KR100518763B1 - 내연기관의 흡입장치 - Google Patents

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KR100518763B1
KR100518763B1 KR10-1999-7003075A KR19997003075A KR100518763B1 KR 100518763 B1 KR100518763 B1 KR 100518763B1 KR 19997003075 A KR19997003075 A KR 19997003075A KR 100518763 B1 KR100518763 B1 KR 100518763B1
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한스-조아킴 에쉬
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필터벨크 만 운트 훔멜 게엠베하
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Abstract

본 발명은 내연기관의 한가지 흡입계통에 관한 것이다. 상기 흡입계통은 공기흡입구(10), 공기여과기(11), 주류도관(12) 및 주류도관으로부터 내연기관실린더에 이르는 개별도관(13 내지 16)를 포함한다.
본 흡입계통은 적어도 한 개의 분기공진기(18)를 포함하며 이는 적어도 한 개의 네크부(20)와 한 개의 공진실(19)을 포함하는데, 네크부의 길이 및/또는 단면적은 가변적이다.

Description

내연기관의 흡입장치{Intake system for an internal combustion engine}
본 발명은 내연기관의 흡입장치에 관한 것이다.
본 발명은 내연기관의 흡입장치에 관한 것으로서 상기 흡입장치는 공기흡입구, 공기여과기, 주류도관, 상기 주류도관으로부터 내연기관의 실린더로 연장되는 다수의 개별도관, 및 하나 이상의 분기공진기를 포함한다. 여기서 상기 하나 이상의 분기공진기(分岐共振器)는 하나 이상의 네크부와 하나의 공진실을 포함하고 있으며, 네크부의 길이 및/또는 횡단면적은 조정가능하다.
DE OS 42 16 255 호에는 내연기관의 흡입관이 공지되어 있다. 이러한 흡입관은 유입구측에서 집합관과 연결되는 다수의 개별 흡입관으로 구성되어 있다. 흡입관은 일체형으로 되어 있으며 중공성형법(blow molding method)에 의하여 제조된다. 두 개의 개별 흡입관 사이에는 분기공진기(shunt resonator)가 설치되어 있다. 이 분기공진기는 일정한 주파수의 음파를 소멸시키는 짧은 관부분으로 되어 있다. 관부분의 길이는 λ/4로서 음파에 맞게 규정되어 있다. 또한 이러한 분기공진기를 공기여과기 하우징의 정화공기실과도 연결할 수가 있다. 그러나 가급적이면 음원에 가깝게 설치하는 것이 좋다. 도시되어 있는 분기공진기는 일정한 주파수, 즉 요컨대 내연기관의 일정한 회전속도에서 작용한다. 따라서, 내연기관의 다양한 회전범위에 걸쳐 바람직하지 않은 음파를 제거하려면 다수의 분기공진기를 설치하여 해당 주파수에 맞게 이 분기공진기들을 조정하는 것을 고려할 수 있을 것이다. 하지만 이는 상당한 공간을 요한다.
도 1은 흡입장치의 개략도,
도 2 a - e 는 다양한 주파수에 대하여 플랩의 위치가 구성된 분기공진기,
도 3 a - e 는 다양한 주파수에 대하여 플랩의 위치가 구성된, 회전판을 구비한 분기공진기.
본원발명의 목적은 상기한 단점을 방지하고, 작은 용적을 갖거나 작은 공간만을 필요로 하면서도 광범위한 주파수 스펙트럼에 걸쳐서 작용하는 분기공진기를 구비한 내연기관용 흡입장치를 제공하고자 하는 것이다.
이러한 본원발명의 목적은 이하에서 기술되는 흡입장치에 의해 달성된다. 본 발명의 주요한 장점이라면 주파수와 관계된 인자들이 가변적이어서 분기공진기를 연속적 또는 불연속적 방식으로 엔진회전속도에 맞게 조정하는 것이 가능하다는데 있다. 이러한 조정은, 예컨대 일정한 관을 여닫는 플랩(flap), 또는, 예를 들어 무단으로 작용하는 스로틀과 같이 관의 횡단면을 변화시키기 위한 수단에 의하여 이루어진다. 또한 텔레스코픽(telescopic) 구성에 의해 관의 길이를 변화시킬 수도 있다.
