KR101091938B1 - 제트소음 저감수단을 구비한 엔진 배기가스용 소음기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 속도가 빠른 대형 엔진의 배기가스에 대해서 유동성능은 그대로 유지하면서도 유동기인 제트소음을 확실하게 저감시킬 수 있고, 부가적으로 진동도 낮출 수 있는 신뢰성 있는 엔진 배기가스용 소음기를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 흡입배관(200), 토출배관(400) 및 흡입배관(200)보다 직경이 크게 형성되는 소음기 몸체(100)를 포함하는 엔진 배기가스용 소음기(1)에 있어서, 상기 소음기(1)는 흡출배관(200)에서 발생하는 제트소음을 낮출 수 있는 제트소음 저감수단(300)을 포함하는 것이 특징인 엔진 배기가스용 소음기를 제공한다.

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Description

제트소음 저감수단을 구비한 엔진 배기가스용 소음기{Muffler for Engine Waste Gas with Reduction Means for Jet Noise}

본 발명은 엔진 배기가스용 소음기에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 흡입배관에서 발생하는 제트소음을 줄일 수 있는 저감수단을 구비함으로써 유동성능은 그대로 유지하면서도 배기가스의 유동기인 소음을 획기적으로 낮출 수 있는 엔진 배기가스용 소음기에 관한 것이다.

최근 들어 산업기계에 대한 운전조건이 고속화됨에 따라 고주파 성분이 포함된 엔진으로부터의 소음 발생이 급증하고 있다. 이러한 고주파 소음은 음향 특성상 날카롭고 높은 소리로 귀에 들리게 되는데, 근로자의 작업 효율을 떨어뜨리는 것은 물론이고 장시간 방치할 경우 청력 저하 등을 일으킬 수도 있다.

특히, 중·대형 선박용 엔진 등과 같은 기관에서 배출되는 고온 고압의 배기가스는 대기 중에 그대로 방출될 경우 급격한 팽창 때문에 폭발음이 발생하게 된 다. 이 때 배기가스는 상당히 고온(300~500도)이고 속도도 거의 음속에 가깝게 되므로 소음기를 통과하지 않고 그대로 대기에 방출되면 강한 충격 소음을 발생시킨다. 통상 이를 방지하기 위해 파이프의 단면 변화를 이용하여 엔진의 연소음을 반사시키는 확장형 소음기나 소음기 내부에 흡음재를 두어 음향에너지를 흡수하는 흡음형 소음기 등을 사용한다.

엔진 배기가스용 소음기로는 여러 가지가 있을 수 있지만 엔진의 운전 성능을 보장하기 위해 최소한의 배압으로 소음을 최대로 저감시키는 것이 필요하다. 주로 많이 사용되는 엔진 배기가스용 소음기의 종류로는 반사소음기, 간섭소음기, 간섭·반사 복합소음기, 흡수소음기, 흡수·반사 복합소음기 및 공명소음기 등이 있다.

반사소음기는 여러 칸의 공간이 연속적으로 배열되어 있고, 각 공간 칸막이에는 파이프가 설치되어 있는 구조로서 맥동하는 배기가스는 진로를 차단당하게 되어 소음이 저감되는 효과를 갖는다. 반사소음기에서 소음 감쇠 작용은 칸막이와 파이프의 단면적 변화에 따른 충격반사작용에 의해 이루어진다. 간섭소음기는 배기관이 여러 개로 분기되었다가 다시 한 개로 집합하는 것으로서 배기가스의 충격적인 소음을 약한 음파로 변환시킨다. 간섭·반사 복합소음기는 서로 다른 여러 개의 소음관과 칸막이된 공간이 연결되어 있다. 반사작용으로 소음을 감쇠시키는 외에 추가적으로 불쾌하게 느껴지는 음진동을 감쇠시킨다.

