KR20140065084A - 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기매니폴드와 실린더헤드를 일체형으로 통합시킴과 더불어 배기매니폴드의 배기포트에 디퓨져를 일체화시킨 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 배기매니폴드를 실린더헤드에 일체화시킴과 함께 실린더헤드에 일체로 된 배기매니폴드의 각 배기포트의 출구부(합류부)에 디퓨져도 일체화시킴으로써, 중량 감소 및 조립 공수 축소를 도모할 수 있고, 배기가스의 유동 저항을 최소화시킬 수 있는 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드를 제공하고자 한 것이다.

Description

배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드{Cylinder head integrated exhaust manifold and diffuser}

본 발명은 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기매니폴드와 실린더헤드를 일체형으로 통합시킴과 더불어 배기매니폴드의 배기포트에 디퓨져를 일체화시킨 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드에 관한 것이다.

디젤엔진의 경우 배기계의 구성을 보면, 도 1에서 보듯이 실린더헤드(10)에 배기매니폴드(12)가 별도로 조립되는 구조로 되어 있고, 이 배기매니폴드(12)는 고온의 배기가스에 의한 열부하로 인하여 주로 SUS계열의 고가 재질이 적용되고 있으며, 중량 또한 3kg 이상으로 많이 나가는 경우가 대부분이다.

최근 고유가 및 배기규제 강화로 따라, 엔진개발의 주요 이슈 중 중량 감소(Weight Down)가 중요한 요소가 되고 있고, 이러한 목표 달성을 위해서 엔진 부품간을 하나로 모듈화시키거나 또는 경량의 신재료 개발이 필요하다.

엔진 부품을 하나로 모듈화시켜 중량 감소 효과를 얻기 위한 일례로서, 실린더헤드(10)에 배기매니폴드(12)가 일체형으로 제작되고 있다.

이러한 배기매니폴드 일체형 실린더헤드의 경우, 첨부한 도 2에서 보듯이 배기포트(14)를 형성하는 배기매니폴드(12)가 실린더헤드(10)에 일체로 성형되고, 일체형 배기매니폴드(12)의 출구단에는 터보차쳐 장착을 위한 별도의 배기 디퓨져(16)가 조립되고 있다.

이때, 실린더헤드에 일체로 된 배기매니폴드의 각 배기포트의 출구부(합류부)는 디퓨져쪽으로 연장되어 있고, 디퓨져의 형상은 배기포트로부터의 배기가스를 위쪽으로 배출하기 위하여 수직형 절곡관 형태로 되어 있다.

따라서, 디퓨져를 빠져나간 배기가스는 디퓨져의 위쪽에 연결 장착되는 터보챠져쪽으로 흐르게 된다.

그러나, 배기가스 배기압 및 속도 분포를 시뮬레이션한 시험 결과인 첨부한 도 3에서 보듯이, 기존의 디퓨져(16)는 실린더헤드(10)에 일체화된 배기매니폴드(12)의 배기포트(14)와 수직을 이루며 장착된 상태이므로, 배기포트(14)와 연결되는 지점에서 급격한 유로 변경이 일어나게 되어 배기가스의 유동 정체가 발생하는 단점이 있다.

즉, 수평 배열상태의 배기포트에서 수직 배열상태의 디퓨져로 배기가스가 흐를 때 배기포트와 디퓨져가 거의 직각 상태를 이루기 때문에, 직각으로 꺽어지는 부분이 유동 저항으로 작용하여 배기가스의 유동 정체가 발생하는 단점이 있고, 또한 배기가스의 유동 정체는 배기가스의 유량계수 저하를 초래하게 된다.

