KR101708778B1

KR101708778B1 - 유동성능이 개선된 배기 매니폴드

Info

Publication number: KR101708778B1
Application number: KR1020150150198A
Authority: KR
Inventors: 이병호; 임창준; 이진훈
Original assignee: 세종공업 주식회사
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2017-02-21

Abstract

본 발명에 의한 배기 매니폴드는, 원형의 입구단과 출구단을 구비하는 원형관 형상으로 형성되어 엔진의 각 실린더에 입구단이 연결되는 복수 개의 런너와, 상기 복수 개의 런너 입구단이 각각 연결되는 복수 개의 디퓨저입구와 하나의 디퓨저출구를 구비하는 디퓨저를 포함하여 구성된다. 본 발명에 의한 배기 매니폴드는, 런너로 유입된 배기가스가 소음 및 진동 발생 없이 원활하게 디퓨저로 흐를 수 있고, 각 런너를 통해 흐르는 배기가스의 유속을 일정하게 할 수 있으며, 런너와 디퓨저 간의 결합부위 밀폐성 및 내구성이 향상된다는 장점이 있다.

Description

유동성능이 개선된 배기 매니폴드 {EXHAUST MANIFOLD HAVING AN IMPROVED FLOW CAPABILITY}

본 발명은 엔진의 각 실린더에서 발생된 배기가스를 외부로 배출시키기 위한 배기 매니폴드에 관한 것으로, 더 상세하게는 런너 출구단의 압력손실을 감소시키고 런너와 디퓨저 간의 조립성이 개선된 배기 매니폴드에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 연료를 연소시켜 그 폭발력으로 동력을 발생시키는 것으로서, 이러한 엔진은 그 연소 동작에 의한 부산물인 배기가스를 배출하게 되어 있다.

이러한 배기가스는 대부분이 엔진 시동 초기에 발생하기 마련인데, 엔진 시동 초기에 촉매가 얼마나 빠르게 활성화되는 지의 여부가 촉매를 통과한 후, 배기가스의 발생량을 결정하는데 많은 영향을 미치게 되며, 이와 같이 엔진에서 배출되는 배기가스가 배기 파이프에 설치된 촉매를 거쳐 대기상에 배출될 수 있도록 안내하는 것이 배기 매니폴드이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 배기 매니폴드에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 배기 매니폴드 사시도이고, 도 2는 종래의 배기 매니폴드에 포함되는 런너의 사시도이며, 도 3은 종래의 배기 매니폴드에 포함되는 런너의 출구단이 디퓨저에 결합되는 구조를 도시한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 배기 매니폴드는 4개의 실린더를 갖는 엔진의 배기가스를 배출시키기 위한 것으로서, 엔진에 포함된 4개의 실린더 각각에 장착되는 4개의 런너(10)와, 4개의 런너(10) 출구단(14)이 장착되는 디퓨저(20)를 포함하여 구성된다.

상기 디퓨저(20)의 입구(22)와 출구(24)는 원형으로 형성되므로, 4개의 런너(10) 출구단(14)이 디퓨저(20)의 출구(24)를 완벽하게 채울 수 있도록 각 런너(10)의 출구단(14)은 내각이 90도를 이루는 원호 형상으로 형성된다.

이때, 상기 런너(10)의 입구단(12)은 원형으로 형성되는데 비해 런너(10)의 출구단(14)은 원호 형상으로 형성되는바, 상기 런너(10)의 입구단(12)으로 유입된 배기가스는 런너(10)의 출구단(14)을 지나는 동안 정상상태를 유지하지 못하고 와류가 형성된다. 따라서 배기가스가 배출되는 동안 소음 및 진동 발생우려가 높아지고, 각 런너(10)들의 배기가스 배출속도가 달라져 디퓨저(20)에서 배기가스 충격음이 발생될 수 있다는 단점이 있다.

또한, 4개의 런너(10) 출구단(14)을 원호 형상으로 제작하는 과정에서 출구단(14) 내벽 두께를 일정하게 유지시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라, 하나의 디퓨저 입구(22)에 결합시키는 조립공정상의 어려움이 있고, 런너(10)와 디퓨저(20) 간의 결합부위 내구성이 약해질 수 있다는 문제점이 있다.

