KR101499209B1 - 벤츄리관을 이용한 가변 용량 레조네이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 가변 레조네이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 속도에 따른 공기의 유동속도의 변화에 따라 가변형 레조네이터의 용량을 변화하기 위하여 별도의 기계적/전기적 장치를 부착하지 않고, 일측은 에어클리너에 연결되고 타윽은 엔진에 연결되어 흡입된 공기를 이송시키는 흡기호스 및 상기 에어클리너와 상기 흡기호스가 연결되는 부위의 상부에 위치하여 상기 에어클리너의 일부를 공명통으로 구획하는 격막을 포함하여 이루어지며, 상기 흡기호스에는 제1니플이 형성되고, 상기 공명통에는 제2니플이 형성되며, 상기 제1니플과 상기 제2니플은 진공호스를 통하여 연결되고, 상기 흡기호스는 상기 제1니플이 연결되는 부위의 직경이 상대적으로 작은 벤츄리관 형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.

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Description

벤츄리관을 이용한 가변 용량 레조네이터{Variable Volume Resonator using Venturi}

본 발명은 차량용 가변 레조네이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 속도에 따른 공기의 유동속도의 변화에 따라 체적이 변화하는 가변 용량 레조네이터에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에 사용되는 가솔린 또는 디젤엔진은 4행정 사이클로 이루어지며, 실린더 내에서 승하강되는 피스톤의 반복작용에 의해 부압을 형성하여 외부 공기를 흡입하고, 상기 공기가 흡입된 연소실로 연료를 분사하여 적정의 혼합기를 만든 후, 이를 점화시켜 엔진을 구동하게 된다.

흡입 공기는 피스톤이 흡입행정을 위해 하강할 때 흡기밸브가 열려짐으로써 흡기 시스템을 통해 유입되며, 이러한 흡기 시스템은 엔진의 흡기포트와 연결된 흡기 매니폴드, 이 흡기 매니폴드에 연결된 흡기호스, 흡기호스에 연결된 에어클리너, 그리고 에어클리너로 외기를 유입하는 흡기덕트를 포함하여 이루어진다.

한편, 흡기 시스템 내에는 엔진의 회전으로 인한 흡기밸브의 개폐작용으로 흡기 시스템 내의 공기가 팽창 및 압축되면서 흡기 맥동이 발생하고, 이러한 흡기 맥동으로 인하여 흡기소음이 발생하는 바, 특히 이 흡기소음은 차체 또는 차실내의 공간을 통해 갑자기 증폭되어 공진소음을 일으킨다.

또한, 엔진의 각 연소실로 유입되어 들어가는 공기는, 흡입행정에서 압축행정으로 엔진의 싸이클이 바뀔 때 순간적으로 차단되는 공기가 연소실 내벽이나 혹은 피스톤의 벽면에 부딪치면서 역류됨과 더불어, 공기유입에 대한 역방향으로 압력이 생기면서 맥동파가 발생되어 소음을 유발시키는 한편, 각 연소실로 연결되는 공기 통로를 개·폐하는 밸브의 열고 닫힘에 의해 발생되는 소음이 흡기계통의 소음을 증폭시키는 현상이 있게 된다.

이와 같은 흡기소음을 저감시키기 위해 흡기시스템을 특정 주파수로 튜닝(tuning)하기 위한 공명식 레조네이터(resonator)를 장착하게 되는데, 이 레조네이터는엔진의 흡ㆍ배기행정 및 피스톤의 왕복운동에 따른 흡기소음 중 특정 주파수를 공진시켜 제거하게 된다.

다만, 흡기덕트를 통해 흡기 매니폴드로 공급되는 흡기소음의 주파수 대역은 엔진의 동작환경, 즉 엔진 회전수(RPM)에 따라 가변되는 것으로 알려져 있는 바, 예를 들어서, 엔진 회전수가 증가하면 그에 비례하여 고주파수 대역의 흡기소음이 발생되고, 엔진 회전수가 감소하면 그에 비례하여 저주파수 대역의 흡기소음이 발생하게 되지만, 상기와 같은 공명식 레조네이터는 미리 설정된 튜닝 주파수에서만 그 효과가 발휘되는 근본적인 단점이 있게 된다.

따라서, 주파수 결정인자들을 가변적으로 변화시킴으로서 하나의 레조네이터로 다양한 주파수의 흡기소음을 감소시키기 위한 가변 레조네이터가 실시되어 왔으며, 튜닝 주파수를 변화하기 위한 결정인자로는 공명통의 체적, 넥의 단면적 및 넥의 길이가 있다.

