KR101816433B1

KR101816433B1 - 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(wcc)의 구조

Info

Publication number: KR101816433B1
Application number: KR1020160112680A
Authority: KR
Inventors: 장천순
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-01-08
Also published as: US20180058301A1; CN206636622U; US10221748B2

Abstract

본 발명은 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조에 관한 것이다. 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조는 배기 매니폴드에서 배출된 배기가스를 촉매담체(C)로 전달하는 프론트 콘(100); 상기 촉매담체(C)를 지지하는 매트(300); 및 상기 매트(300)를 둘러싸며, 상기 프론트 콘(100)에 직접 체결되는 쉘(200);을 포함하는 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조에 있어서, 상기 프론트 콘(100)의 내경은 상기 쉘(200)의 외경 이상인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 프론트 콘과 쉘의 재질 차이로 인해 발생하는 열응력 집중을 최소화하여, 웜업 촉매 컨버터의 내구 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조{A STRUCTURE OF WCC FOR HIGH-POWER ENGINE}

본 발명은 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쉘 용접부분 말단에 전달되는 열을 최대한 차단하면서 쉘 용접부분 말단에서의 열응력 집중을 최소화하는 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조에 관한 것이다.

자동차 엔진에서 배출되는 배기가스에는 인체에 유해한 CO, HC, NOX 등이 포함되는데, 이와 같이 유해한 배출가스를 인체에 무해한 CO2, H2O, N2 등으로 산화 환원시키기 위한 장치가 촉매 컨버터이다.

자동차의 배기 계에 적용되는 촉매 컨버터에는 배기 매니폴드의 하부에 설치되는 배기매니폴드형 촉매 컨버터(MCC)와 언더 플로우형 촉매 컨버터(UCC)가 사용되고 있다. 특히, MCC 촉매는 엔진의 시동시 및 냉간시에 촉매의 활성화를 가능하면 빠르게 하기 위해서 배기가스의 온도가 높은 쪽인 배기 매니폴드의 바로 하측에 설치되는 것이다.

한편, 최근에는 점차 강화되고 있는 배기가스 규제에 대비하기 위하여 배기가스 중에 포함되어 있는 CO 성분 및 HC 성분뿐만 아니라 SOF 성분도 효과적으로 산화시킬 수 있는 웜업 촉매 컨버터(WCC, Warm up Catalytic Converter)가 적용되고 있다.

도 1은 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조의 개략도이고, 도 2는 종래기술에서 도 1의 A의 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조할 때, 종래기술에서는 쉘을 프론트 콘 방향으로 연장하여, 쉘과 프론트 콘을 용접하여 체결하였다. 이때 프론트 콘의 재질은 SUS주강이 주로 사용되었고, 쉘의 재질은 일반적인 SUS재질(특히, SUS4계열)이 주로 사용되었다.

상기와 같은 종래기술은 기존의 엔진 출력에서는 안정적으로 사용 가능하였으나, 최근 적용되는 고출력엔진에서는 열피로 누적 및 열응력 집중으로 쉘 용접부위의 끝단에서 크랙이 발생하는 문제점이 있었다. 특히, 소형 차량에 고출력엔진을 장착시, 엔진룸 내부공간이 협소하여 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조를 휘어지도록 변경하기도 하였으며, 이러한 경우에는 열피로 누적 및 열응력 집중이 더욱 가속화되어 내구 문제가 빈번하게 발생하는 문제점이 있었다.

공개특허공보 제10-2004-0088644호 (2004.10.20)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 프론트 콘이 쉘을 외부에서 감싸도록 형성하고 프론트 콘과 매트가 겹치도록(즉, 오버랩) 형성하여, 쉘 용접부분 말단에 전달되는 열을 최대한 차단하면서 쉘 용접부위 말단에서의 열응력 집중을 최소화하는 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 실시 예에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조는 배기 매니폴드에서 배출된 배기가스를 촉매담체(C)로 전달하는 프론트 콘(100); 상기 촉매담체(C)를 지지하는 매트(300); 및 상기 매트(300)를 둘러싸며, 상기 프론트 콘(100)에 직접 결합되는 쉘(200);을 포함하는 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조에 있어서, 상기 프론트 콘(100)의 내경은 상기 쉘(200)의 외경 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 하단부에서 상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 용접에 의해 체결되는 것을 특징으로 한다.

수평방향을 기준으로 할 때 상기 프론트 콘(100)과 상기 매트(300)가 기설정된 길이만큼 겹쳐지도록, 상기 매트(300)의 상단부가 상방으로 연장형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 매트(300)의 상단부가 상기 촉매담체(C)의 상단부보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 상부에서 하부를 향해, 상기 프론트 콘(100)의 하단부의 두께가 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 한다.

