KR101762281B1 - 가변 합류부 구조를 갖는 배기파이프 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진에서 생성된 배기파이프를 차체 후방으로 배출시키는 차량용 배기파이프 구조에 관한 것으로써, 일측 열에 배치된 엔진실린더들에서 생성된 배기가스를 배출하는 제1파이프; 타측 열에 배치된 엔진실린더들에서 생성된 배기가스를 배출하는 제2파이프; 일단은 상기 제1파이프와 개통되도록 연결되며 타단은 상기 제2파이프와 개통되도록 연결된 합류파이프; 상기 합류파이프에 내장되어 닫히거나 열리는 밸브판;을 포함하고, 상기 합류파이프는 일단의 배치된 주연결튜브와 중단부에서 분기되어 형성되고 타단에 배치된 등장합류튜브 및 부등장합류튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 밸브판의 회전을 통해 제1파이프와 제2파이프의 개통을 조절함으로써 정숙한 배기음을 발생시키거나 역동적인 배기음을 발생시킬 수 있으며, 이에 따라 차량의 상품성을 더욱 증대시킬 수 있다.

Description

가변 합류부 구조를 갖는 배기파이프 구조{Variable Confluence portion Structure of Exhaust Pipe}

본 발명은 엔진에서 생성된 배기파이프를 차체 후방으로 배출시키는 차량용 배기파이프 구조에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 주행상황에 따라 또는 운전자의 취향에 따라 정숙성을 유지하거나 또는 역동성을 강조하는 거친 배기음을 발생시킬 수 있는 가변 합류부 구조를 갖는 배기파이프 구조에 관한 것이다.

엔진은 직렬4기통, 직렬6기통, V형6기통, V형8기통 등과 같이 실린더 갯수와 배열상태에 따라 분류될 수 있으며, 또한 차체의 폭방향 또는 길이방향으로 배치되는 경우에 따라 종치형 엔진 또는 횡치형 엔진으로 분류될 수 있다.

이 중, 종치형 V형6기통 엔진은 좌측열 실린더들과 연결된 배기파이프와 우측열 실린더들과 연결된 배기파이프가 중간에서 합류될 수 있도록 구성되기도 하며 합류하는 위치 및 형태에 따라 배기음색이 달라진다.

즉, 6개의 실린더를 갖는 6기통 엔진의 경우 기본주파수는 기본적으로 3차 오더와 3의 배수를 이루는 차수들의 오더들로 이뤄진다. 그러나, 실제로 분석해보면 1.5차 오더 4.5 오더 등과 같이 하프오더(half-order) 또한 존재한다는 사실은 알려진 바 있다.

이러한 하프오더 분포는 차량의 배기음색을 결정하는 주요인자로 알려져 있으며, 엔진의 배기타이밍이 변경되거나 흡기나 배기 런너 길이의 불균형 등과 같은 원인에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다.

참고적으로, 엔진에서 발생하는 사운드의 주파수 분석은 크랭크샤프트가 회전할 때 마다 1이벤트로 정해지는 오더의 차수를 분석하여 수행되고, 배기 토출음의 기본주파수는 엔진의 회전수와 오더에 따라 가변된다(엔진 회전수에 따라 진동주파수가 달라지는 회전체에서는 일반적인 주파수분석방법을 사용한다면 엔진회전수에 따라서 진동주파수가 수시로 변하게 되는 문제점이 발생한다. 이에 따라, 주파수분석방법만으로는 진동의 원인을 찾고 문제점을 해결하는 데 한계가 있으므로 회전수가 수시로 바뀌어 진동주파수가 변하는 진동시스템에서는 주파수가 변하는 원인이 되는 입력회전수로 회전수와 연동된 진동성분들을 무차원화시키는 개념인 오더분석(Order Analysis)방법이 당 업계에서 널리 사용되고 있다. 즉, 입력회전수를 상시 측정하여 입력회전수는 1차 오더로, 입력회전수와 연동된 진동을 오더[배수, 차수 등] 성분으로 표시하게 되면, 입력회전수에 상관없이 입력회전수와 연동된 성분은 항상 일정한 오더성분으로 나타낼 수 있게 된다).

한편, 하프오더성분(H1.5,H4.5...)이 많이 나타나는 배기음질의 경우 매우 러프(Rough)한 거친 음색을 보인다. 이에 따라, 정숙성이 요구되는 차량의 경우에는 이러한 하프오더 성분이 저감되게 셋팅이 이뤄지나, 주행성능 극대화를 목표로 하는 고성능특화차량에서는 거친 배기음을 발산해내는 것이 오히려 상품성을 향상시키기도 한다.

