KR20050091752A - 배기 매니폴드 - Google Patents

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KR20050091752A
KR20050091752A KR1020057012034A KR20057012034A KR20050091752A KR 20050091752 A KR20050091752 A KR 20050091752A KR 1020057012034 A KR1020057012034 A KR 1020057012034A KR 20057012034 A KR20057012034 A KR 20057012034A KR 20050091752 A KR20050091752 A KR 20050091752A
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exhaust
catalyst
exhaust manifold
partition plate
notch
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KR1020057012034A
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나오유키 코바야시
타카시 야수다
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유멕스 코퍼레이션
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Abstract

촉매(2)가 수용되는 촉매용기(3)에 대하여 각도를 갖고 연결되는 배기 매니폴드(4)는 엔진의 복수의 배기 포트(E1, E2, E3, E4)에 각각 연통하는 분기관(6a, 6b, 6c, 6d)과, 이들 분기관이 집합하는 배기 집합부(7)와, 이 배기 집합부(7)내를 분할하는 구획판(8)을 포함한다. 구획판(8)에는 촉매(2)측의 말단면부(8A)에 노치가 설치된다.

Description

배기 매니폴드{EXHAUST MANIFOLD}
본 발명은 촉매 일체형 배기 매니폴드에 관한 것으로, 상세하게는 촉매 용기에 각도를 갖고 연결되는 배기 매니폴드의 구조에 관한 것이다.
촉매 일체형 배기 매니폴드에 있어서는 엔진의 각 배기 포트로부터 배출되는 배기가스끼리의 간섭을 억제하여 엔진 출력을 향상시키는 동시에, 배기가스의 정화를 효율적으로 하는 것을 목적으로 하여, 여러 가지의 제안이 이루어져 있다.
예를 들면, 일본 공개특허공보 2001-164937호([0014]-[0019], 도 1 내지 도 7)에는 엔진의 복수의 배기 포트에 연통하는 분기관과, 이들 분기관이 집합하는 배기 집합부와, 배기 집합부와 연결하는 촉매용기와, 촉매용기 내에 수용된 촉매를 구비한 촉매 일체형 배기 매니폴드에 있어서, 배기 집합부 내에 칸막이를 설치하여 2실로 구획하는 동시에, 배기 공정의 순서가 연속하지 않는 기통의 배기 포트에 연통하는 분기관끼리를 집합시키고, 각 룸(room)에 연통시킨 것이 개시되어 있다.
또한, 일본 공개특허공보 2000-110555호([0007] 내지 [0011], 도 1 내지 도 4)에는 배기 집합부 내를 2분할하는 격벽의 배기 하류측 말단 가장자리와 촉매의 사이에 형성되는 클리어런스를, 클리어런스 면적이 격벽의 배기 하류측 말단 가장자리 부위의 배기통로 단면적에 대하여 소정의 비율 이하로 설정하여, 배기 간섭을 억제한 촉매 일체형 배기 매니폴드가 개시되어 있다.
상술한 촉매 일체형 배기 매니폴드는 배기 집합부가 촉매용기에 대하여 직선형상으로 연결된 것을 대상으로 하고 있다.
그러나, 엔진의 레이아웃 등의 문제로 인해, 배기 집합부가 촉매 용기에 대하여 각도를 갖고 연결되는 경우가 있다.
도 6에 도시하는 촉매 일체형 배기 매니폴드(101)에 있어서는 촉매(102)를 수용하는 촉매용기(103)에 대하여, 배기 매니폴드(104)가 각도를 갖고 연결되어 있다. 그리고, 배기 매니폴드(104)는 엔진의 복수의 배기 포트에 배기 포트측에 플랜지(105)를 통하여 각각 연통하는 분기관(106)과, 이들 분기관(106)이 집합하는 배기 집합부(107)와, 이 배기 집합부(107)내를 분할하는 구획판(108)으로 구성되어 있다.
