KR20080005304A - 이중-쉘 매니폴드 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 외부 쉘(22); 및, 상기 외부 쉘(22)에 용접되며, 기관의 실린더 헤드를 받치기 위한 표면(24B)과 상기 받침면(24A)에서 개방된 적어도 하나의 통공(28)을 구비한 플랜지(24);를 포함하는 외부 케이싱(18); 및 상기 외부 케이싱(18) 내에 배치되며 상기 통공(28)을 통하여 개방되는 적어도 하나의 내부 채널(20);을 포함하는 배기 매니폴드(12)에 관한 것이다. 여기서, 상기 적어도 하나의 내부 채널(20)은, 세라믹 물질로 형성되고, 상기 적어도 하나의 통공(28)을 통하여 상기 플랜지(24)의 일측에서 타측으로 연장되며, 상기 받침면(24A)을 지나쳐 바깥으로 연장되어 상기 외부 케이싱(18) 바깥에 위치하는 연속부(32)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

기관, 실린더, 실린더 헤드, 가스, 배출, 매니폴드, 단열, 튜브

Description

이중-쉘 매니폴드{Double-shell manifold}

본 발명은 아래의 구성을 포함하는 유형의 내연 기관의 배기 라인을 위한 배기 매니폴드에 관한 것이다;

- 외부 쉘; 및, 상기 외부 쉘에 용접되며, 기관의 실린더 헤드를 받치기 위한 표면과 받침면에서 개방된 적어도 하나의 통공을 구비한 플랜지;를 포함하는 외부 케이싱(18),

- 상기 외부 케이싱 내에 배치되며 상기 통공을 통하여 개방되는 적어도 하나의 내부 채널.

통상적으로, 열기관을 구비한 차량에는 촉매 정제 부재들 및/또는 미립자 필터들과 같은 오염제거 부재를 포함하는 배기 라인들(exhaust lines)이 구비된다. 이러한 오염제거 부재들이 만족스러운 방식으로 작동하도록, 배기 가스들은 고온에 도달해야만 한다. 따라서, 배기 라인에서 그리고 특히 열기관의 출구를 제1 오염제거 부재로부터 분리하는 매니폴드에서 열의 과도한 손실을 방지하는 것은 이롭다.

이러한 목적을 위해 다양한 해결책들이 고안되어 왔다. 특히, 공기 공간 또는 단열 물질에 의해 내부 채널들과 분리된 외부 쉘 내에 유지되는 내부 채널들을 포함하는 매니폴드가 과도한 열손실을 방지하는데 효과적이라는 것이 밝혀졌다.

이러한 매니폴드는 실린더 헤드에의 고정을 위한 플랜지를 포함하며, 플랜지에는 한편으로는 내부 채널들이 지지되고 다른 한편으로는 외부 쉘이 지지된다.

금속성 플랜지는 배기 가스들이 플랜지를 지나갈 때 배기 가스들로부터 상당량의 열에너지를 발산한다는 것이 밝혀졌다.

본 발명의 목적은, 열손실을 줄이면서 뜨거운 배기 가스들을 배기 라인의 하류 부분으로 운반되어지도록 하는 배기 매니폴드를 제공하는 것이다.

그리하여, 본 발명은 전술한 유형의 매니폴드에 관한 것이며, 다음의 특징으로 갖는다:

- 각각의 내부 채널은 세라믹 물질로 형성되며,

- 각각의 내부 채널은 통공(aperture)을 통하여 플랜지의 일측에서 타측으로 연장되며 받침면을 지나 외측으로 연장되어 외부 케이싱의 바깥에 위치하는 연속부를 포함한다.

특정 실시예들에 따르면, 상기 매니폴드는 이하의 특징들 중에서 하나 이상의 특징으로 포함한다:

- 연속부의 길이는 10 mm 내지 20 mm 이다;

- 통공 내에서 플랜지와 내부 채널 사이에 형성된 틈새(clearance)는 0.5 mm 이하이다;

- 채널의 두께는 통공에서 그리고 통공을 지나 위치한 연속부에서 동일하다;

- 연속부는 받침면에 대해 돌출된 내부 채널의 길이를 따라 외측으로 과도한 두께를 갖는 부분을 포함하며 플랜지의 통공의 단면적은 과도한 두께를 갖는 부분을 구비한 연속부의 바깥 단면적보다 더 크다;

- 과도한 두께를 갖는 부분은 단지 받침면을 지나서 연장 형성된다;

