KR102173325B1 - 방열성과 열피로 특성이 개선된 배기 매니폴드, 이를 포함하는 배기장치 - Google Patents

Abstract

본 명세서에서는 방열성과 열피로 특성이 개선된 배기 매니폴드, 이를 포함하는 배기장치를 개시한다.
개시되는 배기장치의 일 실시예에 따르면 배기 매니폴드, 상기 배기 매니폴드의 하부에 위치하는 촉매 컨버터, 상기 촉매 컨버터의 하부에 위치하는 메인 배기관, 상기 배기 매니폴드의 적어도 일부를 밀폐하는 하우징, 상기 메인 배기관으로 배출되는 배기가스의 일부를 상기 하우징에 공급하는 제1 서브 배기관 및 상기 하우징에 공급된 배기가스를 상기 메인 배기관으로 재배출하는 제2 서브 배기관을 포함한다.

Description

방열성과 열피로 특성이 개선된 배기 매니폴드, 이를 포함하는 배기장치 {Exhaust manifold improved in heat dissipation and thermal fatigue characteristics, and exhaust system including it}

본 발명은 방열성과 열피로 특성이 개선된 배기 매니폴드, 이를 포함하는 배기장치에 관한 것이다.

자동차 배기계 부품은 엔진으로부터 나오는 고온(750~1100℃)의 배기가스를 모아서 대기 중으로 배출한다. 최근 연비향상을 위해 엔진 내부의 연료와 공기의 압축비가 상승됨에 따라 배기 매니폴드를 통과하는 배기가스 온도도 점차 상승하고 있다.

이로 인해, 배기 매니폴드 주변으로 방출하는 열 유동이 증가함에 따라 엔진 내부에 다양한 플라스틱 피복의 부품들이 쉽게 열 손상되는 문제점이 있다. 또한, 배기 매니폴드 내부의 배기가스 온도와 대기의 온도차에 의한 금속의 수축, 팽창에 의한 배기 매니폴드 자체의 열피로 손상이 발생하는 문제점이 있다.

한국 등록특허공보 제10-1742415호 (공고일자: 2017년05월31일)

상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 방열성과 열피로 특성이 개선된 배기 매니폴드, 이를 포함하는 배기장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 예에 따른 배기장치는 배기 매니폴드, 상기 배기 매니폴드의 하부에 위치하는 촉매 컨버터, 상기 촉매 컨버터의 하부에 위치하는 메인 배기관, 상기 배기 매니폴드의 적어도 일부를 밀폐하는 하우징, 상기 메인 배기관으로 배출되는 배기가스의 일부를 상기 하우징에 공급하는 제1 서브 배기관 및 상기 하우징에 공급된 배기가스를 상기 메인 배기관으로 재배출하는 제2 서브 배기관을 포함한다.

또한, 상기 하우징은 상기 배기 매니폴드 전체를 밀폐할 수 있다.

또한, 상기 배기 매니폴드의 소재는 스테인리스일 수 있다.

또한, 상기 하우징의 소재는 스테인리스이며, 상기 하우징의 두께는 0.5~2.0mm일 수 있다.

또한, 상기 하우징의 내부 온도는 400~800℃일 수 있다.

또한, 상기 제2 서브 배기관은 EGR 쿨러와 연결될 수 있다.

또한, 상기 제1 서브 배기관 및 상기 제2 서브 배기관은 상기 메인 배기관에서 분기되어 상기 하우징에 연결될 수 있다.

또한, 상기 제1 서브 배기관의 상기 메인 배기관에서의 분기되는 위치는 상기 제2 서브 배기관의 상기 메인 배기관에서의 분기되는 위치보다 위일 수 있다.

본 발명은 배기 매니폴드의 적어도 일부를 하우징으로 밀폐하여 외부와 차단함으로써 배기 매니폴드 주변으로 방출되는 열을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명은 하우징 내부 온도를 400~800℃로 유지함으로써 배기 매니폴드의 열피로 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서 제2 서브 배기관은 EGR 쿨러와 연결되어 NOx 발생량을 저감할 수 있다.

또한, 본 발명에서 최종 배출되는 배기가스의 온도가 상승되므로, 배기가스의 열 회수 시의 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 배기장치의 개요도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

자동차 배기계 부품은 엔진으로부터 나오는 고온(750~1100℃)의 배기가스를 모아서 대기 중으로 배출한다. 최근 연비향상을 위해 엔진 내부의 연료와 공기의 압축비가 상승됨에 따라 배기 매니폴드를 통과하는 배기가스 온도도 점차 상승하고 있다.

