KR20130128771A - 이종재질을 갖는 차량용 배기 매니폴드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 배기 매니폴드에 있어서, 매니폴드의 합류부 내측에 이종 재질의 판재를 접합하여 합류부의 내산화성 및 내열성을 향상시킨 매니폴드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
보다 더 구체적으로 본 발명은, 차량 엔진의 각 기통별 배기 포트와 연결되는 다수의 분기부와, 상기 다수의 분기부를 단일의 통로로서 합류시켜 배기 관로에 연결하는 합류부를 포함하는 배기 매니폴드에 있어서, 상기 합류부의 출구 내측에 판재를 접합하되, 상기 합류부와 판재의 재질은 서로 다른 것을 특징으로 하는 차량용 배기 매니폴드를 제공한다.

Description

이종재질을 갖는 차량용 배기 매니폴드 및 그 제조방법{Exhaust Manifold in Vehicle Made from Different Materislas and Method thereof}

본 발명은 차량용 배기 매니폴드에 있어서, 매니폴드의 합류부 내측에 이종 재질의 판재를 접합하여 합류부의 내산화성 및 내열성을 향상시킨 매니폴드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량용 배기 매니폴드(Exhaust Manifold)는 엔진의 각 기통별 배기 포트와 배기 관로 사이를 연결하는 부품으로서, 각 기통별 연소실내에서 연소후 발생되는 배기 가스를 배기 관로로 배출되도록 하는 역할을 수행한다.

통상 배기 매니폴드는 엔진의 각 기통별 배기 포트와 관로 형태로 합류되는 다수개의 런너(runner)로 이루어지는 분기부와, 이 다수개의 분기부를 단일의 통로로서 합류시켜 배기 관로에 연결하는 합류부로 형성되게 되며, 배기 매니폴드의 바디는 구상 흑연 주철 재료를 사용하여 제작되어 고온의 배기 가스에 대한 열해를 견디도록 되어 있다.

하지만, 엔진의 배기 매니폴드는 연소시 대략 900℃에 이르는 고온의 배기 가스에 직접적으로 노출되어 열해를 받게 되므로, 엔진의 가동과 정지에 따라서 반복적인 열 팽창 및 수축을 발생하게 되며, 그 결과 배기 매니폴드에는 반복적인 열 팽창 및 수축에 의해 압축 응력과 인장 응력을 반복적으로 받게 된다.

이와 같은 압축 응력 및 인장 응력의 반복적인 작용에 의해, 상기 배기 매니폴드에서는 잔류 응력에 의한 피로현상이 발생하게 되고, 피로 현상은 표면에 크랙을 형성시키게 되며, 종국적으로 배기 매니폴드를 관통하게 되는 균열로 성장하게 된다.

이와 같은 균열은 특히, 실린더 헤드와 접합에 따라 냉각되는 분기부보다는 다수의 분기부로부터 배기 가스를 공급받는 합류부에서 주로 발생하는 바, 이는 상기 합류부가 분기부에 비해 덜 냉각됨에 따른 것이라고 할 수 있다.

따라서, 엔진의 배기 매니폴드에 있어 열 팽창 및 수축에 의한 균열의 문제점을 해소하기 위해 소재의 두께를 증대시키거나 내열 재질화하는 연구가 시도되고 있다.

그러나, 배기 매니폴드의 소재의 두께를 증대시킬 경우에는 부품의 중량이 증가되어 제조비용의 상승과 더불어 차량의 중량증가에 따른 연비효율 하강의 문제점이 있었고, 또한 냉간 시동시 촉매가 활성화 온도에 도달하는 시간이 지연됨에 따른 유해 배기 가스가 증가되는 문제점이 발생하였다.

또한, 배기 매니폴드 자체를 내열 주물소재로 형성하는 경우에는, 그 소재의 우수함에도 불구하고 제조비용이 상승되어 저가 차량에는 적용하기 힘든 문제점이 있었다.

