KR102727900B1

KR102727900B1 - 차량용 배기시스템

Info

Publication number: KR102727900B1
Application number: KR1020190051354A
Authority: KR
Inventors: 박정주
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2019-05-02
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2024-11-07
Anticipated expiration: 2039-05-02
Also published as: US20200347768A1; KR20200127370A; DE102019214577A1; CN111878206A; CN111878206B; US10947882B2

Abstract

본 발명은 차량용 배기시스템에 관한 것으로서, 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스의 유동균일도(UI)를 향상시킬 수 있는 차량용 배기시스템을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 엔진의 각 실린더에서 배출되는 배기가스를 모아서 전달하는 배기 매니폴드; 상기 배기 매니폴드의 출구부에 연결되어 배기 매니폴드로부터 유입되는 배기가스 중 유해물질을 저감하기 위한 촉매정화장치; 및 상기 배기 매니폴드와 상기 촉매정화장치 사이에 위치되어 배기가스가 통과하도록 설치되고, 배기가스가 통과하는 내측 유로단면상에서 종, 횡으로 교차하도록 배치되는 구획벽들을 가지는 메쉬부재를 포함하고, 상기 메쉬부재의 구획벽들은 배기가스가 부딪히면서 유도저항을 발생시켜 배기가스가 촉매정화장치의 촉매에 균일하게 유입되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기시스템이 개시된다.

Description

차량용 배기시스템{EXHAUST SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 배기시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량 엔진의 실린더에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스의 유동균일도(uniformity index)를 더욱 향상시킬 수 있는 차량용 배기시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차량은 엔진에서 연료를 연소시켜 차량 구동에 필요한 동력을 발생시킨다. 또한, 엔진에서 연료의 연소 과정 동안에는 필연적으로 연소가스가 발생하고, 이러한 연소가스(배기가스)는 차량의 배기시스템을 통해 대기 중으로 방출된다.

최근 들어 환경에 대한 관심이 커지면서 배기가스에 함유된 유해물질을 저감하기 위한 연구와 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한, 각국 정부는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등의 배기가스 내 오염물질에 대한 배출기준을 정해놓고 배기가스를 규제하고 있다. 이에 각 자동차 제조사들은 한층 강화되고 있는 배기가스 규제에 효과적으로 대응하기 위해 많은 노력을 기울이고 있고, 배기가스 배출기준에 맞추어 신규 차량을 생산하고 있다.

알려진 바와 같이, 차량의 배기시스템은 배기 매니폴드와 배기파이프, 배기매니폴드 후단 또는 배기파이프를 따라 설치되는 각종 후처리 장치를 포함한다. 이 중, 배기 매니폴드는 엔진에 구비된 다수 개의 실린더로부터 연소 후 배출되는 배기가스를 모아서 그 흐름을 배기파이프 쪽으로 유도한다. 또한, 후처리 장치는 배기가스를 통과시키는 동안 배기가스에 함유된 각종 유해물질을 제거한다.

도 1은 공지의 배기 매니폴드와 촉매컨버터의 조립상태를 예시한 도면으로, 도시된 바와 같이, 배기 매니폴드(10)에는 미도시된 엔진의 실린더에서 배출되는 배기가스를 실린더 외부로 유동하도록 유도하는 다수 개의 런너(11)가 구비된다. 또한, 런너(11)의 선단부에는 실린더 헤드에 배기 매니폴드를 장착하기 위한 장착 플랜지(12)가 구비된다.

배기 매니폴드(10)에서 런너(11)들의 후미에는 합류부(13)가 구비되는데, 이 합류부(13)는 다수 개의 런더(11)들이 하나로 연결되는 부분이다. 배기 매니폴드(10)의 합류부(13)는 각 실린더로부터 배출된 뒤 런너(11)를 따라 안내된 배기가스(연소가스)가 모이는 부분으로, 합류부(13)에는 후처리 장치인 촉매컨버터(20)가 연결될 수 있다.

