KR20070112150A

KR20070112150A - 배기계 부품

Info

Publication number: KR20070112150A
Application number: KR1020077020210A
Authority: KR
Inventors: 겐지 이토
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-11-22
Also published as: US20090026009A1; WO2006101125A1; CN101146983A; JPWO2006101125A1; EP1862653A1

Abstract

본 발명은 격벽으로 분리된 2개 이상의 배기 포트를 가지는 배기계(排氣系) 부품에 관한 것으로서, 상기 격벽을 가지는 관부(管部)의 임의의 측면 방향 단면(개구단면(開口端面)을 포함함)에서 보았을 때, 상기 관부의 내벽 사이로 연장되는 상기 격벽은, 그 길이 방향의 중점(中点)을 중심으로 하여 상기 격벽의 길이의 1/2의 범위 내로 최소 두께(A)를 가지는 동시에, 그 범위 밖에서는 점차 폭이 넓어지고, 상기 격벽의 각 외면은, (a) 상기 격벽의 길이 방향 중심선으로부터 거리 A/2만큼 이격된 평행선 H1, H2와, 상기 평행선 H1, H2 및 상기 내벽에 접선 방향으로 접속되는 반경(r1, r2)의 원호 R1, R2(단, r1 및 r2는 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r1+r2= 1.9A를 만족시킴)로 이루어지는 내측선과, (b) 상기 격벽의 길이 방향 중심선으로부터 거리 3/2×A만큼 이격된 평행선(H3, H4)과, 상기 평행선(H3, H4) 및 상기 내벽에 접선 방향으로 접속되는 반경(r3, r4)의 원호(R3, R4)(단, r3 및 r4는 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r3+r4= 4A를 만족시킴)로 이루어지는 외측선에 끼워진 영역 내에 존재하는 것을 특징으로 한다.

배기계 부품, 평행선, 배기 포트, 내측선, 외측선

Description

배기계 부품 {EXHAUST SYSTEM PART}

본 발명은, 관(管) 등의 외면에 이르는 균열의 발생 우려를 회피할 수 있는 배기(排氣) 매니폴드나 터빈 하우징 등의 엔진용 배기계 부품에 관한 것이다.

직렬 4기통이나 직렬 6기통 등의 다기통 엔진용의 배기 매니폴드나 터빈 하우징 등의 배기계 부품 중에는, 엔진의 각 기통으로부터 배출되는 배기 가스가 서로 간섭하지 않고, 또 배압(背壓)이 상승하지 않도록, 배기 포트가 분할되어 있는 것이 있다. 배기 포트의 분할에 의해, 엔진의 성능 및 작동은 안정화된다.

배기계 부품의 일례로서, 도 8은, 직렬 4기통 엔진(E)의 기통 #1~#4에 접속한 배기 매니폴드(M), 및 배기 매니폴드(M)의 플랜지에 접속된 터빈 하우징(T)을 나타내고, 도 9는 도 8의 Z-Z 확대 단면도이다. 직렬 4기통 엔진(E)의 각 기통에서는, 통상 #1-#3-#4-#2의 차례로 연소가 행해진다.

배기 매니폴드(M)는, 엔진(E)의 4개의 배기구(EX1~EX4)에 접속되는 지관(枝管)(BR1~BR4)과, 지관(BR1~BR4)이 집합하는 하류측 관부(管部)(30m)를 가지고, 관부(30m)는, 하류단의 외주에 설치된 플랜지(31m)와, 격벽(32m)에 의해 분할된 2개의 배기 포트(Pa, Pb)를 가진다. 지관(BR1, BR4)은 배기 포트 Pb에 집합하고, 지관(BR2, BR3)은 배기 포트(Pa)에 집합한다.

터빈 하우징(T)의 상류측 관부(30t)는, 상류단의 외주에 설치된 플랜지(31t)와, 격벽(32t)에 의해 분할된 2개의 흡기 포트(Qa, Qb)를 가진다. 플랜지(31t)의 형상은, 배기 매니폴드(M)의 플랜지(31m)와 대략 같다.

격벽(32t) 및 흡기 포트(Qa, Qb)의 형상 및 배치는, 플랜지(31t)가 개스킷(S)을 통하여 볼트(BT)에 의해 배기 매니폴드(M)의 플랜지(31m)와 연결되었을 때, 배기 매니폴드(M)의 격벽(32m)과 터빈 하우징(T)의 격벽(32t)은 원활하게 연결되고, 배기 포트(Pa, Pb)와 흡기 포트(Qa, Qb)도 마찬가지로 원활하게 연결된다.

도 8로부터 명백한 바와 같이, 배기 매니폴드(M)의 하류측 관부(30m)와 터빈 하우징(T)의 상류측 관부(30t)는 기본적으로 동일한 형상 및 기능을 가지므로, 이하 하류측 관부(30m)에 대하여 설명하지만, 그 설명은 그대로 터빈 하우징(T)의 상류측 관부(30t)(또는 그 외의 동일한 배기계 부품의 관부)에도 적용할 수 있다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 관부(30)의 내벽에 접속된 격벽(32)은, 엔진(E)의 운전·정지에 따른 가열·냉각에 의해 압축 응력과 인장 응력을 반복하여 받지만, 관부(30)의 외주에 설치된 플랜지(31)에 의해 팽창·수축이 구속되고 있으므로, 격벽(32)과 관부(30)의 접속부(34)에 균열(CRK)이 발생하는 경우가 있다. 균열(CRK)이 관부(30)의 외면에 달하면, 배기 가스 누출의 우려가 있다.