주로 대형승용차량에 탑재되어 정숙성이 중요시 여겨지는 종래의 구조에서는 도 1a 에 도시된 바와 같이, 좌측 배기파이프(1)와 우측 배기파이프(2)는 각각의 서브머플러들(3a, 3b)에서 서로를 연결하여 (양측 배기파이프들을 유동하는 배기가스가 합류할 수 있도록) 개통시키는 합류부(4)를 구성하여, 하프오더 전구간을 약화시키는 방식으로 정숙성을 증대시켰다.

하지만, 이와 같은 구조에서는 전술한 바와 같이 거친 배기음을 선호하는 수요자들에게는 어필할 수 없으므로 주행조건에 따라 하프오더를 강조할 수 있는(즉, 거친 배기음을 생성할 수 있는) 배기파이프 구조의 개발이 요구되었다.

또한, 전술한 바와 같은 종래의 구조에서는 좌우로 긴 실장길이를 가지는 대중량 머플러(6a, 6b)가 장착되는 구조상 진동이 매우 취약하므로 별도로 진동 모드 개선용 레인포스브라켓(5)을 추가적으로 장착되였다. 즉, 도 1b 에 도시된 바와 같이, 상하방향 및 좌우방향으로 머플러(6a, 6b)의 불필요한 거동이 발생할 수 있었으므로, 엔진의 가진진동과 머플러(6a, 6b)가 공진될 경우 상하 및 좌우방향으로 머플러(6a, 6b)의 진동이 과대해져, 차체 진동이 증대되고 부밍음이 발생할 소지가 있었다. 이러한, 진동 발생 문제를 개선하기 위해 좌측 배기파이프(1)와 우측배기파이프(2)를 가로지르는 지지체의 장착이 추가적으로 요구되었으며, 종래에는 이러한 지지체로써 레인포스브라켓(5)이 추가적으로 장착되었다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 개발 요구에 따라 주행상황에 따라서 또는 운전자의 취향에 따라서 정숙성을 유지하거나 또는 역동성을 강조하는 배기음을 발생시킬 수 있고, 합류부와 레인포스브라켓을 분리하여 추가장착할 필요가 없는 가변 합류부 구조를 갖는 배기파이프 구조를 제공하는 것에 주목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

일측 열에 배치된 엔진실린더들에서 생성된 배기가스를 배출하는 제1파이프; 타측 열에 배치된 엔진실린더들에서 생성된 배기가스를 배출하는 제2파이프; 일단은 상기 제1파이프와 개통되도록 연결되며 타단은 상기 제2파이프와 개통되도록 연결된 합류파이프; 상기 합류파이프에 내장되어 닫히거나 열리는 밸브판;을 포함하고, 상기 합류파이프는 일단의 배치된 주연결튜브와 중단부에서 분기되어 형성되고 타단에 배치된 등장합류튜브 및 부등장합류튜브를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 밸브판은 원판형 모양을 가지며, 회전축에서 회전된 회전각도에 따라 상기 합류파이프의 경로를 상기 등장합류튜브 또는 부등장합류튜브 중 어느 하나로 선택하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 밸브판은 원판형 모양을 가지며, 회전축에서 회전된 회전각도에 따라 상기 합류파이프가 개폐되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 전원이 인가되면 상기 밸브판을 회전시키는 액추에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 액추에이터는 차량의 주행정보에 따라 사전설정된 로직에 의해 밸브판의 개폐 여부를 판단한 후 상기 밸브판이 개폐되도록 회전시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 액추에이터는, 엔진이 제1회전범위로 저속 회전하는 제1조건, 또는 엔진이 제2회전범위로 고속 회전하고 엔진부하가 제1부하범위로 고부하인 제2조건 중 어느 하나의 조건에서, 상기 밸브판을 상기 합류파이프의 내부를 폐쇄하도록 회전시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 액추에이터는, 엔진이 제3회전범위로 정속 회전하고 엔진부하가 제2부하범위로 저부하인 제3조건에서, 상기 밸브판을 상기 등장합류튜브를 개방하도록 회전시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 액추에이터는, 엔진이 제3회전범위로 정속 회전하고 엔진부하가 제3부하범위로 고부하인 제4조건, 또는, 엔진이 제2회전범위로 고속 회전하고 엔진부하가 제4부하범위로 저부하인 제5조건 중 어느 하나의 조건에서, 상기 밸브판을 상기 부등장합류튜브를 개방하도록 회전시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1파이프와 제2파이프 각각은 머플러의 전방쪽에 제1파이프와 제2파이프가 서로 평행을 이루는 구간이 형성되되, 상기 합류파이프는 제1파이프와 제2파이프가 서로 평행을 이루는 구간에 배치된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 통하여 본 발명의 가변 합류부 구조를 갖는 배기파이프 구조는 이하의 특징적인 장점을 제공한다.

