웜업 단계에서는 엔진 오일, 오토 미션 오일 및 냉각수를 빠르게 가열하기 위하여 배기관의 끝단에 연결된 밸브를 닫게 된다. 이에 따라 열교환기의 바깥쪽으로 배기가스가 흐르게 되면서 오일 및 냉각수와 열교환 하기가 용이해지며, 빠른 시간 내에 웜업이 가능해진다.

또한, 일정 시간이 경과한 후 냉각수의 온도가 상승하고 오일의 온도가 상승하기 전의 시점에서는 배기관의 끝단에 연결된 밸브의 일부만 개방하여 방출되는 배기가스의 일부를 사용하여 웜업을 하게 된다.

이후, 냉각수 및 오일의 온도가 완전히 상승하여 웜업이 된 시점에서는 밸브를 완전히 개방하여 방출되는 배기가스가 열교환기의 바깥쪽으로 흐르지 못하고 내부의 관으로 바이패스(bypass)되므로 더이상 냉각수 및 오일의 온도가 상승하지 않으며, 오히려 냉각수와 오일의 열교환을 통하여 오일의 온도를 냉각시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 열교환 및 배기 과정을 위하여 도2a 및 도2b 에 도시된 바와 같은 종래 사용되던 배기 시스템의 경우, 배기관의 외부 끝단에 개폐 가능하도록 밸브를 연결하여 배기가스의 흐름을 조절하였다.

그러나, 배기가스의 배출에 있어 그 소음을 줄이기 위해 소음기를 추가적으로 형성하게 되는데, 상기와 같이 외부에 밸브를 연결할 경우, 밸브의 궤적을 고려하면 흡음형 소음기의 공간이 작아지게 되어 소음기 용량이 극히 제한적이며 작아지게 되고 이에 따라 고주파 배기토출음의 상쇄시킬 수 없다는 문제점이 있다.

또한, 외부에 연결된 밸브의 개폐를 위하여 일정 부분에만 흡음재를 삽입하여야 하였기 때문에 흡음재의 비산 방지를 위한 별도의 배플이 더 필요하여 작업과정이 복잡하고 생산 비용이 증가한다는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은,

배기관의 배기 파이프 내부에 가변 밸브를 위치하여 배기가스 흐름의 조절을 통하여 냉각수 및 오일의 온도 조절을 용이하게 할 수 있도록 함과 동시에, 보다 큰 흡음재 공간 확보를 통하여 고주파 배기토출음의 개선을 도모할 수 있는 배기 시스템을 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은,

열교환기와 소음기가 일체형으로 형성된 배기 시스템에 있어서, 로드, 상기 로드의 일측 끝단을 관통하며 결합되어 있는 원형의 가변밸브, 상기 로드의 타측 끝단에 결합되어 있는 스프링, 상기 로드 및 스프링에 결합되어 스프링을 고정시켜 주는 스토퍼를 포함하여 이루어지며, 상기 가변밸브가 결합되어 있는 로드의 일측은 배기 파이프를 관통하며 결합되어 있고, 상기 스프링이 결합되어 있는 로드의 타측은 하우징의 외부에 위치하여 결합되어 있으며, 상기 가변밸브가 상기 배기 파이프의 내부에 밀착하도록 위치하여, 상기 로드의 회전에 따라 상기 가변밸브가 회전 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명인 가변밸브를 이용한 배기 시스템은 상기 스프링이 결합되어 있는 로드의 끝단에는 돌출부가 형성되어 써모스탯 로드의 수평 이동에 따라 상기 로드가 회전 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명인 가변밸브를 이용한 배기 시스템은 상기 배기 파이프와 상기 하우징 사이의 공간에는 배출되는 배기가스의 고주파 배기토출음을 저감시킬 수 있는 흡음재가 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는,

배기가스의 흐름을 조절할 수 있는 가변밸브를 배기 파이프 내부에 위치하여 개폐 가능하도록 함으로써 차량의 상태에 맞추어 냉각수 및 오일의 온도 조절을 용이하게 할 수 있으며, 또한, 하우징과 배기 파이프 사이의 넓은 공간에 흡음재를 충진할 수 있으므로 배출되는 배기가스에 의한 고주파 배기토출음을 상쇄시킬 수 있으므로 소음 개선에 유리한 효과가 있다.