따라서, 배기 매니폴드의 제조비용 및 차량의 중량을 증가시키지 않으면서도, 배기 매니폴드에 집중되는 열부하를 완화시켜 내구성 및 안정성을 향상시키는 매니폴드의 구조 및 제조방법이 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배기가스가 합류하는 합류부의 내측에 이종재질을 갖는 판재를 접합함으로써 내산화성 및 내열성이 강화된 차량용 배기 매니폴드를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 배기 매니폴드 바디의 주조 전에 합류부 중자에 이종재질의 판재를 부착하여 주조함으로써 기존 주조재의 형상 자유도 및 원가를 동등 수준으로 유지하면서 추가 비용 및 추가 공정 없이 생산이 가능한 차량용 배기 매니폴드를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 차량 엔진의 각 기통별 배기 포트와 연결되는 다수의 분기부와, 상기 다수의 분기부를 단일의 통로로서 합류시켜 배기 관로에 연결하는 합류부를 포함하는 배기 매니폴드에 있어서,상기 합류부의 출구 내측에 판재를 접합하되, 상기 합류부와 판재의 재질은 서로 다른 것을 특징으로 하는 차량용 배기 매니폴드를 제공한다.

본 발명에서 상기 분기부 및 합류부를 포함하는 배기 매니폴드의 바디는 주철로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 판재는 스테인레스 강(SUS) 또는 주강(cast steel)으로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 판재는 내부가 비어있는 원통형으로 형성하는 것이 바람직하다.

전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 타측면에 의하면, 각 기통별 배기 포트와 연결되는 다수의 분기부와, 상기 다수의 분기부를 단일의 통로로서 합류시켜 배기 관로에 연결하는 합류부를 포함하는 배기 매니폴드의 제조방법에 있어서, 상기 합류부 중자의 외측을 소정 정도 절삭하는 단계; 상기 합류부 중자의 외측에 판재를 장착한 후 몰드에 체결하는 단계; 및 주물을 부어 상기 합류부의 내측에 판재를 접합하는 단계;를 포함하는 차량용 배기 매니폴드 제조방법을 제공한다.

본 발명은, 상기 중자의 절삭단계 전에, 배기 매니폴드 바디를 구성하는 원자재의 장입단계; 상기 원자재의 용해단계; 상기 용해된 원자재의 보온단계; 및 상기 원자재의 구상화처리단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 판재접합 단계는, 소정 온도의 주물 주입단계; 상기 주물의 냉각단계; 및 상기 주물의 탈사단계;를 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 차량용 배기 매니폴드에 의하면, 배기가스가 합류하는 매니폴드 합류부의 내측에 이종재질(예;스테인레스 강)을 갖는 판재를 접합함으로써 내산화성, 내부식성 및 내열성이 강화된 차량용 배기 매니폴드를 제공하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면, 배기 매니폴드 바디의 주조 전에 합류부 중자에 이종재질의 판재를 부착하여 주조함으로써 기존 주조재의 형상 자유도 및 원가를 동등 수준으로 유지하면서 추가 비용 및 추가 공정 없이 생산이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배기 매니폴드의 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 매니폴드의 합류부에 판재를 접합하는 모습을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 매니폴드 합류부의 중자에 판재를 장착한 모습을 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 매니폴드의 합류부 및 판재가 접합된 부분의 조직확대도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 매니폴드의 제조방법의 단계별 제조공정도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

최근 자동차 출력 증대 및 배기규제 강화에 따라 이를 만족하기 위해 배기가스 온도가 지속적으로 상승하고 있으며, 내구성 및 품질에 대한 측면도 강화되면서 배기계가 받게 되는 열부하는 점점 더 증가하고 있다. 배기가스 온도의 상승에 따라 현재 주철 소재는 그 사용 온도의 한계에 다다랐으며, 스테인레스 강(SUS), 주강(cast steel) 등 상위소재의 사용이 불가피한 실정이다. 그러나 이와 같은 상위 소재의 경우는 그 소재의 우수함에도 불구하고 원가의 과도한 상승으로 저가 차량에서 적용이 쉽지 않은 실정이다.

따라서, 본 발명에서는 주철 재질 배기 매니폴드의 합류부(130)의 내측에 스테인레스 강(SUS) 판재 또는 주강(cast steel) 판재를 접합시켜 종래의 주조재에서 발생하던 산화문제 및 내열성이 향상된 이종 재질을 갖는 차량용 배기 매니폴드를 제안한다.