(C:음속, V:공명통의 체적, A:넥 단면적, L:넥 길이)

즉, 상기와 같은 헬름홀츠 타입의 레조네이터 튜닝 주파수 계산식에 따르면, 공명통의 체적, 넥 단면적 및 넥 길이를 변화시킴으로서 튜닝 주파수를 변화시키는 것이 가능한 것이다.

이와 같이, 튜닝 주파수를 변화시킬 수 있는 가변 레조네이터로 다양한 것들이 사용되고 있으며, 대표적인 방법으로 도 1 에 도시된 것과 같이 체적을 변화시켜서 튜닝 주파수를 변화시키는 방법이 개시되어 있다.

도 1 에 도시된 것과 같은 대한민국 공개특허 제10-2007-37818호는 차량용 체적 가변형 레조네이터에 관한 것으로, 흡기덕트(20)와 연통 설치되며, 일측에 개방부(42)가 형성되어 있는 공명통(40)과, 개방부(42)를 통해 공명통(40) 내부에 승강 가능하도록 설치되는 승강플레이트(60)와, 승강플레이트(60)에 결합되어 엔진(82)의 회전속도변화에 따라 승강플레이트(60)를 승강시켜 공명통(40)의 내부체적을 가변시키는 구동유닛(70)을 포함하여 구성된다.

상기와 같은 체적 가변형 레조네이터는 ECU가 엔진의 회전속도변화에 따른 신호를 받아 모터를 회전시키면, 승강플레이트(60)가 이동하게 되고, 상기 승강플레이트(60)의 이동에 따라 공명통(40)의 체적이 가변되어 흡기덕트에서 발생되는 다양한 주파수 성분의 흡기소음을 제거할 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 상기와 같은 구조를 따를 경우, 흡기덕트(20) 주위에 공명통(40), 연결관(50), 승강플레이트(60), 모터(72), 피니언(74), 랙(76), 승강로드(78) 등의별도의 구성을 다수 부착하여야 하기 때문에 부품수가 과다하여 그 구조가 복잡하며, 이에 따라 원가가 상승되어 차량 가격이 상승된다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은,

가변형 레조네이터의 용량을 변화하기 위하여 별도의 기계적/전기적 장치를 부착하여 이용하지 않고, 흡기시스템에서 자연스럽게 이용 가능한 힘으로 대체함으로써, 단순한 구조의 가변형 레조네이터를 제공함과 동시에 차량의 제작원가를 낮출 수 있는 가변 용량 레조네이터를 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은,

엔진 구동시 발생되는 소음을 제거하기 위한 차량용 레조네이터에 있어서, 외부로부터 공기를 유입하기 위하여 일측이 개방되어 있는 에어클리너, 일측은 상기 에어클리너에 연결되고 타측은 엔진에 연결되어 흡입된 공기를 이송시키는 흡기호스 및 상기 에어클리너와 상기 흡기호스가 연결되는 부위의 상부에 위치하여 상기 에어클리너의 일부를 공명통으로 구획하는 격막을 포함하여 이루어지며, 상기 흡기호스에는 제1니플이 형성되고, 상기 공명통에는 제2니플이 형성되며, 상기 제1니플과 상기 제2니플은 진공호스를 통하여 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 흡기호스는 상기 제1니플이 연결되는 부위의 직경이 상대적으로 작은 벤츄리관 형태로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 격막은 탄성재질로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는,

엔진의 스로틀의 개방에 따라 흡기호스를 지나가는 공기 유동의 속도변화를 통하여, 에어클리너에서의 압력과 흡기호스에서의 압력 차이를 이용하여 공명통의 체적이 자연스럽게 변화할 수 있도록 함으로써, 다양한 주파수의 흡기소음을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 흡기호스의 일부분의 직경을 작게 하여 공기를 흐르게 하면 속도가 빨라져 저압상태가 되고, 이에 따라 공명통의 체적이 작아지게 되므로 고주파 영역의 튜닝 주파수 또한 자연스럽게 감소시킬 수 있다.

또한, 상기와 같은 구성을 통하여 기존의 가변 레조네이터에 사용되던 모터 및 랙바 등 다른 구성요소들을 사용하지 않으므로 구성이 간단하고, 조립이 간편하며, 부품수 축소에 따라 차량 제작원가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명인 가변 용량 레조네이터(100)에 대하여 상세히 설명한다.