이러한 촉매 일체형 배기 매니폴드(101)에 있어서는 배기가스가 촉매(102)에 대하여 편류하기 때문에, 촉매의 복수의 가스 유통로(102a)의 특정 개소에만 배기가스가 접촉하게 되어, 촉매(102)의 열화, 원활한 배기의 저해 등의 문제가 생기게 된다.
또한, 이러한 촉매 일체형 배기 매니폴드(101)에 있어서는 구획판(108)에 의해서 분할된 각 분실에 O2 센서를 배치할 필요가 있기 때문에, 제조 비용이 비싸지는 문제가 있었다.
그래서, 본 발명은 배기 매니폴드가 촉매용기에 각도를 갖고 연결되는 촉매 일체형 배기 매니폴드에 있어서, 배기가스의 편류에 기인하는 촉매의 열화와 배기가스의 체류를 막는 것을 목적으로 한다.
또한, 상술한 촉매 일체형 배기 매니폴드의 제조 비용을 억제하는 것도 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 배기 매니폴드가 적용되는 제 1 실시형태에 따른 촉매 일체형 배기 매니폴드의 설명도이며, 도 1a는 촉매 일체형 배기 매니폴드의 단면도이고, 도 1b는 구획판의 사시도이다.
도 2는 도 1a의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 배기 매니폴드가 적용되는 제 2 실시형태에 따른 촉매 일체형 배기 매니폴드의 설명도이며, 도 3a는 촉매 일체형 배기 매니폴드의 단면도이고, 도 3b는 구획판의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 배기 매니폴드가 적용되는 제 3 실시형태에 따른 촉매 일체형 배기 매니폴드의 설명도이며, 도 4a는 촉매 일체형 배기 매니폴드의 단면도이고, 도 4b는 구획판의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 배기 매니폴드를 사용한 배기가스의 유속 해석을 도시하는 설명도이며, 도 5a는 실험에 사용한 배기 매니폴드의 부분 단면 사시도이고, 도 5b는 가스 통로 면적을 설명하기 위한 배기 집합부의 횡단면도이고, 도 5c는 각 배기 포트로부터 유출된 배기가스의 촉매 중앙부에서의 유속 분포를 도시하는 도면이다.
도 6은 배기 매니폴드가 촉매를 수용하는 촉매용기에 대하여 각도를 갖고 연결된 종래의 촉매 일체형 배기 매니폴드의 단면도이다.
구획판에 의해서 분할된 촉매 일체형 배기 매니폴드의 배기 집합부에 있어서는 단속적(斷續的)으로 배기가스가 흐르고, 배기가스가 흐르는 측의 분실과 배기가스가 흐르지 않는 반대측의 분실에서는 압력차가 생긴다. 그래서, 양 분실간에 생기는 압력차를 이용하여, 한쪽 분실로부터 다른쪽 분실로 배기가스를 유입시켜 가스류의 분산을 도모하는 동시에, 일시에 큰 가스류가 촉매로 유입되는 것을 완화시키는 구성을 제안한다.
즉, 본 발명에서는 촉매가 수용되는 촉매용기에 대하여 각도를 갖고 연결되는 배기 매니폴드로서, 엔진의 복수의 배기 포트에 각각 연통하는 분기관과, 이들 분기관이 집합하는 배기 집합부와, 이 배기 집합부 내를 분할하는 구획판을 포함하고, 상기 구획판에는 상기 촉매측의 말단면부에 노치(notch)가 설치된 것을 특징으로 한다.
이러한 배기 매니폴드에 의하면, 구획판의 촉매측의 말단면부에 노치를 설치한 것에 의해, 구획판에 의해서 분할된 각 분실에 유입하는 배기가스의 일부가, 노치를 통과하여 반대측의 분실로 유입된 후에 촉매측으로 흐르기 때문에, 배기가스의 흐름이 촉매의 특정 개소에 집중하는 것을 완화하여, 배기가스의 편류에 기인하는 촉매의 열화와 배기가스의 체류를 막는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에서는 상술한 배기 매니폴드에 있어서, 상기 구획판의 노치 부위에 센서를 배치한 것을 특징으로 한다.