이에 따라, 엔진의 실린더에서 배출된 배기가스는 배기 매니폴드(10)의 런너(11)를 따라 이동하여 합류부(13)에서 하나의 흐름으로 합류하게 되고, 이후 촉매정화장치, 즉 촉매컨버터(20)를 통과한 뒤 배기파이프(미도시)를 따라 이동하게 된다.

한편, 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스의 유동성은 유동균일도(uniformity indexm), 유속편심도(velocity index), 접선속도(tangential speed), 배압(pressure drop) 등과 같은 인자들을 통해 영향을 크게 받으면서 예측 또한 가능할 수 있다.

이 중에서, 유동균일도는 배기가스가 촉매 전면적에서 얼마나 균일하게 유동하고 있는지에 대한 정량적인 수치이고, 촉매 전면적에 단위시간당 동일 유량이 접촉하는 경우 '1'에 가까워진다. 유속편심도는 배기가스가 촉매로 전달될 때 촉매 중심에서 얼마나 편심되었는지에 대한 정량적인 수치이고, 촉매 중심에서 편심될수록 '1'에 가까워진다.

또한, 접선속도는 배기가스가 촉매를 감싸는 세라믹 매트 위를 지나는 속도이다. 배압은 배기가스 유동에 작용하는 압력으로서, 이는 엔진에 직접적인 영향을 주는 인자이고, 낮게 유지될수록 유리하다.

한편, 배기 매니폴드에서 구조 및 형상의 제약으로 인해 배기가스의 유동성을 개선하는데 한계에 도달한 실정이며, 유동균일도를 추가로 개선할 수 있는 새로운 기술이 요구되고 있다.

공개특허공보 제10-2008-0055181호(2008.06.19.)

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스의 유동균일도(uniformity index, UI)를 향상시킬 수 있는 차량용 배기시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진의 각 실린더에서 배출되는 배기가스를 모아서 전달하는 배기 매니폴드; 상기 배기 매니폴드의 출구부에 연결되어 배기 매니폴드로부터 유입되는 배기가스 중 유해물질을 저감하기 위한 촉매정화장치; 및 상기 배기 매니폴드와 상기 촉매정화장치 사이에 위치되어 배기가스가 통과하도록 설치되고, 배기가스가 통과하는 내측 유로단면상에서 종, 횡으로 교차하도록 배치되는 구획벽들을 가지는 메쉬부재를 포함하고, 상기 메쉬부재의 구획벽들은 배기가스가 부딪히면서 유도저항을 발생시켜 배기가스가 촉매정화장치의 촉매에 균일하게 유입되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기시스템을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 메쉬부재는 링 형상을 가지는 링부; 및 상기 링부의 내측에 종, 횡으로 교차하도록 배치되어 격자형 구조를 이루도록 고정 설치되는 구획벽들을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 배기 매니폴드에서 배기가스가 각 런너들을 통과한 뒤 합류하는 부분인 합류부의 내측에 상기 메쉬부재가 설치되어, 상기 구획벽들이 상기 합류부의 내측에서 격자형 구조를 이루고 있는 것일 수 있다.

또한, 상기 격자형 구조를 이루고 있는 구획벽들이 링부의 내측에서 배기가스 흐름방향을 기준으로 상류측과 하류측에 설치되어 2중으로 배치되는 것일 수 있다.

또한, 상기 링부의 내측에서 상류측의 구획벽들과 하류측의 구획벽들은 서로 엇갈리게 배치될 수 있다.

또한, 상기 링부와 구획벽들을 가지는 2개의 메쉬부재가 배기가스 흐름방향을 기준으로 상류측과 하류측에 2중으로 겹쳐져 배치되도록 설치될 수 있다.

또한, 상기 촉매정화장치에서의 배압조절을 위한 제어신호를 출력하는 제어부; 및 상기 촉매정화정치의 배기가스 출구측에 설치되어 배압 조절을 위해 출구측 유로를 개폐하도록 구비되고 상기 제어부가 출력하는 제어신호에 따라 개폐작동이 제어되는 배압조절밸브를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 엔진 냉간 시동시 촉매 웜업을 위한 촉매 가열(Catalyst Heating, CH) 구간 동안 배압조절밸브를 정해진 밸브 개도량까지 닫아주는 방향으로 제어하기 위한 제어신호를 출력하도록 설정될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제어부는 촉매 가열 구간 종료 후 엔진 시동 상태에서 밸브 개도량을 증가시켜 배압조절밸브를 열어주는 방향으로 제어하도록 구비될 수 있다.

