KR101647750B1 - 디젤엔진 배기소음 감쇠를 위한 능동형 소음기 - Google Patents

디젤엔진 배기소음 감쇠를 위한 능동형 소음기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤엔진의 배기소음을 감쇠하기 위한 소음기에 있어서: 유입관(11)과 배출관(12)을 지닌 몸체(10); 상기 몸체(10)의 내부에 흡음재를 구비하고, 흡음재에 의하여 공명기를 형성하는 흡음수단: 및 상기 배기소음의 파라미터를 검출하여 상기 공명기의 형상변화를 유발하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 음형과 공명형의 구조적 장점을 동시에 취하면서 특정 주파수의 소음 축소에 유리한 능동형의 장점을 부가하여 디젤엔진 배기소음의 감음 성능을 저주파에서 중고주파 영역까지 폭넓게 유지할 수 있다

Description

디젤엔진 배기소음 감쇠를 위한 능동형 소음기{Active silencer for reducing D/G exhaust noise}
본 발명은 선박의 소음을 감쇠하는 소음기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 소음원에 대한 주요 주파수를 찾아내고 특정 주파수의 소음에 대하여 능동적으로 대응하는 디젤엔진 배기소음 감쇠를 위한 능동형 소음기에 관한 것이다.
현재 소음규정의 강화에 따라 선박 외부에 대한 소음 레벨이 정해지므로 외부소음에 영향을 주는 소음원에 대한 제어가 필수적이다. 특히 디젤엔진 배기관 소음은 외부 소음에 대하여 가장 주요한 소음원으로 작용한다. 이에 대응하기 위한 가장 효과적인 방법은 소음기를 통한 제어이다.
소음기는 크게 능동형 및 수동형으로 구분되며, 수동형은 다시 공명형과 흡음형으로 구분된다. 공명형은 가격이 저렴하고 공간적 제약이 없으며, 소음제어가 필요한 주파수의 설정이 가능하다. 흡음형은 광대역성의 소음제어 가능하며 공기 특성변화에 의한 영향이 없어 선박에 보편적으로 적용된다.
다만, 디젤엔진의 배기소음은 저주파수 특성에 의하여 일반 흡음형 소음기를 적용할 경우 소음기 길이 증가에 따른 공간상의 제약 및 압력손실이 문제가 되어 적절한 감음성능을 만족시키지 못하고 있다.
이와 관련하여 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 공개특허공보 제2012-0133732호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2013-0068875호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.
선행문헌 1은 원주방향을 따라 관통구멍이 복수 개 형성된 배기관과, 상기 배기관의 관통구멍으로 유출된 유체를 수용할 수 있도록 상기 배기관을 감싸서 상기 배기관에 결합된 몸통과, 상기 배기관 내부에서 상기 각각의 관통구멍의 전방에 돌기된 복수 개의 돌기막을 포함한다. 이에, 배기가스의 유동의 속도가 높더라도 소음저감을 증대하는 효과를 기대한다.
선행문헌 2는 박막 필름; 헬름홀츠 공명기; 및 상기 박막 필름 및 상기 헬름홀츠 공명기의 사이에 설치된 흡음재;를 구비하고, 헬름홀츠 공명기는, 목 부분을 제외한 나머지 부분이 밀폐되어 있으며, 상기 흡음재는 목이 형성되어 있는 부분을 덮는 구성을 제안한다. 이에, 각각의 특성을 조정하여 원하는 주파수 대역으로의 설계가 용이한 효과를 기대한다.
그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 디젤엔진 배기가스의 다양한 조건에 대응하기 미흡하므로 특정 주파수 대역에 대한 소음감쇠 작용만 가능하여 실효성을 높이기에 한계성을 보인다.
1. 한국 공개특허공보 제2012-0133732호 "헬름홀츠 공명기를 이용한 유동 성능을 개선한 소음저감장치" (공개일자 : 2012. 12. 11.) 2. 한국 공개특허공보 제2013-0068875호 "박막과 흡음재를 포함하는 헬름홀츠 공명기 흡음장치" (공개일자 : 2013. 6. 26.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 흡음형과 공명형의 구조적 장점을 동시에 취하면서 특정 주파수의 소음 축소에 유리한 능동형의 장점을 부가하는 디젤엔진 배기소음 감쇠를 위한 능동형 소음기를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 디젤엔진의 배기소음을 감쇠하기 위한 소음기에 있어서: 유입관과 배출관을 지닌 몸체; 상기 몸체의 내부에 흡음재를 구비하고, 흡음재에 의하여 공명기를 형성하는 흡음수단: 및 상기 배기소음의 파라미터를 검출하여 상기 공명기의 형상변화를 유발하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 흡음수단은 몸체의 내벽에 절개된 공간을 형성하도록 고정되는 고정흡음재, 상기 고정흡음재의 절개된 공간에 이동 가능하게 수용되는 가동흡음재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 가동흡음재는 몸체의 외면에 설치된 액추에이터에 반경방향으로 이동 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 고정흡음재 및 가동흡음재는 배기가스와 접하는 부분에 다공시트를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단의 제어기는 몸체에 설치된 온도센서, 유속센서, 마이크로폰로 파라미터를 입력하고, 배기가스의 온도와 유속에 대응하여 설정된 최적의 출력을 발생하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 제어대상 주파수의 설정이 가능한 공명형 소음기의 장점과 광대역성의 소음제어 가능하면서 공기 특성변화의 영향을 받지 않는 흡음형 소음기의 장점을 결합하여 각각의 단점을 보완하는 효과가 있다.
또한, 능동형 소음제어 방식에 의하여 유동조건의 변화에 따른 소음특성을 파악하고 그에 대한 상황별 적절한 대처가 가능하므로 디젤엔진 배기소음의 감음 성능을 저주파에서 중고주파 영역까지 폭넓게 유지할 수 있다.