이러한 배기 매니폴드에 의하면, 예를 들면 O2 센서 등의 센서를 구획판의 노치 부위에 배치함으로써, 각 분실에 각각 센서를 배치하는 것이 불필요해져서, 제조 비용을 억제할 수 있다. 구획판의 노치 부위에 있어서는 구획판의 노치를 통과하여 반대측의 분실로 유입하려고 하는 배기가스가, 노치 부위에 배치한 센서와 접촉하여, 통과하기 때문에, 각 배기 포트로부터 배출되는 각각의 배기가스의 상태(산소 농도 등)를 보다 효과적으로 검출할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.
처음으로, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 배기 매니폴드가 적용되는 제 1 실시형태에 따른 촉매 일체형 배기 매니폴드에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 배기 매니폴드는 직렬로 배치된 4기통 엔진의 배기 시스템에 관한 것이다.
도 1a에 도시하는 바와 같이, 촉매 일체형 배기 매니폴드(1)는 촉매(2)가 수용되는 촉매용기(3)와, 이 촉매용기(3)에 대하여 각도를 갖고 연결되는 배기 매니폴드(4)를 포함하여 구성된다.
촉매(2)는 엔진의 배기 포트(E1, E2, E3, E4)로부터 배출되는 배기가스 중에 포함되는 유해성분을 무해한 성분으로 변환하는 것이며, 단면이 벌집 형상으로 형성된 다수의 가스 유통로를 갖는 세라믹이나 내열강박 등으로 이루어지는 일체 성형물 담체(carrier)의 표면에, CO, HC, NOx를 정화하는 3원 촉매가 담지(carry)된다.
촉매용기(3)는 촉매(2)를 수용하는 것이며, 배기 매니폴드(4)에 대하여 각도를 갖고 연결된다.
배기 매니폴드(4)는 엔진의 복수의 배기 포트(E1, E2, E3, E4)에 배기 포트측 플랜지(5)를 통하여 각각 연통하는 분기관(6a, 6b, 6c, 6d)과, 이들 분기관(6a, 6b, 6c, 6d)이 집합하는 배기 집합부(7)와, 이 배기 집합부(7)내를 분할하는 구획판(8)으로 구성되어 있다.
또, 도시한 4기통 엔진에 있어서는 도 1a의 좌측으로부터 제 1 기통, 제 2 기통, 제 3 기통, 제 4 기통으로서, 제 1 기통-제 3 기통-제 4 기통-제 2 기통-제 1 기통의 순서로 점화되도록 구성되어 있다.
배기 집합부(7)는 도 2에 도시하는 바와 같이, 구획판(8)에 의해서 제 1 분실(7A) 및 제 2 분실(7B)로 2분할되고, 분기관(6a와 6d)이 제 1 분실(7A)에, 다른 분기관(6b와 6c)이 제 2 분실(7B)에 각각 연통한다.
구획판(8)은 도 1a 및 도 1b에 도시하는 바와 같이, 촉매(2)측의 말단면부(8A)의 한 쪽에 노치(9)가 설치되고, 이 노치(9)를 통과하여, 제 1 분실(7A)과 제 2 분실(7B)이 연통하고 있다.
부호 10은 배기가스 중의 산소 농도를 검출하여, 공연비를 피드백 제어하기 위한 O2 센서이다. ECU(도시하지 않음)는 O2 센서의 검출치에 기초하여, 공연비가 희박한(lean; 산소 과다) 경우에는 연료 분사량을 증가하는 제어를 하고, 공연비가 농후한(rich; 산소 부족) 경우에는 연료 분사량을 감소하는 제어를 한다.
O2 센서(10)는 그 프로브 부분이 구획판(8)의 노치 부위에 위치하고 있고, 각 배기 포트로부터 배출되는 각각의 배기가스의 산소 농도를 효과적으로 검출할 수 있다.