균열(CRK)의 발생 메카니즘을 도 10 (a)~(e)를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 10 (a)는, 개구단면(開口端面)(33)에 있어서의 배기 매니폴드(M)의 격벽(32m) 및 배기 포트(Pa, Pb)의 기본 형상을 나타낸다. 도 10 (b)에 나타낸 바와 같이, 엔진(도시하지 않음)이 운전되면, 격벽(32)은 고온의 배기 가스에 의해 가열된다. 그 러나, 도 10 (c)에 나타낸 바와 같이, 격벽(32)은, 플랜지(31)와 견고하게 구속되어 있어 자유 팽창할 수 없으므로, 소성(塑性) 변형되는 동시에 압축 변형이 발생한다. 한편, 엔진이 정지하여 배기 매니폴드(M)가 실온까지 냉각되면, 도 10 (d)에 나타낸 바와 같이, 격벽(32)은 가열시의 소성 변형을 넘어 열수축하려고 하지만, 도 10 (e)에 나타낸 바와 같이 플랜지(31)에 의해 견고하게 구속되어 있으므로, 격벽(32) 및/또는 접속부(34)에 큰 인장(引張) 변형이 발생한다.

엔진의 운전·정지에 따른 가열·냉각이 반복되면, 격벽(32)에 발생한 균열(CRK)에 의해 배기 포트(Pa)와 (Pb)가 연통되거나, 접속부(34)에 발생한 균열 (CRK)가 관부(30)의 외면에 이르거나 하는 경우가 있다.

격벽(32)에 발생한 균열(CRK)에 의해 배기 포트(Pa)와 (Pb)가 연통되면, 배기 간섭을 일으키거나 배압이 상승하거나 한다. 또, 관부(30)의 외면에 이르는 균열(CRK)이 발생하면, 배기 포트(Pa, Pb) 중의 배기 가스가 외부로 분출되는 문제가 생기고, 또 터빈 하우징을 가지는 경우에는 그 작동이 불안정하게 되어, 결과적으로 엔진 성능이 저하된다.

배기 매니폴드의 격벽 및 관부에 균열이 발생하는 것을 방지하기 위해서, 일본국 실개소 60-95118호 공보에서는, 도 11에 나타낸 바와 같이, 격벽(32)에 플랜지(31)의 두께보다 깊은 슬릿(SLT)을 형성함으로써 열팽창 및 열수축을 흡수하는 것을 제안하고 있다. 그러나, 슬릿(SLT)의 존재에 의해, 포트를 흐르는 배기 가스에 난류가 생겨 배압이 상승하고, 따라서 엔진 출력이 저하되는 문제가 생기는 것을 알 수 있었다.

일본국 실개평 2-39529호 공보에서는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 격벽(32)에 국소적인 얇은 두께부(TW)를 형성함으로써, 격벽(32)가 변형될 때 얇은 두께부(TW)를 용이하게 변형되게 하여 열응력을 완화할 수 있는 배기 매니폴드를 제안하고 있다. 격벽(32)에 국소적인 얇은 두께부(TW)를 형성함으로써, 격벽(32)에 슬릿(SLT)을 형성한 경우(일본국 실개소 60-95118호)와 같이 배기 가스에 혼란을 발생시키지 않고, 균열(CRK)을 방지할 수 있다. 그러나, 격벽(32)과 관부(30)의 접속부(34)의 형상에 따라서는, 배기계 부품의 외면에 이르는 균열(CRK)이 발생하는 경우가 있는 것을 알 수 있었다.

또, 도 12에 나타낸 격벽(32)의 형상에서는, 접속부(34)가 두꺼우므로, 배기 매니폴드 전체의 중량이 매우 커지는 문제도 있다.

일본국 특개평 7-217438호 공보에서는, 도 13에 나타낸 바와 같이, 배기 포트(Pa, Pb)의 단면 형상을 대략 사다리꼴로 하고, 격벽(32)과 직선형의 내벽(35)을 짧은 곡률 반경(Rs)의 원호형 접속부(34)에 의해 연결함으로써, 열응력을 직선형의 내벽(35)에 분산시킨 배기 매니폴드를 제안하고 있다. 그러나, 격벽(32)과 직선형의 내벽(35)을 연결하는 접속부(34)의 형상에 따라서는, 배기계 부품의 외면에 이르는 균열(CRK)이 발생하는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 또, 배기 포트의 단면 형상은 대략 사다리꼴로 한정되어 있어 자유도가 매우 작다.

[발명이 해결하려고 하는 과제]

따라서, 본 발명의 목적은, 배기 포트의 단면 형상을 현저하게 제한하지 않고, 배기계 부품의 외면에 이르는 균열의 발생 우려를 회피할 수 있는 배기계 부품을 제공하는 것이다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기와 같은 문제점을 감안하여 예의 연구한 결과,

(1) 배기계 부품의 중량을 현저하게 증가시키지 않고, 격벽과 관부의 접속부에, 인장이나 압축의 열변형에 의한 균열이 발생하는 것을 완전하게 방지하는 것은 곤란하다는 것, 및

(2) 따라서, 균열이 발생해도 그것을 배기계 부품의 외면으로 진전시키지 않고 격벽의 중앙부로 유도하면, 상기 문제점을 해소할 수 있다는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명의 배기계 부품은, 격벽으로 분리된 2개 이상의 배기 포트를 가지고, 상기 격벽을 가지는 관부의 임의의 측면 방향 단면(개구단면을 포함함)에서 보았을 때, 상기 관부의 내벽 사이로 연장되는 상기 격벽은, 그 길이 방향의 중점(中点)을 중심으로 하여 상기 격벽의 길이의 1/2의 범위 내로 최소 두께(A)를 가지는 동시에, 그 범위 밖에서는 점차 폭이 넓어지고, 상기 격벽의 각 외면은, (a) 상기 격벽의 길이 방향 중심선으로부터 거리 A/2만큼 이격된 평행선(H1, H2)과, 상기 평행선(H1, H2) 및 상기 내벽에 접선 방향으로 접속되는 반경(r1, r2)의 원호(R1, R2)(단, r1 및 r2는 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r1+r2= 1.9A를 만족시킴)로 이루어지는 각 내측선과, (b) 상기 격벽의 길이 방향 중심선으로부터 거리 3/2×A만큼 이격된 평행선(H3, H4)과, 상기 평행선(H3, H4) 및 상기 내벽에 접선 방향으로 접속되는 반경(r3, r4)의 원호(R3, R4)(단, r3 및 r4는 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r3+r4= 4A를 만족시킴)로 이루어지는 각 외측선에 끼워진 영역 내에 존재하는 것을 특징으로 한다.

