KR101637780B1 - 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 슬립방지 체결 브라켓 및 이를 구비한 차량용 엔진 배기계 구조 - Google Patents

실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 슬립방지 체결 브라켓 및 이를 구비한 차량용 엔진 배기계 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진 실린더 블록; 엔진 실린더 블록의 일측에 결합되는 다기통 배기매니폴드; 다기통 배기매니폴드 하측에 결합되는 다단 터보터빈 하우징; 다기통 배기매니폴드와 다단 터보터빈 하우징을 체결하며 체결부에서의 슬립을 방지하기 위한 슬립방지겸용 체결 수단;을 포함하는 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 슬립방지 체결 브라켓을 구비한 차량용 엔진 배기계 구조가 소개된다.

Description

실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 슬립방지 체결 브라켓 및 이를 구비한 차량용 엔진 배기계 구조{SLIP PREVENTING COUPLING BRAKET FOR MULTI STAGE TURBO HOUSING/CYLINDER BLOCK AND ENGIN EXHAUST STRUCTURE FOR VEHICLE HAVING THE SAME}
본 발명은 다단 터보터빈 하우징과 엔진 실린더 블록을 체결하기 위한 체결 브라켓에서 엔진 배기 가스 열에 의한 열변형으로 인하여 주변 구성요소들의 균열 및 체결부의 슬립 발생으로 체결부 풀림이나 진동 과다에 따른 공진 파손을 동시에 방지할 수 있는 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 체결 브라켓 장치 및 이를 구비한 차량용 엔진 배기계 시스템에 관한 것이다.
최근 차량의 엔진 다운사이징 및 비출력 극대화를 위해 과급 성능 증대가 필수적이며 이를 위해 다단(2단 또는 3단)터보 터빈하우징이 차량용 엔진에 상용화되고 있다. 그러나 다단 터보터빈 하우징 적용 시 기존 1단 터보터빈 하우징 대비 외곽 사이즈 증대로 인하여 엔진에 장착 공간이 절대 부족하다. 특히, 4기통 엔진에 적용되는 2단 터보터빈 하우징의 경우 엔진 외곽에 장착되는 보기류 부품으로 인하여 배기매니폴드 형상을 대칭형으로 설계하여 배기매니폴드, 터보터빈 고압하우징과 저압 터보터빈 하우징의 열변형을 효과적으로 최소화하는 것은 실제로 대단히 어려운 실정이다.
일반적으로 배기매니폴드와 2단 터보터빈 하우징의 연결부는 엔진 실린더 헤드 3 또는 4번 기통 쪽으로 편심되어 장착하는 구조로 설계할 수밖에 없는 상황이다. 그러나 2단 터보터빈 하우징의 경우 종래 1단 터보터빈 하우징 대비 중량 과다 증대에 의한 터보 연결 부품(오일 및 냉각수 파이프류, 브라켓 등)의 강성 저하로 연결 부품의 결합 강성을 보장하는 브라켓 지지 구조가 필요할 뿐만 아니라 고압 및 저압 터빈 하우징과 배기매니폴드의 열변형을 효과적으로 흡수할 수 있는 상충되는 지지 특성을 가진 구조가 고려되어야만 한다. 그렇지 않으면 엔진 배기 가스 열에 의한 열변형에 기인한 배기매니폴드, 2단 터보 고압 및 저압 터빈 하우징 균열, 체결부 슬립 발생에 의한 볼트 풀림 또는 진동 과다에 의한 공진 파손 등을 유발하게 되는 문제점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2013-0134177 A KR 10-1996-0023671 A
본 발명은 다단 터보터빈 하우징과 엔진 실린더 블록을 체결하기 위한 체결 브라켓에서 엔진 배기 가스 열에 의한 열변형을 효과적으로 흡수하여 주변 구성요소들의 균열을 방지할 수 있고, 체결부의 슬립 발생으로 인한 체결부 풀림이나 진동 과다에 따른 공진 파손을 동시에 방지할 수 있는 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 체결 브라켓 장치 및 이를 구비한 차량용 엔진 배기계 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 슬립방지 체결 브라켓을 구비한 차량용 엔진 배기계 구조는, 엔진 실린더 블록; 엔진 실린더 블록의 일측에 결합되는 다기통 배기매니폴드; 다기통 배기매니폴드 하측에 결합되는 다단 터보터빈 하우징; 다기통 배기매니폴드와 다단 터보터빈 하우징을 체결하며 체결부에서의 슬립을 방지하기 위한 슬립방지겸용 체결 수단;을 포함한다.