또한, 공간적 제약의 극복에 따라서 배기관 배열의 여유를 확보하고 배기계통의 높이가 불필요하게 증대하는 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 능동형 소음기의 주요 구성을 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 능동형 소음기의 작동전후 상태를 나타내는 모식도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 선박 등에서 디젤엔진의 배기소음을 감쇠하기 위한 소음기에 관하여 제안한다. 선박에서 주로 추진용 주기관과 발전용 보조기관으로 사용되는 디젤엔진을 대상으로 하지만 반드시 선박이나 디젤엔진에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면 소음기의 몸체(10)가 유입관(11)과 배출관(12)을 지니는 구조이다. 소음기는 관형 구조의 몸체(10)에 유입관(11)과 배출관(12)을 동심상에 일체로 구비한다. 배기가스 유동로 상에서 유입관(11)은 상류에 배출관(12)은 하류에 각각의 플랜지를 이용하여 배관상으로 연결된다.
또, 본 발명에 따르면 흡음수단이 상기 몸체(10)의 내부에 흡음재를 구비하고, 흡음재에 의하여 공명기를 형성하는 구조를 특징으로 한다. 흡음수단은 전술한 흡음형과 공명형의 장점을 모두 취하는 형태로 설치된다. 몸체(10)에 내부에 흡읍재를 수용하면 흡음형 소음기의 기능을 구현할 수 있고, 흡음재에 의하여 공명기를 형성하면 공명형 소음기의 기능을 구현할 수 있다. 공명기의 세부 형상과 작용은 후술한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 흡음수단은 몸체(10)의 내벽에 절개된 공간을 형성하도록 고정되는 고정흡음재(20), 상기 고정흡음재(20)의 절개된 공간에 이동 가능하게 수용되는 가동흡음재(30)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 1은 고정흡음재(20)가 몸체(10)의 내벽에 양측으로 설치되고 가동흡음재(30)가 내벽에 상하로 설치된 상태를 예시한다. 도 1은 고정흡음재(20)가 2개의 절개된 공간을 형성하지만 다른 실시예로서 1개, 3개, 4개의 절개된 공간을 적용할 수도 있다. 어느 경우에나 가동흡음재(30)가 고정흡음재(20)의 절개된 공간에 수용되면서 틈새부(22)와 공명부(32)에 의하여 헬름홀츠 공명기를 형성한다. 가동흡음재(30)의 이동에 의하여 틈새부(22)와 공명부(32)의 형상(치수)이 변동되면 공명 주파수 대역의 변동을 유발하게 된다.
이때, 상기 가동흡음재(30)는 몸체(10)의 외면에 설치된 액추에이터(35)에 반경방향으로 이동 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다. 도 1은 상측의 가동흡음재(30)에 2개의 액추에이터(35)를 하측의 가동흡음재(30)에 2개의 액추에이터(35)를 연결한 상태를 예시한다. 도 2의 (a) 및 (b)에 나타내듯이 가동흡음재(30)가 반경방향으로 이동하면서 틈새부(22)의 단면적과 가동흡음재(30)의 부피가 변동된다.
즉, 헬름홀츠 공명기에서 공명 주파수는 다음과 같이 표현되는 바, S는 틈새부(22)의 단면적을 V는 공명부(32)의 부피를 의미한다. c는 음속을 의미하고 l은 틈새부(22)의 길이를 의미한다.
Figure 112015002051244-pat00001
만일 도 2(a)에서 (b)의 상태로 가동흡음재(30)가 중심으로 이동하면 S는 축소되고 V는 증가되어 공진 주파수 대역이 낮아진다.
한편, 상기 고정흡음재(20) 및 가동흡음재(30)는 배기가스와 접하는 부분에 다공시트(25)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 고온ㆍ고압의 배기가스가 고정흡음재(20)와 가동흡음재(30)를 통과하면서 표면의 손상이 발생하면 흡음 성능이 변화되므로 배기가스와 접하는 부분에 내열성, 내마모성을 지닌 다공시트(25)를 부착하는 것이 좋다. 특히 배기가스의 유동 속도가 높은 부분은 다른 부분에 비하여 높은 물성의 다공시트(25)를 채용한다.
또, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 배기소음의 파라미터를 검출하여 상기 공명기의 형상변화를 유발하는 것을 특징으로 한다. 제어수단(40)은 배기소음과 관련된 파라미터로 배기가스의 온도와 유동 속도를 입력한다. 공명기의 형상변화는 전술한 것처럼 틈새부(22)와 공명부(32)의 치수 변동을 의미한다. 제어수단(40)의 제어기(47)는 마이크로프로세서, 메모리, I/O인터페이스를 구비한 마이컴 회로로 구성한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(40)의 제어기(47)는 몸체(10)에 설치된 온도센서(41), 유속센서(43), 마이크로폰(45)로 파라미터를 입력하고, 배기가스의 온도와 유속에 대응하여 설정된 최적의 출력을 발생하는 것을 특징으로 한다. 몸체(10)의 유입관(11)에는 온도센서(41), 유속센서(43), 마이크로폰(45)을 설치하고, 몸체(10)의 배출관(12)에는 마이크로폰(45)을 설치한다. 온도센서(41)와 유속센서(43)는 몸체(10)에서 다소 이격된 위치에 설치할 수도 있다.
상기 온도센서(41), 유속센서(43), 마이크로폰(45)은 제어기(47)의 입력인터페이스에 연결하고, 전술한 액추에이터(35)는 제어기(47)의 출력인터페이스에 연결한다. 제어기(47)의 메모리에 탑재되는 프로그램은 배기가스의 온도와 속도에 대응하여 액추에이터(35)에 대한 출력을 제어하는 알고리즘을 구현한다.
본 발명의 기본적인 제어 알고리즘에 의하면 몸체(10)의 유입관(11)과 배출관(12)에서 소음을 검출하여 분석하고 주요 주파수를 찾아내어 액추에이터(35)로 공명기의 형상변경을 유발하여 해당 주파수에 대한 소음 감쇠를 수행한다. 배기가스의 온도와 유속의 변동이 변동되어 주요 주파수가 변동되는 상황에 대처하는 것은 보다 복잡한 알고리즘을 요한다. 이때 제어기(47)는 마이크로폰(45)의 신호를 입력하고 판단하는 외에 사전에 별도로 작성된 테이블을 참조하여 액추에이터(35)에 대한 응답성을 높이도록 한다. 테이블은 실험 과정에서 생성된 것 외에 선박의 운항 과정에서 축적된 것을 포함하여 갱신된다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 몸체 11: 유입관
12: 배출관 20: 고정흡음재
22: 틈새부 25: 다공시트
30: 가동흡음재 32: 공명부
35: 액추에이터 40: 제어수단
41: 온도센서 43: 유속센서
45: 마이크로폰 47: 제어기