상기 원호(R1, R2)의 반경(r1, r2)는, r1+r2= 2.5A의 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.

상기 격벽의 최소 두께(A)는 2mm~10mm이며, 상기 격벽을 가지는 관부에 있어서의 측면 방향 단면에서는, 상기 내벽과 상기 격벽이 반경 2mm~13mm의 원호로 접선 방향으로 접속되어 있는 것이 바람직하다.

[발명의 효과]

상기 구조를 가지는 본 발명의 배기계 부품은, 중량의 증가나 배기 포트의 단면 형상의 제한이 거의 없고, 외면에 이르는 균열의 발생이 방지되어 있으므로, 엔진의 동작이 안정화되어, 성능 저하가 일어나지 않는다.

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시형태에 의한 배기계 부품의 하류 개구단면을 나타낸 정면도이다.

도 1b는 도 1a의 X부의 확대도이다.

도 2a는 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 의한 배기계 부품의 하류 개구단면을 나타낸 정면도이다.

도 2b는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 의한 배기계 부품의 하류 개구단면을 나타낸 정면도이다.

도 2c는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 의한 배기계 부품의 하류 개구단면을 나타낸 정면도이다.

도 3a는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 의한 배기계 부품의 하류 개구단면을 나타낸 정면도이다.

도 3b는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 의한 배기계 부품의 하류 개구단면을 나타낸 정면도이다.

도 3c는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 의한 배기계 부품의 하류 개구단면을 나타낸 정면도이다.

도 3d는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 의한 배기계 부품의 하류 개구단면을 나타낸 정면도이다.

도 4a는 실시예 1에 사용한 시료의 형상을 나타낸 사시도이다.

도 4b는 실시예 1에 사용한 시료의 형상을 나타낸 정면도이다.

도 4c는 실시예 1에 사용한 시료의 격벽부의 형상을 나타낸 정면도의 확대도이다.

도 4d는 비교예 1에 사용한 시료의 형상을 나타낸 정면도이다.

도 4e는 비교예 2에 사용한 시료의 형상을 나타낸 정면도이다.

도 5a는 실시예 2에 사용한 시료의 형상을 나타낸 정면도이다.

도 5b는 실시예 2에 사용한 시료의 격벽부의 형상을 나타낸 정면도의 확대도이다.

도 5c는 비교예 3에 사용한 시료의 형상을 나타낸 정면도이다.

도 6은 열피로 시험 장치의 모식도이다.

도 7a는 실시예 3의 터빈 하우징(피로 시험 후)을 나타낸 사시도이다.

도 7b는 비교예 4의 터빈 하우징(피로 시험 후)을 나타낸 사시도이다.

도 8은 직렬 4기통 엔진에 접속하는 배기계 부품의 일례를 나타낸 단면도이다.

도 9는 도 8의 Z-Z확대 단면도이다.

도 10은 균열의 발생 메카니즘을 설명하는 개략도이다.

도 11은 일본국 실개소 60-95118호 공보에 기재된 배기계 부품의 하류 개구단면을 나타낸 정면도이다.

도 12는 일본국 실개평 2-39529호 공보에 기재된 배기계 부품의 하류 개구단면을 나타낸 정면도이다.

도 13은 일본국 특개평 7-217438호 공보에 기재된 배기계 부품의 하류 개구단면을 나타낸 정면도이다.

[발명을 실시하기 위한 바람직한 실시예]

본 발명의 배기계 부품을 첨부 도면을 참조하여 이하에 상세하게 설명하지만, 본 발명은 도시한 예에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 동일한 부분에 대하여는 같은 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.

<제1 실시형태>

도 1a는 제1 실시형태의 배기계 부품의 개구단면(3)을 나타낸 정면도이며, 도 1b는 도 1a의 X부 확대도이다. 이 배기계 부품의 플랜지(1)는 대략 사각형의 윤곽을 가지고, 격벽(2)은 중앙부가 대략 직선형의 외면을 가지고, 양 단부가 곡선형의 외면을 가진다. 격벽(2)은 그 길이 방향의 중점(中点) O를 중심으로 하여 격벽(2)의 길이의 1/2의 범위 내로 최소 두께(A)를 가지는 동시에, 그 범위 밖(그보다 단부 측)에서는 점차 폭이 넓어지는 곡선형의 외면을 가진다.

플랜지(1)와 접속부(4)에서 이에 접속되는 격벽(2)이란, 도 1a에 나타낸 배기 포트(Pa)와 (Pb)의 공통 접선(L1)으로 분리하여 표현하는 것으로 한다. 접선(L1)보다 지면 상에서 위쪽 부분이 플랜지(1)이며, 아래쪽이 격벽(2)인 것으로 한다. 그리고, 격벽(2)의 L1측 단부와 반대측 단부에도 마찬가지로 배기 포트(Pa)와 (Pb)의 공통 접선(L2)을 그려, 접선(L1)과 접선(L2)의 최단 거리를 격벽(2)의 길이로 한다. 또, 격벽(2)의 길이 방향의 중점 O를 중심으로 격벽(2)의 길이의 3/4의 범위 내에서는, 격벽(2)의 폭의 중심점을 연결한 선을 격벽의 길이 방향 중심선(C)으로 하고, 상기 이외의 범위에 있어서는, 격벽(2)의 길이의 3/8의 위치에서의 길이 방향 중심선(C)의 접선을 길이 방향 중심선(C)으로 한다.