또한, 상기 가변밸브의 개폐가 배기 파이프 내부에서 이루어지므로 외부에 위치한 흡음재의 비산이 일어나지 않기 때문에 흡음재의 비산 방지를 위한 별도의 배플이 필요없으며, 따라서 제작 과정이 단순해지고 제작 기간이 단축되며 비용이 절감된다는 효과가 있다.

도1 은 냉각수 및 오일과 열교환을 하는 과정을 도시한 개략도이다.
도2a 는 종래 사용되던 열교환기 및 소음기 일체형 배기 시스템을 나타낸 사시도이다.
도2b 는 종래 사용되던 열교환기 및 소음기 일체형 배기 시스템을 나타낸 측면도이다.
도3 은 본 발명인 가변밸브를 이용한 배기 시스템을 나타낸 측면도 및 부분확대도이다.
도4 는 본 발명에 사용되는 가변밸브를 폐쇄하였을 경우의 배기 시스템을 나타낸 측면도 및 부분확대도이다.
도5 는 본 발명에 사용되는 가변밸브를 폐쇄하였을 경우의 배기 시스템을 나타낸 정면도이다.
도6 은 본 발명에 사용되는 가변밸브를 개방하였을 경우의 배기 시스템을 나타낸 측면도 및 부분확대도이다.
도7 은 본 발명에 사용되는 가변밸브를 개방하였을 경우의 배기 시스템을 나타낸 정면도이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도3 에 도시된 바와 같은 본 발명인 배기 시스템(100)은, 로드(10), 상기 로드(10)의 일측 끝단을 관통하며 결합되어 있는 원형의 가변밸브(20), 상기 로드(10)의 타측 끝단에 결합되어 있는 스프링(30), 상기 로드(10) 및 스프링(30)에 결합되어 스프링(30)을 고정시켜 주는 스토퍼(40)를 포함하여 이루어지며, 상기 가변밸브(20)가 결합되어 있는 로드(10)의 일측은 배기 파이프(50)를 관통하며 결합되어 있고, 상기 스프링(30)이 결합되어 있는 로드(10)의 타측은 하우징의 외부에 위치하여 결합되어 있으며, 상기 가변밸브(20)가 상기 배기 파이프(50)의 내부에 밀착하도록 위치하여, 상기 로드(10)의 회전에 따라 상기 가변밸브(20)가 회전 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

즉, 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 이용하여 냉각수, 엔진오일 및 오토 미션 오일 등의 온도를 빠르게 상승시키기 위하여 배기관 주변에 열교환기를 형성하고, 상기와 같은 열교환기에서의 열교환에 따라 냉각수 및 오일의 온도를 조절할 수 있다.

상기와 같은 열교환을 위하여 배기가스의 흐름을 조절할 필요가 있는데, 배기가스의 흐름은 배기 파이프(50)의 외부에 설치된 로드(10)의 회전에 따른 가변밸브(20)의 개폐를 통하여 조절할 수 있다.

상기 로드(10)의 일측은 하우징의 외부까지 연장되어 있으며, 타측은 배기가스가 통과하는 배기 파이프(50)를 관통하여 연장되어 있으며, 고정된 채로 회전 가능하도록 구성된다.

상기 배기 파이프(50)의 내부에는 상기 로드(10)의 내부를 관통하며 원판 형태의 가변밸브(20)가 결합되어 있으며, 상기 가변밸브(20)는 상기 배기 파이프(50)에 밀착하여 결합할 수 있도록 상기 배기 파이프(50)의 내경과 동일한 직경을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 하우징의 외부에 연장되어 있는 로드(10)의 끝단에는 스프링(30)이 결합되어 있으며, 상기 스프링(30)은 상기 로드(10)가 회전하거나 또는 원상태로 복귀하는 탄성력을 제공하는 역할을 한다.