엔진 실린더 블록은 4기통 엔진 실린더 블록으로 구성되고, 다기통 배기매니폴드는 4기통용 배기매니폴드로 구성되며, 다단 터보터빈 하우징은 고압 터보터빈 하우징과 고압 터보터빈 하우징의 하측에 구비되는 저압 터보터빈 하우징이 일체로 구성되어 이루어질 수 있다.
슬립방지겸용 체결 수단은 다기통 배기매니폴드와 고압 터보터빈 하우징을 체결하는 제1 슬립방지겸용 체결 수단; 및 엔진 실린더 블록과 저압 터보터빈 하우징을 체결하는 제2 슬립방지겸용 체결 수단;을 포함하고, 제1 슬립방지겸용 체결 수단은 다기통 배기매니폴드와 고압 터보터빈 하우징 각각 일측에 형성되는 체결 플랜지, 및 각 체결 플랜지 간을 체결하기 위한 스터드와 너트로 이루어지는 체결부재를 포함하며, 제2 슬립방지겸용 체결 수단은 브라켓 부재와, 브라켓 부재에 형성된 복수의 체결 구멍과, 체결구멍을 통해 엔진 실린더 블록에 형성된 결합 구멍과 저압 터보터빈 하우징에 형성된 결합 구멍을 통해 체결되는 슬립방지 체결부재;를 포함할 수 있다.
브라켓 부재는 저압 터보터빈 하우징 측에 결합되는 하우징 브라켓부, 및 하우징 브라켓부에서 절곡 형성되어 엔진 실린더 블록의 실린더 헤드 측에 결합되는 실린더 브라켓부로 구성되고, 슬립방지 체결부재는, 와셔와, 상기 와셔를 통해 결합 구멍에 체결되는 볼트, 및 상기 와셔와 볼트 사이에 개재되는 부쉬(bush)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 슬립방지 체결 브라켓은, 엔진 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징을 체결하기 위한 브라켓에 있어서, 일측은 엔진 실린더 블록에 체결되고 타측은 다단 터보터빈 하우징에 체결되는 브라켓 부재; 브라켓 부재에 형성된 복수의 체결 구멍; 체결구멍을 통해 엔진 실린더 블록에 형성된 결합 구멍과 다단 터보터빈 하우징에 형성된 결합 구멍을 통해 체결되는 슬립방지 체결부재;를 포함할 수 있다.
브라켓 부재는 저압 터보터빈 하우징 측에 결합되는 하우징 브라켓부; 및 하우징 브라켓부에서 일체로 절곡 형성되어 엔진 실린더 블록의 실린더 헤드 측에 결합되는 실린더 브라켓부로 구성될 수 있다.
슬립방지 체결부재는 와셔; 와셔를 통해 결합 구멍에 체결되는 볼트; 및 와셔와 볼트 사이에 개재되는 부쉬(bush)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 체결 브라켓 장치 및 이를 구비한 차량용 엔진 배기계 시스템에 따르면, 엔진 배기 가스 열에 의한 열변형으로 인한 슬립량을 감소시켜 체결부에서의 풀림을 방지하고, 주변 구성요소들의 균열을 방지하며, 진동 과다에 따른 공진 파손을 동시에 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 체결 브라켓 장치를 구비한 차량용 엔진 배기계 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1의 "A"를 확대 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 체결 브라켓 장치 및 이를 구비한 차량용 엔진 배기계 시스템에 따르면, 엔진 배기 가스 열에 의한 열변형으로 인한 슬립량을 감소시켜 체결부에서의 풀림을 방지하고, 주변 구성요소들의 균열을 방지하며, 진동 과다에 따른 공진 파손을 동시에 방지할 수 있는 것이다.