격벽(2)의 각 외면(2a)은, 격벽(2)의 길이 방향 중심선(C)으로부터 거리 A/2만큼 이격된 평행선(H1, H2)과, 평행선(H1, H2) 및 관부(10)의 내벽(5)에 접선 방향으로 접속되는 반경(r1, r2)의 원호(R1, R2)로 이루어지는 각 내측선(쇄선(鎖線)으로 나타냄) 상에, 또는 그보다 외측에 존재할 필요가 있다. 여기서 「접선 방향으로 접속되는」이란, 원호(R1, R2)와 평행선(H1, H2)의 접점에 있어서 원호(R1, R2)의 접선과 평행선(H1, H2)이 일치하고 있는 것을 의미한다. 원호(R1, R2)와 내 벽(5)의 접점의 경우도 마찬가지이다. 따라서, 원호(R1, R2)는, 평행선(H1, H2)과 내벽(5)에 내접(內接)하는 반경(r1, r2)의 원호에 상당한다.

r1 및 r2는 r1+r2= 1.9A를 만족시킬 필요가 있다. 이로써, 격벽(2)의 각 외면(2a)이 중심선(C)에 가까운 쪽에 존재하면 격벽(2)이 얇아져 균열이 발생한다. r1 또는 r2 중 어느 한쪽이 극단으로 작아지면, 격벽(2)과 내벽(5)의 접속부(4)의 곡률이 커져, 응력이 집중되어 균열이 발생하기 쉬워진다. 그러므로 r1 및 r2는 모두 1/3×A 이상일 필요가 있고, 모두 1/2×A 이상인 것이 바람직하다. 이 실시형태에서는, r1= r2지만, 후술하는 실시형태와 같이 r1 및 r2가 동등하지 않은 경우도 있으므로, 특히 그와 같은 경우에는 r1 및 r2가 너무 작아지지 않도록 할 필요가 있다.

격벽(2)으로 나누어진 배기 포트(Pa, Pb)에는 고온 고압의 배기 가스가 교대로 흐르므로, 충분한 고온 강도를 유지하기 위해 격벽(2)은 어느 정도의 두께를 필요로 한다. 특히 접속부(4)에는 응력이 집중되므로, 중앙부보다 두껍게 할 필요가 있다. 그러나, 필요 이상으로 격벽(2)을 두껍게 하면, 배기계 부품이 너무 무거워 진다. 따라서, 격벽(2)의 각 외면(2a)은, 길이 방향 중심선(C)으로부터 거리 3/2×A만큼 이격된 평행선(H3, H4)과, 평행선(H3, H4) 및 관부(10)의 내벽(5)에 접선 방향으로 접속되는 반경(r3, r4)의 원호(R3, R4)로 이루어지는 각 외측선(쇄선으로 나타냄) 상에, 또는 그보다 내측에 존재할 필요가 있다. 원호(R1, R2)와 마찬가지로, 원호(R3, R4)는 평행선(H3, H4)과 내벽(5)에 내접하는 반경(r3, r4)의 원호에 상당한다.

r3 및 r4는 r3+r4= 4A를 만족시킬 필요가 있다. 이로써, 격벽(2)의 각 외면(2a)이 중심선(C)으로부터 먼 쪽에 존재하면 격벽(2)이 두껍게 되어 배기계 부품의 중량이 커지게 된다. r3 또는 r4 중 어느 한쪽이 극단으로 작아지면, 격벽(2)과로 내벽(5)의 접속부(4)의 곡률이 커져, 응력이 집중되어 균열이 발생하기 쉬워진다. 그러므로 r3 및 r4는 모두 1/3×A 이상일 필요가 있고, 모두 1/2×A 이상인 것이 바람직하다. 이 실시형태에서는, r3= r4이지만, 후술하는 실시형태와 같이 r3 및 r4가 동등하지 않은 경우도 있으므로, 특히 그와 같은 경우에는 r3 및 r4가 너무 작아지지 않도록 할 필요가 있다.

중심 영역(21) 및 확개(擴開) 영역(4a)에서는, 격벽(2)의 외면(2a) 윤곽은 직선형이라도 되지만 완만한 곡선형인 것이 바람직하다. 완만한 곡선형의 경우, 원호형일 필요는 없다. 격벽(2)의 중점 O로부터의 거리가 격벽(2)의 길이의 3/8의 점에서의 격벽(2)의 두께(A2)는, 격벽(2)의 최소 두께(A)의 1.3배 이상인 것이 바람직하고, 1.5배 이상인 것이 보다 바람직하다. 중심 영역(21) 및 확개 영역(4a)은, 매끈하게 연결되어 있는 것이 바람직하다.

접속부(4)는 격벽(2)의 외면(2a)과 내벽(5)을 매끈하게 연결하는 곡선인 것이 바람직하고, 외면(2a) 및 내벽(5)에 접선 방향으로 접속되는 원호로 이루어지는 것이 바람직하다. 원호의 반경은 상기 내측선과 상기 외측선 사이에 격벽(2)의 외면(2a)이 형성되도록 한 값을 취할 수 있지만, 1/3×A 이상인 것이 바람직하고, 1/2×A 이상인 것이 보다 바람직하다.

이와 같이 격벽(2)의 각 외면(2a)이 상기 내측선과 상기 외측선에 끼워진 영 역(B1 및 B2) 내에 존재함으로써, 격벽(2)에 큰 열응력이 가해진 경우에, 상기 중심 영역(21)에 우선적으로 균열이 생기고, 그 이외의 범위에서는 균열이 쉽게 생기지 않게 된다. 만일 격벽(2)과 플랜지(1)의 접속부(4) 부근에 균열이 생겨도, 플랜지(1) 방향으로는 성장하지 않고, 플랜지(1)와는 이격된 격벽(2)의 방향으로 성장하므로, 배기 포트(Pa) 또는 (Pb)와 배기계 부품 외면이 연통되도록 한 균열은 쉽게 생기지 않게 된다. 따라서, 격벽(2)이 상기와 같은 형상을 가지는 것에 의해, 배기계 부품의 중량을 증가시키지 않고, 관부(10)에 균열이 발생하지 않는 배기계 부품을 얻을 수 있다.

본 발명의 배기계 부품에 있어서, 원호(R1, R2)의 반경(r1, r2)는, r1+r2= 2.5A를 만족시키는 것이 바람직하고, 격벽의 최소 두께(A)가 2mm~10mm이며, 격벽의 각 외면과 배기 포트의 내벽이, 관부의 임의의 측면 방향 단면에서 보았을 때 반경 2mm~13mm의 원호로 접선 방향으로 접속되어 있는 것이 보다 바람직하다. 이같은 구성으로 함으로써, 배기 포트와 배기계 부품의 외면이 연통되는 균열이 발생할 우려가 더욱 저감된다.