또한, 실린더헤드에 일체로 된 배기매니폴드의 각 배기포트의 출구부(합류부)에 디퓨져가 별도로 조립됨에 따라, 중량 증가 및 조립 공수 증가 등의 문제점도 따르고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 배기매니폴드를 실린더헤드에 일체화시킴과 함께 실린더헤드에 일체로 된 배기매니폴드의 각 배기포트의 출구부(합류부)에 디퓨져용 배기유로를 형성하여 디퓨져가 일체로 성형된 구조가 되도록 함으로써, 중량 감소 및 조립 공수 축소를 도모할 수 있고, 배기가스의 유동 저항을 최소화시킬 수 있는 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 배기매니폴드를 실린더헤드에 일체로 성형시키는 동시에 배기매니폴드의 각 배기포트의 합류부에 터보차져 장착을 위한 디퓨져용 배기유로가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드를 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 디퓨져용 배기유로는 수평 배열된 배기포트의 합류부에 대하여 95°~ 110°로 배열되고, 배기포트의 합류부와 디퓨져용 배기유로의 입구가 서로 만나는 내경부는 곡면으로 형성된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 배기포트의 합류부와 디퓨져용 배기유로의 입구가 서로 만나는 지점에서 그 위쪽 및 아래쪽의 실린더헤드 내부에는 냉각수 유로가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배기포트의 일측 끝부에는 배기가스가 배기가스 재순환 장치로 향하는 배기가스 재순환용 배출통로가 더 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 배기매니폴드를 실린더헤드에 일체화시킴과 함께 실린더헤드에 일체로 된 배기매니폴드의 각 배기포트의 출구부(합류부)에 디퓨져용 배기유로를 형성하여 디퓨져가 일체로 성형된 구조가 되도록 함으로써, 배기 디퓨져 삭제 및 디퓨져 장착을 위한 가스켓 삭제로 원가 절감 및 중량 절감 효과를 얻을 수 있다.

또한, 배기포트의 출구부(합류부)와 디퓨져용 배기유로를 하나의 배기통로로 형성시킴과 함께 배기포트의 출구부에 대한 디퓨져용 배기유로의 기울기를 경사진 형태로 조절하여 배기가스 유동 저항을 최소화할 수 있다.

또한, 배기포트의 출구부와 디퓨져용 배기유로가 만나는 지점에서 위쪽 및 아래쪽의 실린더헤드내에 냉각수 유로를 형성하여, 고온의 배기 가스에 의한 크랙 방지를 도모할 수 있다.

또한, 배기포트의 출구부와 연통되는 디퓨져용 배기유로의 상단부, 즉 실린더헤드의 상단부에 터보차져를 직접 체결시킴으로써, 다수의 부품을 포함하는 엔진의 전체적인 사이즈를 축소시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 디젤엔진의 실린더헤드부를 나타낸 개략도,
도 2는 배기매니폴드 일체형 실린더헤드에 배기 디퓨져가 별도로 조립되는 모습을 설명하는 개략도,
도 3은 배기매니폴드 일체형 실린더헤드에 배기 디퓨져가 별도로 조립될 때 문제점을 설명하는 시뮬레이션 시험결과 이미지,
도 4는 본 발명에 따른 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드를 나타내는 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드의 내부 구조를 보여주는 개략도,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드의 배기포트와 디퓨져 배기경로만을 나타낸 개략도,
도 8은 본 발명에 따른 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드에 냉각수 경로가 형성된 것을 보여주는 단면도,
도 9a 내지 9c는 본 발명에 따른 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드의 내부 구조를 설명하는 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 배기매니폴드를 실린더헤드에 일체화시킴과 함께 실린더헤드에 일체로 된 배기매니폴드의 각 배기포트의 출구부(합류부)에 디퓨져용 배기유로를 형성하여, 기존의 별도 조립되던 디퓨져도 실린더헤드에 일체로 성형된 구조가 되도록 한 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 실린더헤드(10)의 각 기통마다 배기포트(14)를 포함하는 배기매니폴드(12)가 일체로 성형되고, 각 배기포트(14)는 하나로 합류된다.

특히, 기존의 별도 조립되던 디퓨져의 구성과 대응되는 구성으로서, 디퓨져용 배기유로(18)가 배기포트(14)의 각 출구부들이 하나로 합류된 합류부의 소정 위치에서 위쪽을 향하여 연장 형성되고, 이 디퓨져용 배기유로(18)의 상단부에는 터보차져가 직접 장착된다.

또한, 상기 배기포트(14)의 일측 끝부에는 배기가스가 배기가스 재순환 장치(EGR)로 향하는 배기가스 재순환용 배출통로(20)가 더 관통 형성되어, 배기가스의 일부를 연소실쪽으로 재순환시킬 수 있다.

물론, 상기 실린더헤드에 배기매니폴드 및 디퓨져를 일체로 성형하기 위해서, 실린더헤드 제작을 위한 공지된 금형 설계 작업 및 금형을 이용한 성형 공정이 선행되어야 한다.