흡수소음기는 유동 저항이 작다는 장점이 있어 유동저항이 작아야만 하는 배기장치에 사용된다. 소음기에 충격적으로 유입되는 배기가스는 진동에 의해 소음관에 천공된 구멍을 통하여 흡음재로 채워진 칸막이실로 유입된다. 배기가스는 흡음재와의 마찰에 의해 진동에너지가 소진되고 충격이 없는 상태로 소음기를 빠져 나간다. 흡수·반사 복합소음기는 특정 진동영역에서 흡수소음기의 소음감쇠 효과가 반사원리에 의해 개선된다.

공명 소음기는 여러 갈래로 분기된 공명기가 주를 이루며, 특히 소음수준이 높은 경우에 사용하면 특별한 문제없이 배기가스의 유동저항을 감쇠시킬 수 있다.

도 1 및 도 2에 종래의 엔진 배기가스용 소음기로서 확장형 소음기(1)를 간략하게 도시하였다. 확장형 소음기는 배기가스(50)가 확장형 몸체(10)에 진입하면서 음향 임피던스가 급격히 커져서 입구(20)쪽으로 일부가 반사됨으로써 투과 음파가 저감되도록 설계되었다. 음향에너지가 저감된 배기가스(50)는 출구(40)쪽으로 빠져나가는데, 필요한 경우 소음 흡입홀(31)을 다수 포함하는 공명기(30)가 입구(20)쪽 또는 출구(40)쪽에 설치되어 저주파소음을 추가로 저감시킬 수도 있다.

그러나 상기 엔진 배기가스용 소음기(1)는 여러 가지 장점에도 불구하고 대형 엔진의 고온고압 배기가스(50) 충격음을 충분히 저감시키기에는 한계가 있다. 왜냐하면 엔진의 배기가스(50) 속도는 빠른 경우 대략 40~50m/s 정도가 넘고 압력도 3~5bar 정도로 높게 배출되는데, 입구배관(20)에서 소음기(1)로 토출되는 배기가스(50)가 제트 코어(jet core, 51)를 형성함으로서 음향에너지가 충분히 감쇠되지 못하고 소음기(1)를 빠져나가기 때문이다.

또한, 도 2에 도시한 바와 같이 종래의 엔진 배기가스용 소음기는 배기가스가 고속으로 몸체(10) 내로 토출되므로 입구 쪽 배기가스관(20)의 끝을 시작으로 제트코어(51) 둘레로 유동소음영역(52)이 발생하게 되는데, 유동 특성 상 확장형 몸체(10)만으로는 소음을 충분히 낮출 수 없다는 문제점이 있다.

배기가스관(20) 끝에서 발생하는 제트소음은 4극자(quadrupole) 음원에 의한 난류소음으로 노즐 가까이에서는 고주파음, 멀어질수록 저주파음으로 바뀌며, 음원인 난류 에디(eddy)들이 분류와 함께 대류하기 때문에 이동 음원에 따라 하류쪽에서 음압이 높은 지향특성을 나타내므로 적절히 제거하거나 낮추지 않는 경우 몸체(10)에 진동으로 전달되어 불쾌감을 주게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 속도가 빠른 대형 엔진의 배기가스에 대해서 유동성능은 그대로 유지하면서도 유동기인 제트소음을 확실하게 저감시킬 수 있고, 부가적으로 진동도 낮출 수 있는 신뢰성 있는 엔진 배기가스용 소음기를 제공하고자 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 흡입배관(200), 토출배관(400) 및 흡입배관(200)보다 직경이 크게 형성되는 소음기 몸체(100)를 포함하는 엔진 배기가스용 소음기(1)에 있어서, 상기 소음기(1)는 흡입배관(200)에서 발생하는 제트소음을 낮출 수 있는 제트소음 저감수단(300)을 포함하는 것이 특징인 엔진 배기가스용 소음기를 제공한다.