KR 10-0335904 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 런너로 유입된 배기가스가 소음 및 진동 발생 없이 원활하게 디퓨저로 흐를 수 있고, 각 런너를 통해 흐르는 배기가스의 유속을 일정하게 할 수 있으며, 런너와 디퓨저 간의 결합부위 밀폐성 및 내구성이 향상된 배기 매니폴드를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 배기 매니폴드는, 원형의 입구단과 출구단을 구비하는 원형관 형상으로 형성되어, 엔진의 각 실린더에 입구단이 연결되는 복수 개의 런너; 및 상기 복수 개의 런너 출구단이 각각 연결되는 복수 개의 디퓨저입구와, 하나의 디퓨저출구를 구비하는 디퓨저;를 포함한다.

상기 복수 개의 디퓨저입구는 상기 디퓨저의 상단에 일렬로 배열되고, 상기 디퓨저출구는 상기 디퓨저의 하단에 형성되며, 각 디퓨저입구의 유로 중심은 상기 디퓨저출구의 유로 중심을 향하도록 배치된다.

상기 디퓨저입구는 제1 디퓨저입구와 제2 디퓨저입구와 제3 디퓨저입구와 제4 디퓨저입구로 구성되고, 상기 디퓨저출구의 유로중심선은 상기 제2 디퓨저입구와 제3 디퓨저입구 사이를 향하도록 배치되되, 상기 제1 디퓨저입구는 상기 디퓨저출구의 유로중심선을 기준으로 상기 제4 디퓨저입구와 대칭을 이루고, 상기 제2 디퓨저입구는 상기 디퓨저출구의 유로중심선을 기준으로 상기 제3 디퓨저입구와 대칭을 이루도록 배치된다.

상기 제2 디퓨저입구와 제3 디퓨저입구의 유로중심선은, 상기 디퓨저출구 유로중심선과의 사이각이 13°~ 25°이고, 상기 제1 디퓨저입구와 제4 디퓨저입구의 유로중심선은, 상기 디퓨저출구 유로중심선과의 사이각이 51.8°~ 72.4°로 설정된다.

상기 복수 개의 런너는, 각각의 입구단부터 상기 디퓨저출구까지의 거리가 동일하게 설정된다.

본 발명에 의한 배기 매니폴드는, 런너로 유입된 배기가스가 소음 및 진동 발생 없이 원활하게 디퓨저로 흐를 수 있고, 각 런너를 통해 흐르는 배기가스의 유속을 일정하게 할 수 있으며, 런너와 디퓨저 간의 결합부위 밀폐성 및 내구성이 향상된다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 배기 매니폴드 사시도이다.
도 2는 종래의 배기 매니폴드에 포함되는 런너의 사시도이다.
도 3은 종래의 배기 매니폴드에 포함되는 런너의 출구단이 디퓨저에 결합되는 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명에 의한 배기 매니폴드의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 의한 배기 매니폴드의 단면도이다.
도 6은 본 멸명에 의한 배기 매니폴드의 정면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 배기 매니폴드의 실시예를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 의한 배기 매니폴드의 사시도이다.

본 발명에 의한 배기 매니폴드는 엔진의 각 실린더에서 발생된 배기가스를 모아 머플러 측으로 배출시키기 위한 배기장치의 일종으로서, 각 실린더에 독립적으로 장착되는 복수 개의 런너(100)와, 디퓨저입구와 디퓨저출구(250)를 구비하는 하나의 디퓨저(200)를 포함하되, 각 런너(110~140)의 출구단은 각 디퓨저입구에 연결된다.

본 발명에 의한 배기 매니폴드가 적용되는 엔진이 4기통 엔진인 경우, 런너(100)는 본 실시예에 도시된 바와 같이 제1 런너(110)와 제2 런너(120)와 제3 런너(130)와 제4 런너(140)로 구성되고, 상기 디퓨저입구는 제1 런너(110)가 연결되는 제1 디퓨저입구(210)와, 제2 런너(120)가 연결되는 제2 디퓨저입구(220)와, 제3 런너(130)가 연결되는 제3 디퓨저입구(230)와, 제4 런너(140)가 연결되는 제4 디퓨저입구(240)로 구성된다.

이때, 본 발명에 의한 배기 매니폴드는, 각각의 런너(100)의 입구단과 출구단이 모두 원형으로 형성되어 배기가스가 런너(100)를 지나는 동안 와류를 발생시키거나 일측으로 치우치는 현상이 방지되고, 이에 따라 배기가스 유동이 원활하게 이루어진다는 점에 구성상의 특징이 있다. 즉, 본 발명에 의한 배기 매니폴드는, 원형의 입구단과 출구단을 구비하는 원형관 형상으로 형성되어 엔진의 각 실린더에 입구단이 연결되는 복수 개의 런너(100)와, 상기 복수 개의 런너(100) 입구단이 각각 연결되는 복수 개의 디퓨저입구와 하나의 디퓨저출구(250)를 구비하는 디퓨저(200)를 포함하여 구성된다.

