KR20010014762A

KR20010014762A - 내연 기관의 배기 소음 및/또는 기체 이송 시스템의 덕트내부의 소음을 제어하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20010014762A
Application number: KR1020000020535A
Authority: KR
Inventors: 황요하
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2001-02-26
Also published as: DE60020302D1; EP1067511A2; KR100369212B1; CN1280241A; US6633646B1; CN1115469C; EP1067511A3; EP1067511B1; JP2001050024A; DE60020302T2

Abstract

본 발명은 가변 또는 고정 바이패스 파이프 또는 덕트와 이중 머플러를 이용하여, 자동차 엔진과 같은 내연 기관의 배기 소음 및 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 배기 소음 능동 제어 장치는, 주 배기 파이프(11)와, 상기 주 배기 파이프(11)에 연결된 길이가 가변적인 제1 및 제2 바이패스 파이프(12, 13)와, 이 제1 및 제2 바이패스 파이프(12, 13)들을 각각 작동시키는 액츄에이터(14, 15)와, 상기 액츄에이터(14, 15)를 제어하는 제어기(21)를 포함한다. 또한, 배기 소음 능동 제어 장치는, 주 배기 파이프(11)의 하류에 분기되어 설치된 저 배압 머플러(18) 및 고 배압 머플러(19)와, 주 배기 파이프(11)와 두 머플러(18, 19)를 선택적으로 연통시키는 밸브(20)를 또한 포함한다. 두개의 머플러 대신에 일반 머플러와 저 배압 머플러로 선택적으로 작동되는 이중 모드 머플러를 사용할 수도 있다.

이러한 장치는, 고속 정상 주행 시에는 제어기(21)에서 4행정 4기통 엔진의 경우 엔진 회전수의 2배 성분(C2) 또는 4배 성분(C4)인 주 소음 성분(C)을 계산한 후, 바이패스 파이프(12, 13)의 길이를 조절함으로써, 바이패스 파이프(12)에 의해 주 소음 성분(C)과 이의 3, 5배 등의 주파수를 그리고 바이패스 파이프(13)에 의해 주 소음 성분(C)의 2배의 주파수를 갖는 소음 성분을 제거하고, 기타 잔류 광대역의 소음을 저 배압 머플러(18)를 통과시켜 배기 가스가 원활히 배출되는 가운데 소음 제어를 수행하여, 배기 가스의 배압을 감소시켜 엔진 효율을 향상시킬 수 있으며 광대역의 소음 제거가 가능하다. 반면에 엔진 시동 시나 저속 주행 시에는 배기 가스를 일반 머플러(19)로 통과시킨다.

기체 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위한 본 발명의 소음 제어 장치는 주 공기 이송 덕트(51)와, 제1 및 제2 바이패스 덕트(53, 55)를 포함하고, 상기 각 바이패스 덕트의 길이는, 주 공기 이송 통로와 두 바이패스 공기 이송 통로 길이의 차가 각각 소음의 주 성분의 반 파장만큼 차이가 나도록 구성된다.

이에 의하면, 배기 가스 및 기체 이송 시스템의 덕트 내부의 주 소음 성분과 이의 홀수 배 하모닉 성분 뿐 만 아니라 짝수 배 하모닉 성분을 제거할 수 있다.

Description

내연 기관의 배기 소음 및/또는 기체 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위한 장치 및 방법 {Method and Apparatus for Controlling Exhaust Noise in Internal Combustion Engine and/or Noise in Duct of Air Delivering System}

본 발명은 자동차 엔진과 같은 내연 기관의 배기 소음이나 건물의 공조 시스템과 같은 기체 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위한 소음 감소 기술에 관한 것으로, 보다 상세히는 가변 또는 고정 바이패스 파이프(또는 덕트)와 이중 머플러를 이용한 내연 기관의 배기 소음 및 기체 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

배기 소음을 제어하는 가장 보편적인 방법은 머플러를 이용하는 것이다. 그러나, 자동차와 같이 엔진의 동작 회전수가 크게 변화하고 회전수에 따라 소음의 주 성분이 변화하는 경우, 전체 회전수의 범위에 걸쳐 효과적으로 동작하는 머플러를 제작하는 데는 설계상의 많은 어려움이 따른다. 일반적으로 머플러는 내부에서 배기 가스가 복잡한 경로를 통과하도록 설계되어 필연적으로 배기 저항을 유발하며, 이에 따라 배압이 증가하여 엔진으로부터 배기 가스의 원활한 배출을 저해하여엔진의 효율을 떨어뜨린다. 일부 오토바이 폭주족의 경우 의도적으로 엔진과 머플러의 연결을 차단하여 엄청난 소음을 내지만 엔진의 출력 증강을 즐기는 예를 보더라도, 머플러의 배압에 의한 엔진 출력 감소는 배기 소음의 감소와 직접 연결되므로 배기 소음의 감소는 머플러 설계자에게는 항상 골치 아픈 문제가 되어 왔다.

한편 최근 상술한 수동적인 소음 제어 방식의 단점을 극복하고 배압을 줄여 엔진의 효율을 증가시키기 위한 새로운 형태의 소음 제어 방식으로 배기 소음의 능동 제어에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있고, 건물의 공조 시스템과 같은 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위한 소음 감소 기술에도 적용 및 연구되고 있다. 이와 같은 배기 소음 및/또는 덕트 내의 소음의 능동 제어 기술을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

현재 연구되고 있는 배기 소음 및/또는 덕트 내의 소음의 능동 제어에 관한 대표적인 방식의 일 예에 따르면, 소음이 통과하는 배기 파이프 및/또는 덕트 내에 소음 측정용 마이크를 설치하고, 마이크로부터 측정된 소음 정보를 제어기로 보내고, 제어기는 제어 이론에 따른 출력 신호를 배기 파이프 및/또는 덕트 내의 마이크보다 출구 쪽에 설치된 스피커로 보내어, 원래 소음과 크기가 같지만 위상이 반대인 상쇄 소음을 발생시켜, 원래의 소음과 스피커를 통하여 나오는 두개의 소음이 서로 간섭을 일으키도록 하여 장치의 외부로 방출되는 소음의 크기를 감소시키는 형태를 취하고 있다.