여기서, 상기 저감수단(300)은 흡입배관(200)에 연결되고 소음기 몸체(100) 내부로 삽입되는 절두원추형의 확장관(310); 상기 확장관(310)의 일단을 막는 엔드플레이트(320); 및 상기 엔드플레이트(320) 상에 형성되는 것으로 배기가스 제트코어를 여러개로 분절하는 복수의 분절홀(330)을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 분절홀(330)의 단면적을 합한 면적은 상기 흡입배관(200)의 단면 적과 일치하는 것이 더욱 유리하다.

또한, 상기 분절홀(330)들은 하나의 분절홀(330)이 인접한 분절홀(330)들과 동일한 거리를 두고 위치되는 것이 바람직하다.

더욱더, 상기 분절홀(330)들의 수력직경이 동일한 것이 바람직하다.

한편, 상기 확장관(310)의 내부로 엔드플레이트(320) 상류에는 배기가스(520)를 엔드플레이트(320) 중앙부에 배치되는 분절홀(330)로 안내하는 유동가이드부재(340)를 더 포함하는 것이 좋다.

여기서, 상기 유동가이드부재(340)는 유선형으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유동가이드부재(340)는 흡음재인 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 제트소음 저감수단을 구비하는 엔진 배기가스용 소음기는 대형 엔진에 적용되어 유동에서 기인하는 제트소음을 확실히 줄일 수 있고 이와 더불어 특별한 장치 없이도 배기가스의 진동 특성도 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 구체적 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 제트소음 저감수단을 구비한 엔진 배기가스용 소음기 절단 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제트소음 저감수단을 나타내는 확대 측단면도이며, 도 5는 본 발명의 유동가이드부재 구비 제트소음 저감수단을 나타내는 확대 측단면도이다. 종래 기술과 다르지 않은 부분으로서 발명의 기술적 사상을 이해하는데 필요하지 않은 사항은 설명에서 제외하나, 본 발명의 기술적 사상과 그 보호범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

먼저 도 3 및 도 4를 이용하여 본 발명의 제트소음 저감수단을 구비하는 엔진 배기가스용 소음기의 제1실시예를 자세히 설명한다.

본 발명의 엔진 배기가스용 소음기(1)는 흡입배관(200); 흡입배관(200)보다 비교적 큰 지름으로서 흡입배관(200)에 이어지는 소음기 몸체(100); 및 이에 이어지는 토출배관(400)을 포함하는 통상의 엔진 배기가스용 소음기(1)에 있어서, 흡입배관(200)의 일단으로서 소음기 몸체(100) 내부에 제트소음을 낮출 수 있는 제트소음 저감수단(300)이 구비된 것이 특징이다.

제트소음 저감수단(300)은 흡입배관(200)의 일단에 연결되는 절두원추형의 확장관(310)을 포함되는데, 상기 확장관(310)은 도 3에서 보는 바와 같이 소음기 몸체(100) 외부에서 흡입배관(200)에 연결되고 몸체(100) 내로 삽입된다. 도 3에서는 확장관(310)이 몸체(100) 내로 삽입되는 것으로 도시하고 있으나 확장관(310)의 일단이 소음기 몸체(100)의 측벽에 턱 없이 이어져도 소음 저감 성능의 특성에만 변화가 있을 뿐 문제가 없다는 것은 당업자에게 쉽게 이해될 것이다.

제트소음 저감수단(300)은 또한 확장관(310)의 일단에 엔드플레이트(320)를 포함한다. 엔드플레이트(320)는 확장관(310)을 막고 있는 판형의 플레이트로, 배기가스(520)의 고온에 변형이 발생하지 않는 재질로 되어 있으며, 그 내부로는 복수개의 분절홀(330)을 포함한다.