Claims (5)

  1. 디젤엔진의 배기소음을 감쇠하기 위한 소음기에 있어서:
    유입관(11)과 배출관(12)을 지닌 몸체(10);
    상기 몸체(10)의 내부에 흡음재를 구비하고, 흡음재에 의하여 공명기를 형성하는 흡음수단: 및
    상기 배기소음의 파라미터를 검출하여 상기 공명기의 형상변화를 유발하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지고,
    상기 흡음수단은 몸체(10)의 내벽에 절개된 공간을 형성하도록 고정되는 고정흡음재(20), 상기 고정흡음재(20)의 절개된 공간에 이동 가능하게 수용되는 가동흡음재(30)를 구비하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 배기소음 감쇠를 위한 능동형 소음기.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가동흡음재(30)는 몸체(10)의 외면에 설치된 액추에이터(35)에 반경방향으로 이동 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 배기소음 감쇠를 위한 능동형 소음기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정흡음재(20) 및 가동흡음재(30)는 배기가스와 접하는 부분에 다공시트(25)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 배기소음 감쇠를 위한 능동형 소음기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어수단(40)의 제어기(47)는 몸체(10)에 설치된 온도센서(41), 유속센서(43), 마이크로폰(45)로 파라미터를 입력하고, 배기가스의 온도와 유속에 대응하여 설정된 최적의 출력을 발생하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 배기소음 감쇠를 위한 능동형 소음기.
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