본원발명의 한 실시예에서는 공진기의 용적을 변화시키는 방안도 제안하고 있다. 이와 같은 공진기 용적의 변화는, 예를 들어 큰 체적을 복수개의 부분체적으로 나누어서 이러한 부분체적을 개폐시킴으로써 이루어질 수 있다. 분기공진기의 크기는 내연기관의 회전속도 및/또는 부하상태에 따라 간단한 방식으로 변경시킬 수가 있다. 이러한 목적으로, 적당한 회전속도센서 및 흡입관 내의 부압을 측정하기 위한 센서가 부하상태의 측정을 위하여 사용될 수 있다.
분기공진기의 효율을 높이기 위해서, 본원발명의 또 다른 실시예에서는 주류도관(main flow duct)를 몇 개의 부분으로 나누어, 특히 저주파수 영역에서 이중 하나의 부분, 즉 주류도관 일부를 차단하는 방식을 제안하고 있다.
본원발명의 일 실시예에서는, 주류도관으로부터 시작되는 제 1 네크부(neck)가 분기공진기의 공동(cavity) 내로 연장하도록 하며, 제 1 네크부 횡단면의 복수 배의 횡단면을 갖는 제 2 네크부도 마찬가지로 주류도관 및 분기공진기의 공동에 연결되도록 하고 있다. 다양한 주파수 범위에서는, 적당한 플랩에 의하여 양 네크부 모두 또는 이 중 하나의 네크부만을 개폐하는 것이 가능하다.
본원발명의 또 다른 실시예에서는 단면적은 좁으나 제 1 네크부의 두 배 길이를 갖는 보조 네크부를 제안하고 있다. 이와 같은 보조 네크부 역시 플랩을 구비하여 50Hz 범위의 특히 낮은 주파수를 차단하는데 사용될 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에서는, 여러 개의 조정용 플랩을 단일한 축상에 부착시키는 방식을 제안하고 있다. 이는 오직 하나 또는 두 개의 액추에이터(actuator)만으로도 플랩을 작동시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.
본원발명에 따른 실시예의 상기 및 여타 특징들은 청구범위 뿐만 아니라 명세서와 도면을 통해서도 알 수 있고, 보호가 청구되는 각각의 특징들은 단독으로 또는 본원발명의 실시예의 하위 조합의 형태로서 함께 실현될 수 있다.
도 1에 따른 흡입장치는 공기흡입구(10), 공기여과기(11), 주류도관(12) 및, 주류도관으로부터 나와 내연기관(17)의 실린더로 이어지는 개별도관(13,14,15,16)을 포함하고 있다. 주류도관에는 분기공진기(18)가 연결되어 있다. 이러한 분기공진기는 공진실(19) 및 공진기 네크부(20)를 포함하고 있다. 앞서 언급했던 바와 같이 분기공진기는, 분기공진기가 맞춰진 주파수범위 내에서는 확실하게 작용한다. 따라서 분기공진기는 장애가 되는 주파수 범위를 제거할 수 있는 확실한 수단이 된다. 이를 위하여, 분기공진기의 크기는 다음의 헬름홀츠(helmholtz) 공진식에 따라 규정되어야 한다.
공진주파수 fres = (음파속도 /2π) * √{네크부면적/(네크부길이*체적)}
예컨대 체적이 1,500 cm3, 네크부직경이 2cm, 네크부의 길이가 18cm 일 때 공진주파수는 58Hz로 된다. 분기공진기(18)는 4기통 4행정엔진의 주류도관(12)에 연결되었을 때, 회전속도 n = 1,750 rpm 에서 엔진주파수의 2차수(second order of the motor frequency)에 대한 소멸작용을 한다. 네크부 횡단면적/주류도관 횡단면적의 비가 크면 클수록 효율이 더 좋아진다. 네크부 횡단면적을 크게 하여 효율을 향상시키고자 하는 경우에는, fres를 일정하게 유지시키기 위하여 네크부의 길이나 체적 또는 양자를 크게 하여야 한다. 그러나 이러한 구성은 종종 구조상으로 불가능하게 된다. 효율을 향상시키기 위해서는 주류도관을 좁게 만들 수도 있다. 그러나 이것은 엔진의 고출력영역에 문제가 된다.