본 발명에 따른 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 체결 브라켓 장치를 구비한 차량용 엔진 배기계 시스템에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 체결 브라켓 장치를 구비한 차량용 엔진 배기계 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 도 1의 "A"를 확대 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 체결 브라켓 장치를 구비한 차량용 엔진 배기계 시스템은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진 실린더 블록(100); 상기 엔진 실린더 블록(100)의 일측에 결합되는 다기통 배기매니폴드(200); 상기 엔진 실린더 블록(100)의 타측(예를 들면, 다기통 배기매니폴드(200) 하부 측)에 결합되는 다단 터보터빈 하우징(310, 320); 상기 다기통 배기매니폴드(100)와 다단 터보터빈 하우징을 체결하며 체결부에서의 슬립을 방지하기 위한 슬립방지겸용 체결 수단;을 포함한다.
엔진 실린더 블록(100)은 4기통 엔진에 채용될 수 있는 4기통 엔진용 엔진 실린더 블록(100)으로 구성되며, 이에 대응하여 다기통 배기매니폴드(200)는 1-2-3-4 기통용 배기매니폴드로 구성된다.
다단 터보터빈 하우징(310, 320)은 4기통 엔진에 채용되는 것으로, 상대적으로 상부 측에 배치되는 고압 터보터빈 하우징(310)과 고압 터보터빈 하우징(310)의 하측에 구비되는 저압 터보터빈 하우징(320)이 일체로 구성된 터보터빈 하우징으로 구성된다.
슬립방지겸용 체결 수단은 다기통 배기매니폴드(100)와 다단 터보터빈 하우징의 고압 터보터빈 하우징(310)을 체결하는 제1 슬립방지겸용 체결 수단(410), 및 엔진 실린더 블록(100)과 다단 터보터빈 하우징의 저압 터보터빈 하우징(320)을 체결하는 제2 슬립방지겸용 체결 수단(420)을 포함한다.
제1 슬립방지겸용 체결 수단(410)은 다기통 배기매니폴드(200)와 고압 터보터빈 하우징(310) 각각의 일측에 형성되는 체결 플랜지(211, 411), 및 각 체결 플랜지간을 체결하기 위한 스터드(stud)와 너트(nut)로 이루어지는 체결부재를 포함한다.
제2 슬립방지겸용 체결 수단(420)은 브라켓 부재(421)와, 상기 브라켓 부재(421)에 형성된 복수의 체결 구멍(미도시)과, 상기 체결구멍을 통해 각각 엔진 실린더 블록(100) 일측에 형성된 결합 구멍(미도시)과 저압 터보터빈 하우징(20) 일측에 형성된 결합 구멍을 통해 체결되는 슬립방지 체결부재;를 포함한다.
제2 슬립방지겸용 체결 수단(420)에서 브라켓 부재(421)는 삼각형을 포함한 다각형의 형태를 가지며, 바람직하게는 전체적으로 대략 삼각형의 형태를 갖고 형성될 수 있다.
구체적으로, 제2 슬립방지겸용 체결수단(420)의 브라켓 부재(421)는 저압 터보터빈 하우징(320)측에 결합되는 하우징 브라켓부(421a)와 상기 하우징 브라켓부(421a)에서 절곡 형성되어 실린더 헤드측에 결합되는 실린더 브라켓부(421b)로 구성된다.
제2 슬립방지겸용 체결 수단(420)의 슬립방지 체결부재는, 체결 구멍에 안착되는 와셔(422)와, 상기 와셔(422)를 통해 결합 구멍에 체결되는 볼트(423), 및 상기 와셔(422)와 볼트(423) 사이에 개재되는 부쉬(bush)(424)를 포함한다. 이에 따라 상기 볼트(423)는 상기 엔진 실린더 블록에 형성된 결합 구멍의 깊이, 상기 다단 터보터빈 하우징에 형성된 결합 구멍의 깊이 및 상기 부쉬(424)의 길이를 모두 합한 만큼의 길이로 연장된다.
종래에는 볼트 체결부에 피체결물의 열변형에 따른 슬립이 과다 발생되어 과도한 전단력이 반복적으로 발생되며 이에 따라 체결 토크에 의해 볼트에 발생되는 인장력(축력)이 이 전단력을 이기지 못하여 볼트 풀림이 발생된다. 일반적으로 볼트로 체결된 두 개의 피체결물 사이에 상대 운동(이하, 슬립)이 발생되기 위해서는 피체결물 사이에 반복적인 열변형 등에 의해 발생된 이동량(전단 변형량)이 특정값(Marginal Slip)보다 클 때 발생된다. 이때, 부쉬 적용에 의한 볼트 길이 증대로 이 특정값(Marginal Slip)을 획기적으로 증대시킬 수 있다. 본 발명의 발명자가 수행한 실험에 의하면 Marginal Slip량은 볼트 길이의 3승에 비례하여 증대되는 것으로 확인하였다. 따라서, 본 발명과 같이 부쉬를 포함한 슬립방지겸용 체결 부재를 이용하여 볼트 길이 증대를 통해 특정값(Marginal Slip) 량을 증대하여 배가가스 열에 의한 열변형에 따른 슬립량을 저감시킬 수 있다.