이로 인해, 배기 매니폴드 주변으로 방출하는 열 유동이 증가함에 따라 엔진 내부에 다양한 플라스틱 피복의 부품들이 쉽게 열 손상되는 문제점이 있다. 또한, 배기 매니폴드 내부의 배기가스 온도와 대기의 온도차에 의한 금속의 수축, 팽창에 의한 배기 매니폴드 자체의 열피로 손상이 발생하는 문제점이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 본 발명은 방열성과 열피로 특성이 개선된 배기 매니폴드, 이를 포함하는 배기장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 예에 따른 배기장치는 배기 매니폴드, 상기 배기 매니폴드의 하부에 위치하는 촉매 컨버터, 상기 촉매 컨버터의 하부에 위치하는 메인 배기관, 상기 배기 매니폴드의 적어도 일부를 밀폐하는 하우징, 상기 메인 배기관으로 배출되는 배기가스의 일부를 상기 하우징에 공급하는 제1 서브 배기관 및 상기 하우징에 공급된 배기가스를 상기 메인 배기관으로 재배출하는 제2 서브 배기관을 포함한다.

이하에서, 본 발명의 배기장치를 구성하는 각 구성에 대하여 설명한다.

배기 매니폴드

본 발명에서 배기 매니폴드(exhaust manifold)는 엔진에서 배출되는 배기가스를 모아 내보내는 역할을 하는 것을 전제로 구성에 있어 특별히 제한이 없다. 본 발명의 일 예에 따르면, 배기 매니폴드는 상부에 하나 이상의 실린더 기관을 포함할 수 있다. 하나 이상의 실린더 기관을 포함함으로써 배기관 내압이 증대하지 않도록 할 수 있다.

엔진에서 배출되는 배기가스는 엔진에서 연소된 가스에 해당하므로, 약 900~950℃ 고온의 가스이다. 따라서, 배기 매니폴드의 소재로서 주철 등을 사용할 수 있으나, 고온의 배기가스로 인한 열손상을 방지 및 내식성을 고려하여 스테인리스를 사용하는 것이 바람직하다.

다만, 스테인리스 소재는 950℃의 고온에서 약 400℃ 이하로 냉각될 때, 소성변형이 발생한다. 배기 매니폴드의 소재로서 스테인리스를 사용하는 경우, 배기 매니폴드 내에 공급되는 고온의 배기가스와 대기의 온도차에 의한 가열, 냉각 사이클이 반복됨에 따라 배기 매니폴드 소재 내부에 소성변형이 누적되며, 최종 열피로 파단이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

이러한 열피로 파단을 방지하기 위하여, 하우징으로 배기 매니폴드의 적어도 일부를 밀폐하여 외부와 차단하고, 약 400~800℃의 최종 배출되는 배기가스의 일부를 하우징에 공급함으로써 냉각 시 발생하는 수축변형에 의한 열피로를 감소시킬 수 있다.

촉매 컨버터

본 발명에서 촉매 컨버터(catalytic converter)는 배기 매니폴드에서 배출되는 배기가스를 정화시키며, 정화된 배기가스는 메인 배기관을 통해 배출되는 것을 전제로 구성에 있어 특별히 제한이 없다. 본 발명의 일 예에 따르면, 촉매 컨버터는 배기 매니폴드의 하부에 위치할 수 있으며, 촉매 컨버터의 하부에 메인 배기관이 위치할 수 있다.

메인 배기관

본 발명에서 메인 배기관은 촉매 컨버터에서 정화된 배기가스가 배출되는 것을 전제로 구성에 있어 특별히 제한이 없다.

본 발명의 일 예에 따르면, 메인 배기관에서 분기되어 하우징에 연결되는 제1 서브 배기관이 형성될 수 있으며, 제1 서브 배기관을 통해 메인 배기관으로 배출되는 배기가스의 일부를 하우징에 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 예에 따르면, 메인 배기관에서 분기되어 하우징에 연결되는 제2 서브 배기관이 형성될 수 있으며, 제2 서브 배기관을 통해 하우징에 공급된 배기가스를 메인 배기관으로 재배출할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 예에 따르면, 제1 서브 배기관의 메인 배기관에서의 분기되는 위치는 제2 서브 배기관의 메인 배기관에서의 분기되는 위치보다 위일 수 있다.

하우징

본 발명에서 하우징은 배기 매니폴드의 방열성과 개선된 열피로 특성을 확보하기 위한 핵심적인 구성에 해당한다. 하우징은 배기 매니폴드의 적어도 일부를 밀폐하여 배기 매니폴드의 적어도 일부와 외부를 차단하는 것을 전제로 구성에 있어 특별히 제한이 없다. 다만, 방열성과 개선된 열피로 특성을 확보하는 측면에서 바람직하게는 배기 매니폴드 전체를 밀폐할 수 있다.