종래의 배기 매니폴드는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 다수 개의 런너(10) 출구단(14)이 하나의 디퓨저(20) 입구(22)에 결합되도록 구성되므로, 상기 런너(10)의 출구단(14)을 원형으로 제작할 수 없었다. 그러나 본 발명에 의한 배기 매니폴드는 다수 개의 런너(100) 출구단이 각각의 디퓨저입구(210, 220, 230, 240)에 독립적으로 결합되므로, 각 런너(110~140)의 출구단을 입구단과 동일한 원형으로 유지시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 배기 매니폴드는, 배기가스가 런너(100)를 지나 디퓨저(200)로 유입되는 과정에서 배기가스가 정상상태(steady state)를 유지할 수 있고, 이에 따라 배기가스 유동이 안정적으로 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 진동 및 소음이 방지되는 효과를 얻을 수 있다.

본 실시예에서는 본 발명에 의한 배기 매니폴드가 4기통 엔진에 적용될 수 있도록 4개의 런너(110~140)가 구비되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 런너의 개수는 적용되는 엔진의 종류에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

또한, 종래의 배기 매니폴드는 런너(10)의 출구단(14)을 90도 내각을 갖는 원호 형상으로 가공해야 하므로, 제조공정이 복잡해지고, 런너(10)의 출구단(14) 간에 틈새가 발생될 우려가 있다는 단점이 있다. 그러나 본 발명에 의한 배기 매니폴드는 원형으로 제작되는 런너(100)의 출구단을 추가적으로 가공할 필요가 없어 제조공정이 간단해지고, 런너(100)와 디퓨저(200)가 연결되는 부위에 틈새가 발생될 우려가 현저히 감소된다는 장점 즉, 런너(100)와 디퓨저(200) 간의 기밀성 및 결합력이 향상된다는 장점이 있다.

한편, 각 런너(110~140)를 통해 디퓨저(200)로 유입되는 배기가스가 디퓨저(200)의 어느 일측으로 치우치면 배기가스의 유동압력 손실이 발생되어 배기가스가 원활하게 배출되지 못할 우려가 있는바, 상기 런너(100)들이 결합되는 복수 개의 디퓨저입구는 디퓨저(200)의 상단에 일렬로 배열되고 상기 디퓨저출구(250)는 상기 디퓨저(200)의 하단에 형성되되, 각 디퓨저입구의 유로 중심은 상기 디퓨저출구(250)의 유로 중심이 되는 어느 한 점을 지나도록 배치될 수 있다.

이와 같이 각 디퓨저입구의 유로 중심이 디퓨저출구(250)의 유로 중심이 되는 어느 한 점을 지나도록 배치되면, 런너(100)를 통해 각각의 디퓨저입구로 유입된 배기가스가 디퓨저(200)의 일측 내벽에 부딪히는 현상 없이 디퓨저출구(250)를 통해 배출될 수 있는바, 배기가스 유동압 손실을 최소화시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 5는 본 발명에 의한 배기 매니폴드의 단면도이다.

일반적으로 4기통 엔진은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 과정을 갖는 4행정 사이클을 이루되, 상기 4개의 실린더는 각각 다른 행정을 이루도록 즉, 첫 번째 실린더에서 흡입행정이 이루어질 때 나머지 세 개의 실린더에서는 각각 압축행정과 폭발행정과 배기행정이 이루어지도록 설정된다. 따라서 각 실린더에서 배기가스가 발생되는 시점은 일정한 시차를 갖게 되고, 각 런너(110~140)를 통해 배기가스가 디퓨저(200)로 유입되는 시점 역시 일정한 시차를 갖게 된다.

이때, 각 런너(110~140)를 통해 배기가스가 디퓨저(200)로 유입되는 시간 간격이 불규칙한 경우 배기 간섭이 발생되어 진동 및 소음이 발생될 뿐만아니라, 배기가스가 원활하게 배출되지 못하게 된다는 문제가 발생된다.