이로써, 본 발명에 따른 차량용 배기시스템에서는 배기가스가 촉매에 균일하게 유입되도록 유도하는 메쉬부재, 및 촉매 가열 구간 동안 배압을 증대시키는 배압조절밸브가 설치되어 이용됨으로써, 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스의 유동균일도가 극대화될 수 있는 효과가 있게 된다.

도 1은 공지의 배기 매니폴드와 촉매컨버터의 조립상태를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기시스템에서 배기 매니폴드와 촉매컨버터를 분리하여 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시에에 따른 배기시스템에서 배기 매니폴드와 메쉬부재를 분리하여 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기시스템에서 배기 매니폴드와 메쉬부재를 조립하여 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배기시스템에서 메쉬부재의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기시스템에서 촉매컨버터 출구측에 설치된 배압조절밸브를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배기시스템에서 배압조절밸브의 제어 과정을 나타내는 순서도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 차량 엔진의 각 실린더에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스의 유동균일도(uniformity index, UI)를 더욱 향상시킬 수 있는 차량용 배기시스템을 제공하고자 하는 것이다.

차량의 엔진을 구성하는 부품 중 배기시스템의 배기 매니폴드를 설계함에 있어서, 배기가스(EM)와 관련된 가장 중요한 인자는 유동균일도(이하, 'UI'라 칭함이다. 또한, 배기 매니폴드를 포함하는 배기시스템에서 배기가스의 UI는 배기 매니폴드의 런너 길이가 짧을수록 좋아진다. 이와 더불어 UI는 합류부의 길이가 길수록 좋아지며, 배압이 클수록 좋아진다.

UI는 배기가스가 촉매 상면에 균일하게 분포하는 정도를 나타내는 지수로서, 배기가스가 촉매 전면적에서 얼마나 균일하게 유동하고 있는지에 대한 정량적인 수치이며, 1에 가까울수록 배기가스 측면에서 좋은 방향을 나타낸다.

그러나, 배기 매니폴드는 배기가스(EM) 측면 뿐만 아니라, 성능과 내구 측면에 있어서도 민감한 부품이므로 다양한 요소들을 함께 고려하여 설계하는 것이 필요하다. 특히, UI 측면이 아닌 다른 측면의 관점에서 보면, UI와 성능은 서로 트레이드 오프 관계에 있다. 즉, 런너의 길이가 길수록 성능이 증대될 수 있고, 합류부의 경우 패키지의 제약으로 인해 길이 증대가 제한적이다. 또한, 배압이 클수록 UI는 좋아지지만, 성능은 배압이 작을수록 증대된다.

이에 따라, 상기와 같은 UI를 향상시키기 위해, 본 발명에서는 배기 매니폴드와 촉매컨버터(촉매정화장치) 사이에 배기가스가 촉매에 균일하게 유입되도록 유도하는 메쉬부재가 설치된다. 또한, 본 발명에서는 배기가스 측면에서 가장 취약한 모드인 촉매 가열(Catalyst Heating, CH) 구간 동안 배압을 증대시키는 배압조절밸브를 촉매컨버터 후단 위치 설치한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기시스템에서 배기 매니폴드와 촉매컨버터를 분리하여 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시에에 따른 배기시스템에서 배기 매니폴드와 메쉬부재를 분리하여 도시한 사시도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기시스템에서 배기 매니폴드와 메쉬부재를 조립하여 도시한 사시도이다.

먼저, 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 배기시스템은 배기 매니폴드(10)와 촉매컨버터(20)를 포함한다. 배기 매니폴드(10)는 엔진에 구비된 다수 개의 실린더로부터 연소 후 배출되는 배기가스를 모아서 그 흐름을 배기파이프 쪽으로 전달 및 유도하는 부품이다.