- 매니폴드는, 받침면을 지나 돌출된 내부 채널의 연속부를 둘러싸는 외측 칼라를 포함하며, 칼라의 바깥 단면적은 통공의 단면적보다 더 크다;

- 칼라는 팽창성 물질의 링을 포함한다;

- 매니폴드는, 외부 쉘과 채널 사이에 실링 조인트를 포함하며, 조인트는, 상기 플랜지에 대향하여 인접되어 있다;

본 발명은 또한, 배기 출구들이 형성된 실린더 헤드; 및, 상기 실린더 헤드에 대향하는 받침면과 상기 배기 출구들을 마주보는 통공을 구비하며 상기 실린더 헤드에 끼워맞춰지는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 매니폴드;를 포함하며, 상기 배기 출구들이 상기 매니폴드와 마주하며 개방된 오버보어를 구비하고, 상기 매니폴드의 각각의 내부 채널은 상기 오버보어에 의해 구획된 공간에 수용되는 것을 특징으로 하는 기관(engine)에 관한 것이다.

도 1은 엔진의 실린더 헤드와 관련된 본 발명에 따른 배기 매니폴드(exhaust manifold)의 부분단면 정면도이다.

도 2는 배기 매니폴드와, 기관(engine)의 실린더 헤드의 연결에 대한 상세 단면도이다.

도 3 및 4는, 도 2에 대응되는 도면들로서, 매니폴드와 실린더 헤드의 구성 변형을 나타낸 도면이다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 오로지 예로서 주어진 이하의 설명으로부터 더욱 용이하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 배기 매니폴드(12, exhaust manifold)와 결합된 열기관(10, heat engine)을 도시한다. 이러한 열기관은, 예로써 네 개의 실린더를 포함하며, 실린더 각각에 하나의 밸브 채널(14)이 연결됨으로써 기관의 실린더 헤드(15)를 통하여 제공되는 배기 출구가 형성된다.

네 개의 출구들(14)은 배기 매니폴드(12)의 입구가 고정되는 실린더 헤드의 평면(16) 상에서 개방되어 있다.

상기 배기 매니폴드(12)는 네 개의 튜브(20)가 수용되는 실링된 외부 케이싱(18)을 실질적으로 포함하며, 네 개의 튜브(20)는 배기 가스들을 위한 배출 채널들을 형성한다. 각각의 튜브는 열기관(10)의 하나의 실린더에 대한 하나의 배기 출구와 관련된다.

상기 외부 케이싱(18)은 모든 튜브들(20)을 둘러싸는 외부 쉘(22, outer shell) 및 매니폴드를 기관의 실린더 헤드(15)에 연결하기 위한 플랜지(24)를 포함한다.

외부 쉘(22)은, 예를 들어, 중앙의 주변 용접 심(weld seam)에 의해 서로 조립되는 두 개의 금속성 하프-쉘(half-shell)에 의해 형성된다. 이러한 쉘은 플랜지(24)로부터 배출단(26) 쪽으로 수렴하는 형상이다.

플랜지(24)는 기관의 배출공(14)에 마주하여 배치된 네 개의 입구공(28)을 갖는 경판(solid plate)으로 형성된다. 플랜지는 또한 매니폴드를 실린더 헤드에 고정시키기 위한 나사들을 통과시키는 통공들을 포함한다.

플랜지는 주요 외부면을 구비하며, 주요 외부면은, 실린더 헤드 평면(16)에 배치되는 받침면(24A) 및 외부 쉘(22)이 외적인 용접 심(29)에 의해 고정되는 반대측 내부면(24B)을 형성한다.

내부 튜브(20)는 특허 출원 US-6,134,881, US-6-161,161,379, US-6,725,656 및 WO-2004/106708에 기술된 것과 같은 세라믹 물질로 형성된다. 이러한 물질들은 섬유들에 의해 강화된 무기 중합체, 바람직하게는 세라믹 섬유(ceramic fibres)에 기초한 복합재를 포함한다. 이러한 물질들은 특히, 그것들의 높은 열적 관성(thermal inertia), 그것들로 하여금 배기에 존재하는 뜨거운 가스들의 흐름과 모터 차량들 특유의 진동력들에 견딜 수 있도록 하는 기계적 특성, 및 마지막으로 내연 기관으로부터 배출되는 뜨거운 가스들에 대한 온도 저항성 때문에, 이롭다.

튜브들의 표준 부위에서의 두께는 0.4 내지 0.8 mm이다. 케이싱의 출구(26)를 형성하는 실질적으로 관형인 부분(30)을 통하여 매니폴드의 출구(26)에서 개방된 튜브들의 다발을 형성하기 위해, 튜브들은, 실린더에 대응하는 매니폴드의 입구공(28)으로부터 서로를 향해 수렴한다.