따라서 본 발명에 의한 배기 매니폴드는, 각 실린더에서 발생된 배기가스가 일정한 시간차를 두어 디퓨저출구(250)에 이를 수 있도록, 상기 복수 개의 런너(100) 각 입구단부터 상기 디퓨저출구(250)까지의 거리가 동일하게 설정됨이 바람직하다. 이때 4개의 디퓨저입구(210~240) 중 제2 디퓨저입구(220)와 제3 디퓨저입구(230)는 도 5에 도시된 바와 같이 제1 디퓨저입구(210)나 제4 디퓨저입구(240)보다 디퓨저출구(250)까지의 거리가 멀게 배치되므로, 제2 런너(120)와 제3 런너(130)는 제1 런너(110)나 제4 런너(140)보다 길이가 짧게 제작되어야 할 것이다.

한편, 배기가스의 유동경로의 곡률이 클수록 배기가스 유속이 다소 저하되는 현상이 발생되는바, 도 5에 도시된 바와 같이 제3 런너(130)가 제4 런너(140)에 비해 큰 곡률을 갖도록 설계되는 경우, 제3 런너(130) 입구단부터 디퓨저출구(250)까지의 거리는 제4 런너(140) 입구단부터 디퓨저출구(250)까지의 거리보다 약간 짧게 설정될 수 있다. 마찬가지로, 제2 런너(120) 입구단부터 디퓨저출구(250)까지의 거리는 제1 런너(110) 입구단부터 디퓨저출구(250)까지의 거리보다 약간 짧게 설정될 수 있다.

예를 들어 상기 런너(100)와 디퓨저(200)는 하기 [표 1]에 도시된 규격으로 제작될 수 있다.

	PORT 1	PORT 2	PORT 3	PORT 4	평균
런너길이	196.7	190.2	190.2	196.7	193.5
디퓨저입구-디퓨저출구 거리	82.2	86.4	86.4	82.2	84.3
합계	278.9	276.6	276.6	278.9	277.8

이와 같이 런너(100)의 길이 및 디퓨저입구부터 디퓨저출구(250)까지의 거리가 설정되면, 제1 런너(110)와 제2 런너(120)와 제3 런너(130)와 제4 런너(140)를 통해 흐르는 배기가스는 일정한 시간차를 두어 디퓨저출구(250)에 이르게 되는바, 배기간섭을 최소화시킴으로써 보다 원활한 배기가스 배출이 가능하도록 할 수 있고, 배기가스 배출 시 발생되는 진동 및 소음을 최소화시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 6은 본 멸명에 의한 배기 매니폴드의 정면도이다.

각 런너(110~140)를 통해 배기가스가 유입되는 4개의 디퓨저입구(210~240)가 디퓨저(200)의 어느 일측에 치우치도록 배열되면, 디퓨저출구(250) 중 어느 일측에 배기가스가 집중되는바, 효율적인 배기가스 배출이 어렵게 된다. 따라서 본 발명에 의한 배기 매니폴드는, 도 6에 도시된 바와 같이 디퓨저출구(250)의 유로중심선을 기준으로 좌우 대칭을 이루도록 배열됨이 바람직하다. 즉, 상기 디퓨저출구(250)의 유로중심은 상기 제2 디퓨저입구(220)와 제3 디퓨저입구(230) 사이를 향하도록 배치되되, 상기 제1 디퓨저입구(210)는 디퓨저출구(250)의 유로중심선을 기준으로 제4 디퓨저입구(240)와 대칭을 이루고, 상기 제2 디퓨저입구(220)는 디퓨저출구(250)의 유로중심선을 기준으로 제3 디퓨저입구(230)와 대칭을 이루도록 배치됨이 바람직하다.

이와 같이 4개의 디퓨저입구(210~240)가 디퓨저출구(250)의 유로중심선을 기준으로 대칭을 이루도록 배열되면, 각 런너(110~140)를 통해 유입되는 배기가스가 어느 일측으로 치우치지 아니하고 보다 균일하게 디퓨저출구(250) 측으로 흐를 수 있으므로, 배기가스 배출이 보다 원활하게 이루어질 수 있게 된다.

이때, 이웃하는 두 개의 디퓨저입구 사이각이 너무 좁으면 배기가스 유동경로를 넓게 분포시키는 효과가 떨어지고, 이웃하는 두 개의 디퓨저입구 사이각이 너무 넓으면 각 런너(110~140)를 통해 유입되는 배기가스 사이에 간섭이 발생될 수 있으므로, 이웃하는 두 개의 디퓨저입구 사이각은 적절하게 선정되어야 할 것이다.