상술한 바와 같이, 배기 매니폴드의 소재로서 스테인리스를 사용하는 경우, 배기 매니폴드 내에 공급되는 고온의 배기가스와 대기의 온도차에 의한 가열, 냉각 사이클이 반복됨에 따라 배기 매니폴드 소재 내부에 소성변형이 누적되며, 최종 열피로 파단이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

이러한 열피로 파단을 방지하기 위하여, 하우징으로 배기 매니폴드의 적어도 일부를 밀폐하여 외부와 차단하고, 약 400~800℃의 메인 배기관으로 배출되는 배기가스의 일부를 제1 서브 배기관을 통해 하우징에 공급함으로써 하우징의 내부 온도를 400~800℃로 조성할 수 있다. 그 결과, 배기 매니폴드의 외면 온도를 약 400~800℃로 유지할 수 있어, 냉각 시 발생하는 수축변형에 의한 열피로를 감소시킬 수 있다. 공급된 배기가스는 제2 서브 배기관을 통해 메인 배기관으로 재배출될 수 있다.

또한, 하우징으로 배기 매니폴드의 적어도 일부를 밀폐하여 외부와 차단함으로써, 배기 매니폴드에서 주변으로 방출되는 고열을 억제할 수 있어 다양한 플라스틱 피복의 부품들이 쉽게 열 손상되는 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 하우징으로 공급되는 배기가스를 제2 서브 배기관을 통해 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 쿨러로 공급함으로써 엔진에서 배출되는 배기가스 일부를 다시 연소실로 재순환시키는 과정에서 엔진의 연소 온도를 낮추어 최종적으로 차량 외부로 배출되는 배기가스의 질소산화물(NOx) 발생량을 저감할 수 있다.

또한, 메인 배기관으로 배출되는 배기가스를 고온의 배기 매니폴드 주변을 감싸는 하우징을 통과시킨 다음, 다시 메인배기관으로 재배출하므로 최종적으로 배출되는 배기가스의 온도가 상승한다. 이로 인해, 배기가스의 열을 회수하는 장치(HERS, Exhaust Heat Recovery System)를 이용하여, 배기가스의 열 회수 시의 효율이 향상될 수 있다.

하우징의 소재는 구성에 있어 특별히 제한이 있는 것은 아니나, 내열성 및 내식성을 고려하여 스테인리스를 사용할 수 있다.

하우징의 두께는 구성에 있어 특별히 제한이 있는 것은 아니나, 일 예에 따르면 하우징의 두께는 0.5~2.0mm일 수 있다.

제1 서브 배기관

본 발명에서 제1 서브 배기관은 메인 배기관으로 배출되는 배기가스의 일부를 하우징에 공급하는 것을 전제로 구성에 있어 특별히 제한이 없다. 본 발명의 일 예에 따르면 내열성 및 내식성을 고려하여, 제1 서브 배기관의 소재는 스테인리스로 구성할 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 제1 서브 배기관은 메인 배기관에서 분기되어 하우징에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 예에 따르면 제1 서브 배기관의 메인 배기관에서의 분기되는 위치는 제2 서브 배기관의 메인 배기관에서의 분기되는 위치보다 위일 수 있다.

제2 서브 배기관

본 발명의 일 예에 따른 제2 서브 배기관은 내열성 및 내식성을 고려하여, 제2 서브 배기관의 소재는 스테인리스로 구성할 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 제2 서브 배기관은 메인 배기관에서 분기되어 하우징에 연결되어, 하우징에 공급된 배기가스를 메인 배기관으로 재배출할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 예에 따르면 제2 서브 배기관의 메인 배기관에서의 분기되는 위치는 제1 서브 배기관의 메인 배기관에서의 분기되는 위치보다 아래일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 예에 따르면, 제2 서브 배기관은 하우징에 연결되고 EGR 쿨러로 연결되어, 하우징에 공급된 배기가스를 EGR 쿨러로 배출할 수 있다. 본 발명에서 EGR 쿨러는 최종적으로 차량 외부로 배출되는 배기가스의 질소산화물(NOx) 함량을 저감할 수 있도록 한다.

