KR20110060415A - 차량의 배기파이프 구조 - Google Patents

차량의 배기파이프 구조 Download PDF

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본 발명은, 엔진의 전방에 배치된 좌측매니폴드와 엔진의 후방에 배치된 우측매니폴드를 촉매컨버터(UCC)로 연결하는 차량의 배기파이프 구조에 있어서, 상기 좌측매니폴드를 연결하고 엔진의 후방을 향하도록 연장된 좌측배기파이프;와 상기 우측매니폴드를 연결하며 엔진의 전방을 향하도록 형성된 직선부와 상기 직선부에서 절곡되어 상기 좌측배기판에 평행하게 배치된 절곡부로 이루어진 우측배기파이프; 및 상기 우측배기파이프의 절곡부와 좌측배기파이프의 말단이 각각 연결되어 내부에서 합류하도록 개통되고 촉매컨버터로 연결되는 합류부;를 포함하여 구성되고, 상기 우측배기파이프의 절곡부와 좌측배기파이프는, 외주면에서 면접촉하며 결합되며, 면접촉하는 부분은 각각이 서로 마주하는 반원관(semi-circular pipe) 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은, 배기간섭을 저하시켜 저속 및 중속 영역에서 엔진의 토크와 연비를 향상시키는 효과가 있으며, 토크 증가에 따라 발진 가속성 및 운전성이 향상되는 효과가 있다.
우측배기파이프, 좌측배기파이프, 합류부

Description

차량의 배기파이프 구조{Construction of exhaustion pipe for automobile}
본 발명은 차량의 배기 시스템 구조에 관한 것으로 더욱 상세하게는 엔진의 양측에서 배출되는 배기가스가 서로 간섭발생 없이 원활히 유동하도록 배기 파이프의 구조를 개선하여 배기 성능을 향상시킨 차량의 배기파이프 구조에 관한 것이다.
차량은 엔진의 위치와 구동축이 전륜인지 후륜인지 여부에 따라 FF, FR, RR, 4WD 등으로 구동방식이 구분된다.
상기와 같은 구동방식들은 각각이 장단점이 있으나, 이중 승용차량의 경우 일반적으로 FR(Front engine, Rear wheel drive)와 함께 FF(Front engine, Front wheel drive) 구동 방식이 널리 사용되고 있다.
한편, 승용 차량의 엔진의 경우 실린더 배치 형태에 따라서 직렬형 엔진과 V 형 엔진으로 구분할 수 있다. 이 중 V 형 엔진은 실린더를 크랭크축을 중심으로 V자형태로 배열한 것으로서 엔진의 부피를 줄이기 상대적으로 용이하여 기통수가 많고 배기량이 큰 엔진에서 적용된다.
이와 같은 V 형 엔진이 차량에 장착되는 경우, 차량의 구동방식에 따라서 배 기 시스템의 배관 구조는 다르게 제작된다.
도 1a 에 도시된 배기 파이프는 FF 타입의 차량에 적용되는 구조이고, 도 1b 에 도시된 배기 파이프는 FR 타입의 차량에 적용되는 구조이다.
도 1b 에 도시된 바와 같이 FR 타입의 차량은, 엔진 실린더의 배열이 차량의 전후방향을 따라 배치되도록 엔진이 탑재되므로, 엔진 양측 매니폴드로부터 각각의 배기파이프들을 길게 연장시킬 수 있으며, 각각의 배기파이프들의 중단에 촉매컨버터(UCC : Underbody Catalytic converter)(12a, 12b)를 각각 배치할 수 있었다. 하지만, 무엇보다도 양측의 매니폴드들(10a, 10b)이 합류하는 지점을 엔진의 실린더로부터 멀리 배치하여 배기간섭을 줄일 수 있었다.