이에 대한 해결방안은 주도관(main duct) 또는 주류도관의 부분과 어댑터 회로(adapter circuit)를 구비한 분기공진기에 의해 제공된다. 주 공기도관은 분기공진기가 작용하는 회전속도범위 내에서만 좁아진다. 저음부분에 대한 소멸의 필요성은 오직 저속 회전범위 내에 대해서만 존재하므로, 이러한 범위 내에서 구동하기 위한 주도관은 엔진 토크의 손실이 없이도 그 횡단면적을 감소시킬 수 있다. 이를 위하여, 주도관 또는 주류도관(12)의 관류면(flow area)은, 횡단면(21)으로 도시된 바와 같이, 3개의 부분으로 나누어져 있으며 이 중 2개의 부분은 플랩에 의해 개폐될 수 있게 구성되어 있다. 따라서, 3개의 병렬채널이 형성되는데, 이 때 하부의 두 채널은 저음소멸을 위하여 분기공진기와 연결하는데 사용된다. 회전속도가 3,000rpm이하로 떨어지면 상부의 반원형 채널(22)의 플랩이 닫힌다. 좌측 채널(23)의 플랩은 회전속도가 최저 범위에 있는 경우에 폐쇄된다. 플랩은 이밖에도 분기공진기를 회전속도에 필요한 주파수로 조절하기 위해서도 사용될 수 있다. 분기관과 플랩에 의하여 각각의 대응회전속도에 유효한 여러 공진주파수를 얻을 수 있게 된다.
도 2 a - e는 저음에 대해 조정됨에도 불구하고 체적이 1,500 cm3만을 차지하게 되는 분기공진기의 구조를 도시하고 있다. 도 2의 중간부분은 주류도관(12) 및 분기공진기(18)의 측면도를 도시하고 있으며, 그 좌측에는 단면 A-A 에 따른 단면도, 그 우측에는 단면 B-B 에 따른 단면도를 도시하고 있다. 부분으로 분리되어 있는 주류도관(12)에는 채널(22)을 개폐하는 회전플랩(25) 및 채널(23)을 개폐하는 선회플랩(26)이 제공되어 있다. 단면 A-A 에 도시되어 있는 바와 같이 채널(24)은 개방되어 있다.
공진기 네크부(27)는 채널(23)로부터 공진실(19)로 이어진다. 그러나, 여기에 도시된 위치에서 네크부는 선회플랩(28)에 의해 닫혀 있다. 또 다른 공진기 네크부(29)는 채널(24)과 연통되어 있다. 이 네크부(29)는 공진기 네크부(27) 길이의 약 2배 길이를 갖는다. 네크부(29)의 하단부에는 공진기 네크부의 길이를 단축시키거나 연장시킬 수 있는 선회플랩(30)이 배치되어 있다. 이 선회플랩(30) 역시 여기에 도시된 위치에서는 닫혀 있다.
주류도관(12)의 분리된 부분밖에는 또 다른 공진기 네크부(31)가 있다. 이 네크부(31)는 회전플랩(32)에 의하여 주류도관(12)과 연통되어 있다. 상기 회전플랩(32)은 여기에 도시된 위치에서는 닫혀 있다. 공진기 네크부(31)에 있는 또 다른 선회플랩(33)도 역시 닫혀 있다. 여기에 도시되어 있는 플랩의 위치는 40Hz 범위, 즉 저속회전범위에 적합하다. 이를 위하여, 내연기관에 정화공기를 공급하도록 오직 채널(24)만이 개방되어 있다. 동시에 상기 채널(24)은 공진기 네크부(29)와 연통되어 있다. 이와 같은 방식으로 하여 매우 낮은 동조주파수(tuning frequency)가 얻어질 수 있다.
도 2b에 도시된 전환위치에서는, 분기공진기의 공진주파수가 60Hz 범위의 높은 회전속도에 맞춰진 높은 값을 갖는다. 도 2a에 도시된 전환위치와 비교하여 볼 때, 오직 선회플랩(30)만이 개방되어 있다. 따라서 원래의 긴 네크부 길이가 단축되어, 앞서 언급한 바와 같이, 공진기 주파수가 증가하게 된다.
도 2c에는, 약 80Hz에서 흡입소음에 대한 완충작용을 하는 전환위치가 도시되어 있다. 선회플랩(30)의 개방에 추가하여, 선회플랩(28) 및 선회플랩(26)도 개방되어 있다. 따라서 주류도관은 반이 개방되게 되며, 두 개의 공진기 네크부(27,29)도 개방되게 된다. 이러한 2개의 동일한 길이의 박관(薄管)들은 두배의 단면적을 가진 하나의 관과 같이 작용하게 된다.