도시된 바와 같이, 배기 매니폴드(10)는 엔진의 실린더에서 배출되는 배기가스를 실린더 외부로 유동하도록 유도하는 다수 개의 런너(11)를 가지며, 런너(11)의 선단부에는 실린더 헤드에 배기 매니폴드를 장착하기 위해 결합되는 장착 플랜지(12)가 구비된다.

상기 배기 매니폴드에서 런너(11)들의 후미에는 합류부(13)가 구비되는데, 이 합류부(13)는 다수 개의 런더(11)들이 하나로 연결되는 부분이다. 또한, 배기 매니폴드(10)의 합류부(13)는 런너를 따라 안내된 배기가스(연소가스)가 모이는 부분으로, 배기 매니폴드의 출구부인 상기 합류부(13)에는 후처리 장치인 촉매컨버터(20)가 연결된다.

이에 더하여, 도면에 예시하지는 않았으나, 본 발명의 실시예에 따른 배기시스템은 촉매컨버터(20)의 출구측에 연결되는 배기파이프(미도시)를 더 포함한다. 배기파이프는 엔진측에서 후방으로 길게 연장되어 배기가스를 차량 후미 위치로 안내한다. 상기 배기파이프에는 도시된 촉매컨버터(20) 외에 배기가스를 처리하기 위한 다른 후처리 장치들이 배기가스 경로를 따라 장착되어 배치될 수 있다.

이에 따라, 엔진의 각 실린더에서 배출된 배기가스는 배기 매니폴드(10)의 런너(11)를 따라 이동하여 합류부(13)에서 하나의 흐름으로 합류하고, 이후 촉매컨버터(20)를 통과한 뒤 배기파이프를 따라 이동하게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 배기시스템에서는 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 배기 매니폴드에서 합류부(13)의 출구부 내측에 UI를 향상시키기 위한 메쉬부재(14)가 장착된다. 배기 매니폴드(10)에서 합류부(13)의 출구부는 촉매컨버터(20)가 연결되는 부분으로, 합류부(13)의 출구부에 배기가스가 이동하여 유입될 수 있도록 촉매컨버터(20)의 입구부가 연결된다.

도 2를 참조하면, 배기 매니폴드(10)의 후단에 촉매컨버터(20)가 배치되도록 배기 매니폴드(10)의 합류부(13)의 출구부에 촉매컨버터(20)의 입구부가 연결됨을 볼 수 있다. 또한, 도 3 및 도 4를 참조하면, 배기 매니폴드(10)에서도 합류부(13)의 출구부 내측에 메쉬부재(14)가 조립됨을 볼 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 메쉬부재(14)는 링 형상을 가지는 링부(15)의 내측에 구획벽(16)들이 교차하도록 일체로 고정 배치되어 상기 구획벽(16)이 링부(15)의 내측에서 격자형 구조를 이루고 있는 부재가 될 수 있다. 이때, 링부(15)의 외주면이 합류부(13)의 출구부 내주면에 밀착된 상태가 되도록 메쉬부재(14)가 합류부(13)의 출구부 내측에 결합될 수 있다. 이로써, 메쉬부재(14)의 구획벽(16)들이 배기가스가 모아져 통과하는 합류부(13)의 유로단면상에 위치된다.

또한, 상기와 같이 메쉬부재(14)가 결합된 합류부(13)의 출구부에 촉매컨버터(20)의 입구부가 연결되는데, 이로써 메쉬부재(14)는 배기 매니폴드(20)의 합류부(13)와 촉매컨버터(20) 사이에서 배기가스가 통과할 수 있도록 배기가스 경로에 위치된다. 본 발명에서 메쉬부재(14)는 촉매컨버터(20)에 배기가스가 균일하게 유입되도록 하여 UI를 향상시키는 작용을 한다.

이에 엔진의 각 실린더로부터 배출된 배기가스가 배기 매니폴드(10)의 런너(11)를 따라 흐른 뒤 합류부(13)에서 합류되고 나면, 합류된 배기가스가 합류부(13)에서 메쉬부재(14)의 구획벽(16) 사이를 통과하게 된다. 또한, 메쉬부재(14)를 통과한 배기가스는 촉매컨버터(20)의 내부를 통과한 뒤, 미도시된 배기파이프를 따라 이동하게 된다.