상기 스프링(30)의 하단에는 스프링(30)을 고정시키고 스프링(30)에 가해지는 탄성력을 지지할 수 있도록 스토퍼(40)가 형성되어 있고, 상기 스토퍼(40)가 상기 하우징에 삽입 결합되어 상기 로드(10)가 회전할 수 있도록 하며, 상기 스프링(30)의 상단 또한 스프링(30)을 고정시키고 스프링(30)에 가해지는 탄성력을 지지할 수 있도록 상기 로드(10)에 형성된 고정부에 결합되어 있다.

상기 로드(10)의 끝단에 형성된 고정부는 상기 스프링(30)과 맞닿아 회전 탄성력을 지지함과 동시에, 일측으로 연장되는 돌출부가 형성되어 외부의 써모스탯 로드(70)와 맞닿아 상기 써모스탯 로드(70)의 수평 이동에 따라 상기 돌출부를 밀어내어 상기 로드(10)가 회전할 수 있도록 한다.

이하, 본 발명인 가변밸브를 이용한 배기 시스템(100)의 작동에 대하여 설명한다.

차량의 시동 초기와 같이 RPM이 낮은 경우에는, 기계장치들의 원활한 작동을 위하여 냉각수 및 오일의 온도를 빠르게 올려줄 필요가 있으며, 이에 따라 고온의 배기가스와의 열교환을 통해 냉각수 및 오일의 온도를 상승시켜야 한다.

도4 및 도5 에 도시된 바와 같이, 상기 배기 파이프(50) 내부를 폐쇄하여 고온의 배기가스가 외부로 배출되지 못하게 함으로써 냉각수 및 오일과 배기가스와의 열교환이 더욱 원활히 일어나도록 할 수 있다.

즉, 냉각수 및 오일의 온도를 측정하여 가열이 필요한 경우에는 상기 써모스탯 로드(70)를 작동시키지 않게 되고, 이에 따라 상기 로드(10)에 회전력이 가해지지 않으며, 상기 로드(10)에 결합된 가변밸브(20) 또한 회전하지 않아 배기 파이프(50) 내부를 폐쇄시킨 상태로 유지된다.

따라서, 배기가스는 상기 배기 파이프(50)를 통하여 외부로 방출되지 못하고 열교환기로 흐르게 되며 열교환기 내부에서 냉각수 및 오일과 더욱 오랜 시간동안 열교환을 하게 되어, 냉각수 및 오일의 빠른 온도 상승을 도모할 수 있다.

반면, 차량이 일정시간 주행한 후와 같이 RPM이 높은 경우에는, 엔진 및 트랜스미션 등의 작동으로 그 온도가 매우 높아진 상태이므로 오히려 냉각수에 의하여 오일의 온도를 낮춰줄 필요가 있다.

따라서 상기와 같은 열교환기에서 더이상 열교환이 필요하지 않으므로 엔진으로부터 방출되는 배기가스를 외부로 빠르게 배출시킬 필요가 있으며, 상기 배기 파이프(50) 내부에 위치한 상기 가변밸브(20)를 회전시켜 상기 배기 파이프(50)가 개방되도록 한다.

즉, 도6 및 도7 에 도시된 바와 같이, 냉각수의 온도가 높아 열교환이 불필요할 경우에는 상기 써모스탯 로드(70)를 수평방향으로 작동시키게 되고, 상기 써모스탯 로드(70)와 맞닿아 있는 돌출부에 의하여 상기 써모스탯 로드(70)의 직선운동을 회전운동으로 변환시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 로드(10) 및 가변밸브(20)가 회전할 수 있다.

따라서 배기가스는 배기 파이프(50)를 향하여 직접 배출되게 되고 더이상 열교환기를 거치지 않고 열교환기를 바이패스(bypass)하게 되므로 냉각수의 온도를 상승시키지 않게 된다.