상기 프론트 콘(100)의 재질이 SUS주강이고, 상기 프론트 콘(100)의 하단부의 두께가 상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 상부에서 하부를 향해 점진적으로 감소하는 형태로, 상기 프론트 콘(100)이 주물제작되는 것을 특징으로 한다.

상기 프론트 콘(100)의 재질이 SUS주강이고, 상기 프론트 콘(100)의 하단부의 두께가 상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 상부에서 하부를 향해 점진적으로 감소하는 형태로, 상기 프론트 콘(100)이 커팅 가공되는 것을 특징으로 한다.

상기 프론트 콘(100)의 재질이 SUS판재이고, 상기 프론트 콘(100)의 하단부의 두께가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 프론트 콘과 쉘의 재질 차이로 인해 발생하는 열응력 집중을 최소화하여, 웜업 촉매 컨버터의 내구 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조의 개략도.
도 2는 종래기술에서 도 1의 A의 단면도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에서 도 1의 A의 단면도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에서 도 1의 A의 단면도.
도 5는 본 발명의 효과를 설명하는 도면.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에서 도 1의 A의 단면도이다. 도 3을 참조할 때, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조는 프론트 콘(100), 쉘(200), 매트(300)을 포함하며, 특히 상기 프론트 콘(100)의 내경은 상기 쉘(200)의 외경 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 프론트 콘(100)은 배기 매니폴드에서 배출된 배기가스를 촉매담체(C)로 전달하는 역할을 하고, 상기 매트(300)는 상기 촉매담체(C)를 지지하는 역할을 한다. 또한, 상기 매트(300)는 고온의 배기가스의 열이 촉매담체(C)로부터 쉘(200)로 전달되는 것을 차단하는 인슐레이터 역할을 할 수도 있다.

쉘(200)은 상기 매트(300)를 둘러싸며, 상기 프론트 콘(100)에 직접 체결된다. 즉, 상기 쉘(200) 및 상기 프론트 콘(100)은 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 하우징 역할을 하는 것이다. 이때 상기 쉘(300)의 두께는 1.2mm ~ 2.0mm일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 설계자의 의도 또는 엔진의 출력 등에 따라 달리 설정될 수도 있다.

특히, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조는 프론트 콘(100)이 쉘(200)의 외측에 배치되어, 프론트 콘(100)과 쉘(200)이 용접되는 구조를 갖는다. 이때, 상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 하단부에서 상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(300)이 용접에 의해 체결된다.

또한, 수평방향을 기준으로 할 때 상기 프론트 콘(100)과 상기 매트(300)가 기설정된 길이만큼 겹쳐지도록, 상기 매트(300)의 상단부가 상방으로 연장형성된다.

즉, 프론트 콘(100)이 쉘(200)의 상단부로부터 하방으로 충분히 연장형성되고, 매트(300)가 상방으로 충분히 연장형성되어 고온의 배기가스의 열이 촉매담체(C)로부터 쉘 용접부분으로 전달되는 것을 차단하는 구조이다.

이때, 상기 기설정된 길이는 5mm일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 설계자의 의도 또는 엔진의 출력 등에 따라 달리 설정될 수 있다. 또한, 상기 쉘 용접부위의 두께를 최소화하여, 프론트 콘(100) 및 쉘(200)의 열팽창 계수의 차이에 따른 열응력 집중을 방지하는 것이 바람직할 것이다.

또한, 상기 매트(300)의 상단부가 상기 촉매담체(C)의 상단부보다 낮게 형성된다. 이는 상기 매트(300)가 고온의 배기가스와 직접 접촉하여, 상기 매트(300)가 부식되는 것을 방지하기 위함이다.

또한, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조에서는, 상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 상부에서 하부를 향해, 상기 프론트 콘(100)의 하단부의 두께가 점진적으로 감소되도록 형성된다. 이에 따라, 고온의 배기가스에 직접 접촉하는 쉘 용접부분 근처의 프론트 콘(100)의 열용량(Thermal Mass)을 감소시킬 수 있고, 따라서 프론트 콘(100)으로부터 쉘 용접부분 및 쉘(200)로 전달되는 열을 감소시킬 수 있는 것이다. 상기 프론트 콘(100)의 하단부의 상부 두께는 4mm일 수 있고, 상기 프론트 콘(100)의 하단부의 하부 두께는 2.5mm ~ 3mm로 설정될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 설계자의 의도 또는 엔진의 출력 등에 따라 달리 설정될 수도 있다.