도 2d는 이미 열려져 있는 플랩에 추가하여, 주류도관의 분리된 부분의 상부 횡단면을 개방시키는 회전플랩(25)이 개방된 상태를 도시하고 있다. 또한 선회플랩(32)이 개방되어 공진기 네크부(32)를 개방시킴으로써 분기공진기의 공진실과 연통하게 된다. 이러한 전환위치에서는 공지주파수가 약 120Hz이다.
도 2e에 도시되어 있는 전환위치에서는 공진주파수가 약 165Hz이다. 이는 4기통 4-행정엔진의 회전속도가 5,300rpm인 경우에 해당한다. 모든 선회플랩 또는 회전플랩들이 개방되어 있다. 즉, 도 2d의 전환위치와 비교하여 회전플랩(33)이 추가로 개방되는데, 이로서 공진기 네크부(31)의 길이가 단축되게 된다.
이러한 일련의 실시예를 통해 명백해지는 바와 같이, 장애가 되는 각각의 음향에 맞춰지도록 조정된 다수의 억제주파수(suppression frequency)가 엔진 회전속도 범위에 걸쳐 설정될 수 있게 된다. 이러한 방식으로, 단지 하나의 고정된 공진실에 의해 효과적인 소음억제가 확실히 이루어지게 된다. 분기관이 소음원, 즉 내연기관의 각각의 실린더 헤드에 근접할수록, 보다 효과적인 소음억제가 이루어지게 된다. 따라서, 도 1에 도시한 같이, 분기공진기를 여과기의 정화공기측에 설치하는 것이 바람직하다. 이에 따라서 소음감쇄가 높은 에너지 레벨에서 이루어지며, 후속하는 구성부분들이 부하를 작게 받게 된다. 이는 부하를 받는 구성부분의 벽으로부터의 음향반사가 감소된다는 점에서 명백하다.
도 2에는 5개 주파수단계로 전환되기 위해 필요한 6개의 개별조절기구가 도시되어 있다.
도 3a - e 에 따르면, 이러한 개별조정기구를 2개의 제어모터에 의해 조정할 수 있다. 2개의 제어모터나 또는 조정요소로 줄이는 문제는 각기 2개의 플랩기능을 수행하는 회전밸브를 사용함으로써 가능하다.
또한, 이와 같은 두 개의 다기능 회전밸브를 3개의 전환위치를 취할 수 있는 하나의 축상에 설치하는 것도 가능하다. 이러한 방식으로 하여 한 개의 제어모터로 4가지 개별기능을 제공할 수 있게 된다. 나머지 2가지 기능들은 하나의 축상에 설치되는 두 개의 플랩에 의해 수행될 수 있으며, 이에 따라 이러한 플랩들은 제 2 의 제어모터를 필요로 하게 된다. 여기에서도 3개의 전환위치를 취할 수 있다.
도 3a - e는 이에 대한 원리를 도시하고 있다. 각각의 도면에는 5개의 전환위치 중 하나를 도시하고 있다. 주류도관(12)은 3개의 채널을 포함하고 있다. 이중 하나의 채널(34)은 내내 개방되게 되며, 여기서 도면의 중앙부에 있는 주류도관은 지면에 대하여 수직으로 뻗어 있다.
작은 채널(36)에는 회전밸브(35)가 제공되어 있다.
큰 채널(37)에는 회전밸브(38)가 제공되어 있으며, 양 채널부분(36,37)은 각각 공진기 네크부(39,40)와 연통되어 있다. 채널(34)은 공진기 네크부(39,40)보다 횡단면은 작으나 길이가 더 긴 공진기 네크부(41)와 연통되어 있다. 40Hz 의 주파수범위에 대해 구성되어 있는 전환위치에서는, 주류도관의 채널(34)만이 개방된 상태로 되어 있다. 채널(36,37)은 각각 회전밸브(35,38)에 의하여 개폐된다. 양 회전밸브(35,38)는 공통의 축(42)상에 설치되어 있다. 공진기 네크부(41) 및 공진기 네크부(40)에는 각각 선회플랩(43, 44)이 배치되어 있다. 이러한 2개의 선회플랩도 역시 공통의 축(45)상에 고정되어 있다.