이하에서는, 본 발명 배기장치의 작동을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 첨부된 도 1에서 빗금이 있는 화살표는 엔진에서 연소되어 배출되는 배기가스의 흐름을 도시한 것이며, 빗금이 없는 화살표는 메인 배기관(6) → 제1 서브 배기관(3) → 하우징(4) → 제2 서브 배기관(5) → 메인 배기관(6)으로 재배출되는 메인 배기관(6)으로 배출되는 배기가스 중 일부 배기가스의 흐름을 도시한 것이다. 이하 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 예에 따른 배기장치의 작동을 설명한다.

①엔진에서 연소되어 배출되는 약 900~950℃의 고온 배기가스가 배기 매니폴드(1)를 통과한 다음, ②촉매 컨버터(2)를 통과하면서 약 400~800℃로 냉각된다. ③촉매 컨버터(2)를 통과하여 메인 배기관(6)으로 배출되는 배기가스 중 일부를 제1 서브 배기관(3)을 통해 하우징(4)에 공급한다. ④하우징(4)에 공급된 배기가스는 하우징(4) 내부 온도를 400~800℃ 조성한다. 이후 제1 서브 배기관(3)을 통해 하우징(4)에 공급된 배기가스는 ⑤제2 서브 배기관(5)을 통해 ⑥메인 배기관(6)으로 재배출된다.

본 발명에서 하우징(4)은 열피로 파단을 방지하기 위하여, 배기 매니폴드(1)의 적어도 일부를 밀폐하여 외부와 차단하고, 약 400~800℃의 메인 배기관(6)으로 배출되는 배기가스의 일부를 제1 서브 배기관(3)을 통해 하우징(4)에 공급함으로써 하우징(4)의 내부 온도를 400~800℃로 조성할 수 있다. 그 결과, 배기 매니폴드(1)의 외면 온도를 약 400~800℃로 유지할 수 있어, 냉각 시 발생하는 수축변형에 의한 열피로를 감소시킬 수 있다.

또한, 하우징(4)으로 배기 매니폴드(1)의 적어도 일부를 밀폐하여 외부와 차단함으로써, 배기 매니폴드(1)에서 주변으로 방출되는 고열을 억제할 수 있어 다양한 플라스틱 피복의 부품들이 쉽게 열 손상되는 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 도 1에는 도시되어 있지 않으나, 제2 서브 배기관(5)을 EGR 쿨러로 연결하여, 하우징(4)에 공급된 배기가스를 EGR 쿨러로 배출할 수 있다. EGR 쿨러는 엔진에서 배출되는 배기가스 일부를 다시 연소실로 재순환시키는 과정에서 엔진의 연소 온도를 낮추는 역할을 수행하며, 이로 인해 최종적으로 차량 외부로 배출되는 배기가스의 질소산화물(NOx) 함량을 저감할 수 있도록 한다.

또한, 메인 배기관(6)으로 배출되는 배기가스를 고온의 배기 매니폴드(1) 주변을 감싸는 하우징(4)을 통과시킨 다음, 다시 메인 배기관(6)으로 재배출하므로 최종적으로 배출되는 배기가스의 온도가 상승한다. 이로 인해, 배기가스의 열을 회수하는 장치(EHRS, Exhaust Heat Recovery System)를 이용하여, 배기가스의 열 회수 시의 효율이 향상될 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

1: 배기 매니폴드
2: 촉매 컨버터
3: 제1 서브 배기관
4: 하우징
5: 제2 서브 배기관
6: 메인 배기관

Claims (8)

1. 스테인리스 소재의 배기 매니폴드;
   상기 배기 매니폴드의 하부에 위치하는 촉매 컨버터;
   상기 촉매 컨버터의 하부에 위치하는 메인 배기관;
   상기 배기 매니폴드의 적어도 일부를 밀폐하는 하우징;
   상기 메인 배기관으로 배출되는 배기가스의 일부를 상기 하우징에 공급하는 제1 서브 배기관; 및
   상기 하우징에 공급된 배기가스를 상기 메인 배기관으로 재배출하는 제2 서브 배기관;을 포함하고,
   상기 하우징의 내부 온도는 400~800℃인 배기장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하우징은 상기 배기 매니폴드 전체를 밀폐하는 배기장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 하우징의 소재는 스테인리스이며, 상기 하우징의 두께는 0.5~2.0mm인 배기장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 서브 배기관은 EGR 쿨러와 연결되는 배기장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 서브 배기관 및 상기 제2 서브 배기관은,
   상기 메인 배기관에서 분기되어 상기 하우징에 연결되는 배기장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 서브 배기관의 상기 메인 배기관에서의 분기되는 위치는,
   상기 제2 서브 배기관의 상기 메인 배기관에서의 분기되는 위치보다 위인 배기장치.
   
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