이와 같은 능동 소음 제어 방식은 실험실에서 그 효과가 충분히 입증되었음에도 불구하고 실제 차량에서의 상용화는 많은 노력에도 불구하고 아직 이루어지지 않고 있으며 이는 다음과 같은 문제점이 있기 때문이다.

(1) 차량의 배기 소음은 매우 크므로 이를 상쇄시키기 위하여는 매우 큰 출력의 스피커가 필요하다. 또한, 스피커의 특성상 낮은 주파수의 소리를 발생시키기 위하여는 스피커의 직경이 커져야 함으로 차량 하부에 장착할 고출력, 소형, 경량 스피커의 제작이 기술적으로 매우 어려우므로 경제성을 갖기 위한 저 가격 제작이 거의 불가능하다.

(2) 차량에 적용할 경우, 기존 차량의 하부 구조를 크게 변경하지 않고는 상당한 크기와 중량을 갖는 스피커를 설치할 마땅한 공간이 없으며, 또한 차량의 제작, 유지 보수 등에 많은 문제를 일으킨다.

(3) 차량에 적용할 경우, 배기 시스템은 차체에 전달되는 진동을 줄이기 위하여 차체와 탄성 연결되며 이에 따라 고무 링 등으로 차체와 연결되므로 중량이 큰 스피커를 배기 파이프에 부착하면 배기 시스템의 진동이 증가하고 스피커 및 배기 파이프의 내구성 문제를 일으킨다.

(4) 차량에 적용할 경우, 고온의 산화성 배기 가스에 노출되는 마이크와 스피커의 내구성 보장이 어렵다.

(5) 스피커에서 나오는 상쇄용 소음은 회절과 반사에 따라 배관을 타고 역류하여 측정용 마이크에서 기준의 소음과 함께 측정되므로 효율적인 제어기의 설계가 매우 어렵다.

상술한 스피커를 이용한 능동 제어 방식의 문제점을 해결하고 실용성을 높이기 위하여, 본 발명자는 특허 공고 제95-2473호의 도1에 도시된 형태의 바이패스 파이프를 이용하여 내연 기관의 배기 소음을 능동적으로 제어하기 위한 배기 소음 능동 제어 장치 및 방법을 제안하였다. 이러한 장치는 가변 바이패스 파이프(2)와 같이 주 배기 파이프(1)에 "U"자형 파이프를 덧붙인 형태로서, 주 배기 파이프(1)와 가변 바이패스 파이프(2)에 의해 배기 통로를 일정 구간 두 갈래로 바이패스시키고 바이패스된 통로를 다시 합치도록 구성된 바이패스 구간을 마련하고 있다. 이러한 바이패스 구간은 삽통식으로 결합된 외통체(2a)와 내통체(2b)로 구성되어 그 길이 변화가 가능한 가변 바이패스 파이프(2)와, 그 길이가 고정된 고정 파이프(3)로 구성되어 있다. 가변 바이패스 파이프(2)의 길이는 마이크(6 및/또는 7)로부터 측정된 소음을 기초로 한 제어기(4)의 제어 신호에 의해 작동 로드(5a)를 구비한 액츄에이터(5)로 능동적으로 변경할 수 있도록 구성되어 있다. 이러한 구성에 의해, 가변 바이패스 파이프(2)와 고정 파이프(3)를 통과한 각 배기 가스의 주 소음 성분의 위상이 180도 차이가 나도록 하여 간섭에 의해 소음이 서로 상쇄된다. 이 경우 소음 제거를 위한 스피커와 같은 별도의 상쇄용 소음원을 필요로 하지 않고 소음 자체를 상쇄 소음으로 사용하므로 상술한 많은 문제점을 피할 수 있다. 그러나, 이 방식의 단점은 주 소음 성분과 이의 홀수 배 하모닉 성분의 제거만이 가능하여, 엔진에서 발생하는 주 소음 성분의 홀수배 성분의 제거와 동시에 짝수 배 하모닉 성분의 제어가 불가능하고 광대역 소음에 대하여는 대책이 없다. 또한, 공회전 시와 같이 엔진이 저속 회전하는 경우, 저 엔진 회전수에 의해 주 소음 성분이 저주파가 되어 파장이 길어져서 이러한 위상 차이를 만들기 위한 가변 바이패스 파이프(2)와 고정 파이프(3)의 길이 차이가 커야 하므로, 가변 바이패스 파이프의 길이가 길어지므로 실용성이 떨어진다. 또한, 건물의 공조 시스템과 같은 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위하여 이러한 바이패스 파이프(또는 덕트)를 이용한 소음 감소 기술은 제안된 적이 없었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 고속 주행 시, 배기 가스의 주 소음 성분과 이의 홀수 배 하모닉 성분 뿐 만 아니라 짝수 배 하모닉 성분을 제거할 수 있고 배기 가스의 배압을 감소시켜 엔진 효율을 향상시킬 수 있으며 광대역의 소음 제거가 가능한 내연 기관의 배기 소음 제어 장치 및 방법을 마련하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 건물의 공조 시스템과 같은 이송 시스템의 덕트 내부의 주 소음 성분과 이의 홀수 배 하모닉 성분 뿐 만 아니라 짝수 배 하모닉 성분을 제거할 수 있는 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위한 장치 및 방법을 마련하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적은, 주 배기 파이프와, 주 배기 파이프의 통로에 제1 바이패스 구간이 형성되도록 양 단이 주 배기 파이프에 연결되고 길이가 가변적인 제1 바이패스 파이프와, 주 배기 파이프의 통로에 제2 바이패스 구간이 형성되도록 양 단이 주 배기 파이프에 연결되고 길이가 가변적인 제2 바이패스 파이프와,이 제1 및 제2 바이패스 파이프들을 각각 작동시키는 제1 및 제2 액츄에이터와, 상기 액츄에이터를 제어하는 제어기를 포함하는 배기 소음 능동 제어 장치를 마련함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 이러한 목적은, 또한 상술한 장치를 제어하는 방법으로, 고속 주행 시에는, 제어기에서 주 소음 성분을 분석하는 단계와, 액츄에이터를 작동시켜 바이패스 파이프의 길이를 조절함으로써 주 소음 성분과 이의 2, 3, 5배 등의 주파수를 갖는 소음 성분을 제거하는 단계와, 밸브를 작동시켜 기타 잔류 광대역의 소음을 저 배압 머플러를 통과시켜 배기 가스를 원활히 배출시키는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하고, 엔진 시동 시나 저속 주행 시에는 밸브를 작동시켜 배기 가스를 고배압 머플러로 통과시키는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하는 제어 방법을 마련함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 이러한 목적은, 또한 주 공기 이송 덕트와, 상기 공기 이송 덕트의 통로에 제1 바이패스 구간이 형성되도록 양단이 공기 이송 덕트에 연결된 제1 바이패스 덕트와, 상기 공기 이송 덕트의 통로에 제2 바이패스 구간이 형성되도록 양단이 공기 이송 덕트에 연결된 제2 바이패스 덕트를 포함하고, 상기 제1 바이패스 덕트의 길이는 주 공기 이송 덕트와 바이패스 덕트의 두 연결 지점를 통과하는 두 공기 이송 통로 길이의 차가 상기 기체 이송 시스템에서 발생되는 소음의 주 소음 성분의 반 파장만큼 차이가 나도록 선택되고, 상기 제2 바이패스 덕트의 길이는 주 공기 이송 덕트와 제2 바이패스 덕트의 두 연결 지점를 통과하는 두 공기 이송 통로 길이의 차가 상기 기체 이송 시스템에서 발생되는 소음의 주 성분의 2배 성분의 반 파장만큼 차이가 나도록 선택되는, 기체 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위한 소음 제어 장치를 마련함으로써 달성될 수 있다.