1) 본 발명은 주행상황에 따라 또는 운전자의 의지에 따라 제1파이프와 제2파이프의 개통을 조절함으로써 정숙한 배기음을 발생시키거나 역동적인 배기음을 발생시킬 수 있으며, 이에 따라 차량의 상품성을 더욱 증대시킬 수 있다.

2) 본 발명의 합류파이프는 종래의 진동 모드 개선용 레인포스브라켓이 배치된 위치(즉, 상기 서브머플러와 머플러 사이에서 제1파이프와 제2파이프가 서로 평행을 이루는 구간)에 장착되어 상기 레인포스브라켓을 대신할 수 있다.

3) 밸브판을 제어하는 액추에이터는 사전설정된 로직에 의해 작동하도록 구성되어 차량의 특성에 따라 또는 운전자가 조작하는 모드에 따라 다양한 배기음을 구현할 수 있다.

도 1a 는 종래의 배기파이프가 도시된 도면,
도 1b 는 종래의 배기파이프에서 상하방향 및 좌우방향으로 머플러 근방에서 거동이 발생하는 모습을 도시한 도면,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배기파이프의 모습 및 합류파이프가 장착된 부분을 확대하여 도시한 도면,
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 합류파이프의 모습으로써, 내장된 밸브판의 모습이 나타나도록 내부를 투시하여 도시한 도면,
도 4는 액추에이터의 밸브판의 제어에 의하여 생성되는 합류파이프의 경로들을 각각 나타내는 도면

이하, 본 발명의 기술적 구성을 구체적으로 기술하기에 앞서, 본 명세서 및 특허 청구범위의 전반에 걸쳐 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 또는 사전적인 의미로 한정되어 해석되는 것으로 이해해서는 안되며, 해당 용어나 단어는 '발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙'에 입각하여 기술된 것이며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 기술 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과하고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 이해하기 쉽게 설명하기 위한 목적으로 사용되는 것으로, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서 상에 단수 형태로 기재된 구성요소는 별도로 특정하는 것이 아니라면 복수의 형태를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 주행상황에 따라 또는 운전자의 취향에 따라 정숙성을 유지하거나 또는 역동성을 강조하는 거친 배기음을 발생시킬 수 있는 배기파이프 구조에 관한 것으로써 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배기파이프는 일측 열에 배치된 엔진실린더들에서 생성된 배기가스를 배출하는 제1파이프(10)와 타측 열에 배치된 엔진실린더들에서 생성된 배기가스를 배출하는 제2파이프(20)가 길이방향을 따라 나란하게 배치되며, 합류파이프(30)를 통해 연결된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 합류파이프(30)는 하나의 파이프로 이루어진 일단의 주연결튜브(31)에서 시작하여 중단부에서 두개의 파이프로 분기되어 타단에서 등장합류튜브(32)와 부등장합류튜브(33)로 구성된 두개의 파이프를 구성하는 Y자 형상으로 이루어진다.

따라서, 상기 합류파이프(30)는 일단의 상기 주연결튜브(31)가 상기 제1파이프(10)와 개통되도록 연결되며, 타단의 상기 등장합류튜브(32)와 상기 부등장합류튜브(33)는 상기 제2파이프(20)와 개통되도록 연결되고, 그 내부에는 닫히거나 열리는 밸브판(35)이 도 3 에 도시된 바와 같이 내장된다. 이때, 상기 합류파이프(30)와 상기 제1파이프(10) 및 상기 제2파이프(20)의 연결부는 합류챔버브라켓(34)에 의하여 연결된다.