도시한 예에서는 1개의 O2 센서(10)만을 사용하여 공연비의 피드백 제어를 하고 있기 때문에, 예를 들면, 크랭크 앵글 센서(도시하지 않음) 및 캠 앵글 센서(도시하지 않음)를 사용하여 현재의 연소 기통을 판별하고, 특정한 기통에 대한 적절한 연료 분사량을 증감하고 있다. 또, 기통의 판별은 상술한 크랭크 앵글 센서 및 캠 앵글 센서를 사용한 예에 한정하지 않고, 공지의 방법을 이용할 수 있다.
이상과 같이 구성된 촉매 일체형 배기 매니폴드(1)의 작용을 배기가스의 흐름에 기초하여 설명한다.
본 실시형태의 엔진에 있어서는 제 1 기통-제 3 기통-제 4 기통-제 2 기통-제 1 기통의 순서로 점화된다. 이로써, 연소 후의 연소실 내부의 가스는 제 1 배기 포트(E1)-제 3 배기 포트(E3)-제 4 배기 포트(E4)-제 2 배기 포트(E2)-제 1 배기 포트(E1)의 순으로 각 배기 포트로부터 배출된다. 우선, 제 1 배기 포트(E1)로부터 배출된 배기가스류는 배기 매니폴드(4)의 분기관(6a)을 흘러내리고, 배기 집합부(7)의 제 1 분실(7A)을 통과하여 촉매(2)로 유입된다. 다음에, 제 3 배기 포트(E3)로부터 배출된 배기가스류가, 배기 매니폴드(4)의 분기관(6c)을 흘러내리고, 배기 집합부(7)의 제 2 분실(7B)을 통과하여 촉매(2)에 유입한다. 또한, 제 4 배기 포트(E4)로부터 배출된 배기가스류가, 배기 매니폴드(4)의 분기관(6d)을 흘러내리고, 배기 집합부(7)의 제 1 분실(7A)을 통과하여 촉매(2)에 유입하고, 다음으로, 제 2 배기 포트(E2)로부터 배출된 배기가스류가, 배기 매니폴드(4)의 분기관(6b)을 흘러내리고, 배기 집합부(7)의 제 2 분실(7B)을 통과하여 촉매(2)에 유입한다.
그 때, 분기관(6a)과 분기관(6d)으로부터 제 1 분실(7A)을 통과하여 촉매(2)에 유입하는 배기가스류의 일부는 구획판(8)의 노치(9)를 통과하여, 제 2 분실(7B)에 유입한 후 촉매(2)에 유입한다. 마찬가지로, 분기관(6b)과 분기관(6c)으로부터 제 2 분실(7B)을 통과하여 촉매(2)에 유입하는 배기가스류의 일부는 구획판(8)의 노치(9)를 통과하여, 제 1 분실(7A)에 유입한 후 촉매(2)에 유입된다.
이와 같이, 본 실시형태에 따른 촉매 일체형 배기 매니폴드(1)에 의하면, 구획판(8)의 촉매(2)측의 말단면부(8A)의 한 쪽에 노치(9)를 설치한 것에 의해, 구획판(8)에 의해서 분할된 각 분실(7A, 7B)에 유입되는 배기가스의 일부가, 노치(8)를 통과하여 반대측의 분실(7B, 7A)에 유입한 후에 촉매(2)측으로 흐른다. 따라서, 배기 매니폴드(4)가 촉매용기(3)에 대하여 각도를 갖고 연결되는 경우라도, 각 분실(7A, 7B)에서 촉매(2)에 유입되는 배기가스의 흐름이, 촉매(2)의 다수의 가스 유통로의 특정 개소에만 집중하는 것을 완화하여, 배기가스의 편류에 기인하는 촉매(2)의 열화와 배기가스의 체류를 막을 수 있다.
또한, 구획판(8)의 노치 부위에 O2 센서(10)를 배치한 것에 의해, 각 분실(7A, 7B)에 각각 O2 센서(10)를 설치할 필요가 없어지기 때문에, 촉매 일체형 배기 매니폴드(1)의 제조 비용을 억제할 수 있다.