도1은 내연 기관의 배기 소음을 능동적으로 제어하기 위한 종래의 소음 제어 장치의 부분 절결 정면도.

도2는 내연 기관의 배기 소음을 능동적으로 제어하기 위한 본 발명의 소음 제어 장치에 대한 제1 실시예의 전체 구조를 도시한 부분 절결 정면도.

도3은 내연 기관의 배기 소음을 능동적으로 제어하기 위한 본 발명의 소음 제어 장치에 대한 제2 실시예의 전체 구조를 도시한 부분 절결 정면도.

도4은 내연 기관의 배기 소음을 제어하기 위한 본 발명의 소음 제어 장치에 대한 제3 실시예의 전체 구조를 도시한 부분 절결 정면도.

도5은 기체 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위한 본 발명의 소음 제어 장치에 대한 제4 실시예의 전체 구조를 도시한 부분 절결 정면도.

도6 및 도7는 각각 벨로우즈식 바이패스 파이프와 안테나식 바이패스 파이프의 예를 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 11 : 주 배기 파이프

2, 12, 13 : 바이패스 파이프

4, 21 : 제어기

5, 14, 15 : 액츄에이터

5a, 14a, 15a : 작동 로드

6, 7, 22 : 마이크

20, 32 : 밸브

18 : 저 배압 머플러

19 : 고 배압 머플러

31 : 제2 배기 파이프

51 : 주 공기 이송 덕트

53 : 제1 바이패스 덕트

55 : 제2 바이패스 덕트

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

(제1 실시예)

도2에는 내연 기관의 배기 소음을 능동적으로 제어하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 의한 배기 소음 능동 제어 장치(10)가 도시되어 있다. 배기 소음 능동 제어 장치(10)는, 주 배기 파이프(11)와, 주 배기 파이프(11)의 통로에 제1 바이패스 구간이 형성되도록 양 단이 주 배기 파이프(11)에 연결되고 길이가 가변적인 "U"자형 제1 바이패스 파이프(12)와, 주 배기 파이프(11)의 통로에 제2 바이패스 구간이 형성되도록 양 단이 주 배기 파이프(11)에 연결되고 길이가 가변적인 "U"자형 제2 바이패스 파이프(13)와, 상기 제1 및 제2 바이패스 파이프(12, 13)들을 각각 작동시키는 제1 및 제2 액츄에이터(14, 15)와, 상기 제1 및 제2 액츄에이터(14, 15)를 제어하는 제어기(21)를 포함한다.

제1 바이패스 파이프(12)는 삽통식으로 결합된 외통체(12a)와 내통체(12b)로, 제2 바이패스 파이프(13)는 삽통식으로 결합된 외통체(13a)와 내통체(13b)로 구성되어, 제어기(21)의 제어 신호에 의해 작동되는 액츄에이터(14, 15)의 작동 로드(14a, 15a)의 길이 변화에 의해 그 길이가 변화된다. 바이패스 파이프는 삽통식이 아닌 벨로우즈식, 안테나식 등 길이 변화가 용이한 다른 형태의 것을 사용하는 것도 가능하다.