튜브들은 바람직하게는 그것들의 전체 길이를 따라 서로 독립적이다. 그리하여, 튜브들은 출구 부분(30)에서 연속적인 방식으로 배치된다. 튜브들은 모두 그것들의 하류단 영역에서 출구 부분(30)을 가로지르는 동일 평면에서 개방되어 있다. 이러한 하류단에서, 각각의 튜브는 쿼터-디스크(quarter disk) 형상의 단면을 갖는다.

네 개의 튜브들은 금속 격자(metal lattice) 형상의 링(ring)에 의해 형성된 조인트(31, joint)에 의해 채널(30)에서 방사상 위치에 유지된다.

튜브들(20)은 타단에서 각각 통공(28)을 통하여 연장된다. 각각의 튜브는, 도 2에 도시된 통공(28)을 통하여 플랜지(24)의 일측으로부터 타측으로 연장되며, 플랜지의 받침면(24A)을 지나서 외부 케이싱(18) 바깥에 위치하는 연속부(32)를 구비한다. 이러한 연속부(32)는 받침면(24A)에 대해 축 방향으로 1cm 내지 2cm의 길이가 돌출된다.

상기 연속부(32)는 관련된 배기 출구(14)의 개방단에 구비되는 오버보어(34, overbore)에 수용된다. 이러한 오버보어(34)의 추가적인 단면적은 튜브(20)의 단면적보다 아주 미세하게 더 크다. 같은 방식으로, 각각의 통공(28)은 오버보어의 단면적에 대응하며 오버보어에 정확히 정렬된 단면을 갖는다. 오버보어의 길이는 연속부(32)의 길이보다 아주 미세하게 더 크다. 같은 방식으로, 오버보어(34)와 연속부(32) 사이의 축 및/또는 반경 방향의 틈새(clearance)는 아주 작으며 특정하게는 0.5 mm 이하이다.

바람직하게는, 오버보어(34)의 주변벽에는 주변홈(35)이 제공된다. 실링 조인트(36, sealing joint)가 이러한 주변홈 내에 수용되어 관련 튜브의 연속부(32)의 외면을 가압할 수 있다.

같은 방식으로, 실링 조인트(40)가 플랜지의 내면을 따라 외부 쉘(22)과 튜 브들의 다발 사이에 배치된다.

이러한 조인트들은, 예를 들어, 긴 세라믹 섬유들 또는 긴 세라믹 섬유들과 금속 격자의 혼합물로 형성된다.

세라믹은 단열 물질이기 때문에, 상기 유형의 배치에서, 가스들의 흐름은 플랜지를 통하여 연장되는 튜브들(20) 각각에 의해 플랜지(24)로부터 단열된다. 더욱이, 플랜지 영역에서 실린더 헤드를 가스 흐름으로부터 분리하는 연속부(32)는 또한 실린더 헤드를 통한 가스들로부터 플랜지로의 열전달을 방지한다.

세라믹 물질을 사용함으로써, 튜브들의 아주 작은 팽창으로 인하여, 추가적으로 튜브들, 플랜지 및 실린더 헤드 사이의 아주 정밀한 조절이 가능하게 된다.

도 3에 도시된 일 실시예에서, 각각의 튜브(20)는, 일단에서 배기 출구(14)의 오버보어(34) 내에 수용되며, 플랜지의 받침면(24A)을 넘어서 배치된 연속부(32)에서만 바깥으로 과도하게 확장된 두께(42)를 갖는 부분을 구비한다. 이러한 과도한 두께를 갖는 부분은, 튜브들(20)의 통상적 두께의 1 내지 3배에 해당하는 두께를 갖는다. 이러한 배치에서, 플랜지의 통공(28)의 단면적은, 과도한 두께(42)를 갖는 부분을 구비한 튜브들(20)의 연속부(32)의 외부 단면적보다 아주 미세하게 더 크다.

이러한 실시예에서는, 연속부에서 과도한 두께를 갖는 부분에 의해, 배기 가스들과 플랜지와 접촉하는 실린더 헤드에서 부위 간의 단열이 더욱 향상된다.

도 4의 실시예에서, 통공(28)은 튜브들(20)의 외측 단면적에 실질적으로 대응하는 단면적을 갖는다. 각 튜브의 연속부(32)는, 받침면(24A)을 넘어 돌출된 튜 브의 일단을 둘러싸는 외측 칼라(50, outer collar)를 포함한다.