<제2 실시형태>

도 2a는 제2 실시형태의 배기계 부품의 개구단면(3)을 나타낸다. 이 배기계 부품은, 격벽(2)이 경사져 있는 동시에 배기 포트도 경사져 있는 것 이외에는 제1 실시형태의 배기계 부품과 실질적으로 같으며, 제1 실시형태의 조건을 모두 만족시킬 필요가 있다.

<제3 실시형태>

도 2b는 제3 실시형태의 배기계 부품의 개구단면(3)을 나타낸다. 이 배기계 부품은, 격벽(2)이 S자형인 것 이외에는 제1 실시형태의 배기계 부품과 실질적으로 같으며, 제1 실시형태의 조건을 모두 만족시킬 필요가 있다.

<제4 실시형태>

도 2c는 제4 실시형태의 배기계 부품의 개구단면(3)을 나타낸다. 이 배기계 부품은, 격벽(2)이 S자형인 것 이외에는 제2 실시형태의 배기계 부품과 실질적으로 같으며, 제1 실시형태의 조건을 모두 만족시킬 필요가 있다.

<제5 실시형태>

도 3a는 제5 실시형태의 배기계 부품의 개구단면(3)을 나타낸다. 이 배기계 부품은, 개구단면(3)이 원형인 것 이외에는 제1 실시형태의 배기계 부품과 실질적으로 같으며, 제1 실시형태의 조건을 모두 만족시킬 필요가 있다.

<제6 실시형태>

도 3b는 제6 실시형태의 배기계 부품의 개구단면(3)을 나타낸다. 격벽(2)이 경사져 있는 동시에 배기 포트도 경사져 있는 것 이외에는 제5 실시형태의 배기계 부품과 실질적으로 같으며, 제1 실시형태의 조건을 모두 만족시킬 필요가 있다.

<제7 실시형태>

도 3c는, 제7 실시형태의 배기계 부품의 개구단면(3)을 나타낸다. 이 배기계 부품은, 격벽(2)이 S자형인 것 이외에는 제5 실시형태의 배기계 부품과 실질적으로 같으며, 제1 실시형태의 조건을 모두 만족시킬 필요가 있다.

<제8 실시형태>

도 3d는 제8 실시형태의 배기계 부품의 개구단면(3)을 나타낸다. 이 배기계 부품은, 격벽(2)이 S자형인 것 이외에는 제6 실시형태의 배기계 부품과 실질적으로 같으며, 제1 실시형태의 조건을 모두 만족시킬 필요가 있다.

상기, 제2 내지 제8 실시형태에 있어서도, 격벽(2)은 격벽의 길이 방향의 중점 O를 중심으로 하여 격벽의 길이의 1/2의 범위 내(중심 영역(4a))에 최소 두께(A)를 가지는 동시에, 그 범위 밖(단부 영역(40))에서는 점차 폭이 넓어지게 하고 있다.

또, 격벽의 각 외면은, (a) 격벽의 길이 방향 중심선(C)으로부터 거리 A/2만큼 이격된 평행선(H1, H2)과, 평행선(H1, H2) 및 내벽에 접선 방향으로 접속되는 반경(r1, r2)의 원호(R1, R2)(단, r1 및 r2는 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r1+r2= 1.9A를 만족시킴)로 이루어지는 각 내측선과, (b) 격벽의 길이 방향 중심선(C)으로부터 거리 3/2×A만큼 이격된 평행선(H3, H4)과, 평행선(H3, H4) 및 내벽에 접선 방향으로 접속되는 반경(r3, r4)의 원호(R3, R4)(단, r3 및 r4는 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r3+r4= 4A를 만족시킴)로 이루어지는 각 외측선에 끼워진 영역 내에 존재하고 있다. 이로써, 배기계 부품의 중량이 극단으로 증가하지 않고, 배기 포트와 배기계 부품의 외측이 연통되는 균열의 발생이 저감하고, 배기 포트의 단면 형상을 극단으로 제한하지 않는 배기계 부품을 얻을 수 있다.

이하에, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

도 4a에 나타낸 형상을 가지는 오스테나이트계 내열 주강(鑄鋼)으로 이루어지는 시료 TP를 제작했다. 시료 TP의 두께는 20mm이며, 관부(10)의 두께 FW는 20mm이며, 격벽(2)의 길이는 80mm였다. 도 4b에 시료 TP의 개구단면(3)을 나타내고, 도 4c에 격벽(2)의 부분의 확대도를 나타낸다. 격벽(2)은, 길이 방향의 중점 O를 중심으로 하여 격벽(2)의 길이의 1/2(40mm)의 범위로 두께 6mm의 평판형의 중심 영역(21)을 가지고, 평판형의 중심 영역(21)의 외측에는 확개 영역(4a)과 접속부(4)로 이루어지는 단부 영역(40)을 가진다. 격벽(2)의 최소 두께(A)는 중심 영역(21)의 두께와 같은 6mm이며, 확개 영역(4a)은 중심 영역(21)의 단부로부터 점차 직선형으로 폭이 넓어지게 되고, 격벽(2)의 길이 방향의 중점 O로부터 격벽(2)의 길이의 3/8(30mm)의 위치에 있어서의 두께(A2)의 값은 10mm이다. 접속부(4)는 확개 영역(4a) 및 관부(10)의 내벽(5)에 접선 방향으로 접속되는 반경 7mm의 원호형이다. 표 1에 시료 TP의 치수를 나타낸다.

상기와 같이 격벽(2)을 형성함으로써, (a) 격벽(2)의 길이 방향 중심선(C)으로부터 거리 A/2, 즉 3mm만큼 이격된 평행선(H1, H2)과, 평행선(H1, H2) 및 내벽(5)에 접선 방향으로 접속되는 반경 r1=r2= 5.7mm(r1 및 r2는 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r1+r2= 1.9A를 만족시킴)의 원호(R1, R2)로 이루어지는 각 내측선, 및 (b) 격벽(2)의 길이 방향 중심선 C로부터 거리 3/2×A, 즉 9mm만큼 이격된 평행선(H3, H4)과, 평행선(H3, H4) 및 내벽에 접선 방향으로 접속되는 반경 r3=r4= 12mm(r3 및 r4는 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r3+r4= 4A를 만족시킴)의 원호(R3, R4)로 이루어지는 각 외측선에 끼워진 영역(사선부 B1 및 B2) 내에 격벽(2)의 각 외면(2a)이 존재하였다.