머플러(18, 19) 중 하나는 기존 방식의 일반 고배압 머플러(19)이고 다른 하나는 단순한 내부 구조를 갖는 저 배압 머플러(18)이다. 두 개의 머플러(18, 19) 대신에 내부의 배기 가스 통로가 변경 가능하여 일반 주행 시에는 보통의 일반 고배압 머플러로 작동하고 제어 시에는 배압이 거의 없는 저 배압 머플러로 작동하는 이중 모드 머플러를 사용하는 것도 가능하다. 이중 모드 머플러를 사용하는 경우에는, 밸브(20)가 필요 없지만 이러한 이중 모드 머플러가 내부의 배기 가스 통로 변경에 의해 보통의 고배압 머플러와 저 배압 머플러로 선택적으로 작동되도록 제어기(21)에 의해 제어된다. 또한, 이중 모드 머플러는 그 자체가 배기 가스 압력에 의해 보통의 고배압 머플러와 저 배압 머플러로 선택적으로 작동되도록 자동 절환되는 형태의 것을 사용하는 것도 가능하다.

제어기(21)는 엔진에 설치된 가속도계나 ECU로부터의 신호(S), 또는 배기 파이프(1)에 설치된 마이크(22)로부터의 신호를 수신 및 분석하여, 엔진 소음의 주요 성분을 계산한 후 공압 실린더와 같은 액츄에이터(14, 15)를 작동하여 가변 바이패스 파이프(12, 13)의 길이를 조정한다.

상술한 구성의 본 발명의 제1 실시예에 의한 배기 소음 능동 제어 장치(10)의 작동을 설명한다.

배기 소음은 엔진의 폭발에 의하여 발생하며 이에 따라 매우 다양한 소음 성분을 포함하지만, 주로 엔진의 회전수에 따른 소음 성분이 주 소음 성분(C)이다. 예를 들어, 4행정 가솔린 4기통 엔진이 900RPM으로 회전할 시에는 1초에 15회전, 1회전 당 두 번의 폭발이 있으므로 엔진 회전수의 2배 성분(C2)인 30Hz의 주 소음 성분(C)과 이의 정수배 성분이 주요 소음 성분이 된다. 즉, 엔진의 회전수가 변함에 따라 주 소음 성분(C)도 회전수에 따라 변하게 된다. 실험에 의하면 4기통 엔진의 경우, 주 소음 성분(C)은 엔진 회전수의 2배 성분(C2)과 엔진 회전수의 4배 성분(C4)으로, 엔진의 부하나 회전수에 따라 엔진 회전수의 2배 성분(C2)과 엔진 회전수의 4배 성분(C4)의 비중이 변하게 된다.

먼저, 엔진 시동 시나 아이들링 또는 악셀레이터 페달을 이용한 중립 상태에서 급격하게 엔진 회전수가 변화될 때 또는 저속 시내 주행과 같이 정상 고속 주행 상태가 아닌 경우에는, 후미의 머플러 입구의 밸브(20)를 이용하여 배기 가스가 기존의 일반 머플러(19)로 흐르게 하여 배기 가스와 소음이 기존과 같은 배기 시스템을 통하도록 한다. 즉, 소음에 대한 능동 제어를 수행하지 않는다. 이 경우에는 엔진의 효율 증가가 일어나지 않는다.

이와는 달리, 고속 정상 주행 시에는 엔진 등에 설치된 가속도계나 전자 제어 장치(ECU)의 신호(S), 또는 배기 파이프(11)에 설치된 마이크(22) 등의 신호를 측정하고 이를 제어기(21)에서 분석하여 주 소음 성분(C)을 계산한다. 만일, 엔진이 4행정 가솔린 4기통 엔진이면, 주 소음 성분(C)은 엔진 회전수의 2배 성분(C2)이고, 엔진이 4행정 가솔린 6기통 엔진이면, 주 소음 성분(C)은 엔진 회전수의 3배 성분이다. 주 소음 성분(C)을 계산한 후 배기 가스와 소음이 주 배기 파이프(11)와 가변 바이패스 파이프(12)를 통과하는 두 배기 통로 길이의 차가 소음의 주요 성분의 반 파장만큼 차이가 나도록 공압 실린더와 같은 액츄에이터(14)를 작동하여 가변 바이패스 파이프(12)의 길이를 조절한다. 이에 의해, 엔진이 4행정 가솔린 4기통 엔진이라면, 주 배기 파이프(11)와 가변 바이패스 파이프(12)의 출구 지점에서 주 소음 성분(C)인 엔진 회전수의 2배 성분(C2)과, 이의 3, 5배와 같은 홀수배 주파수의 소음 성분을 제거한다. 또한, 액츄에이터(15)를 작동하여 가변 바이패스 파이프(13)의 길이를 조절하여 제어 소음으로부터 엔진 회전수의 2배 성분(C2)의 2배 성분의 소음을 제거한다. 액츄에이터(15)는 액츄에이터(14)와 연동되거나 독립적으로 작동된다. 기타 잔류 광대역의 소음은 밸브(20)를 작동하여 구조적으로 단순한 저 배압 머플러(18)를 통과시켜 배기 가스가 원활히 배출되는 가운데 소음 제어를 실시한다. 이 때, 이중 모드 머플러를 사용하는 경우에는, 그 내부 관로를 변경하여 배압이 거의 없는 저 배압 머플러로서 작동되도록 한다. 이러한 능동 제어를 수행한 경우, 배압이 감소하여 엔진의 효율이 향상된다.

