KR20030038965A - 차량 배기계의 소음 감쇠 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 차량 배기계의 소음 감쇠 장치에 관한 것으로서, 엔진에 장착된 배기다기관으로부터 수평으로 연장되어 분기되는 제1 배기통로와 제2 배기통로와, 이 제1 및 제2 배기통로의 저부 각각에 설치된 머플러를 구비하고, 상기 제1 및 제2 배기통로 중 하나의 통로는 지그재그형으로 형성되고, 상기 지그재그형상의 곡선부에는, 그 인접하는 곡선부의 개구와 상호 연통 가능하고, 그 횡방향으로 위치 가변 설정되도록 액츄에이터에 의해 가동되는 연결부재가 기밀 결합되도록 구성되어, 엔진에 장착되는 배기 다기관에 연장하여 분기되는 2중의 배기통로를 마련하고, 상기한 2중 배기통로 중 한쪽의 배기통로의 전체 길이를 가변 가능하게 구성하여, 2중 배기통로로부터 각각 발생하는 배기소음의 음장 각각을 서로 간섭 가능하게 역위상으로 변환 발생시켜, 대기에서의 소음을 상쇄시킬 수 있도록 하였다.

Description

차량 배기계의 소음 감쇠 장치{Apparatus for excluding noise of exhaust system of vehicle}

본 발명은 차량용 배기계의 소음감쇠장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진에 장착되는 배기다기관에 연장하여 분기되는 2중 배기통로를 마련하고, 이 2중 배기통로 중 한쪽의 배기통로의 전체 길이를 가변 가능하게 구성하여, 2중 배기통로로부터 각각 발생하는 배기소음의 음장 각각을 서로 역위상으로 변환 발생시켜, 대기에서의 소음을 상쇄시킬 수 있도록 구성한 차량용 배기계의 소음감쇠장치에 관한 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 배기계(10)를 개략적으로 도시한 도면으로, 부호(1, 2, 3, 4)는 4사이클 엔진의 실린더 번호를 지칭한다.

상기한 배기계(10)는 배기 다기관(5)과, 배기파이프(6), 머플러(7)등으로 구성되어 이루어지며, 선택적으로 촉매 컨버터가 추가 개재될 수 있다.

상기한 배기계(10)의 배기 다기관(5)은 엔진의 실린더 헤드(12)에 형성된 배기포트 측에 설치되어 있으며, 이어서 배기파이프(6)를 볼트로 연결하고 있다.

상기한 배기 파이프(6)에는 배기가스를 정화하는 촉매 컨버터를 연결하면서 또 하나의 배기 파이프(6)를 설치 후 소음을 저감하는 머플러(10)를 장착하여 이루어져 있다.

상기한 배기계(10)는 엔진의 구동으로 발생한 배기가스가 배기 다기관(5)과 배기 파이프(6)를 통해 배출된 후, 촉매 컨버터에서 유해가스를 정화하고, 정화된 배기가스의 배출에 따른 소음은 머플러(7)를 통과하면서 어느 정도 저감된다.

그러나, 상기한 종래기술은 엔진의 실린더 헤드에 배기 다기관, 배기파이프, 촉매 컨버터 등을 장착함으로써, 배기 가스의 온도와 압력을 낮추어 배기소음을 감쇠하기 때문에, 출력의 손실을 최대 5% 이내로 하는 조건으로 배압(back pressure)을 설정함에 기인하여 일정치 이상의 소음을 규제하기에는 설계상의 원천적인 제약이 따랐다.

상기한 바와 같이 이루어지는 종래 기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 엔진에 장착되는 배기 다기관에 연장하여 분기되는 2중의 배기통로를 마련하고, 상기한 2중 배기통로 중 한쪽의 배기통로의 전체 길이를 가변 가능하게 구성하여, 2중 배기통로로부터 각각 발생하는 배기소음의 음장 각각을 서로 간섭 가능하게 역위상으로 변환 발생시켜, 대기에서의 소음을 상쇄시킬 수 있는 차량용 배기계의 소음감쇠장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 차량용 배기계를 개략적으로 도시한 모식도,

도 2는 본 발명의 차량용 배기계를 개략적으로 도시한 모식도,

도 3은 본 발명의 차량용 배기계를 단면 처리하여 도시한 구조도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1, 2, 3, 4 : 실린더 5 : 배기 다기관

6 : 배기 파이프 31 : 제1 배기통로

32 : 제2 배기통로 33, 35 : 곡면부

37, 39 : 연결부재 40 : 액츄에이터

50 : 벨로우즈

이를 실현하기 위해 본 발명은, 엔진에 장착된 배기 다기관으로부터 수평으로 연장되어 분기되는 제1 배기통로와 제2 배기통로와, 이 제1 및 제2 배기통로의 저부 각각에 설치된 머플러를 구비하고; 상기 제1 및 제2 배기통로 중 하나의 통로는 지그재그형으로 형성되고; 상기 지그재그형상의 곡선부의 개구에는, 그 인접하는 곡선부의 개구와 상호 연통 가능하고, 그 횡방향으로 위치 가변 설정되도록 액츄에이터에 의해 가동되는 연결부재가 기밀 결합된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부한 도면에 의하여 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 엔진의 배기계를 개략적으로 도시한 구성도로서, 부호(20)는 엔진의 배기계를 지칭한다.