이러한 칼라(50)는 팽창성 물질로 형성되며 주변 후프(54, peripheral hoop)에 의해 둘러싸인다. 이러한 주변 후프(54)는, 예를 들어, 세라믹 물질로 형성된다. 칼라(50)는, 그것의 일단에서, 연속부(32)의 일단과 주변 후프(54)의 일단 사이에 개입되는 크라운(56, crown)을 포함하며, 여기서 크라운(56)은 예를 들어 세라믹 물질일 수 있다.

상기 칼라의 총 두께는, 예를 들어, 3 mm 내지 7 mm 이다.

이러한 실시예에서도 또한, 배기 가스들과 플랜지(24)와 접촉하는 실린더 헤드 부위 간의 향상된 수준의 단열이 달성된다.

Claims (10)

1. 외부 쉘(22); 및, 상기 외부 쉘(22)에 용접되며, 기관의 실린더 헤드를 받치기 위한 표면(24B)과 상기 받침면(24A)에서 개방된 적어도 하나의 통공(28)을 구비한 플랜지(24);를 포함하는 외부 케이싱(18); 및

   상기 외부 케이싱(18) 내에 배치되며 상기 통공(28)을 통하여 개방되는 적어도 하나의 내부 채널(20);을 포함하며,

   상기 적어도 하나의 내부 채널(20)은,

   세라믹 물질로 형성되고, 상기 적어도 하나의 통공(28)을 통하여 상기 플랜지(24)의 일측에서 타측으로 연장되며, 상기 받침면(24A)을 지나쳐 바깥으로 연장되어 상기 외부 케이싱(18) 바깥에 위치하는 연속부(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 매니폴드(12).
2. 제1항에 있어서,

   상기 연속부(32)의 길이는 10 mm 내지 20 mm 인 것을 특징으로 하는, 배기 매니폴드.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 통공(28) 내에서 상기 플랜지(24)와 상기 내부 채널(20) 사이에 형성되는 틈새(clearance)는 0.5 mm 이하인 것을 특징으로 하는, 배기 매니폴드.
4. 제3항에 있어서,

   상기 적어도 하나의 내부 채널(20)의 두께는, 상기 통공(28) 내에서 그리고 상기 통공(28)을 지나 위치하는 상기 연속부(32)를 따라 일정한 것을 특징으로 하는, 배기 매니폴드.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 적어도 하나의 연속부(32)는, 상기 받침면(24B)에 대해 돌출된 상기 적어도 하나의 내부 채널(20)의 길이를 따라 외측으로 과도한 두께(42)를 갖는 부분을 포함하며,

   상기 플랜지(24)의 상기 적어도 하나의 통공(28)의 단면적은, 상기 과도한 두께(42)를 갖는 상기 부분을 구비한 상기 연속부(32)의 바깥 단면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 배기 매니폴드.
6. 제5항에 있어서,

   상기 과도한 두께(42)를 갖는 상기 부분은, 상기 받침면(24B)을 지나서만 연장된 것을 특징으로 하는, 배기 매니폴드.
7. 제1항 내지 제3항에 있어서,

   상기 매니폴드는, 상기 받침면(24A)을 지나 돌출된 상기 적어도 하나의 내부 채널의 연속부(32)를 둘러싸는 외측 칼라(50)를 포함하며,

   상기 칼라(50)의 바깥 단면적은 상기 통공(28)의 단면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 배기 매니폴드.
8. 제7항에 있어서,

   상기 칼라(50)는, 팽창성 물질의 링(52)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 매니폴드.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 매니폴드는, 상기 외부 쉘(22)과 상기 채널(20) 사이에 실링 조인트(40)를 포함하며,

   상기 조인트(40)는, 상기 플랜지(24)에 대향하여 인접된 것을 특징으로 하는, 배기 매니폴드.
10. 배기 출구들(14)이 형성된 실린더 헤드(15); 및, 상기 실린더 헤드에 대향하는 받침면(24A)과 상기 배기 출구들(14)을 마주보는 통공(28)을 구비하며 상기 실린더 헤드(15)에 끼워맞춰지는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 매니폴드(12);를 포함하는 기관(engine)에 있어서,

    상기 배기 출구들(14)은 상기 매니폴드(12)와 마주하며 개방된 오버보어(34)를 구비하며, 상기 매니폴드의 각각의 내부 채널(20)은 상기 오버보어(34)에 의해 구획된 공간에 수용되는 것을 특징으로 하는, 기관.

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