또한, 상기 등장합류튜브(32)와 부등장합류튜브(33)는 상기 제2파이프(20)와의 연결시 상기 등장합류튜브(32)의 연결위치가 상기 부등장합류튜브(33)의 연결위치 보다 상기 제2파이프(20)의 전단부(엔진측)에 위치된다. 더 바람직하게는 상기 등장합류튜브(32)와 상기 제2파이프(20)의 연결위치는 상기 주연결튜브(31)와 상기 제1파이프(10)의 연결위치와 동일한 위치에 위치된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 합류파이프(30)는 각 부분이 원통형 단면 모양을 가지되, 상기 밸브판(35)은 상기 합류파이프(30)의 경로를 상기 등장합류튜브(32)와, 부등장합류튜브(33)가 선택적으로 택일하거나, 또는 상기 합류파이프(30)의 내부를 폐쇄할 수 있는 직경을 갖는 원판형 모양으로 형성되며, 회전축에서 회전된 회전각도에 따라 열리거나 닫히도록 구성된다.

상기 밸브판(35)은 전원이 인가되면 내장된 모터에 의해 회전되는 액추에이터(50)와 결합된다. 상기 액추에이터(50)는 차량의 주행정보에 따라 사전설정된 로직에 의해 밸브판(35)의 개폐 여부를 판단한 후 상기 밸브판(35)이 개폐되도록 회전시키도록 셋팅될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 액추에이터(50)의 밸브판(35)제어 로직은 아래와 같이 이루어질 수 있다. 도 4는 액추에이터의 밸브판의 제어에 의하여 생성되는 합류파이프의 경로들을 각각 나타내고 있다.

1) 엔진의 회전수가 750rpm 이하(제1회전범위)로 매우 저속회전하는 제1조건, 또는 3000rpm 이상(제2회전범위)으로 매우 고속회전하고 엔진부하가 75%이상 MAX 부하(제1부하범위)인 제2조건인 경우(예를 들어, 아이들-출발직전), 매우 거친 느낌의 배기음이 발현되도록(하프오더 성분이 강조되도록) 상기 액추에이터(50)는 상기 밸브판(35)을 상기 합류파이프(30)의 내부를 폐쇄하도록 셋팅될 수 있다. 이 경우의 배기음은 3기통 엔진의 배기음이 발현될 수 있다. (도 4의 a)

2) 엔진의 회전수가 750rpm 내지 3000rpm 범위(제3회전범위)로 정속회전하고 엔진부하가 50% 미만(제2부하범위)인 조건(제3조건)인 경우(예를 들어, 정속/저속/저부하/시내주행모드), 정숙한 느낌의 배기음이 발현되도록(메인오더 성분이 강조되도록) 상기 액추에이터(50)는 밸브판(35)을 상기 등장합류튜브(32)를 개방시키도록 셋팅될 수 있다. 이 경우의 배기음은 6기통 배기음이 발현될 수 있다. (도 4의 b)

3) 엔진의 회전수가 750rpm 내지 3000rpm 범위(제3회전범위)로 정속회전하고 엔진 부하가 50% 이상(제3부하범위)인 조건(제4조건)인 경우, 또는 엔진의 회전수가 3000rpm 이상 범위(제2회전범위)로 매우 고속회전하고 엔진 부하가 75% 이하(제4부하범위)의 조건(제5조건)인 경우(예를 들어, 고속/가감속/고부하/HighWay 주행 모드), 풍부한 오더감 및 다이나믹감의 배기음이 발현되도록(다양한 오더 성분이 존재하도록) 상기 액추에이터(50)는 밸브판(35)을 상기 부등장합류튜브(33)를 개방시키도록 셋팅될 수 있다. 이 경우의 배기음은 풍부한 오더 튜닝음이 발현될 수 있다. (도 4의 c)

상기 사항들은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 셋팅을 나타내는 것으로, 본 발명은 상기와 같은 셋팅에 한정하는 것은 아니며, 위와 같은 셋팅과는 별개로 운전자의 취향에 따라 항시 또는 특정 상황에서만 거친 배기음이 발현되거나 정숙한 배기음이 발현되도록 조절될 수도 있다.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은 엔진이 저속으로 회전할 때 밸브판(35)이 열려 합류파이프(30)에서 양측의 배기가스가 합류하게 되므로 종래의 구조와 같이 하프오더가 약화되어 배기음이 정숙해진다. 그리고, 엔진이 고속으로 회전하면 밸브판(35)은 합류파이프(30)를 폐쇄하므로 양측의 배기가스는 단절되어(종래의 구조와는 달리 하프오더의 약화가 방지되어) 거칠고 다이나믹한 배기음을 발현시킨다.