상기와 같은 본 발명은 일체형 다단(2단) 터보터빈 하우징의 적용으로 1단 터보 대비 과다 열변형을 흡수하기 위한 별도 구조(벨로우즈, 씰링 등)를 구비하지 않고 기존 진동 저감을 위한 브라켓 체결부에 슬립방지겸용 체결부재를 적용하여 열변형에 따른 체결부에서 발생되는 슬립량을 대폭적으로 저감하여 체결부재의 풀림 및 열 크랙 방지 효과를 도모할 수 있다.
즉, 본 발명은 부쉬를 적용하여 볼트 길이 증대하여 특정값(Marginal Slip)을 증대하여 피체결물 간 반복적인 열변형에 따른 슬립량을 저감하여 체결부재의 풀림을 방지할 수 있으며, 일체형의 2단 터보터빈 하우징 적용에 따른 배기매니폴드, 고압 및 저압 터빈 하우징 열변형을 효과적으로 흡수함과 동시에 중량 증대에 따른 동강성 저하를 회피하기 위한 브라켓 체결 부품 풀림 방지에 대단히 효과적이다.
그리고 상기 엔진 실린더 블록과 체결되는 볼트와 상기 저압 터보터빈 하우징과 체결되는 볼트의 결합 방향은 서로 직각을 이루도록 하고, 그 상태에서 상기 엔진 실린더 블록과 체결되는 볼트와 상기 저압 터보터빈 하우징과 체결되는 볼트는 상하방향을 기준으로 서로 교차되도록 번갈아가며 배치되도록 한다. 이를 통해 결합강도를 더욱 증대시킬 수 있게 된다.
그리고 과도한 열변형을 흡수하기 위한 별도의 구성(즉, 배기매니폴드 분리형, 벨로우즈 파이프, V-클램프 등)을 구비하지 않아 원가절감에도 기여할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징용 체결 브라켓 장치 및 이를 구비한 차량용 엔진 배기계 시스템에 따르면, 엔진 배기 가스 열에 의한 열변형으로 인한 슬립량을 감소시켜 체결부에서의 풀림을 방지하고, 주변 구성요소들의 균열을 방지하며, 진동 과다에 따른 공진 파손을 동시에 방지할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100: 엔진 실린더 블록 200: 다기통 배기매니폴드
211, 411: 체결 플랜지 310: 고압 터보터빈 하우징
320: 저압 터보터빈 하우징 410: 제1 슬립방지겸용 체결 수단
420: 제2 슬립방지겸용 체결 수단 421: 브라켓 부재
421a: 하우징 브라켓부 431b: 실린더 브라켓부
422: 와셔 423: 볼트
424: 부쉬

Claims (10)

  1. 엔진 실린더 블록;
    상기 엔진 실린더 블록의 일측에 결합되는 다기통 배기매니폴드;
    상기 다기통 배기매니폴드 하측에 결합되는 다단 터보터빈 하우징;
    상기 다기통 배기매니폴드와 다단 터보터빈 하우징을 체결하며 체결부에서의 슬립을 방지하기 위한 슬립방지겸용 체결 수단;을 포함하고,
    상기 엔진 실린더 블록은 4기통 엔진 실린더 블록으로 구성되고,
    상기 다기통 배기매니폴드는 4기통용 배기매니폴드로 구성되며,
    상기 다단 터보터빈 하우징은 고압 터보터빈 하우징과 고압 터보터빈 하우징의 하측에 구비되는 저압 터보터빈 하우징이 일체로 구성되며,
    상기 슬립방지겸용 체결 수단은
    상기 다기통 배기매니폴드와 고압 터보터빈 하우징을 체결하는 제1 슬립방지겸용 체결 수단; 및
    상기 엔진 실린더 블록과 저압 터보터빈 하우징을 체결하는 제2 슬립방지겸용 체결 수단;을 포함하고,
    상기 제2 슬립방지겸용 체결 수단은 브라켓 부재와, 상기 브라켓 부재에 형성된 복수의 체결 구멍과, 상기 체결구멍을 통해 상기 엔진 실린더 블록에 형성된 결합 구멍과 상기 저압 터보터빈 하우징에 형성된 결합 구멍을 통해 체결되는 슬립방지 체결부재;를 포함하며,