엔진의 각 실린더에서 발생하는 연소 가스는 실린더의 점화 순서에 따라 발생된다. 상기 연소가스는 배기 밸브의 개폐에 의한 연소 가스의 밀도차에 의하여 이동한다. 이를 배기 관성효과라 하고 상기 배기 관성효과는 배기 밸브가 닫히기 직전 실린더 내의 잔류 가스를 빨아당겨 내는 현상으로 배기 파이프의 형상과 배치에 따라 차이가 발생한다. 가령, 한 실린더의 연소가스가 배기 파이프를 통과할 때 다른 실린더에서 배출된 연소가스가 합류하여 간섭을 일으키면 연소 가스의 배출 효율은 떨어진다. 따라서, 이와 같은 배기간섭을 줄이기 위해서는 각 실린더의 매니폴드들을 충분히 길게 형성하는 것도 바람직하지만, 양측의 매니폴드에서 배출되는 연소 가스가 실린더와 충분히 먼 지점에서 합류하도록 배기 시스템을 구성하여야 한다.
하지만, 도 1a 에 도시된 바와 같이, 차체 구조 및 레이아웃을 고려하여 엔 진 실린더의 배열이 차량과 수직을 이루도록 엔진이 배치되는 FF 타입의 차량에서는 양측의 매니폴드(10a, 10b)에서 배기되는 연소가스가 합류하는 부분(A)이 촉매컨버터(12) 전방에 배치된다. 즉, 도면에 도시된 바와 같이, FR 타입의 차량에서는 연소가스가 유해물질을 걸러주는 촉매컨버터를 통과한 후 합류하도록 구성되나, FF 타입의 차량에서는 UCC 에 진입하기 전 이미 연소가스가 합류하도록 구성된다. 따라서, FF 타입 차량의 배기시스템 구조는 FR 타입의 차량의 배기시스템 구조보다 배기간섭의 영향을 크게 받게 된다.
전술한 바와 같은 이유로 FF 타입 차량의 배기파이프는 매니폴드에서부터 연소가스가 합류하는 지점까지의 길이가 상대적으로 짧기 때문에 엔진의 저속회전영역에서 토크가 저하되었다.
물론, 촉매컨버터를 후방에 배치하고 합류하는 부분을 더 후방에 형성하여 배기간섭을 줄일 수도 있겠으나, 이 경우 연소가스의 온도가 하락하여 촉매컨버터가 제대로 작동하지 못하는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명은 촉매컨버터의 위치변경 없이 매니폴드에 일체로 구성된 WCC(Warm-up catalytic converter)를 통과한 연소 가스가 촉매컨버터에 진입하기 전에 최대한 후방측에서 합류하는 배기파이프를 제공하는 것을 주목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, V 형 엔진이 탑재되어 엔진의 전방에 배치된 좌측매니폴드와 엔진의 후방에 배치된 우측매니폴드를 촉매컨버터(UCC)로 연결하는 FF 구동방식 차량의 배기파이프 구조에 있어서, 상기 좌측매니폴드를 연결하고 엔진의 후방을 향하도록 연장된 좌측배기파이프;와 상기 우측매니폴드를 연결하며 엔진의 전방을 향하도록 형성된 직선부와 상기 직선부에서 절곡되어 상기 우측배기판에 평행하게 배치된 절곡부로 이루어진 우측배기파이프; 및 상기 우측배기파이프의 절곡부의 말단과 좌측배기파이프의 말단이 각각 연결되어 내 부에서 합류하도록 개통되고 촉매컨버터로 연결되는 합류부;를 포함하여 구성되고, 상기 우측배기파이프의 절곡부와 좌측배기파이프는, 외주면에서 면접촉하며 결합되며, 면접촉하는 부분은 각각이 서로 마주하는 반원관(semi-circular pipe) 형상으로 형성된다. 즉, 각각의 반원관들은 평평한 면이 면접촉하도록 결합하여 원통형상을 이룬다.
그리고, 상기 절곡부는 직선부의 길이와 동일하거나 더 길게 형성되되, 합류부가 우측배기파이프의 후방으로 배치되도록 절곡부이 길이가 직선부의 길이보다 더 길게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 합류부는 좌측배기파이프와 우측배기파이프에서 전달되는 진동을 감쇄시키는 절연부재를 포함하여 구성되며, 상기 절연부재 통하여 촉매장치로 연결된다.