도 2 는 본 발명에 따른 가변 용량 레조네이터(100)를 나타낸 사시도이다. 본 발명인 가변 용량 레조네이터(100)는 외부로부터 공기를 유입하기 위하여 일측이 개방되어 있는 에어클리너(110), 일측은 상기 에어클리너(110)에 연결되고 타측 은 엔진에 연결되어 흡입된 공기를 이송시키는 흡기호스(120) 및 상기 에어클리너(110)와 상기 흡기호스(120)가 연결되는 부위의 상부에 위치하여 상기 에어클리너(110)의 일부를 공명통(140)으로 구획하는 격막(130)을 포함하여 이루어지며, 상기 흡기호스(120)에는 제1니플(151)이 형성되고, 상기 공명통(140)에는 제2니플(152)이 형성되며, 상기 제1니플(151)과 상기 제2니플(152)은 진공호스(160)를 통하여 연결되는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 에어클리너(110)는 엔진으로 흡입되는 공기에 포함된 불순물을 제거하기 위한 것으로, 상기 에어클리너(110)의 일측은 외부의 공기가 유입될 수 있는 외부 연결부(111)가 형성되어 있고, 타측은 흡기호스(120)를 통하여 엔진으로 연결되어 있다. 또한, 상기 에어클리너(110)의 내부에는 유입되는 공기중의 불순물을 제거하기 위한 필터(112)가 더 포함되어 있다.

종래에는 에어클리너(110)로 공기가 유입되기 위한 흡기덕트 등에 별도의 레조네이터가 장착되어, 흡기소음을 감소시키는 것이 일반적이었다. 그러나 본 발명에서는 별도의 레조네이터를 장착하지 않으면서도, 흡기소음을 감소시킬 수 있는 구조를 제시하고 있다.

즉, 외부로부터 공기가 유입되어 상기 에어클리너(110)를 통과하여 흡기호스(120)를 통해 엔진으로 공급되는 과정에서, 상기 에어클리너(110)의 일부를 공명통(140)으로 형성하기 위하여 격막(130)을 부착함으로써 별도의 공명통(140)을 더 부착할 필요가 없도록 하였다.

단단한 재질의 에어클리너(110)의 외면과 별도로 부착된 격막(130)에 의하여 공명통(140)이 형성되고, 필요로 하는 주파수에 따라 상기 격막(130)의 위치를 다양하게 조절하여 상기 공명통(140)의 체적을 조절할 수 있으며, 이에 따라 적절한 튜닝 주파수를 설정할 수 있다. 따라서 공기가 흡입되는 과정중에 발생되는 흡기소음은 상기 에어클리너(110)의 내부에서 적절하게 감소될 수 있다.

상기 격막(130)은 상기 에어클리너(110)와 상기 흡기호스(120)가 연결되는 부위의 상부에 위치하여 상기 흡기호스(120)로 공기가 이동하는 것을 가로막지 않도록 형성되는 것이 바람직하며, 상기한 바와 같이 상기 흡기호스(120)가 연결되는 부위의 상부라면 상기 에어클리너(110) 내부의 어느 곳에라도 상기 격막(130)이 부착될 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 것이다.

상기 흡기호스(120)의 일측에는 유입되는 공기의 일부를 외부로 배출하기 위한 제1니플(151)이 형성되어 있고, 상기 공명통(140)의 일측에는 내부로 공기를 유입하기 위한 제2니플(152)이 형성되어 있으며, 상기 제1니플(151)과 제2니플(152)은 진공호스(160)를 통하여 서로 연결되어 있다.

즉, 상기 흡기호스(120)를 통과하는 공기 중 일부가 상기 제1니플(151)을 통하여 외부로 배출되면, 상기 진공호스(160)를 통과하여 상기 제2니플(152)을 통하여 상기 공명통(140)으로 유입되어 상기 공명통(140) 내부가 공기로 충만될 수 있도록 유지한다.

상기 에어클리너(110) 내부를 통과하는 공기의 압력과, 이로부터 연장되는 상기 흡기호스(120) 내부를 통과하는 공기의 압력에 차이가 있기 때문에, 상기 에 어클리너(110) 내부의 공기의 압력과 상기 공명통(140) 내부의 공기의 압력에 차이가 발생한다. 다만, 상기 에어클리너(110)와 상기 흡기호스(120)에서의 압력 차이가 크지 않으므로 상기 공명통(140) 내부의 압력 조절을 위하여 상기 흡기호스(120)의 일부의 직경을 상대적으로 작게 형성하는 것이 바람직하다.