상기 분절홀(330)은 도 4에 도시한 바와 같이 흡입배관(200)의 일단에 발생하던 배기가스(520) 제트코어(51)를 작은 크기의 분절제트코어(510)로 잘게 부수는 역할을 한다. 제트코어(51)가 작은 크기의 분절제트코어(510)로 나누어지면서 제트코어(51) 주변으로 발생하던 유동소음 발생영역(52)도 분절제트코어(510)를 주변으로 작게 나뉘어 진다(도 4 참조). 분절홀(330)의 크기는 배기가스(520)의 유동성능이 저하되지 않도록 정해진다. 즉 흡입배관(200)의 단면적이 A이고 분절홀(330)의 부분 단면적을 모두 합한 면적이 A0인 경우 분절홀(330)의 지름은 A=A0가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 수력직경(hydraulic diameter)이 상호 일치하도록 구성함으로써 배기가스(520)가 흡입배관(200)에서 확장관(310)을 지나면서 배압손실은 발생하지 않게 된다.

본 발명의 제트소음 저감수단의 효과는 분절홀(330)에 의해 유동소음 발생영역이 분절된 제트코어(510) 주변으로 작게 나뉘어 지면서 발생한다. 엔드플레이트(320)의 중앙부에서는 하나의 분절홀(330)에 의해 발생한 제트소음이 인접한 분절홀(330)에서 발생한 제트소음과 상쇄되어 소음이 크게 낮아진다. 즉 양 분절홀(330)에서 동일한 파장의 제트소음이 발생하게 되어 퍼져 나가므로 인접한 분절홀의 제트소음을 만나면 상호 상쇄되어 음향에너지가 낮아지는 것이다. 결국, 엔드플레이트(320)의 가운데에서 발생한 제트소음은 대부분 사라지고 엔드플레이트(320)의 외주연을 따라 발생한 제트소음만 소음기 몸체(100) 내로 대류되어 전달된다. 대류되는 제트소음은 종래에 발생했던 제트소음보다 훨씬 더 낮아진 상태에서 전달됨은 당업자에 충분히 이해될 것이다. 음파의 상쇄에 의한 소음 저감 기작은 당 기술분야에서 널리 알려진 것이므로 따로 설명하지는 않기로 한다.

다음으로 도 3(b)를 이용하여 본 발명의 제트소음 저감수단을 구비한 엔진 배기가스용 소음기의 제2실시예를 설명하기로 한다.

본 발명의 소음기의 제2실시예는 제트소음 저감수단(300)의 엔드플레이트(320)에 형성되는 분절홀(330)의 배치가 특별히 정해진다는 점을 제외하고는 앞서 설명한 제1실시예와 다르지 않다. 본 발명의 제트소음 저감수단(300)의 효과는 분절홀(330)이 정삼각형의 꼭지점들에 배치됨으로써 더욱더 배가될 수 있다. 즉, 도 3(b)에 도시한 바와 같이 분절홀(330)들이 정삼각형이 모여 형성되는 그물망상 꼭지점에 배치됨으로써 인접하는 분절홀(330)들과 동일 거리에 위치하게 되므로 제트소음 음파의 상쇄효과는 극대화된다. 분절홀(330)들의 수력직경을 같게 형성하고 거리상으로 동일하게 떨어져 배치시키는 것이 더욱더 유리하다.

다음으로 도 5를 이용하여 본 발명의 엔진 배기가스용 소음기의 제3실시예를 자세히 설명한다.

본 발명의 소음기는 제트소음 저감수단(300)의 확장관(310) 내부에 유동가이드부재(340)를 포함할 수 있다. 상기 유동가이드부재(340)는 엔드플레이트(320)의 상류에 배치되어 흡입배관(200)을 지나 확장관(310)을 따라 이동하는 배기가스(520)를 중앙부 분절홀(330)에 유도하는 역할을 한다. 특히 확장관(310)의 외벽을 따라 이동하던 배기가스(520) 들은 엔드플레이트(320)의 외주연에 배치되는 분절홀(330)보다는 중앙부에 배치된 분절홀(330)로 유도되게 된다. 이 때 상기 유동가이드부재(340)는 유선형으로 형성하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 유동가이드부재(340)의 배치는 엔드플레이트(320) 외주연을 따라 남아 있던 제트소음을 더욱더 저감시키는 효과를 발휘한다. 즉, 유동가이드부재(340)에 의해 엔드플레이트 외주연에 배치된 분절홀(330)로 가던 배기가스가 중앙부 분절 홀(330)로 이동하여 상쇄되어 없어지고, 외주연을 따르는 분절홀(330)을 지나는 배기가스 속도는 현저히 낮아져, 이에 의해 발생하던 제트소음은 저감되는 효과를 얻게 된다.