도 3을 참조하면, 메쉬부재(14)에서 링부(15)와 구획벽(16)은 소정 두께의 판재로 구성되고, 링부(15) 내측에서 복수 개의 구획벽(16)이 가로(횡), 세로(종) 방향으로 교차 배치되도록 링부(15)의 내측면에 일체로 형성되어 있다. 또한, 메쉬부재(14)에서 링부(15) 내측의 공간이 구획벽(16)에 의해 가로, 세로 4개씩 총 16개(4×4)의 유로공간(17)으로 구획되어 있다. 이때, 구획벽(가로, 세로 3개씩임)(16)에 의해 나뉘어진 총 16개의 유로공간(17)들 중 적어도 중앙의 공간들은 4각형의 공간들로 이루어져 있다.

본 발명에서 메쉬부재(14)는 배기 매니폴드(10)와 촉매컨버터(20) 사이의 연결부에 설치되므로 배기가스의 경로상 배기 매니폴드(10)의 하류측, 그리고 촉매컨버터(20)의 상류측에 위치된다. 이와 같이 촉매컨버터(20)의 상류측에 메쉬부재(14)가 장착될 경우 배기가스가 균일하게 촉매측으로 유입될 수 있다.

즉, 좀더 설명하면, 엔진의 각 실린더로부터 배출된 뒤 배기 매니폴드(10)의 각 런너(11)를 통과하여 합류부(13)로 이동한 배기가스는 촉매컨버터(20)의 촉매측으로 유입되기 전에 메쉬부재(14)의 구획벽(16) 사이의 유로공간(17)을 통과하게 된다. 이때, 배기가스가 메쉬부재(14)의 구획벽(16)에 부딪히면서 유동저항이 발생하고, 결국 이러한 유동저항에 의해 배기가스가 합류부(13)에서의 유로단면상 전체 면적, 즉 메쉬부재(14)의 전체 면적에 걸쳐 균일한 속도를 나타낼 수 있게 된다.

한편, 도 3 및 도 4에 도시된 메쉬부재(14)는 예시적인 것으로, 도시된 예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 메쉬부재(14)에서 구획벽(16)의 개수나 방향, 간격, 구획된 유로공간(17)의 형상 등에 있어서 다양한 수정 및 변경이 있을 수 있다. 예를 들면, 메쉬부재(14)의 구획벽16)의 개수와 구획된 유로공간(17)의 개수를 다르게 할 수 있다.

도 3 및 도 4의 메쉬부재(14)에서는 배기가스가 통과하는 유로단면상에서 종, 횡으로 3개씩의 구획벽(16)이 교차하도록 배치되고, 이에 의해 종, 횡으로 4개씩 총 16개의 유로공간(17)이 마련된다. 이러한 도 3 및 도 4의 예와 달리, 구획벽(16)의 개수를 증가시시키는 더불어 구획벽(16) 사이의 간격을 줄여 전체 유로공간(17)의 수를 증가시킬 수 있으며, 이 경우 배기가스가 더 균일한 속도로 촉매컨버터(20)에 유입될 수 있다.

그리고, 도 5에는 도 3 및 도 4의 메쉬부재 2개를 겹쳐놓은 형태의 메쉬부재(14)가 도시되어 있다. 도 5의 메쉬부재(14)는 도 3 및 도 4의 메쉬부재 2개가 단순히 겹쳐진 형태가 될 수 있고, 이 경우 두 메쉬부재(14)에서 링부(15)와 구획벽(16a,16b)이 별도로 구비될 수 있다. 즉, 메쉬부재 2개를 각각 제작한 뒤 겹쳐진 구획벽(16a,16b)의 각도를 서로 엇갈리게 하여 배기 매니폴드(10)와 촉매컨버터(20) 사이에 장착하는 것이 가능하다.