유체(액체 및 기체)가 흐르는 관의 일부를 가늘게 설계하고 그러한 관에 유체를 흐르게 하면 가는 부분에서 유체의 속도가 빨라지게 되며, 유체의 속도와 압력에 관한 베르누이의 정리에 따르면, 가는 부분에서 유체의 압력이 낮아지게 되는데, 이러한 효과를 벤츄리 효과라고 한다.

본 발명에서는 이러한 벤츄리 효과를 이용하여, 상기 흡기호스(120)에서의 공기의 압력과 상대적으로 직경이 작은 벤츄리관 형태에서의 공기의 압력을 큰 차이가 나도록 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 흡기호스(120)에 형성된 벤츄리관 형태의 직경은 필요로 하는 공기의 압력에 따라 다양하게 변화할 수 있음은 물론이다.

따라서, 차량의 진행 속도에 따라 유입되는 공기의 속도가 달라지게 되며, 나아가 상기 흡기호스(120)의 벤츄리 효과를 통하여 보다 낮은 압력을 가지는 공기의 공급이 가능하게 되므로, 상기 공명통(140)에 다양한 압력의 공기를 공급할 수 있다.

본 발명에서는 상기 격막(130)을 탄성재질로 제작하는 것이 더욱 바람직하다. 즉, 탄성재질의 격막(130)을 통하여 상기 공명통(140)의 체적을 변화할 수 있도록 함으로써, 다양한 튜닝 주파수의 흡기소음을 감소시킬 수 있는 것이다.

이하, 본 발명인 가변 용량 레조네이터(100)의 작동 원리를 보다 상세히 설명한다.

도 3 은 본 발명에 따른 가변 용량 레조네이터(100)가 저속영역에서 작동될 때의 모습을 나타낸 단면도이고, 도 4 는 본 발명에 따른 가변 용량 레조네이터(100)가 고속영역에서 작동될 때의 모습을 나타낸 단면도이다.

본 발명인 가변 용량 레조네이터(100)의 초기 설계시에는, 상기 공명통(140)의 체적을 조절하기 위하여 상기 에어클리너(110) 내부의 격막(130)의 위치를 임의로 조절하여 초기 튜닝 주파수를 설정할 수 있다. 일반적으로, 초기 설계시에는 저속영역에서의 흡기소음을 감소시키기 위하여 저주파 영역의 튜닝 주파수에 맞추어 아이들(idle)소음 및 가속 부밍음을 제거하도록 설계된다.

이와 같이 엔진의 RPM이 낮은 저속영역에서는 도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 에어클리너(110)의 외부 연결부(111)로 공기가 유입되어 상기 흡기호스(120)로 방출됨에 따라, 상기 흡기호스(120)의 일부분에 결합되어 있는 제1니플(151)로 공기가 배출된다.

다만, 상기 제1니플(151)이 연결된 상기 흡기호스(120)의 직경은 상대적으로 작게 형성되어 압력이 낮아지는 벤츄리 효과가 발생하게 되지만, 저속영역에서는 유입되는 공기의 속도가 빠르기 않기 때문에 벤츄리관에서의 압력 저하가 작게 발생하게 된다. 따라서 상기 제1니플(151)에 연결되어 있는 상기 공명통(140)에서의 압력 저하 또한 작게 발생하게 되므로, 에어클리너(110) 내부로 유입되는 공기의 압력과 상기 공명통(140) 내부에 포함되어 있는 공기의 압력은 차이가 거의 없는 상태이므로 상기 격막(130)은 계속해서 수평 상태를 유지하게 된다.

즉, 상기 제1니플(151)과 상기 공명통(140)과의 압력 차이가 작게 나타나게 되므로, 상기 제1니플(151)과 상기 제2니플(152)을 연결한 진공호스(160)를 통한 공기의 유동이 존재하지 않거나 또는 매우 작은 유동만 발생하게 되므로, 상기 격막(130)을 움직이게 하는 힘이 작아 상기 공명통(140)의 체적 변화가 발생하지 않는 것이다. 이에 따라 가변 용량 레조네이터(100)의 초기 설계시 설정한 튜닝 주파수에 따라 저주파 영역의 가속부밍음을 제거할 수 있다.