또한, 주철과 스테인레스 강(SUS) 판재의 접합에 사용되던 종래의 용접, 브레이징 등의 공정은 배기 매니폴드의 복잡한 형상으로 인해 불가능하므로, 기존 배기 매니폴드 주조 전 합류부 중자(150)에 스테인레스 강(SUS) 판재 또는 주강(cast steel) 판재를 부착하여 주조함으로써 추가 비용 및 추가 공정 없이 접합을 가능하게 하였다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배기 매니폴드의 구성도이다.

본 발명의 차량용 배기 매니폴드는, 차량 엔진의 각 기통별 배기 포트와 연결되는 다수의 분기부(110), 상기 다수의 분기부를 단일의 통로로서 합류시켜 배기 관로에 연결하는 합류부(130), 상기 합류부의 출구 내측에 접합되는 판재(140)를 포함하여 형성될 수 있다.

이 때, 상기 합류부(130)와 판재(140)의 재질은 서로 달라야 하며, 판재(140)의 재질이 합류부(130)의 재질에 비해 내열성 및 내산화성이 우수한 것이 바람직하다.

즉, 상기 분기부(110) 및 합류부(130)를 포함하는 배기 매니폴드의 바디는 주철로 형성될 수 있는데, 예를 들면 하기의 표 1의 조성을 갖는 구상흑연 주철로 형성될 수 있을 것이다.

이에 비해, 합류부(130)의 내측에 접합되는 이종재질의 판재(140)는 배기가스로 인한 온도의 급격한 변화를 방지할 수 있도록 스테인레스 강(SUS) 또는 주강(cast steel)으로 형성될 수 있다.

상기 판재(140)를 스테인리스 강(SUS)로 제작할 경우 기존의 주철에 비하여 내구성이 우수하고, 촉매 활성화 도달시간을 단축시켜 배기가스에 포함된 유해 성분을 효과적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

상기 판재(140)를 주강(cast steel)로 제작할 경우에는, 탄소강주강, 망가니즈주강, 규소주강, 흑연강주강, 크로뮴강주강, 니켈강주강, 니켈크로뮴강주강, 니켈크로뮴몰리브데넘강주강, 크로뮴몰리브데넘강주강 또는 내열강주강 중에서 선택되는 어느 하나의 주강을 이용할 수 있을 것이다.

상기 판재(140)는 내부가 비어있는 원통형 또는 튜브형으로 형성될 수 있는데, 2.0-5.0mm의 스테인리스 강(SUS) 또는 주강(cast steel)을 벤딩이나 하이드로포밍하여 원통형 또는 튜브 형태로 제작할 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 매니폴드의 합류부에 판재를 접합하는 모습을 나타낸 예시도이다.

즉, 본 발명은 기존형태의 배기 매니폴드의 합류부(130)의 내측에 스테인리스 강(SUS) 또는 주강(cast steel)으로 형성되는 원통형 판재(140)를 접합하여 배기가스에 대한 내열성 및 촉매에 대한 내산화성을 향상시키게 된다.

다만, 상기 원통형 판재(140)는 합류부(130)의 내측에 용접, 브레이징 등의 공법으로 접합시키는 것이 아니라, 주물 주입단계에서 합류부의 중자(150) 외곽에 장착한 후 합류부를 구성하는 주물을 부어줌으로써 합류부(130)와 판재(140)가 일체형으로 접합되게 된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 매니폴드 합류부의 중자에 판재를 장착한 모습을 나타낸 예시도이다.

본 발명에서는 종래의 주조과정을 최대한 유지하고 별도의 공정추가로 인한 제조비용의 상승을 방지하기 위해, 합류부 중자(150)를 원통형 판재(140)의 형태만큼 기계적으로 깍어내어 가공한 뒤 원통형 판재(140)를 상기 중자(150)에 장착하게 된다.

이후 몰드에 중자(150)를 체결한 후 배기 매니폴드의 바디를 형성하는 주물을 몰드에 부어 주조함으로써 판재(140)와 합류부(130)를 화학적, 물리적으로 접합한 후 탈사를 통해 외부 및 내부의 사형 및 주자를 제거하면, 본 발명의 차량용 배기 매니폴드의 제조가 완성되게 된다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 매니폴드의 합류부 및 판재가 접합된 부분의 조직확대도이다.

전술한 바대로, 본 발명에서는 판재(140)와 합류부(130)를 용접, 브레이징 등의 물리적 공법으로 접합시키는 것이 아니라, 중자(130)에 판재(140)를 장착한 후 주물을 주입하여 접합시킴으로써, 합류부 조직(160)과 판재 조직(170)이 일체화된 배기 매니폴드를 제공할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 매니폴드의 제조방법의 단계별 제조공정도이다.