또는 도 5의 메쉬부재(14)는 도 3 및 도 4의 메쉬부재 2개가 겹쳐진 형태이지만, 링부(15)는 하나로 되어 있을 수 있다. 이때, 도 5의 메쉬부재(14)에서는, 하나의 링부(15) 내측에, 격자형 구조를 이루고 있는 구획벽(16a,16b)들만 전측과 후측, 즉 배기가스 흐름방향을 기준으로 상류측과 하류측으로 2중으로 겹쳐져 배치된다.

본 발명의 실시예에서, 공용의 링부(15) 내측에서 상류측의 구획벽(16a)들과 하류측의 구획벽(16b)들은 양측 사이의 각도가 대략 45°가 되도록 서로 엇갈리게 배치될 수 있고, 이에 구획벽(16a,16b)에 의해 구획된 각 유로공간(17)이 메쉬부재(14)를 정면에서 보았을 때 대략 삼각형의 형상을 가질 수 있다.
본 발명에서 상기 링부(15)의 내측에 종, 횡으로 교차하도록 배치되어 격자형 구조를 이루도록 고정 설치된 상류측의 구획벽(16a)들과, 이 상류측의 구획벽(16a)들에 의해 구획된 유로공간(17)을 포함하는 구성을 상류측 구획벽 구조물이라 지칭할 수 있고, 상기 링부(15)의 내측에 종, 횡으로 교차하도록 배치되어 격자형 구조를 이루도록 고정 설치된 하류측의 구획벽(16b)들과, 이 하류측의 구획벽(16b)들에 의해 구획된 유로공간(17)을 포함하는 구성을 하류측 구획벽 구조물이라 지칭할 수 있다.

도 5와 같이 메쉬부재(14)에서 구획벽(16a16b) 사이의 간격을 줄이고 구획벽의 개수와 유로공간(17)의 개수를 증가시키면, 유동저항이 도 3의 메쉬부재와 비교하여 커질 수 있고, 이에 촉매컨버터(20)로 유입되는 배기가스의 유동속도를 더욱 균일하게 할 수 있으며, 결국 UI 향상 효과가 증대될 수 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기시스템에서 촉매컨버터 출구측에 설치된 배압조절밸브를 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 촉매컨버터(20)의 배기가스 출구측에는 배압을 조절하기 위해 출구측 유로를 개폐하는 배압조절밸브(30)가 설치될 수 있다. 즉, 촉매컨버터(20)의 출구측에 배압조절밸브(30)를 설치하여, 상기 배압조절밸브(30)를 매개로 촉매컨버터(20)의 출구측이 그 후단의 미도시된 배기파이프와 연통되도록 하는 것이다. 상기 배압조절밸브(30)는 제어부(1)가 출력하는 전기적인 신호, 즉 제어신호에 의해 개폐작동이 제어되는 전자식 밸브가 될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 배압조절밸브(30)는 플랩밸브일 수 있고, 하우징(31), 모터를 포함하는 액추에이터(32), 및 액추에이터(32)에 의해 축을 중심으로 회전되면서 하우징(31) 내 유로통로를 개폐하는 밸브체(33)를 포함할 수 있다. 상기 하우징(31)은 내부공간이 촉매컨버터(20)와 배기파이프 사이의 배기가스 유로통로가 되도록 촉매컨버터(20)의 출구부와 배기파이프 사이에 연결된다. 또한, 하우징(31) 내부의 유로통로에 판 형상의 밸브체(33)가 회전 가능하도록 장착되는데, 밸브체(30)가 하우징(31)과의 사이를 연결하고 있는 축을 중심으로 하우징 내부의 유로통로에서 회전하도록 되어 있다.

또한, 액추에이터(32)의 모터(미도시)는 제어부(1)에 의해 구동이 제어되고, 이때 제어부(1)의 제어신호에 따라 모터의 회전각도가 제어된다. 또한, 통상의 플랩밸브에서와 마찬가지로, 모터 구동시 모터 축의 회전력이 밸브체(33)의 축에 전달되도록 되어 있다. 이에 제어부(1)의 제어신호에 따라 모터의 구동이 제어될 때, 즉 모터의 회전각도가 제어될 때, 하우징(31) 내 유로통로에서 밸브체(33)가 축을 중심으로 회전되면서 밸브체의 회전각도가 제어되고, 이로써 밸브 개도량인 하우징(31) 내 배기가스 유로통로의 개도량이 제어될 수 있다.