상기한 엔진의 배기계(20)는 배기 포트를 구비한 실린더 헤드와, 이 실린더 헤드의 배기 포트와 다중 연결된 배기 다기관(5), 및 머플러(7A, 7B)로 구성되어이루어져 있다.

또, 상기 배기 다기관(5)에는, 엔진에 장착된 배기 다기관(5)으로부터 수평으로 연장되어 분기되는 제1 배기통로(31)와 제2 배기통로(32)와, 이 제1 및 제2 배기통로(32)의 저부 각각에 설치된 머플러(7A, 7B)가 연이어 연통 가능하게 연결되어 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 배기통로(32) 중 하나의 통로는 지그재그형으로 형성되어 있다.

또, 상기 지그재그형상에 의해 획득되는 곡선부(33; 35) 각각에는, 그 인접하는 곡선부의 개구들(33a, 33b; 35a, 35b)과 상호 연통 가능하고, 그 횡방향으로 위치 가변 설정되도록 액츄에이터(40)에 의해 가동되는 연결부재(33, 35)가 기밀 결합되어 있다. 여기에서, 상기 곡선부와 연결부재의 개수에는 제한이 없다.

또한, 상기 인접하는 2개의 곡선부(33, 33)의 개구(33a, 33b)들을 상호 연결하기 위한 연결부재(37)는 복수의 벨로우즈(50, …)에 의해 기밀 결합되어 있다. 여기에서, 상기 곡선부(33, 33)와 간격진 다른 쪽의 곡선부(35, 35)의 경우에도 마찬가지로 연결부재(39)가 연결되고, 이하의 설명은 생략한다.

한편, 상기 곡선부(33, 35)들의 개구(33a, 33b; 35a, 35b)들에 대하여 상기 연결부재(37, 39)의 개구단(37a, 37b; 39a, 39b)이 미끄럼 이동 가능하게 각각 결합될 수 있다. 이때, 일예로, 상기 곡선부(33)의 개구(33a)측 외경과 상기 연결부재(37)의 개구단(37a, 37b(측 외경들은 상호 기밀한 접속을 부여하도록 서로 다른 외경을 가진다.

또한, 상기 액츄에이터(40)는, 한쪽의 통로에서의 배기 소음의 음장(P1)과, 다른 한쪽의 통로에서의 배기 소음의 음장(P2)과의 위상차가 pi가 되도록, 설정 엔진 회전수에 대하여 해당 설정된 제어 주파수(f)를 신호원으로 하여, ECU에 의해 구동되도록 라인연결되어 있다.

다음에, 본 발명의 일 실시예에 따른 작동을 설명한다.

먼저, 엔진 회전수 정보를 갖고있는 ECU에서 콘트롤러에 능동 소음 개시에 대한 지령을 내리면, 콘트롤러는 주어진 엔진 회전수에 대하여 미리 설정된 제어 주파수(f)에서, 도 1의 머플러(7A)에 공급되는 배기 소음의 음장(P2)과 머플러(7B)에 공급되는 배기 소음의 음장(P2)의 위상차가 pi 가 되도록 액츄에이터(40)에 의해 위치 가변 가능하게 차체에 장착된 연결부재(37, 39)가 이동하게 된다. 이때, 연결부재(37, 39)는 엔진 회전수별로 설정된 룩업테이블을 기초로 한 제어 주파수(f)에 따라 개별 또는 동시 가동된다.

여기에서, 상기 연결부재(37, 39)를 최소 공간을 이용해서 가장 많이 위치변경시키기 위해서 차량의 피치(pitch)축에 평행한 방향으로, 액츄에이터(40)가 일 예로, 'L'만큼 파이프를 잡아 당겼을 때, 전체 가스 유입 경로가 2L 만큼 변하는 구조를 2개 가지도록 설정하였으며, 상기 연결부재(37, 39))의 라운드 부분은 제어 주파수 영역의 음장 변화를 최소화할 수 있을 정도의 반경으로 되어 있다.

상기 연결부재(37, 39)의 구조 및 개수는 차종, 제어하고자 하는 주파수 영역에 따라 달리할 수 있지만, 본원에서는 일예로 사이에 일정 간격을 두고 2곳에 0,25m만큼 L이 변할 수 있도록 연결부재(37, 39)를 포함하는 위치가변설정부위를설정하였으며, 이 2곳의 위치가변설정부 사이에는 충분한 길이의 직선 구간(32)을 두어서 이 구간을 지나는 배기 소음 음장이 곡선부(33, 35)에서 상실한 운동에너지를 회복할 수 있는 공간으로 사용되도록 하였다.