상술한 시스템에서, 바이패스 파이프의 길이를 최대로 축소시키는 데는 한계가 있으므로 제어 가능한 엔진의 회전수 범위가 제한된다. 예를 들어, 4행정 4기통 엔진의 경우, 제1 바이패스 파이프(12)를 엔진의 회전수가 2000 내지 4000RPM 범위에서 작동될 때 발생되는 엔진의 주 소음 성분(C)인 엔진 회전수의 2배 성분(C2)을 제어하도록 설계되면, 제1 바이패스 파이프(12)는 약 67 내지 133Hz의 소음을 제어하고, 제2 바이패스 파이프(13)는 133 내지 267Hz의 소음을 제어한다. 따라서, 이러한 시스템으로는 엔진의 회전수가 4000RPM 이상으로 작동될 때 발생되는 엔진의 소음을 제어할 수가 없다. 그러나, 엔진의 회전수가 4000RPM 이상으로 작동될 때라도, 엔진 회전수의 4배 성분(C4)이 미약한 경우에는 제2 바이패스 파이프(13)에서 엔진 회전수의 2배 성분(C2)을 제어하도록 함으로써 제어 가능한 엔진의 회전수의 범위를 8000RPM까지 두배로 늘릴 수 있다. 즉, 이러한 경우, 가속도계나 전자 제어 장치(ECU)의 신호(S) 또는 배기 파이프(11)에 설치된 마이크(22) 등의 신호를 측정하고 이를 제어기(21)에서 분석하여 주 소음 성분(C)인 엔진 회전수의 2배 성분(C2)을 계산한 후 배기 가스와 소음이 주 배기 파이프(11)와 제2 바이패스 파이프(13)를 통과하는 두 배기 통로 길이의 차가 주 소음 성분(C)인 엔진 회전수의 2배 성분(C2)의 반 파장만큼 차이가 나도록 액츄에이터(15)를 작동하여 제2 바이패스 파이프(13)의 길이를 조절한다. 이에 의해, 주 배기 파이프(11)와 가변 바이패스 파이프(13)의 출구 지점에서 주 소음 성분(C)인 엔진 회전수의 2배 성분(C2)과, 이의 3, 5배와 같은 홀수배 주파수의 소음 성분을 제거한다. 이 때도, 기타 잔류 광대역의 소음은 밸브(20)를 작동하여 구조적으로 단순한 저 배압 머플러(18)를 통과시켜 배기 가스가 원활히 배출되는 가운데 소음 제어를 실시하고, 이중 모드 머플러를 사용하는 경우에는 그 내부 관로를 변경하여 배압이 거의 없는 저 배압 머플러로서 작동되도록 한다.

또한, 본 실시예의 배기 소음 능동 제어 장치(10)는 건물의 공조 시스템과 같은 이송 시스템의 덕트 내부에 발생되는 소음을 제거하기 위한 소음 제거 장치에도 적용이 가능하다. 즉, 이러한 배기 소음 능동 제어 장치(10)로부터 머플러(18, 19)를 제거하고 주 배기 파이프(11)와 제1 및 제2 바이패스 파이프(12, 13)를 각각 주 공기 이송 덕트와 두 개의 가변 바이패스 덕트로 구성하고 이러한 가변 바이패스 덕트를 각각 작동시키는 액츄에이터와 이 액츄에이터를 제어하는 제어기를 마련하면, 배기 소음 능동 제어 장치(10)는 건물의 공조 시스템과 같은 이송 시스템의 덕트 내부의 소음 제거 장치로 사용하는 것도 가능하다.

또한, 상술한 실시예에서는 주 배기 파이프(11)에 단지 두개의 바이패스 파이프(12, 13)을 마련한 것으로 설명였지만, 필요하다면 바이패스 파이프를 3개 이상 마련하는 것도 가능하다. 바이패스 파이프를 3개를 마련하게 되면, 엔진 회전수가 너무 높아서 엔진에서 발생되는 주 소음 성분(C)인 엔진 회전수의 2배 성분(C2)을 제1 바이패스 파이프에서 제거할수 없는 경우에, 제2 바이패스 파이프에서 주 소음 성분(C)인 엔진 회전수의 2배 성분(C2)과 이의 3, 5배와 같은 홀수배 소음 성분을, 그리고 제3 바이패스 파이프에서 주 소음 성분(C)인 엔진 회전수의 2배 성분(C2)의 2배 소음 성분을 제거할 수 있다.

(제2 실시예)

도3에는 본 발명의 제2 실시예에 의한 배기 소음 능동 제어 장치(30)가 도시되어 있다. 본 발명의 제2 실시예에 의한 배기 소음 능동 제어 장치(30)는 주 배기 파이프(11)와 이로부터 분기된 제2 배기 파이프(31)를 마련하고 주 배기 파이프(11)와 제2 배기 파이프(31)에 의해 형성되는 두 배기 가스 통로를 선택적으로 연통시키는 밸브(32)를 마련하고 주 배기 파이프(11)의 하류에는 저 배압 머플러(18)를 제2 배기 파이프(31)의 하류에는 보통의 일반 머플러(19)를 설치한 점을 제외하고는 제1 실시예에 의한 배기 소음 능동 제어 장치(10)와 그 기본 구성 및 작동은 동일하다.

이에 의하면, 엔진 시동 시나 저속 주행 시에는, 배기 가스가 제2 배기 파이프(31)를 통과하도록 밸브(32)를 작동시켜 배기 가스를 일반 머플러(19)로 통과시켜 배기 가스와 소음이 기존과 같은 배기 시스템을 통하도록 한다. 즉, 소음에 대한 능동 제어를 수행하지 않는다. 이 경우에는 엔진의 효율 증가가 일어나지 않는다.

고속 주행 시에는, 배기 가스가 주 배기 파이프(11)를 통과하도록 밸브(32)를 작동시킨다. 주 배기 파이프로 유입된 배기 가스의 소음을 제어하기 위하여 제어기(21)에서 주 소음 성분을 분석하여 계산한 후, 액츄에이터(14, 15)를 각각 작동시켜, 제1 바이패스 파이프(12)에 의해 주 소음 성분과 이의 3, 5배의 소음 성분을 그리고 제2 바이패스 파이프(13)에 의해 주 소음 성분의 2배 소음 성분을 제거한다.

또한, 고속 정상 주행 시 엔진 회전수의 4배 성분(C4)이 미비한 경우에는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 바이패스 파이프(13)의 길이를 조정하여 엔진 회전수의 2배 성분(C2)과, 이의 3, 5배와 같은 홀수배의 소음 성분을 제거한다. 기타 잔류 광대역의 소음을 저 배압 머플러(18)로 통과시켜 배기 가스가 원활히 배출되는 가운데 소음 제어를 수행한다. 이 경우, 배압이 감소하여 엔진의 효율이 향상된다.