구획판(8)의 노치(9)를 통과하여 반대측의 분실(7A, 7B)에 유입하는 배기가스의 양은 노치(9)의 개구 면적의 크기에 비례하여 많아진다. 한편, 노치(9)의 개구 면적이 커지면, 배기 공정의 순서가 연속하는 기통의 배기 포트(E1, E2, E3, E4)로부터 유입하는 배기가스가, 노치(9)를 통하여 서로 간섭할 우려가 있다.
따라서, 배기 매니폴드(4)와 촉매용기(3)의 설치 각도, 즉 배기 집합부(7)로부터 촉매(2)에 유입하는 배기가스의 각도 등을 고려하여, 노치(9)의 개구 면적을 적절하게 설정하는 것이 바람직하다.
다음에, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 상술한 제 1 실시형태와 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 참조하고, 상세한 설명은 생략한다.
상기 도 3에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 촉매 일체형 배기 매니폴드(11)는 제 1 실시형태의 촉매 일체형 배기 매니폴드(1)와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 단, 구획판(8)의 말단면부(8A)의 양측에 노치(9)가 설치되어 있다.
이러한 촉매 일체형 배기 매니폴드(11)에 의하면, 구획판(8)의 말단면부(8A)의 양측에 노치(9)가 설치되어 있기 때문에, 촉매(2)로의 배기가스의 편류를 더욱 균일화시킬 수 있다.
양 말단의 노치(9, 9)를 통과하여 반대측의 분실에 유입하는 배기가스의 양은 2개의 노치(9, 9)의 개구 면적의 크기에 비례하여 많아진다. 한편, 양 말단의 노치(9, 9)의 개구 면적이 커지면, 배기 공정의 순서가 연속하는 기통의 배기 포트(E1, E2, E3, E4)로부터 유입되는 배기가스가, 노치(9, 9)를 통하여 서로 간섭할 우려가 있다.
따라서, 배기 매니폴드(4)와 촉매용기(3)의 설치 각도, 즉 배기 집합부(7)로부터 촉매(2)에 유입하는 배기가스의 각도 등을 고려하여, 2개의 노치(9, 9)의 개구 면적을 적절하게 설정하는 것이 바람직하다.
다음에, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제 3 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 상술한 제 1 실시형태와 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 참조하고, 상세한 설명은 생략한다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 촉매 일체형 배기 매니폴드(21)는 제 1 실시형태의 촉매 일체형 배기 매니폴드(1)와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 단, 구획판(8)의 노치(9)가 O2 센서(10)와는 반대측에 설치되어 있고, 촉매(2)측에 위치하는 구획판(8)의 말단면부(8A)와 촉매(2)의 상면 사이에 클리어런스(12)가 설치되어 있다.
또, O2 센서(10)의 프로브 부분에 대응하는 위치에는 오목부(13)가 설치되어 있다. O2 센서(10)의 프로브 부분은 그 원주형상 외형부가, 구획판(8)의 오목부(13)에 적합하다.
이러한 촉매 일체형 배기 매니폴드(21)에 의하면, 구획판(8)의 한쪽에 설치한 노치(9) 및 구획판(8)의 말단면부(8A)와 촉매(2)의 상측말단의 사이에 설치한 클리어런스(12)에 의해, 촉매(2)로의 배기가스의 편류를 보다 균일화시킬 수 있다.
노치(9) 및 클리어런스(12)를 통과하여 반대측의 분실에 유입하는 배기가스의 양은 노치(9)의 개구 면적 및 클리어런스(12)의 면적의 크기에 비례하여 많아진다. 한편, 노치(9)의 개구 면적과 클리어런스(12)의 면적이 커지면, 배기 공정의 순서가 연속하는 기통의 배기 포트(E1, E2, E3, E4)로부터 유입하는 배기가스가, 노치(9)와 클리어런스(12)를 통하여 서로 간섭할 우려가 있다.
따라서, 배기 매니폴드(4)와 촉매용기(3)의 설치 각도, 즉 배기 집합부(7)로부터 촉매(2)에 유입하는 배기가스의 각도 등을 고려하여, 노치(9)의 개구 면적 및 클리어런스(12)의 면적을 적절하게 설정하는 것이 바람직하다.