반면, 도 4 에 도시된 바와 같이, 차량의 속도가 빨라져서 상기 에어클리너(110)로 공기가 유입되는 속도가 빨라지면, 상기 흡기호스(120)에서 공기가 흐르는 속도가 빨라지게 되며, 이에 따라 벤츄리관에서의 공기의 압력이 크게 낮아지게 된다.

따라서 상기 제1니플(151)과 상기 공명통(140)과의 압력 차이가 크게 나타나게 되므로, 상기 제1니플(151)과 상기 제2니플(152)을 연결한 진공호스(160)를 통한 공기의 유동이 크게 발생하게 되고, 상기 제2니플(152)로부터 상기 제1니플(151)로 공기의 유동이 발생하여 상기 공명통(140) 내부의 압력은 상기 에어클리너(110)로 유입되는 공기의 압력보다 상대적으로 작아지게 된다.

압력이 높은 에어클리너(110)로부터 압력이 낮은 공명통(140) 방향으로 압력의 차이에 따른 힘이 발생하게 되므로, 이와 같은 힘에 의하여 상기 격막(130)은 공명통(140) 방향으로 휘어져서 상기 공명통(140)의 체적이 줄어들게 되는 것이다. 공명통(140)의 체적이 줄어들면 이에 따른 튜닝 주파수는 커지게 되므로 고주파 영 역으로 이동하게 되며, 초기상태에서 설정한 주파수 값보다 높은 주파수에 해당하는 흡기소음을 제거할 수 있다.

따라서, 정지상태로부터 엔진의 RPM이 점점 높아짐에 따라 저주파 영역으로부터 고주파 영역의 흡기소음이 발생하게 되고, 별도의 장치를 부착하지 않더라도 해당되는 속도에서의 적절한 튜닝 주파수를 자연스럽게 감소시킬 수 있는 것이다.

이와 같이, 저주파 영역의 튜닝 주파수와 고주파 영역의 튜닝 주파수를 다양하게 변화하면서 제거할 수 있으며, 이러한 변화하는 과정을 엔진의 회전속도에 따라 발생되는 공기의 유동속도의 변화 및 압력의 변화에 따라 격막(130)이 자연스럽게 이동할 수 있도록 함으로써, 공명통(140)의 체적 변화를 통하여 튜닝 주파수를 변화할 수 있기 때문에, 부가적인 장치의 부착이 불필요하며, 부품수 감소에 따른 차량 제작 원가의 절감 효과를 달성할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1 은 종래 사용되던 체적 가변형 레조네이터를 나타낸 사시도이다.

도 2 는 본 발명에 따른 가변 용량 레조네이터를 나타낸 사시도이다.

도 3 은 본 발명에 따른 가변 용량 레조네이터가 저속영역에서 작동될 때의 모습을 나타낸 단면도이다.

도 4 는 본 발명에 따른 가변 용량 레조네이터가 고속영역에서 작동될 때의 모습을 나타낸 단면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 가변 용량 레조네이터

110 : 에어클리너 111 : 외부 연결부

112 : 필터 120 : 흡기호스

130 : 격막 140 : 공명통

151 : 제1니플 152 : 제2니플

160 : 진공호스

Claims (3)

1. 엔진 구동시 발생되는 소음을 제거하기 위한 차량용 레조네이터에 있어서,

   외부로부터 공기를 유입하기 위하여 일측이 개방되어 있는 에어클리너(110);

   일측은 상기 에어클리너(110)에 연결되고 타측은 엔진에 연결되어 흡입된 공기를 이송시키는 흡기호스(120); 및

   상기 에어클리너(110)와 상기 흡기호스(120)가 연결되는 부위의 상부에 위치하여 상기 에어클리너(110)의 일부를 공명통(140)으로 구획하는 격막(130)을 포함하여 이루어지며,

   상기 흡기호스(120)에는 제1니플(151)이 형성되고, 상기 공명통(140)에는 제2니플(152)이 형성되며, 상기 제1니플(151)과 상기 제2니플(152)은 진공호스(160)를 통하여 연결되고,

   상기 격막(130)은 탄성재질로 이루어지고, 상기 에어클리너와 상기 공명통간의 압력차에 따른 힘에 의하여 휘어짐으로써, 상기 공명통의 체적을 변화시켜 저주파 영역과 고주파영역의 튜닝 주파수를 가변시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 용량 레조네이터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 흡기호스(120)는 상기 제1니플(151)이 연결되는 부위의 직경이 상대적으로 작은 벤츄리관 형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 가변 용량 레조네이터(100).
3. 삭제

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