또한, 본 실시예에서도 주 배기 파이프(11)에 단지 두개의 바이패스 파이프(12, 13)을 마련한 것으로 설명였지만, 필요하다면 바이패스 파이프를 3개 이상 마련하는 것도 가능하다.

(제3 실시예)

도4에는 본 발명의 제3 실시예에 의한 배기 소음 능동 제어 장치(40)가 도시되어 있다. 본 발명의 제3 실시예에 의한 배기 소음 능동 제어 장치(40)는 주 배기 파이프(11)와, 이 주 배기 파이프(11)의 통로에 하나의 바이패스 구간만이 형성되도록 주 배기 파이프(11)에 연결된 하나의 "U"자형 가변 바이패스 파이프(12)를 갖는 점에서 도1에 도시된 종래의 예와 동일하나, 주 배기 파이프(11)의 하류에 분기된 두 개의 머플러(18, 19)와, 주 배기 파이프(11)와 두 머플러(18, 19)를 선택적으로 연통시키는 밸브(20)를 마련한 점이 도1에 도시된 종래의 예와 다르다.

본 실시예에서는, 먼저 제1 실시예에서와 같이 엔진 시동 시나 저속 주행 시에는, 후미의 머플러 입구의 밸브(20)를 이용하여 배기 가스가 기존의 일반 머플러(19)로 흐르게 하여 배기 가스와 소음이 기존과 같은 배기 시스템을 통하도록 한다. 즉, 소음에 대한 능동 제어를 수행하지 않는다. 이 경우에는 엔진의 효율 증가가 일어나지 않는다. 이와는 달리, 고속 정상 주행 시에는, 도1에 도시된 종래 예와 같이, 액츄에이터(14)를 작동하여 바이패스 파이프(12)의 길이를 조절하여 소음의 주요 성분인 엔진 회전수의 2배 성분(C2)과, 이의 3, 5배와 같은 홀수배 주파수의 소음 성분을 제거한다.

본 실시예의 경우는, 엔진의 특성상 엔진 회전수의 4배 성분(C4)이 그리 크지 않은 경우에 실시 가능하며, 종래의 예에 단순히 주 배기 파이프(11)의 하류에 분기된 두 개의 머플러(18, 19)와 그리고 주 배기 파이프(11)와 두 머플러(18, 19)를 선택적으로 연통시키는 밸브(20)를 마련함으로써 간단히 배기 가스의 소음을 줄이는 것이 가능하다. 이 때, 이중 모드 머플러를 사용하는 것도 가능하다.

(제4 실시예)

도4에는 건물의 공조 시스템과 같은 기체 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위한 본 발명의 소음 제어 장치(50)에 대한 제4 실시예가 한 예로써 도시되어 있다. 본 실시예는 본 발명의 제1 실시예와 달리, 주 공기 이송 덕트(51)에 가변 길이가 아닌 고정 길이의 "U"자형의 제1 및 제2 바이패스 덕트(53, 55)가 마련되어 있다. 또한, 본 실시예에서는, 제1 실시예의 액츄에이터(14, 15)와 두 개의 머플러(18, 19) 그리고 밸브(20) 및 제어기(21)를 구비하고 있지 않다. 이러한 이유는 건물의 공조 시스템 등에서는 주 공기 이송 덕트(51)로 공조 공기를 공급하는 팬 등의 급송 설비의 규모가 거의 일정하여 이러한 급송 설비에서 발생되는 소음의 주요 성분이 일정하기 때문이다. 즉, 최초 공조 시스템의 설계시에, 이러한 급송 설비에서 발생되는 소음의 주 성분을 측정 및 계산한 후, 공조 공기와 소음이 주 공기 이송 덕트(51)와 제1 바이패스 덕트(53)의 두 연결 지점을 통과하는 두 공기 이송 통로 길이의 차가 소음의 주요 성분의 반 파장만큼 차이가 나도록 바이패스 덕트(53)의 길이를 선택하면, "U"자형의 제1 바이패스 덕트(53)에 의해 소음의 주요 성분과, 이의 3, 5배와 같은 홀수배 주파수의 소음 성분을 제거할 수 있다. 또한, 제2 바이패스 덕트(55)의 길이를 적절히 선택하여, 소음의 주 성분의 2배 성분의 소음을 제거한다. 즉, 제2 바이패스 덕트(55)의 길이는 공기 이송 덕트(51)와 제2 바이패스 덕트(55)의 두 연결 지점을 통과하는 두 공기 이송 통로 길이의 차가 소음의 주요 성분의 2배 성분의 반 파장만큼 차이가 나도록 선택된다.

상술한 바와 같이, 주 공기 이송 덕트(51)에 단순히 바이패스 덕트(53, 55)를 마련하는 것 만으로 별도의 장치나 유지 및 보수 비용을 필요로 하지 않는 소음 제어 장치를 마련하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시예에서도 주 공기 이송 덕트(51)에 단지 두개의 바이패스 덕트(53, 55)을 마련한 것으로 설명였지만 필요하다면, 바이패스 덕트를 3개 이상 마련하는 것도 가능하다.