이와 같이, 실린더헤드(10)에 일체로 된 배기매니폴드(12)의 각 배기포트(14)의 출구부(합류부)에 디퓨져용 배기유로(18)를 형성하여 기존의 별도 조립되던 디퓨져가 실린더헤드에 일체로 성형된 구조가 되도록 함으로써, 배기 디퓨져 삭제 및 디퓨져 장착을 위한 가스켓 삭제로 원가 절감 및 중량 절감 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기 디퓨져용 배기유로(18)의 상단부, 즉 실린더헤드(10)의 상단부에 터보차져를 직접 체결시킬 수 있으므로, 다수의 부품이 조립되는 엔진의 전체적인 사이즈를 축소시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 실린더헤드(10)에 일체화된 배기매니폴드(12)의 배기포트(14)와 디퓨져용 배기유로(18)를 하나의 배기통로로 형성시킬 때, 배기포트(14)의 출구부에 대한 디퓨져용 배기유로(18)의 기울기를 경사진 형태가 되도록 한다.

바람직하게는, 상기 디퓨져용 배기유로(18)는 수평 배열된 배기포트의 합류부에 대하여 95°~ 110°의 기울기로 배열되도록 하고, 배기포트(14)의 합류부와 디퓨져용 배기유로(18)의 입구가 서로 만나는 내경부는 곡면으로 형성되도록 한다.

따라서, 배기포트(14)의 출구부(합류부)와 디퓨져용 배기유로(18)를 하나의 배기통로로 형성시킴과 함께 배기포트(14)의 출구부에 대한 디퓨져용 배기유로(18)의 기울기를 95°~ 110°로 경사지게 하고, 배기포트(14)의 출구부와 디퓨져용 배기유로(18)의 경계부분을 곡면으로 가공함으로써, 기존에 별도로 조립된 디퓨져의 입구부분에서 배기가스의 급격한 유로 변경에 따른 배기가스 유동 저항이 발생되던 점과 달리 자연스런 배기가스 흐름을 유도할 수 있으므로, 배기가스 유동 저항을 최소화할 수 있다.

한편, 상기 배기포트(14)의 합류부와 디퓨져용 배기유로(18)의 입구가 서로 만나는 지점에서 그 위쪽 및 아래쪽의 실린더헤드 내부에는 엔진 냉각수가 순환하는 냉각 유로(22a,22b)가 형성된다.

즉, 첨부한 도 9a 및 도 9c에서 보듯이 디퓨져용 배기유로(18)를 기준으로 위쪽의 냉각수 유로(22a)는 실린더헤드(10)의 각 기통과 연접하는 독립적인 냉각유로로 형성되고, 아래쪽의 냉각수 유로(22b)는 워터자켓 구조로 형성되어, 배기포트(14) 및 디퓨져용 배기유로(18)를 흐르는 고온의 배기가스에 대한 냉각을 실시하게 된다.

따라서, 실린더헤드(10)에 일체로 된 배기매니폴드(12)의 배기포트(14)와, 배기포트(14)에서 일체로 연장된 디퓨져용 배기유로(18)를 따라 고온의 배기가스가 흐를 때, 위쪽 및 아래쪽의 냉각수 유로(22a,22b)를 흐르는 냉각수에 의한 냉각 작용이 이루어짐으로써, 고온의 배기 가스에 의한 열해로 인하여 배기포트와 디퓨져용 배기유로의 벽면에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

10 : 실린더헤드
12 : 배기매니폴드
14 : 배기포트
16 : 디퓨져
18 : 디퓨져용 배기유로
20 : 배기가스 재순환용 배출통로
22a, 22b : 냉각수 유로

Claims (4)

1. 배기매니폴드를 실린더헤드에 일체로 성형시키는 동시에 배기매니폴드의 각 배기포트의 합류부에 터보차져 장착을 위한 디퓨져용 배기유로가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 디퓨져용 배기유로는 수평 배열된 배기포트의 합류부에 대하여 95°~ 110°로 배열되고, 배기포트의 합류부와 디퓨져용 배기유로의 입구가 서로 만나는 내경부는 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 배기포트의 합류부와 디퓨져용 배기유로의 입구가 서로 만나는 지점에서 그 위쪽 및 아래쪽의 실린더헤드 내부에는 냉각수 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 배기포트의 일측 끝부에는 배기가스가 배기가스 재순환 장치로 향하는 배기가스 재순환용 배출통로가 더 형성된 것을 특징으로 하는 배기매니폴드 및 디퓨져 일체형 실린더헤드.

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