나머지 도면 3b ~ 3e에는 다른 4개의 전환위치가 도시되어 있다.아래의 회전밸브(35,38) 및 선회플랩(43,44)의 각각의 위치를 나타내고 있다. 선회플랩(44)은 축(45)상에 직접 고정되지 않고, 창벽에 대해 스프링 하중을 받고 있어서 캠 로브(cam lobe)가 접촉할 때까지 이동하지 않게 구성되어 있다. 선회플랩(44)의 이동은 선회플랩(43)이 80°로 개방되는 경우에 이루어지게 된다. 즉, 축(45)이 80°이상으로 회전하게 되면, 선회플랩(44)은 개방위치로 이동하게 된다.
전환단계 작용주파수 축(42) 회전밸브(35) 회전밸브(38) 축(45) 선회플랩(44) 선회플랩(43) 도면
1 40 위치 0° 폐쇄 폐쇄 위치 0° 폐쇄 폐쇄 3a
2 58 위치 0° 폐쇄 폐쇄 위치 80° 폐쇄 개방 3b
3 82 위치 60° 개방 폐쇄 위치 80° 폐쇄 개방 3c
4 116 위치 120° 개방 개방 위치 80° 폐쇄 개방 3d
5 116 위치 120° 개방 개방 위치 160° 개방 개방 3e
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본원발명에 따른 내연기관의 흡입장치는 주파수와 관계된 인자들이 가변적이어서 분기공진기를 연속적 또는 불연속적 방식으로 엔진회전속도에 맞게 조정하는 것이 가능하므로, 분기공진기가 작은 용적을 갖거나 작은 공간만을 필요로 하면서도 광범위한 주파수 스펙트럼에 걸쳐서 작용할 수 있게 된다. 따라서, 차량 등의 내연기관용 흡입장치로서 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 공기흡입구, 공기여과기, 주류도관, 상기 주류도관으로부터 내연기관의 실린더로 연장되는 다수의 개별도관, 및 하나 이상의 분기공진기를 포함하는 내연기관의 공기흡입장치에 있어서,
    상기 하나 이상의 분기공진기가 각각 하나 이상의 네크부와 하나의 공진실을 포함하며,
    상기 하나 이상의 네크부는 길이 및 단면적 중 하나 이상의 치수가 조정 가능하며,
    상기 주류도관은 세 개의 채널로 분리되고, 이들 세 개의 채널 중 두 개는 각 채널의 개폐를 제어하기 위한 플랩을 각각 구비하며, 이들 세 개의 채널 중 하나는 상기 하나 이상의 분기공진기 중의 하나와 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡입장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 네크부의 치수는 엔진의 회전속도와 부하상태 중 하나 이상에 종속되어 조정되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡입장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 네크부의 치수는 조정가능한 플랩에 의하여 조정되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡입장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진실의 체적이 조정가능한 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡입장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공진실의 체적은 엔진의 회전속도와 부하상태 중 하나 이상에 종속되어 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡입장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 공진실의 체적이 조정 가능한 플랩에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡입장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분기공진기가 상기 주류도관으로부터 상기 공진실로 연장되는 제 1 및 제 2 네크부를 포함하며, 상기 제 2 네크부의 횡단면적이 상기 제 1 네크부 횡단면적의 배수인 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡입장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 분기공진기가 상기 주류도관으로부터 상기 공진실로 연장하는 제 3 네크부를 더 포함하며, 상기 제 3 네크부의 횡단면적이 상기 제 1 네크부의 횡단면적과 동일하며, 상기 제 3 네크부의 길이가 상기 제 1 네크부 길이의 두 배인 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡입장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 주류도관에 두 개의 조정가능한 플랩이 제공되고, 상기 네크부에 두 개 이상의 조정가능한 플랩이 제공되며,
    상기 주류도관의 조정가능한 플랩이 단일 축에 의해 작동되며, 상기 네크부의 조정가능한 플랩이 단일 축에 연결되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡입장치.
KR10-1999-7003075A 1996-10-10 1997-09-18 내연기관의 흡입장치 KR100518763B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

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DE19641715A DE19641715A1 (de) 1996-10-10 1996-10-10 Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine
DE19641715.5 1996-10-10

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