상기와 같이 가변밸브(20)의 회전에 의하여 배출되는 배기가스의 양을 조절하는 과정에서, 배기 파이프(50)를 완전히 폐쇄시킬 수도 있고, 완전히 개방시킬 수도 있으며, 필요로 하는 배기가스의 흐름에 맞추어 일부만을 개방시킬 수도 있다.

이러한 과정은 상기 써모스탯 로드(70)의 움직임에 따라 로드(10) 및 가변밸브(20)의 회전량을 조절함으로써 달성될 수 있으며, 냉각수 및 오일의 온도를 측정하여 상기 가변밸브(20)의 개폐량을 자동적으로 조절할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 상기와 같은 구성에 따라, 배출되는 배기가스의 소음을 급격히 감소시킬 수 있는 장점이 있는데, 이는 상기 배기 파이프와 상기 하우징 사이의 공간에 위치하는 흡음재(60)를 넓게 배치할 수 있어, 종래 사용되던 소음기에 비하여 배출되는 배기가스의 고주파 배기토출음을 더욱 저감시킬 수 있다.

즉, 상기 배기 파이프(50)의 외부에 밸브가 위치하여 밸브의 개폐를 통하여 배기가스의 흐름을 조절하였던 종래의 경우에는, 밸브의 개폐를 위한 궤적을 고려하면 반드시 흡음재가 포함되지 않는 빈 공간이 필요하며, 이 부분에서 발생되는 배기가스의 고주파 배기토출음 때문에 소음 현상이 더욱 악화되었다.

그러나, 본 발명에 따르면 상기 배기 파이프(50) 내부에 가변밸브(20)가 위치하여 개폐되므로, 상기 배기 파이프(50)의 외부에는 어느 곳이나 흡음재(60)를 설치할 수 있어 흡음형 소음기의 용량이 크게 확보되어, 배기가스의 고주파 배기토출음을 획기적으로 감소시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 가변밸브(20)의 개폐가 상기 배기 파이프(50)의 내부에서 발생하므로, 상기 배기 파이프와 상기 하우징 사이의 모든 공간에 흡음재(60)를 설치할 수 있으므로, 흡음재(60)의 비산 방지를 위한 별도의 배플의 사용 없이도 흡음재(60)의 비산이 발생되지 않으므로, 제작 과정이 더욱 단순해지고 제작 시간이 단축되며 제작 비용이 절감될 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100 : 배기 시스템
10 : 로드(rod) 20 : 가변밸브
30 : 스프링 40 : 스토퍼(stopper)
50 : 배기 파이프 60 : 흡음재
70 : 써모스탯 로드

Claims (3)

1. 열교환기와 소음기가 일체형으로 형성된 배기 시스템에 있어서,
   로드(10), 상기 로드(10)의 일측 끝단을 관통하며 결합되어 있는 원형의 가변밸브(20), 상기 로드(10)의 타측 끝단에 결합되어 있는 스프링(30), 상기 로드(10) 및 스프링(30)에 결합되어 스프링(30)을 고정시켜 주는 스토퍼(40)를 포함하며,
   상기 가변밸브(20)가 결합되어 있는 로드(10)의 일측은 배기 파이프를 관통하며 결합되어 있고, 상기 스프링(30)이 결합되어 있는 로드(10)의 타측은 하우징의 외부에 위치하여 결합되어 있으며, 상기 가변밸브(20)가 상기 배기 파이프의 내부에 밀착하도록 위치하여, 상기 로드(10)의 회전에 따라 상기 가변밸브(20)가 회전 가능하도록 이루어지되,
   상기 스프링(30)이 결합되어 있는 로드(10)의 끝단에는 돌출부가 형성되어 써모스탯 로드(70)의 수평 이동에 따라 상기 로드(10)가 회전 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변밸브를 이용한 배기 시스템(100).
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 배기 파이프(50)와 상기 하우징 사이의 공간에는 배출되는 배기가스의 고주파 배기토출음을 저감시킬 수 있는 흡음재(60)가 위치하는 것을 특징으로 하는 가변밸브를 이용한 배기 시스템(100).

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