한편, 제어부(1)는 엔진 작동 전반을 제어하는 엔진 제어기(ECU: Engine Control Unit, EMS: Engine Management System)가 될 수 있다. 도 7은 본 발명에서 제어부(1)에 의해 배압조절밸브(30)가 제어되는 과정을 나타내는 순서도이다. 본 발명의 실시예에서, 제어부(1)는 엔진 운전상태에 따라 촉매컨버터(20)에서의 배압조절을 위한 제어신호, 즉 배압조절밸브(30)의 개폐작동을 제어하기 위한 제어신호를 출력하도록 설정된다.

이때, 본 발명의 실시예에서, 제어부(1)는 엔진의 냉간 시동 조건에서 배압조절밸브(30)를 노멀 주행 모드시에 비해 닫아주는 방향으로 제어하도록 설정될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 제어부(1)는 도 7에 나타낸 바와 같이 엔진 시동 후 촉매 가열 구간 동안 배압조절밸브(30)를 노멀 주행 모드시에 비해 닫아주는 방향으로 제어하도록 설정될 수 있다.

차량에서 엔진이 냉각된 상태로 시동을 걸면 촉매컨버터의 촉매 온도가 낮아 배기가스 법규 만족이 어려우며, 이에 통상의 차량에서는 법규 만족을 위해 촉매 온도를 정상 작동온도까지 상승시키는 촉매 가열(Catalyst Heating, CH) 제어를 실시하고 있다. 이와 관련하여, 본 발명에서는 제어부(1)가 정해진 조건(즉, 냉간 시동 조건)을 만족하여 촉매 가열(CH) 제어를 실시하는 동안(예, 약 20초 ~ 30초) 촉매컨버터(20)의 출구측에 설치된 배압조절밸브(30)를 닫아주는 방향으로 제어하게 된다.

보다 상세하게는, 제어부는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 엔진 냉간 시동(S11)시 촉매 웜업을 위한 촉매 가열 구간 동안 배압조절밸브(30)를 정해진 개도량으로 제어하기 위한 제어신호를 출력한다. 이때, 제어부(1)는 촉매 가열 구간 동안 배압을 증대시켜 UI가 향상될 수 있도록 배압조절밸브(30)를 노멀(normal) 주행 모드에 비해 닫아주는 방향을 제어하게 된다(S13). 즉, 제어부(1)가 노멀 주행 모드시에 비해 작게 설정된 개도량을 목표로 배압조절밸브(30)의 개폐작동을 제어하기 위한 제어신호를 출력하도록 되어 있는 것이다. 또한, 시간(예, 20초 ~ 30초)이 경과하여 촉매 가열 구간이 종료되면(S14), 즉 촉매 웜업이 완료되면, 제어부(1)는 노멀 주행 모드로 전환하여 배압조절밸브(30)를 열어주는 방향으로 제어한다(S15).

이와 같이 본 발명에서는 엔진의 냉간 시동시 촉매 가열 구간 동안 배압조절밸브(30)를 닫아주어 배압을 높이고, 이를 통해 UI를 향상시킨다. 또한, 촉매 가열 구간이 종료된 후 노멀 주행 모드로 전환되면, 제어부(1)가 미리 정해진 개도량을 목표로 배압조절밸브(30)의 개폐작동을 제어하기 위한 제어신호를 출력하며, 이에 배압조절밸브가 열리게 된다.