아울러, 본 발명의 합류파이프(30)는 제1파이프(10)와 제2파이프(20)를 지지하며 연결하므로 종래의 레인포스브라켓을 대신하여 비틀림 강성을 더욱 증대시킨다.

한편, 밸브판(35)을 제어하는 액추에이터(50)는 미리정해진 로직에 의해 작동하도록 구성되어 차량의 특성에 따라 또는 운전자가 조작하는 모드에 따라 다양한 배기음을 구현할 수 있다.

한편, 도 2 에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 상기 제1파이프(10)와 제2파이프(20) 각각이 머플러(40)의 전방쪽에 제1파이프(10)와 제2파이프(20)가 서로 평행을 이루는 구간들(10a, 20a)이 형성되되, 상기 합류파이프(30)가 제1파이프(10)와 제2파이프(20)가 서로 평행을 이루는 구간(10a, 20a)에 배치되도록 구성된다.

이상으로 본 발명의 가변 합류부 구조를 갖는 배기파이프 구조의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 특정한 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도, 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10 : 제1파이프
20 : 제2파이프
30 : 합류파이프
31 : 주연결튜브
32: 등장합류튜브
33: 부등장합류튜브
34 : 합류챔버브라켓
35 : 밸브판
40 : 머플러
50 : 액추에이터

Claims (9)

1. 일측 열에 배치된 엔진실린더들에서 생성된 배기가스를 배출하는 제1파이프;
   타측 열에 배치된 엔진실린더들에서 생성된 배기가스를 배출하는 제2파이프;
   일단은 상기 제1파이프와 개통되도록 연결되며 타단은 상기 제2파이프와 개통되도록 연결된 합류파이프;
   상기 합류파이프에 내장되어 닫히거나 열리는 밸브판; 및
   전원이 인가되면 상기 밸브판을 회전시키는 액추에이터;
   를 포함하고,
   상기 합류파이프는 일단의 배치된 주연결튜브와 중단부에서 분기되어 형성되고 타단에 배치된 등장합류튜브 및 부등장합류튜브를 포함하고,
   상기 밸브판은 원판형 모양으로 이루어지되 회전축에서 회전된 회전각도에 따라 상기 합류파이프를 개폐시키고,
   상기 액추에이터는 차량의 주행정보에 따라 사전설정된 로직에 의해 밸브판의 개폐 여부를 판단한 후 상기 밸브판이 개폐되도록 회전시키되, 엔진이 제1회전범위로 저속 회전하는 제1조건, 또는 엔진이 제2회전범위로 고속 회전하고 엔진부하가 제1부하범위로 고부하인 제2조건 중 어느 하나의 조건에서 상기 밸브판을 상기 합류파이프의 내부를 폐쇄하도록 회전시키는 것을 특징으로 하는 가변 합류부 구조를 갖는 배기파이프 구조.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 밸브판은 원판형 모양을 가지며,
   회전축에서 회전된 회전각도에 따라 상기 합류파이프의 경로를 상기 등장합류튜브 또는 부등장합류튜브 중 어느 하나로 선택하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가변 합류부 구조를 갖는 배기파이프 구조.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 액추에이터는,
   엔진이 제3회전범위 내의 특정 회전속도로 정속 회전하고 엔진부하가 제2부하범위로 저부하인 제3조건에서, 상기 밸브판을 상기 등장합류튜브를 개방하도록 회전시키는 것을 특징으로 하는 가변 합류부 구조를 갖는 배기파이프 구조.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 액추에이터는,
   엔진이 제3회전범위 내의 특정 회전속도로 정속 회전하고 엔진부하가 제3부하범위로 고부하인 제4조건, 또는, 엔진이 제2회전범위로 고속 회전하고 엔진부하가 제4부하범위로 저부하인 제5조건 중 어느 하나의 조건에서, 상기 밸브판을 상기 부등장합류튜브를 개방하도록 회전시키는 것을 특징으로 하는 가변 합류부 구조를 갖는 배기파이프 구조.
   
9. 제 1 항, 제 2 항, 제 7 항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1파이프와 제2파이프 각각은 머플러의 전방쪽에 제1파이프와 제2파이프가 서로 평행을 이루는 구간이 형성되되,
   상기 합류파이프는 제1파이프와 제2파이프가 서로 평행을 이루는 구간에 배치된 것을 특징으로 하는 가변 합류부 구조를 갖는 배기파이프 구조.

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