해석 실험
본 발명의 배기 매니폴드를 사용하여, 각 배기 포트로부터 배출된 배기가스가 어떻게 촉매에 흐르는지를 해석하는 실험을 하였다.
도 5는 본 발명의 배기 매니폴드를 사용한 배기가스의 유속 해석을 도시하는 설명도이고, 도 5a는 실험에 사용한 배기 매니폴드의 부분 단면 사시도이고, 도 5b는 가스 통로 면적을 설명하기 위한 배기 집합부의 횡단면도이고, 도 5c는 각 배기 포트 등 유출한 배기가스의 촉매 중앙부에 있어서의 유속 분포를 도시한다.
해석 실험에서는 직렬 4기통 엔진을 사용하여, 엔진 회전수를 3000rpm으로 유지한 상태에서, 각 배기 포트(E1, E2, E3, E4)로부터 배기가스가 유출되었을 때의 촉매(2)의 중앙부(A-A 선)에 있어서의 배기가스의 유속을 각각 측정하였다.
도시한 촉매 일체형 배기 매니폴드는 구획판(8)의 촉매측 단면부의 한 쪽에 노치(9)가 설치되어 있고, 노치(9)의 부위에 O2 센서(10)가 배치되어 있다. 또한, 구획판(8)의 말단면부와 촉매(2)의 상면의 사이에는 클리어런스(도시하지 않음)가 설치되어 있다.
또, 노치(9)의 면적은 배기 집합부(7)의 하측 말단에 있어서의 한쪽 또는 다른쪽의 가스 통로 면적(즉, 배기 집합부(7)의 하측 말단에서의 횡단면적으로부터 구획판(8)의 말단면부 횡단 면적을 제외한 면적의 1/2; PA)에 대하여 18%로 하였다. O2 센서(10)의 단면적을 포함시키면, 노치 부위의 개구 면적은 가스 통로 면적에 대하여 15%로 된다.
도 5c를 참조하면, 각 배기 포트(E1, E2, E3, E4)로부터 유출된 배기가스의 일부는 노치(9)를 통과하여 반대측의 분실로 흐른 후, 촉매(2)에 흐르고 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 각 분실을 흐르는 배기가스의 일부를 반대측의 분실로 분산시켜, 배기가스의 편류에 기인하는 촉매(2)의 열화와 배기가스의 체류를 막을 수 있다.
이상, 본 발명의 적합한 실시형태에 대하여 언급하였지만, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재된 발명의 범위 내에서, 여러가지로 변형 또는 변경하는 것이 가능하다.
예를 들면, 상술한 촉매 일체형 배기 매니폴드(1, 11, 21)는 4기 엔진에 사용하는 4-2-1의 배기방식으로서 설명하였지만, 6기통 엔진에 사용하는 6-2-1의 배기 방식에 적용하는 것도 가능하다.
또한, 구획판(8)에 설치하는 노치(9)의 위치나 개수 또는 그 개구 면적, 구획판(8)의 촉매(2)측의 말단면부(8A)와 촉매(2)의 상측말단 사이에 설치한 클리어런스(12)의 면적 등은 적절하게 변경할 수 있다. 예를 들면, 구획판(8)의 중앙부나 말단면부(8A)의 중앙에 노치(9)를 설치하는 것도 가능하다.

Claims (2)

  1. 촉매가 수용되는 촉매용기에 대하여 각도를 갖고 연결되는 배기 매니폴드로서,
    엔진의 복수의 배기 포트에 각각 연통하는 분기관과, 이들 분기관이 집합하는 배기 집합부와, 이 배기 집합부 내를 분할하는 구획판을 포함하고,
    상기 구획판에는 상기 촉매측의 말단면부에 노치가 설치된 것을 특징으로 하는 배기 매니폴드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 구획판의 노치 부위에 센서를 배치한 것을 특징으로 하는 배기 매니폴드.
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