일 예로서, 배압조절밸브(30)의 완전 개방(full open)시 개도율을 100%라 정의하면, 제어부(1)가 촉매 가열 구간 동안 70% ~ 80%의 개도율로 배압조절밸브(30)의 개폐작동을 조절하도록 하는 것이 가능하다. 물론, 촉매 가열시 배압조절밸브(30)의 개도량(개도율)은 동일 사양의 엔진 및 배기시스템 내지 동일 사양의 차량을 대상을 실시한 선행 시험 및 평가 과정을 통해 엔진 성능에 변화가 없는 조건으로 적절한 값으로 튜닝될 수 있다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 차량용 배기시스템에서는 배기가스가 촉매에 균일하게 유입되도록 유도하는 메쉬부재, 및 촉매 가열 구간 동안 배압을 증대시키는 배압조절밸브가 설치되어 이용됨으로써 UI의 극대화가 달성될 수 있게 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

1 : 제어부 10 : 배기 매니폴드
11 : 런너 12 : 장착 플랜지
13 : 합류부 14 : 매쉬부재
15 : 링부 16, 16a,16b : 구획벽
17 : 유로공간 20 : 촉매컨버터
30 : 배압조절밸브 31 : 하우징
32 : 액추에이터 33 : 밸브체

Claims

엔진의 각 실린더에서 배출되는 배기가스를 모아서 전달하는 배기 매니폴드; 상기 배기 매니폴드의 출구부에 연결되어 배기 매니폴드로부터 유입되는 배기가스 중 유해물질을 저감하기 위한 촉매정화장치; 및 상기 배기 매니폴드와 상기 촉매정화장치 사이에 위치되어 배기가스가 통과하도록 설치되고, 배기가스가 통과하는 내측 유로단면상에서 종, 횡으로 교차하도록 배치되는 구획벽들을 가지는 메쉬부재를 포함하고,
상기 메쉬부재의 구획벽들은 배기가스가 부딪히면서 유도저항을 발생시켜 배기가스가 촉매정화장치의 촉매에 균일하게 유입되도록 유도하며,
상기 메쉬부재는,
링 형상을 가지는 링부;
상기 링부의 내측에 종, 횡으로 교차하도록 배치되어 격자형 구조를 이루도록 고정 설치된 구획벽들과, 상기 구획벽들에 의해 구획된 유로공간을 포함하는 상류측 구획벽 구조물; 및
상기 링부의 내측에 종, 횡으로 교차하도록 배치되어 격자형 구조를 이루도록 고정 설치된 구획벽들과, 상기 구획벽들에 의해 구획된 유로공간을 포함하는 하류측 구획벽 구조물을 포함하고,
상기 상류측 구획벽 구조물의 구획벽들과 하류측 구획벽 구조물의 구획벽들은,
배기가스 흐름방향을 기준으로 상류측과 하류측으로 2중으로 겹쳐져 배치되고,
서로 정해진 각도로 엇갈리게 배치되어, 상기 메쉬부재를 정면에서 보았을 때 상기 구획벽들에 의해 구획되는 각 유로공간이 삼각형의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 차량용 배기시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 배기 매니폴드에서 배기가스가 각 런너들을 통과한 뒤 합류하는 부분인 합류부의 내측에 상기 메쉬부재가 설치되어, 상기 구획벽들이 상기 합류부의 내측에서 격자형 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 차량용 배기시스템.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 링부와 구획벽들을 가지는 2개의 메쉬부재가 배기가스 흐름방향을 기준으로 상류측과 하류측에 2중으로 겹쳐져 배치되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 배기시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 촉매정화장치에서의 배압조절을 위한 제어신호를 출력하는 제어부; 및
상기 촉매정화장치의 배기가스 출구측에 설치되어 배압 조절을 위해 출구측 유로를 개폐하도록 구비되고 상기 제어부가 출력하는 제어신호에 따라 개폐작동이 제어되는 배압조절밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 제어부는 엔진 냉간 시동시 촉매 웜업을 위한 촉매 가열(Catalyst Heating, CH) 구간 동안 배압조절밸브를 정해진 밸브 개도량까지 닫아주는 방향으로 제어하기 위한 제어신호를 출력하도록 설정된 것을 특징으로 하는 차량용 배기시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 제어부는 촉매 가열 구간 종료 후 엔진 시동 상태에서 밸브 개도량을 증가시켜 배압조절밸브를 열어주는 방향으로 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기시스템.