상기 유동가이드부재(340)는 흡음재로 하는 것이 더욱 유리하다. 물론 배기가스(520)가 고온 상태이므로 상기 흡음재는 고온에 견딜 수 있는 다공성 물질로 하는 것이 바람직할 것이다. 유동가이드부재(340)가 흡음재로 형성되므로 흡수형 소음기의 역할을 기대할 수 있게 되어 제트소음이 더욱 낮아지는 효과가 있다.

본 발명에 의한 제트소음 저감수단을 구비한 엔진 배기가스용 소음기는 대형 엔진에 장착되어 엔진의 성능에는 저해가 되지 않으면서도 소음특성을 대폭 개선할 수 있어 산업상 이용가능성이 충분하다고 할 수 있다.

도 1은 종래의 엔진 배기가스용 소음기 사시도

도 2는 종래의 엔진 배기가스용 소음기 측단면도

도 3은 본 발명의 제트소음 저감수단을 구비한 엔진 배기가스용 소음기 절단 사시도

도 4는 본 발명의 제트소음 저감수단을 나타내는 확대 측단면도

도 5는 본 발명의 유동가이드부재 구비 제트소음 저감수단을 나타내는 확대 측단면도

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100 : 소음기 몸체 200 : 흡입배관

300 : 저감수단 310 : 확장관

320 : 엔드플레이트 330 : 분절홀

340 : 유동가이드부재 400 : 토출배관

500 : 유동발생영역 510 : 분절 제트코어

520 : 배기가스

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 흡입배관(200), 토출배관(400) 및 흡입배관(200)보다 직경이 크게 형성되는 소음기 몸체(100)를 포함하는 엔진 배기가스용 소음기(1)에 있어서,

   상기 소음기(1)는, 흡입배관(200)에서 발생하는 제트소음을 낮출 수 있는 제트소음 저감수단(300)을 포함하되,

   상기 저감수단(300)은, 흡입배관(200)에 연결되고 소음기 몸체(100) 내부로 삽입되는 절두원추형의 확장관(310); 상기 확장관(310)의 일단을 막는 엔드플레이트(320); 및 상기 엔드플레이트(320) 상에 형성되는 것으로 배기가스 제트코어를 여러 개로 분절하는 복수의 분절홀(330); 을 포함하고,

   상기 저감수단(300)을 통해 배압손실이 발생하지 않도록 각각의 분절홀(330)의 단면적을 합한 면적은 상기 흡입배관(200)의 단면적과 일치하는 것이 특징인 엔진 배기가스용 소음기
4. 제 3 항에 있어서, 상기 분절홀(330)들은 하나의 분절홀(330)이 인접한 분절홀(330)들과 동일한 거리를 두고 위치되는 것이 특징인 엔진 배기가스용 소음기
5. 제 4 항에 있어서, 상기 분절홀(330)들의 수력직경이 동일한 것이 특징인 엔진 배기가스용 소음기
6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확장관(310)의 내부로 엔드플레이트(320) 상류에는 배기가스(520)를 엔드플레이트(320) 중앙부에 배치되는 분절홀(330)로 안내하는 유동가이드부재(340)를 더 포함하는 것이 특징인 엔진 배기가스용 소음기
7. 제 6 항에 있어서, 상기 유동가이드부재(340)는 유선형으로 형성되는 것이 특징인 엔진 배기가스용 소음기
8. 제 6 항에 있어서, 상기 유동가이드부재(340)는 흡음재인 것이 특징인 엔진 배기가스용 소음기

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