이때, 상기 프론트 콘(100)의 재질이 SUS주강이고, 상기 프론트 콘(100)의 하단부의 두께가 상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 상부에서 하부를 향해 점진적으로 감소하는 형태로, 상기 프론트 콘(100)이 주물제작될 수 있다. 또한, 상기 프론트 콘(100)의 재질은 SUS주강이고, 상기 프론트 콘(100)의 하단부의 두께가 상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 상부에서 하부를 향해 점진적으로 감소하는 형태로, 상기 프론트 콘(100)이 커팅 가공될 수도 있다. 즉, 상기와 같은 형태의 프론트 콘(100)의 하단부를 형성하기 위해 주물제작 또는 커팅 가공을 수행할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 다른 가공방식에 의해서도 상기와 같은 형태를 가공하는 것도 가능할 것이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에서 도 1의 A의 단면도이다. 도 4를 참조할 때, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조는 상기 제 1 실시 예와 대부분의 구조가 유사하다. 단, 차이점으로는, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조에서는 상기 프론트 콘(100)의 재질이 SUS판재이고, 상기 프론트 콘(100)의 하단부의 두께가 일정하게 유지되는 구조인 점이 있다.

즉, 본 발명의 제 2 실시 예는 본 발명의 제 1 실시 예에 비해, 내구성 측면에서는 이점이 없으나, SUS 판재를 이용해 가공하고 하단부에 별도의 가공을 수행하지 않는 점에서 가공을 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.

도 5는 본 발명의 효과를 설명하는 도면이고, 하기의 표 1은 본 발명의 효과를 설명하는 표이다.

	종래기술	본 발명
쉘 용접부위의 온도 (고출력엔진 작동시)	섭씨 499도	섭씨 355도
소성변형률(PEEQ)	0.65%	0.27% (종래기술 대비 58% 감소)

도 5 및 표 1을 참조할 때, 종래기술에 따른 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조를 적용한 경우의 쉘 용접부위의 온도는 섭씨 499도로 측정되었고, 본 발명에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조를 적용한 경우의 쉘 용접부위의 온도는 섭씨 355도로 측정되었다.

즉, 본 발명에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조의 적용으로 인해 쉘 용접부위의 온도가 약 섭씨 144도 내려간 것으로 확인하였다.

또한, 이에 따른 소성 변형률을 살펴보면, 종래기술에 따른 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조를 적용한 경우에는 0.65%였으나, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조를 적용한 경우에는 0.27%였다.

즉, 본 발명에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조의 적용으로 인해, 쉘 용접부분에서의 소성변형률이 약 58% 감소한 것을 확인하였으며, 쉘 용접부분에서의 열응력이 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 본 발명에 따른 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조의 적용으로, 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 내구성능이 향상된 것 역시 확인할 수 있었다.

앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

100 프론트 콘
200 쉘
300 매트
C 촉매담체

Claims

배기 매니폴드에서 배출된 배기가스를 촉매담체(C)로 전달하는 프론트 콘(100);
상기 촉매담체(C)를 지지하는 매트(300); 및
상기 매트(300)를 둘러싸며, 상기 프론트 콘(100)에 직접 결합되는 쉘(200);
을 포함하는 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조에 있어서,
상기 프론트 콘(100)의 내경은 상기 쉘(200)의 외경 이상이고,
상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 상부에서 하부를 향해, 상기 프론트 콘(100)의 하단부의 두께가 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조.
제 1항에 있어서,
상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 하단부에서 상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 용접에 의해 체결되는 것을 특징으로 하는 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조.
제 2항에 있어서,
수평방향을 기준으로 할 때 상기 프론트 콘(100)과 상기 매트(300)가 기설정된 길이만큼 겹쳐지도록,
상기 매트(300)의 상단부가 상방으로 연장형성되는 것을 특징으로 하는 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조.
제 3항에 있어서,
상기 매트(300)의 상단부가 상기 촉매담체(C)의 상단부보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조.
삭제
제 2항에 있어서,
상기 프론트 콘(100)의 재질이 SUS주강이고,
상기 프론트 콘(100)의 하단부의 두께가 상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 상부에서 하부를 향해 점진적으로 감소하는 형태로, 상기 프론트 콘(100)이 주물제작되는 것을 특징으로 하는 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조.
제 2항에 있어서,
상기 프론트 콘(100)의 재질이 SUS주강이고,
상기 프론트 콘(100)의 하단부의 두께가 상기 프론트 콘(100)과 상기 쉘(200)이 겹쳐진 부분의 상부에서 하부를 향해 점진적으로 감소하는 형태로, 상기 프론트 콘(100)이 커팅 가공되는 것을 특징으로 하는 고출력엔진용 웜업 촉매 컨버터(WCC)의 구조.
삭제