도6 및 도7에는 삽통식이 아닌 벨로우즈식 바이패스 파이프(61)와, 안테나식 바이패스 파이프(63)의 예가 도시되어 있다. 벨로우즈식 바이패스 파이프(61)와 안테나식 바이패스 파이프(63) 각각은 도6 및 도7에는 도시되어 있지 않지만 상술한 삽통식의 바이패스 파이프(12, 13)와 마찬가지로 제어기(21)의 제어 신호에 의해 작동되는 각 액츄에이터(14, 15)의 작동 로드(14a, 15a)의 길이 변화에 의해 그 길이가 각각 변화되도록 구성된다. 벨로우즈식 바이패스 파이프(61)와 안테나식 바이패스 파이프(63)는 삽통식의 바이패스 파이프(12, 13)의 최대 길이와 최소 길이의 비가 약 2:1 정도이나, 벨로우즈식 바이패스 파이프(61)와 안테나식 바이패스 파이프(63)의 최대 길이와 최소 길이의 비를 3:1이나 4:1 이상으로 할 수 있으므로 소음 제어 가능한 엔진 회전수의 범위가 넓어지게 된다.

상술한 바와 같이, 길이가 가변적인 바이패스 파이프를 이용하여 시스템을 구성하면 저주파 영역에서 엔진 회전수에 의한 주요 소음 성분의 1, 2, 3, 5배를 제어하고 주변 소음의 감소 효과에 따라 광범위한 저주파 대역 소음 감소가 가능하므로 후방의 단순한 저 배압 머플러에서는 소음치가 낮고 파장이 짧아 제거가 손쉬운 중고음 대역의 광대역 잡음만을 제거하면 되므로 직선 관로와 흡음제 등으로 구성되는 단순한 구조의 머플러 설치가 가능하다. 상술한 바와 같이, 배기 시스템을 (고속 주행 시의) 능동 제어 방식과 (엔진 시동 및 저속 주행 등의) 기존의 수동형 방식을 공존시킴으로써 엔진의 전 회전 영역에 대한 능동 제어를 시도하지 않고 운행 중 가장 많이 사용되는 RPM 대역의 제어만을 시도하여 단점을 극복하고 실용성을 높인다. 예를 들어, 고속 도로를 주로 운행하는 차량의 경우 대부분의 운행 시간을 고속으로 주행함으로 엔진 시동 시나 시내 주행과 같은 경우는 기존의 배기 시스템으로 수동적으로 제어하고 엔진이 고속 운전되는 대부분의 주행 시간 때에는 능동 제어를 수행하여 엔진의 출력을 높이고 연료 절감을 기할 수 있다.

또한, 주 공기 이송 덕트(51)에 단순히 바이패스 덕트(53, 55)를 마련하는 것 만으로 별도의 장치나 유지 및 보수 비용을 필요로 하지 않는 소음 제어 장치를 마련하는 것이 가능하다.

Claims

주 배기 파이프(11)와, 주 배기 파이프(11)의 통로에 제1 바이패스 구간이 형성되도록 양 단이 주 배기 파이프(11)에 연결되고 길이가 가변적인 제1 바이패스 파이프(12)와, 주 배기 파이프(11)의 통로에 제2 바이패스 구간이 형성되도록 양 단이 주 배기 파이프(11)에 연결되고 길이가 가변적인 제2 바이패스 파이프(13)와,이 제1 및 제2 바이패스 파이프(12, 13)들을 각각 작동시키는 제1 및 제2 액츄에이터(14, 15)와, 상기 액츄에이터(14, 15)를 제어하는 제어기(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 장치.
제1항에 있어서, 주 배기 파이프(11)의 하류에 분기되어 설치된 저 배압 머플러(18) 및 고 배압 머플러(19)와, 주 배기 파이프(11)와 두 머플러(18, 19)를 선택적으로 연통시키는 밸브(20)를 또한 포함하고, 상기 밸브(20)는 제어기(21)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 장치.
제1항에 있어서,

주 배기 파이프(11)의 하류에 설치되고 고배압 머플러와 저 배압 머플러로 선택적으로 작동되도록 제어기(21)에 의해 제어되는 이중 모드 머플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 장치.
제1항에 있어서,

주 배기 파이프(11)의 하류에 설치되고 배기 가스 압력에 의해 고배압 머플러와 저 배압 머플러로 선택적으로 작동되는 이중 모드 머플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 주 배기 파이프(11)로부터 제1 바이패스 파이프(12)의 상류에 분기된 제2 배기 파이프(31)와, 주 배기 파이프(11)와 제2 배기 파이프(31)에 의해 형성되는 두 배기 가스 통로를 선택적으로 연통시키는 밸브(32)를 또한 포함하고, 상기 밸브(32)는 제어기(21)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 바이패스 파이프(12, 13)는 삽통식으로 결합된 "U"자형 외통체(12a,13a)와 내통체(12b, 13b)로 각각 구성되고, 제어기(21)의 제어 신호에 의해 작동되는 각 액츄에이터(14, 15)의 작동 로드(14a, 15a)의 길이 변화에 의해 그 길이가 각각 변화되는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 바이패스 파이프(12, 13)는 벨로우즈식 바이패스 파이프이고, 제어기(21)의 제어 신호에 의해 작동되는 각 액츄에이터(14, 15)의 작동 로드(14a, 15a)의 길이 변화에 의해 그 길이가 각각 변화되는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 바이패스 파이프(12, 13)는 안테나식 바이패스 파이프이고, 제어기(21)의 제어 신호에 의해 작동되는 각 액츄에이터(14, 15)의 작동 로드(14a, 15a)의 길이 변화에 의해 그 길이가 각각 변화되는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 장치.
주 배기 파이프(11)와, 주 배기 파이프(11)의 통로에 바이패스 구간이 형성되도록 양 단이 주 배기 파이프(11)에 연결되고 길이가 가변적인 바이패스 파이프(12)와, 작동 로드(14a)의 길이를 변화시켜 바이패스 파이프(12)의 길이를 변화시키도록 작동되는 액츄에이터(14)와, 상기 액츄에이터(14)를 제어하는 제어기(21)를 포함하는 배기 소음 능동 제어 장치에 있어서,