아울러, 상기 우측배기파이프의 절곡부와 좌측배기파이프에 형성된 반원관은 하이드로-포밍(Hydro-forming) 가공으로 제조된다.
상기와 같은 구성의 본 발명은, 배기간섭을 저하시켜 저속 및 중속 영역에서 엔진의 토크와 연비를 향상시키는 효과가 있으며, 토크 증가에 따라 발진 가속성 및 운전성이 향상되는 효과가 있다.
상기 배기파이프는 하이드로-포밍 공법으로 가공된 두 개의 반원관이 서로 면접촉하는 형태로 구성되어 종래 배기파이프와 대비하여 성능은 개선되나 부피가 증가되지는 않아 공간활용효율에서 더 유리하다.
아울러, 하나의 파이프와 같이 구성되어 촉매컨버터까지 온도를 손실시키지 않고 연소가스를 이송하는 효과가 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배기파이프의 구조를 더욱 상세히 설명한다.
도 2 를 참조하면, 본 발명의 배기파이프는, 좌측매니폴드(10b)가 엔진의 전방 즉, 차량의 전방측에 배치되고 우측매니폴드(10a)가 엔진의 후방에 배치된 엔진의 하부에서 결합된다.
상기 배기파이프는 양측의 매니폴드들(10a, 10b)에서 발생된 연소가스를 촉매컨버터(UCC)(미도시)로 전달하도록 구성된다. 따라서, 양측의 매니폴드들(10a, 10b) 아래로 우측배기파이프(30)와 좌측배기파이프(20)가 각각 연결되고, 상기 우측배기파이프(30)와 좌측배기파이프(20)의 끝단은, 촉매컨버터에 연결되는 합류부(40)에서 내부가 개통되도록 형성된다.
도시된 바와 같이, 상기 좌측배기파이프(20)는 우측배기파이프(30)의 일측에서 부분적으로 절곡되어 엔진의 후방측(차량의 후방측)을 향하여 길게 연장되는 반면, 우측배기파이프(30)는 엔진의 전방측을 향하다가 180 도로 절곡되어 엔진의 후방측을 향하도록 형성된다. 즉, 상기 우측배기파이프(30)는, 도시된 바와 같이 "U" 자 형상을 갖으며, 좌측배기파이프(20)의 일측에서 평행하게 배치된다.
참고적으로, 본 명세서상에서는 설명의 편의를 위해 우측배기파이프(30)의 절곡된 부분을 기준으로 분할하여, 우측매니폴드(10a)에 연결된 부분을 직선부(31)라 하고 상기 좌측배기파이프(20)와 인접하는 부분을 절곡부(32)라고 정의한다.
상기 우측배기파이프(30)를 이와 같이 절곡시켜 형성한 이유는 전술한 바와 같이 연소가스의 유동경로를 늘려 배기간섭 현상을 가급적 줄이기 위함이다. 상기 좌측배기파이프(20)와 우측배기파이프(30)의 절곡부(32)는 일정구간부터 맞닿아 합류부(40)의 전단까지 밀착되도록 결합된다. 도 2 에서 점선으로 표시된 구간은 도 3a 에 나타나며, 도 3b 는 도 3a 의 A-A 단면도이다. 도시된 바와 같이, 좌측배기파이프(20)와 절곡부(32)는 일정 구간부터 면접촉하도록 밀착하여 결합되되, 결합된 부분의 종단면은 반원 형상으로 형성된다. 즉, 좌측배기파이프(20)와 절곡부(32)의 면접촉하는 부분은 각각이 원통을 수직방향으로 이등분한 반원관(semi-circular pipe) 형상을 갖으며, 서로 마주하도록 결합되어 하나의 원통형상을 갖도록 구성된다. 이와 같이 결합된 좌측배기파이프(20)와 절곡부(32)는 원통형상을 갖는 합류부에서 각각의 끝단이 연결되어 내부가 개통된다. 참고적으로, 도 2 에 도시된 바와 같이, 좌측배기파이프(20)와 절곡부(32)의 끝단이 상측으로 들어올려지도록 굴곡된 것은 전술한 바와 같이 배기간섭을 줄이기 위해 길이를 늘리기 위함이다. 아울러, 연소가스가 합류하는 지점을 가급적 차량의 후방으로 배치하도록 우측배기파이프(30)는 직선부(31) 보다 절곡부(32)의 길이를 더 길게 형성시키는 것이 바람직하다.