시료 TP에 대하여, 일본국 특허 제2533885호에 기재된 피로 시험 장치에 의해, 열피로 시험을 행하였다. 도 6에 나타낸 열피로 시험 장치(50)에 있어서, LPG 공급원(52)으로부터의 LPG와 압축기(53)로부터의 공기를 버너(51)에 공급하는 동시에, 연소실(54)에도 공기를 강제적으로 공급하고, 연소실(54) 내에서 LPG에 점화해 버너(51)를 연소시킨다. 버너(51)로부터 나온 불꽃(55)을 연소실(54) 내에 분출시키고, 그에 따른 고온의 연소 가스를 냉각 블록(56)의 연소 가스로(56a)를 통해 시료 TP로 흘려, 시료 TP를 가열한다. 연소 가스로(56a)는, 냉각수의 유입구 및 배출구를 구비한 냉각 블록(56)에 순환시킨 냉각수에 의해 냉각하여 보호하고 있다. 시료 TP의 입구에는 시스형 열전대(sheath type thermocouple)(57)를 설치하고 있다.

열피로 시험은, (i) 시스형 열전대(57)의 검지 온도가 950℃까지 시료 TP를 가열한 후 10분간 유지, 및 (ii) 연소 가스의 공급을 정지하여 10분간 유지하는 두 공정으로 이루어지는 사이클을 1사이클로 하여 시료 TP에 균열이 확인 가능할 때가지 반복하였다. 열피로 시험의 결과, 실시예 1에 있어서의 시료 TP에 대하여는 격벽(2)의 길이 방향의 중심부에 균열이 발생하였지만, 배기 포트로부터 시료 TP 외면에 이르는 균열은 발생하지 않았다.

<비교예 1>

도 4d에 나타낸 바와 같이, 격벽(2)의 확개 영역(4a)의 두께를 6mm로 일정하게 하여 실질적으로 확개 영역(4a)를 가지지 않고, 격벽(2)의 외면(2a) 및 관부(10)의 내벽(5)에 접선 방향으로 접속되는 반경 2mm의 원호로 접속부(4)를 형성 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 시료 TP를 제작했다.

격벽(2)의 최소 두께(A)는 중심 영역(21)의 두께와 같은 6mm이며, 중점 O로부터 격벽(2)의 길이의 3/8(30mm)의 위치에 있어서의 두께(A2)의 값은 6mm였다. 표 1에 시료 TP의 치수를 나타낸다. 이 시료 TP의 격벽(2)은, 실시예 1에 기재한 각 내측선 및 각 외측선에 끼워진 영역(사선부 B1 및 B2) 이외의 부분에도, 그 각 외면(2a)이 형성되어 있었다. 또한, 반경 r1~r4가 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r1+r2= 1.9A, 및 r3+r4= 4A를 만족시키는 어느 값을 취해도, 각 내측선 및 각 외측선에 끼워진 영역(사선부 B1 및 B2) 이외의 부분에도, 격벽(2)의 각 외면(2a)이 형성되어 있었다. 비교예 1의 시료 TP를 사용하여 실시예 1과 마찬가지의 열피로 시험을 행한 결과, 격벽과 플랜지의 접속부로부터 배기 포트에서 시료 TP의 외면에 이르는 균열이 발생하였다.

<비교예 2>

도 4e에 나타낸 바와 같이, 격벽의 길이 방향의 중점 O로부터 격벽의 길이의 3/8의 위치에 있어서의 격벽(2)의 두께(A2)의 값을 30mm로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 시료 TP를 제작했다(표 1에 시료 TP의 치수를 나타낸다).

이 시료 TP의 격벽(2)은, 실시예 1에 기재한 각 내측선 및 각 외측선에 끼워진 영역(사선부 B1 및 B2) 이외의 부분에도, 그 각 외면(2a)이 형성되어 있었다. 실시예 1과 마찬가지의 열피로 시험을 실시한 결과, 격벽(2)의 길이 방향의 중심부에 균열이 발생하였지만, 배기 포트로부터 시료 TP 외면에 이르는 균열은 발생하지 않았다.

그러나, 비교예 2의 시료 TP는 실시예 1의 시료 TP와 비교하여 중량이 1.1배로 되고, 배기 포트의 단면적이 10%감소하였다.

[실시예 2]

도 5a에 나타낸 바와 같이, 격벽의 형상을 S자 형상으로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 시료 TP를 제작했다. 도 5b에 시료 TP의 격벽부의 확대도를 나타낸다. 격벽(2)의 길이 방향의 중점 O를 중심으로 하여 격벽(2)의 길이의 1/2의 범위로 두께 6mm의 평판형의 중심 영역(21)을 가지고, 평판형의 중심 영역(21)의 외측에는 확개 영역(4a)과 접속부(4)로 이루어지는 단부 영역(40)을 가진다. 중심 영역(21)은 실시예 1의 격벽(2)에 대하여 각도 θ₁= 30°만큼 경사져 있고, 확개 영역(4a)은 실시예 1의 격벽(2)에 대하여 각도 θ₂= -45˚만큼 경사져 있으므로, 격벽(2)의 전체는 S자형이다. 격벽(2)의 최소 두께(A)는 중심 영역(21)의 두께와 같은 6mm이며, 확개 영역(4a)은 중심 영역(21)의 단부로부터 점차 직선형으로 폭이 넓어지고, 격벽(2)의 길이 방향의 중점 O로부터 격벽(2)의 길이의 3/8의 위치에 있어서의 두께(A2)의 값은 10mm이다. 중심 영역(21)과 확개 영역(4a)은 굴곡부(23)이며, 중심 영역(21) 및 확개 영역(4a)에 접선 방향으로 접속되는 반경 ri= 3mm 및 ro= 9mm의 원호 Ri 및 Ro로 접속되어 있다. 여기서 중심 영역(21)과 확개 영역(4a)이 이루는 각 중 내각 측의 격벽(2)의 외면(2a)을 접속하는 원호를 Ri, 반대측의 원호를 Ro라고 한다. 접속부(4)는 확개 영역(4a) 및 관부(10)의 내벽(5)에 접선 방향으로 접속되는 반경 10mm의 원호 Ra와 반경 5mm의 원호 Rb로 형성된 다. 격벽(2)과 내벽(5)이 이루는 각도가 둔각(鈍角)을 이루는 측의 원호를 Ra, 예각(銳角)을 이루는 측의 원호를 Rb로 하였다. 표 1에 시료 TP의 치수를 나타낸다.