    상기 슬립방지 체결부재는, 와셔와, 상기 와셔를 통해 결합 구멍에 체결되는 볼트, 및 상기 와셔와 볼트 사이에 개재되는 부쉬(bush)를 포함하되,
    상기 부쉬에 의해 상기 볼트 길이를 부쉬 길이만큼 연장시킴으로써, 상기 터빈하우징의 열변형을 차단하여 체결부에서 발생되는 슬립량을 저감시키는 차량용 엔진 배기계 구조.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 슬립방지겸용 체결 수단은 상기 다기통 배기매니폴드와 고압 터보터빈 하우징 각각 일측에 형성되는 체결 플랜지, 및 상기 각 체결 플랜지 간을 체결하기 위한 스터드와 너트로 이루어지는 체결부재를 포함하는 차량용 엔진 배기계 구조.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 브라켓 부재는 상기 저압 터보터빈 하우징 측에 결합되는 하우징 브라켓부, 및 상기 하우징 브라켓부에서 절곡 형성되어 상기 엔진 실린더 블록의 실린더 헤드 측에 결합되는 실린더 브라켓부로 구성되는 차량용 엔진 배기계 구조.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 슬립방지겸용 체결 수단의 슬립방지 체결부재는 상기 브라켓 부재와 상기 엔진 실린더 블록 또는 상기 저압 터보터빈 하우징을 체결하는 볼트이며, 상기 엔진 실린더 블록과 체결되는 볼트와 상기 저압 터보터빈 하우징과 체결되는 볼트의 결합 방향이 서로 직각을 이루는 차량용 엔진 배기계 구조.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 슬립방지겸용 체결 수단의 슬립방지 체결부재는 상기 브라켓 부재와 상기 엔진 실린더 블록 또는 상기 저압 터보터빈 하우징을 체결하는 볼트이며, 상기 엔진 실린더 블록과 체결되는 볼트와 상기 저압 터보터빈 하우징과 체결되는 볼트는 상하방향을 기준으로 서로 교차되도록 번갈아 배치된 차량용 엔진 배기계 구조.
  7. 엔진 실린더 블록과 다단 터보터빈 하우징을 체결하기 위한 브라켓에 있어서,
    일측은 상기 엔진 실린더 블록에 체결되고 타측은 상기 다단 터보터빈 하우징에 체결되는 브라켓 부재;
    상기 브라켓 부재에 형성된 복수의 체결 구멍;
    상기 체결구멍을 통해 상기 엔진 실린더 블록에 형성된 결합 구멍과 상기 다단 터보터빈 하우징에 형성된 결합 구멍을 통해 체결되는 슬립방지 체결부재;를 포함하고,
    상기 슬립방지 체결부재는
    와셔;
    상기 와셔를 통해 결합 구멍에 체결되는 볼트; 및
    상기 와셔와 볼트 사이에 개재되는 부쉬(bush)를 포함하되,
    상기 부쉬에 의해 상기 볼트 길이를 부쉬 길이만큼 연장시킴으로써, 상기 터빈하우징의 열변형을 차단하여 체결부에서 발생되는 슬립량을 저감시키는 것을 특징으로 하는 슬립방지 체결 브라켓.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 브라켓 부재는
    상기 다단 터보터빈 하우징 측에 결합되는 하우징 브라켓부; 및
    상기 하우징 브라켓부에서 일체로 절곡 형성되어 상기 엔진 실린더 블록의 실린더 헤드 측에 결합되는 실린더 브라켓부로 구성되는 슬립방지 체결 브라켓.
  9. 삭제
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 볼트는 상기 엔진 실린더 블록에 형성된 결합 구멍의 깊이, 상기 다단 터보터빈 하우징에 형성된 결합 구멍의 깊이 및 상기 부쉬의 길이를 모두 합한 만큼의 길이로 연장된 슬립방지 체결 브라켓.
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