한편, 상기 합류부(40)는 전술한 바와 같이 원통형상의 관(pipe)이며, 중단 에는 연소가스의 이동에 따른 소음 및 진동을 감쇄시키기 위한 절연부재(11)가 설치된다. 따라서, 우측매니폴드(10a)와 좌측매니폴드(10b)에서 수집되는 연소가스는 우측배기파이프(30)와 좌측배기파이프(20)를 통하여 이동되고, 합류부(40)에서 합류한 다음 절연부재(11)를 통과하며 소음과 진동이 감쇄된 상태에서 합류부(40)에 연결된 촉매컨버터로 이동된다.
이와 같이 본 발명에 따른 배기파이프는 절곡되는 부분을 포함한 각 부분에서 굽힘압력이 균일하게 전달되도록 반원관 형태가 하이드로-포밍(hydro-forming) 공법으로 제조되는 것이 바람직하다.
도 4 는 도 1 에 도시된 종래의 배기파이프와 본 발명에 따른 배기파이프의 비교 시험 데이터그래프이다.
도시된 바와 같이, 연소가스가 많이 배출되어 배기파이프 내에서 압력이 더 높은 rpm 영역에서는 별다른 차이가 나타나지 않으나, 배기파이프 내에서 압력이 상대적으로 낮은 rpm 영역에서는 배기간섭 현상이 억제되어 본 발명의 배기파이프가 종래의 배기파이프 보다 4~8% 의 토크 향상이 있음을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1a 는 FF 차량에 탑재되는 종래의 배기파이프의 모습을 도시한 사시도,
도 1b 는 FR 차량에 탑재되는 종래의 배기파이프의 모습을 도시한 평면도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배기파이프의 모습을 도시한 사시도,
도 3a 는 도 2 에서 점선으로 표시된 부분을 확대하여 도시한 평면도,
도 3b 는 도 3a 의 A-A 단면도,
도 4 는 종래의 배기파이프와 본 발명의 배기파이프의 적용에 따른 엔진의 토크를 비교한 시험 데이터그래프.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
20 : 좌측배기파이프 30 : 우측배기파이프
40 : 합류부

Claims (4)

  1. 엔진의 전방에 배치된 좌측매니폴드와 엔진의 후방에 배치된 우측매니폴드를 촉매컨버터(UCC)로 연결하는 차량의 배기파이프 구조에 있어서,
    상기 좌측매니폴드를 연결하고 엔진의 후방을 향하도록 연장된 좌측배기파이프;와
    상기 우측매니폴드를 연결하며 엔진의 전방을 향하도록 형성된 직선부와 상기 직선부에서 절곡되어 상기 우측배기판에 평행하게 배치된 절곡부로 이루어진 우측배기파이프; 및
    상기 우측배기파이프의 절곡부의 말단과 좌측배기파이프의 말단이 각각 연결되어 내부에서 합류하도록 개통되고 촉매컨버터로 연결되는 합류부;를 포함하여 구성되고,
    상기 우측배기파이프의 절곡부와 좌측배기파이프는, 외주면에서 면접촉하며 결합되며, 면접촉하는 부분은 각각이 서로 마주하는 반원관(semi-circular pipe) 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 차량의 배기파이프 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 합류부가 상기 우측배기파이프의 후방으로 배치되도록 절곡부의 길이가 직선부의 길이 보다 더 길게 형성된 것을 특징으로 하는 차량의 배기파이프 구조.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 합류부는 좌측배기파이프와 우측배기파이프에서 전달되는 진동을 감쇄시키는 절연부재를 포함하여 구성되며, 상기 절연부재 통하여 촉매장치로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량의 배기파이프 구조.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 우측배기파이프의 절곡부와 좌측배기파이프에 형성된 반원관은 하이드로-포밍(Hydro-forming) 가공으로 제조된 것을 특징으로 하는 차량의 배기파이프 구조.
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