상기와 같이 격벽을 형성함으로써, (a) 격벽의 길이 방향 중심선(C)으로부터 거리 A/2, 즉 3mm만큼 이격된 평행선(H1, H2)과, 평행선(H1, H2) 및 내벽에 접선 방향으로 접속하고, 반경 r1= 10mm, r2= 5mm(r1+r2= 2.5A를 만족시킨다. r1이 둔각측, r2가 예각(銳角)측의 원호의 반경)의 원호(R1, R2)로 이루어지는 각 내측선과, (b) 격벽의 길이 방향 중심선(C)으로부터 거리 3/2×A, 즉 9mm만큼 이격된 평행선(H3, H4)과, 평행선(H3, H4) 및 내벽에 접선 방향으로 접속하고, 반경이 r3= 16mm, r4= 8mm(r3+r4= 4A를 만족시킴. r3가 둔각측, r4가 예각측의 원호의 반경)의 원호(R3, R4)로 이루어지는 각 외측선에 끼워진 영역(사선부 B1 및 B2) 내에 격벽(2)의 각 외면(2a)이 존재하였다. 실시예 1과 마찬가지의 열피로 시험을 실시한 결과, 격벽의 길이 방향의 중심 부근에 균열이 발생하였지만, 배기 포트로부터 시료 TP 외면에 이르는 균열은 발생하지 않았다.

<비교예 3>

도 5c에 나타낸 바와 같이, 격벽(2)의 확개 영역(4a)의 두께를 중심 영역(21)과 같은 6mm로 일정하게 하여 실질적으로 확개 영역(4a)을 가지지 않고, 원호 Ra 및 원호 Rb의 반경을 각각 8mm 및 2mm로 변경한 것 이외에는 실시예 2와 마찬가지로 하여 시료 TP를 제작했다. 표 1에 시료 TP의 치수를 나타낸다.

상기와 같이 격벽을 형성함으로써, 반경 r1~r4가 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r1+r2= 1.9A 및 r3+r4= 4A를 만족시키는 어느 값을 취해도, (a) 평행선(H1, H2) 과, 평행선(H1, H2) 및 내벽에 접선 방향으로 접속되는 원호(R1, R2)로 이루어지는 각 내측선과, (b) 평행선(H3, H4)과, 평행선(H3, H4) 및 내벽에 접선 방향으로 접속되는 원호(R3, R4)로 이루어지는 각 외측선에 끼워진 영역(사선부 B1 및 B2) 이외의 부분에도 격벽(2)의 외면(2a)이 존재하도록 하고, 비교예 3의 시료 TP를 제작했다. 실시예 1과 마찬가지의 열피로 시험을 실시한 결과, 격벽과 플랜지의 접속부로부터 배기 포트에서 시료 TP의 외면에 이르는 균열이 발생하였다.

[표 1]

주; (1) A2는 격벽의 중점으로부터 30mm의 위치에 있어서의 두께.

(2) 실시예 1의 격벽에 대한 경사(θ₁: 중심 영역의 각도, θ₂:

확개 영역의 각도).

(3) 격벽의 중점으로부터의 거리.

<실시예 3>

도 7a에 나타낸 터빈 하우징(Ta)을 제작했다. 터빈 하우징(Ta)은 직렬 4기통 이며 배기량 2000cc의 고성능 가솔린 엔진(도시하지 않음)에 사용되고, 배기 매니폴드로 집합시킨 엔진으로부터의 배기 가스의 압력으로 터빈 하우징 내의 터빈을 회전시키고, 이 터빈과 동축(同軸)의 압축기를 구동시켜 혼합기체를 압축하여 엔진에 공급함으로써, 엔진의 출력을 높이는 것이다.

도 7a에 나타낸 바와 같이 터빈 하우징(Ta)의 개구단면(3)은, 도 4b에 나타낸 실시예 1의 시료 TP와 대략 닮은 꼴 형상을 하고 있으므로, 도 4b를 참조하여 격벽(2) 부분의 형상을 설명한다. 격벽(2)의 길이는 40mm, 격벽의 최소 두께(A)는 3mm이다. 격벽(2)은, 길이 방향의 중점 O를 중심으로 하여 격벽(2)의 길이의 1/2의 범위로 두께 3mm의 평판형의 중심 영역(21)을 가지고, 평판형의 중심 영역(21)의 외측에는 확개 영역(4a)과 접속부(4)로 이루어지는 단부 영역(40)을 가진다. 격벽(2)의 최소 두께(A)는 중심 영역(21)의 두께와 같은 3mm이며, 확개 영역(4a)은 중심 영역(21)의 단부로부터 점차 직선형으로 폭이 넓어지고, 격벽(2)의 길이 방향의 중점 O로부터 격벽(2)의 길이의 3/8(15mm)의 위치에 있어서의 두께(A2)의 값은 5mm이다. 접속부(4)는 확개 영역(4a) 및 관부(10)의 내벽(5)에 접선 방향으로 접속되는 반경 3.5mm의 원호형이었다.

상기와 같이 격벽을 형성함으로써, (a) 격벽의 길이 방향 중심선(C)으로부터 A/2, 즉 1.5mm만큼 이격된 평행선(H1, H2)과, 평행선(H1, H2) 및 내벽에 접선 방향으로 접속되는, 반경 r1, r2= 2.85mm(반경이 r1+r2= 1.9A를 만족시킴)의 원호(R1, R2)로 이루어지는 각 내측선과, (b) 격벽의 길이 방향 중심선(C)으로부터 거리 3/2×A, 즉 4.5mm만큼 이격된 평행선(H3, H4)과, 평행선(H3, H4) 및 내벽에 접선 방향 으로 접속되는, 반경 r3, r4= 6mm(반경이 r3+r4= 4A를 만족시킴)의 원호(R3, R4)로 이루어지는 각 외측선에 끼워진 영역(사선부 B1 및 B2) 내에 격벽(2)의 각 외면(2a)이 존재하였다.