예를 들어 상기 제2 디퓨저입구(220)와 제3 디퓨저입구(230)의 유로중심선은 상기 디퓨저출구(250) 유로중심선과의 사이각(α)이 13°~ 25°로 설정되고, 상기 제1 디퓨저입구(210)와 제4 디퓨저입구(240)의 유로중심선은 상기 디퓨저출구(250) 유로중심선과의 사이각(β)이 51.8°~ 72.4°로 설정될 수 있다.

이와 같이 디퓨저입구 각도가 설정되었을 때 각 포트별 유량균일도지수(U/I)와 유속균일도지수(V/I), 압력차(ΔP)를 종래의 배기 매니폴드와 비교하면 다음 [표 2]와 같다.

구분	SPEC	PORT 1	PORT 2	PORT 3	PORT4
종래기술	U/I	0.93	0.90	0.90	0.93
	V/I	1.00	0.46	0.48	1.00
	ΔP	35.4	42.5	42.3	35.4
본원발명	U/I	0.95	0.91	0.91	0.94
	V/I	0.68	0.46	0.46	0.65
	ΔP	36.4	39.4	39.7	36.2

도 6에 도시된 실시예와 같이 각 디퓨저입구의 각도를 설정하면, 상기 [표 2]에 도시된 바와 같이 포트별 유량균일도지수와 유속균일도지수가 매우 개선되고, 각 포트별 압력차도 균일하게 발생된다. 따라서 4개의 런너(110~140)를 통해 흐르는 배기가스가 균등한 조건으로 배출되므로, 배출가스 간의 충격 및 간섭으로 인한 여러가지 문제가 방지된다는 효과를 얻을 수 있다.

본 실시예에서는 하나의 디퓨저(200)에 4개의 런너(110~140)가 구비되어, 디퓨저출구(250)의 유로중심을 기준으로 좌측과 우측에 각각 2개의 런너가 배치되는 경우만을 도시하고 있으나, 하나의 디퓨저(200)에 6개의 런너가 구비되는 경우 디퓨저출구(250)의 유로중심을 기준으로 좌측과 우측에 각각 3개의 런너가 배치되어야 할 것이다. 즉, 디퓨저출구(250)의 유로중심을 기준으로 좌측과 우측에 배치되는 런너 갯수는 다양하게 변경될 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100 : 런너 110 : 제1 런너
120 : 제2 런너 130 : 제3 런너
140 : 제4 런너 200 : 디퓨저
210 : 제1 디퓨저입구 220 : 제2 디퓨저입구
230 : 제3 디퓨저입구 240 : 제4 디퓨저입구
250 : 디퓨저출구

Claims

원형의 입구단과 출구단을 구비하는 원형관 형상으로 형성되어, 엔진의 각 실린더에 입구단이 연결되는 복수 개의 런너; 및
상기 복수 개의 런너 출구단에 각각 연결되는 복수 개의 디퓨저입구와, 하나의 디퓨저출구를 구비하는 디퓨저;
를 포함하며,
상기 복수 개의 디퓨저입구는 상기 디퓨저의 상단에 일렬로 배열되고, 상기 디퓨저출구는 상기 디퓨저의 하단에 형성되되, 각 디퓨저입구의 유로 중심은 상기 디퓨저출구의 유로 중심이 되는 어느 한 점을 지나도록 배치되고,
상기 복수 개의 런너는, 각각의 입구단부터 상기 디퓨저출구까지의 거리가 동일한 것을 특징으로 하는 배기 매니폴드.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 디퓨저입구는 제1 디퓨저입구와 제2 디퓨저입구와 제3 디퓨저입구와 제4 디퓨저입구로 구성되고,
상기 디퓨저출구의 유로중심선은 상기 제2 디퓨저입구와 제3 디퓨저입구 사이를 향하도록 배치되되,
상기 제1 디퓨저입구는 상기 디퓨저출구의 유로중심선을 기준으로 상기 제4 디퓨저입구와 대칭을 이루고, 상기 제2 디퓨저입구는 상기 디퓨저출구의 유로중심선을 기준으로 상기 제3 디퓨저입구와 대칭을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배기 매니폴드.
청구항 3에 있어서,
상기 제2 디퓨저입구와 제3 디퓨저입구의 유로중심선은, 상기 디퓨저출구 유로중심선과의 사이각이 13°~ 25°이고,
상기 제1 디퓨저입구와 제4 디퓨저입구의 유로중심선은, 상기 디퓨저출구 유로중심선과의 사이각이 51.8°~ 72.4°인 것을 특징으로 하는 배기 매니폴드.
삭제