먼저, 배기 매니폴드 바디를 구성하는 원자재의 장입단계(S11)을 거친다. 본 발명에서 상기 배기 매니폴드 바디의 원자재로는 주철을 이용할 수 있다.

이어서, 주철 등 매니폴드 바디를 형성하는 원자재를 용해하는 단계를 거친다(S12). 상기 원자재로 주철을 이용하는 경우 그 용해온도는 1550 - 1600℃인 것이 바람직할 것이다.

이어서, 상기 용해된 원자재의 보온단계(S13)를 거친 후, 구상화처리단계(S14)를 거치게 된다. 즉 일정 온도로 보온된 주철 용탕에 흑연 구상화제를 첨가하게 되는데, 구상흑연 주철의 성분은 전술한 표 1의 범위내에서 형성되도록 조절하는 것이 바람직할 것이다.

이후, 합류부 중자의 외측을 소정 정도 깍아내고 판재를 장착한 후 몰드에 체결하는 단계(S15)를 밟게 되는데, 상기 S15단계는 구상화처리단계(S14) 후에 시행될 수 있으나, 발명의 필요에 따라 원자재 장입단계(S11) 전에 미리 수행될 수도 있을 것이다.

상기 합류부 중자의 절삭은 기존의 배기 매니폴드와 동일한 형상 및 두께를 유지하여 제조비용의 절감 및 추가공정의 발생을 방지하기 위함이다.

상기 원통형 판재가 합류부의 중자의 외측에 장착되어 몰드에 체결한 후, 미리 준비된 원자재의 주물을 부어 상기 합류부의 내측에 판재를 접합하는 단계(S16 내지 S18)을 거치게 된다.

상기 판재 접합 단계는, 소정 온도(예; 1430-1460℃)의 원자재 주물 주입단계(S16), 상기 주물의 냉각단계(S17) 및 상기 주물의 탈사단계(S18)로 분류될 수 있으며, 판재와 합류부를 화학적, 물리적으로 접합한 후 탈사를 통해 외부 및 내부의 사형 및 주자를 제거하면, 차량용 배기 매니폴드의 제조가 완성되게 된다.

이와 같이 본 발명의 차량용 배기 매니폴드는 기존 주조재가 가지는 형상 자유도를 유지하면서 높은 배기온에 따른 배기계 합류부에 이종 재질을 사용함으로써, 배기온도가 증가하더라도(예; 810℃ 에서 830℃로 증가) 기존의 산화칩 발생현상 억제를 통한 내구성 향상(기존의 매니폴드 대비 약 10%) 및 촉매의 수명향상을 가져올 수 있다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

110: 분기부
120: 플랜지
130: 합류부
140: 판재
150: 중자
160: 합류부의 조직
170: 판재의 조직

Claims (5)

1. 차량 엔진의 각 기통별 배기 포트와 연결되는 다수의 분기부와, 상기 다수의 분기부를 단일의 통로로서 합류시켜 배기 관로에 연결하는 합류부를 포함하는 배기 매니폴드에 있어서,
   상기 합류부의 출구 내측에 판재를 접합하되, 상기 합류부와 판재의 재질은 서로 다른 것을 특징으로 하는 차량용 배기 매니폴드.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 분기부 및 합류부를 포함하는 배기 매니폴드의 바디는 주철로 형성하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 매니폴드.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 판재는 스테인레스 강(SUS) 또는 주강(cast steel)으로 형성하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 매니폴드.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 판재는 내부가 비어있는 원통형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 매니폴드.
   
5. 각 기통별 배기 포트와 연결되는 다수의 분기부와, 상기 다수의 분기부를 단일의 통로로서 합류시켜 배기 관로에 연결하는 합류부를 포함하는 배기 매니폴드의 제조방법에 있어서,
   상기 합류부 중자의 외측을 소정 정도 절삭하는 단계;
   상기 합류부 중자의 외측에 판재를 장착한 후 몰드에 체결하는 단계; 및
   주물을 부어 상기 합류부의 내측에 판재를 접합하는 단계;
   를 포함하는 차량용 배기 매니폴드 제조방법.

Images