또, 플랜지 및 격벽 이외의 터빈 하우징(Ta)은, 주요부 두께를 2.5mm~5.5mm로 하여 오스테나이트계 내열 주강으로 주조하고, 소정의 열처리를 행한 후, 가공을 행하여 제작했다.

터빈 하우징(Ta)에 대하여, 열피로 시험 장치(40)를 사용하여 실시예 1과 마찬가지로 열피로 시험을 행하였다. 열피로 시험은, (ⅰ) 터빈 하우징(Ta)의 격벽(2)의 중앙부의 온도가 1000℃가 될 때까지 가열하여 10분 유지, 및 (ⅱ) 연소 가스의 공급을 정지하고 냉각하여 10분 유지하는 두 공정으로 이루어지는 사이클을 1사이클로 하여 1000사이클로 행하였다. 도 7a에, 열피로 시험 후의 터빈 하우징(Ta)에 발생한 균열(CRK)을 병행하여 나타낸다. 균열(CRK)은, 격벽(2)의 대략 중앙부에 발생하고, 터빈 하우징의 외면에 관통하도록 한 것은 인정되지 않았다.

<비교예 4>

격벽(2)의 확개 영역(4a)의 두께를 중심 영역(21)과 같은 3mm로 일정하게 하여 실질적으로 확개 영역(4a)을 가지지 않고, 격벽(2) 및 내벽(5)에 접선 방향으로 접속되는 원호의 반경을 2mm로 한 것 이외에는 실시예 3의 터빈 하우징(Ta)과 마찬가지로 하여 도 7b에 나타낸 터빈 하우징(Tb)을 제작했다. 터빈 하우징(Tb)의 개구단면(3)은, 도 4d에 나타낸 비교예 1의 시료 TP와 대략 닮은 꼴 형상을 하고 있다.

터빈 하우징(Tb)은, 반경(r1~r4)이 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r1+r2= 1.9A 및 r3+r4= 4A를 만족시키는 어느 값을 취해도, (a) 격벽의 길이 방향 중심선 C로부터 A/2만큼 이격된 평행선(H1, H2)과, 평행선(H1, H2) 및 내벽에 접선 방향으로 접속되는 원호(R1, R2)로 이루어지는 각 내측선과, (b) 격벽의 길이 방향 중심선(C)으로부터 거리 3/2×A만큼 이격된 평행선(H3, H4)과, 평행선(H3, H4) 및 내벽에 접선 방향으로 접속되는 원호(R3, R4)로 이루어지는 각 외측선에 끼워진 영역(사선부 B1 및 B2) 이외의 부분에도 격벽(2)의 외면(2a)이 존재하였다.

터빈 하우징(Tb)에 대하여 실시예 3과 같은 조건으로 열피로 시험을 행했던 바, 318 사이클로 터빈 하우징(Tb)의 외면으로 관통하는 균열(CRK)이 발생하였다. 도 7b에 균열(CRK)을 병기하여 나타낸다. 터빈 하우징(Tb)에서는, 배기 포트(Pa) 또는 (Pb)의 배기 가스가, 균열(CRK)을 통하여 외부로 분출함으로써, 배기 간섭을 일으키거나 터빈 하우징의 작동이 불안정하게 되거나 하여, 결과적으로 엔진의 성능이 저하되고, 문제인 것을 알 수 있었다.

이상의 실시예로부터, 본 발명의 배기계 부품은, 중량이 극단으로 증가하지 않고, 배기 포트와 배기계 부품의 외측이 연통되는 균열이 발생하지 않는 것을 알았다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 배기계 부품은, 중량의 증가나 배기 포트의 단면 형상의 제한이 거의 없고, 외면에 이르는 균열의 발생이 방지되어 있으므로, 엔진의 동작이 안정화되어, 성능 저하가 일어나지 않는다.

Claims

격벽으로 분리된 2개 이상의 배기 포트를 가지는 배기계(排氣系) 부품으로서,

상기 격벽을 가지는 관부(管部)의 임의의 측면 방향 단면(개구단면(開口端面)을 포함함)에서 보았을 때, 상기 관부의 내벽 사이로 연장되는 상기 격벽은, 그 길이 방향의 중점(中点)을 중심으로 하여 상기 격벽의 길이의 1/2의 범위 내로 최소 두께(A)를 가지는 동시에, 상기 격벽의 각 외면은, (a) 상기 격벽의 길이 방향 중심선으로부터 거리 A/2만큼 이격된 평행선(H1, H2)과, 상기 평행선(H1, H2) 및 상기 내벽에 접선 방향으로 접속되는 반경(r1, r2)의 원호(R1, R2)(단, r1 및 r2는 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r1+r2= 1.9A를 만족시킴)로 이루어지는 내측선과, (b) 상기 격벽의 길이 방향 중심선으로부터 거리 3/2×A만큼 이격된 평행선(H3, H4)과, 상기 평행선(H3, H4) 및 상기 내벽에 접선 방향으로 접속되는 반경(r3, r4)의 원호(R3, R4)(단, r3 및 r4는 모두 1/3×A 이상이며, 또한 r3+r4= 4A를 만족시킴)로 이루어지는 외측선에 끼워진 영역 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 배기계 부품.
제1항에 있어서,

상기 원호(R1, R2)의 반경(r1, r2)은, r1+r2= 2.5A를 만족시키는 것을 특징으로 하는 배기계 부품.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 격벽의 최소 두께(A)는 2mm~10mm이며, 상기 격벽의 각 외면과 상기 내벽이, 상기 관부의 임의의 측면 방향 단면에서 보았을 때 반경 2mm~13mm의 원호로 접선 방향으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 배기계 부품.