일반적으로, 배기 파이프(5) 및 연결부재(37, 39)의 길이와 반경은, 배기 파이프의 공지된 원래의 가공 반경으로 되어도 좋고, 유동 저항을 규제하기 위해 각 절곡부위를 라운드형으로 함과 아울러, 배기 파이프에서의 분기점은 일정 각도로 경사지게 해도 좋다(도 2 참조).

본 발명에 따르면, 상기 액츄에이터에 의해 가동되는 연결부재의 가변 길이는, 하기의 방정식 I 과 Ⅱ 에서 결정된다. 상기 방정식에 사용된 용어는 하기에 정의된다.

방정식 Ⅰ일 때, P2 = P

방정식 Ⅱ

여기에서, x = 배기 가스 배출 방향으로의 거리

c = 음속

t = 시간차이며,

상기 방정식들을 이용하여 소음 제어 대역을 계산할 경우, 일예로, 방정식 Ⅰ에서, 위상차가 pi가 되려면, 통상, 양쪽 머플러(7A, 7B)에 유입되는 배기 소음의 음장이 방정식 Ⅱ에 의해 산정되는 경로차를 가져야 한다.

다시 말해서, 음속 c를 340m/s 로 가정하면, 서로 170/f 의 경로차를 가져야 하는 데, 이때, 액츄에이터(40)로 양쪽 연결부재(37, 39)를 0.25m 만큼 이동시키면 시스템이 획득할 수 있는 최대 경로차는 1m 이므로 170 Hz 이상의 소음에 대해서 제어가 가능하게 되는 것이다.

이와 같이 위상차가 발생할 때,

상기 주파수 f 대역에서 P3 + P4 = P5 ?? 0 가 되므로, 소음이 상쇄되게 되는 것이다.

따라서, 자동차의 소음 중, 특허 저속 주행 상태에서는 공력 소음보다 기계적 소음이 큰 비중을 차지하고, 이 중에서도 머플러에서 발생하는 소음은 인간 생활에 지대한 영향을 끼친다. 이러한 소음을 머플러 만으로 지나치게 억제 할 경우에는, 배기 가스 저항(배압)을 유발시켜 동력 성능의 저하를 초래하게 되는 바, 본 발명은 자동차 머플러에서 발생하는 소음을 동력 성능의 저하없이도 엔진 회전수에 따라 능동 제어함으로써, 원천적인 소음을 규제하기 보다는, 보다 인간공학적인 설계를 통해, 구동 시 발생하는 소음을 간섭 상쇄시킬 수 있게 되는 것이다.

더욱이, 일정 대역의 소음만을 전용으로 규제할 경우에는, 액츄에이터를 사용하지 않고도, 음압이 가장 큰 소음이나, 가장 인간의 귀에 거슬리는 대역의 소음을 음장의 상쇄 효과로 억제할 수 있는 곡면부의 크기 및 반경이 이미 설정된 연결부재와의 일체형 구조로 기계적으로 설치하여도 된다.

앞에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 소음 감쇠 장치에 의하면, 엔진에장착되는 배기 다기관에 연장하여 분기되는 2중의 배기통로를 마련하고, 상기한 2중 배기통로 중 한쪽의 배기통로의 전체 길이를 가변 가능하게 구성하여, 2중 배기통로로부터 각각 발생하는 배기소음의 음장 각각을 서로 간섭 가능하게 pi 만큼의 위상차를 갖는 역위상으로 변환 발생시켜, 대기에서의 소음을 상쇄시킬 수 있다는 매우 뛰어난 효과가 있다.

Claims (4)

1. 엔진에 장착된 배기다기관으로부터 수평으로 연장되어 분기되는 제1 배기통로와 제2 배기통로와, 이 제1 및 제2 배기통로의 저부 각각에 설치된 머플러를 구비하고,

   상기 제1 및 제2 배기통로 중 하나의 통로는 지그재그형으로 형성되고,

   상기 지그재그형상의 곡선부에는, 그 인접하는 곡선부의 개구와 상호 연통 가능하고, 그 횡방향으로 위치 가변 설정되도록 액츄에이터에 의해 가동되는 연결부재가 기밀 결합된 것을 특징으로 하는 차량 배기계의 소음 감쇠 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 인접하는 2개의 곡선부의 개구들을 상호 연결하기 위한 연결부재는 벨로우즈에 의해 기밀 결합된 것을 특징으로 하는 차량 배기계의 소음 감쇠 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 곡선부의 개구들에 대하여 상기 연결부재의 개구단이 미끄럼 이동 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는 차량 배기계의 소음 감쇠 장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 액츄에이터는, 한쪽의 통로에서의 배기 소음의 음장과, 다른 한쪽의 통로에서의 배기 소음의 음장과의 위상차가 pi가 되도록, 설정 엔진 회전수에 대하여 해당 설정된 제어 주파수를 신호원으로 하여, ECU에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 배기계의 소음 감쇠 장치.