주 배기 파이프(11)의 하류에 분기되어 설치된 저 배압 머플러(18) 및 고 배압 머플러(19)와, 주 배기 파이프(11)와 두 머플러(18, 19)를 선택적으로 연통시키는 밸브(20)를 또한 포함하고, 상기 밸브(20)는 제어기(21)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 장치.
기체 이송 시스템의 덕트 내부의 소음을 제어하기 위한 소음 제어 장치에 있어서,

주 공기 이송 덕트(51)와, 상기 공기 이송 덕트(51)의 통로에 제1 바이패스 구간이 형성되도록 양단이 공기 이송 덕트(51)에 연결된 제1 바이패스 덕트(53)와, 상기 주 공기 이송 덕트(51)의 통로에 제2 바이패스 구간이 형성되도록 양단이 공기 이송 덕트(51)에 연결된 제2 바이패스 덕트(55)를 포함하고,

상기 제1 바이패스 덕트(53)의 길이는, 주 공기 이송 덕트(51)와 바이패스 덕트(53)의 두 연결 지점를 통과하는 두 공기 이송 통로 길이의 차가 상기 기체 이송 시스템에서 발생되는 소음의 주 성분의 반 파장만큼 차이가 나도록 선택되고,

상기 제2 바이패스 덕트(55)의 길이는, 주 공기 이송 덕트(51)와 제2 바이패스 덕트(55)의 두 연결 지점를 통과하는 두 공기 이송 통로 길이의 차가 상기 기체 이송 시스템에서 발생되는 소음의 주 성분의 2배 성분의 반 파장만큼 차이가 나도록 선택되는 것을 특징으로 하는 소음 제어 장치.
제2항의 장치를 사용하여 배기 소음을 제어하는 방법에 있어서,

고속 주행 시에는, 제어기(21)에서 주 소음 성분(C)을 분석하는 단계와, 액츄에이터(14, 15)를 작동시켜 바이패스 파이프(12, 13)의 길이를 조절함으로써 주 소음 성분(C)과 이의 2, 3, 5배 등의 주파수를 갖는 소음 성분을 제거하는 단계와, 밸브(20)를 작동시켜 기타 잔류 광대역의 소음을 저 배압 머플러(18)를 통과시켜 배기 가스를 원활히 배출시키는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하고,

엔진 시동 시나 저속 주행 시에는 밸브(20)를 작동시켜 배기 가스를 고배압 머플러(19)로 통과시키는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 제어 방법.
제3항의 장치를 사용하여 배기 소음을 제어하는 방법에 있어서,

고속 주행 시에는, 제어기(21)에서 주 소음 성분(C)을 분석하는 단계와, 액츄에이터(14, 15)를 작동시켜 바이패스 파이프(12, 13)의 길이를 조절함으로써 주 소음 성분(C)과 이의 2, 3, 5배 등의 주파수를 갖는 소음 성분을 제거하는 단계와, 이중 모드 머플러를 저 배압 머플러로 작동되도록 제어하는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하고,

엔진 시동 시나 저속 주행 시에는 이중 모드 머플러를 고 배압 머플러로 작동되도록 제어하는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 제어 방법.
제4항의 장치를 사용하여 배기 소음을 제어하는 방법에 있어서,

고속 주행 시에는, 제어기(21)에서 주 소음 성분(C)을 분석하는 단계와, 액츄에이터(14, 15)를 작동시켜 바이패스 파이프(12, 13)의 길이를 조절함으로써 주 소음 성분(C)과 이의 2, 3, 5배 등의 주파수를 갖는 소음 성분을 제거하는 단계와, 이중 모드 머플러를 저 배압 머플러로 작동되도록 제어하는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하고,

엔진 시동 시나 저속 주행 시에는 이중 모드 머플러를 고 배압 머플러로 작동되도록 제어하는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 제어 방법.
제5항의 장치를 사용하여 배기 소음을 제어하는 방법에 있어서,

고속 주행 시에는 배기 가스가 주 배기 파이프(11)를 통과하도록 밸브(32)를 작동시키는 단계와, 제어기(21)에서 주 소음 성분(C)을 분석하는 단계와, 액츄에이터(14, 15)를 작동시켜 바이패스 파이프(12, 13)의 길이를 조절함으로써 주 소음 성분(C)과 이의 2, 3, 5배 등의 주파수를 갖는 소음 성분을 제거하는 단계와, 기타 잔류 광대역의 소음을 저 배압 머플러(18)를 통과시켜 배기 가스를 원활히 배출시키는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하고,

엔진 시동 시나 저속 주행 시에는 배기 가스가 제2 배기 파이프(31)를 통과하도록 밸브(32)를 작동시켜 배기 가스를 일반 머플러(19)로 통과시키는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 제어 방법.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고속 주행 시의 소음 제어를 수행하는 중에 엔진 회전수가 증가하고 제1 바이패스 파이프(12)가 최대로 축소되어 제1 바이패스 파이프(12)가 더 이상 주 소음 성분(C)을 제어할 수는 없지만 엔진 특성에 따라 주 소음 성분(C)의 2배 성분의 소음이 미약할 경우, 제2 바이패스 파이프(13)로 주 소음 성분(C)을 제어하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 제어 방법.
제9항의 장치를 사용하여 배기 소음을 제어하는 방법에 있어서,

고속 주행 시에는 제어기(21)에서 주 소음 성분(C)을 분석하는 단계와, 액츄에이터(14)를 작동시켜 바이패스 파이프(12)의 길이를 조절함으로써 주 소음 성분(C)과 이의 2, 3, 5배 등의 주파수를 갖는 소음 성분을 제거하는 단계와, 기타 잔류 광대역의 소음을 저 배압 머플러(18)를 통과시켜 배기 가스를 원활히 배출시키는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하고,

엔진 시동 시나 저속 주행 시에는 배기 가스가 제2 배기 파이프(31)를 통과하도록 밸브(32)를 작동시켜 배기 가스를 일반 머플러(19)로 통과시키는 단계로 구성된 소음 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 제어 방법.