KR100909506B1 - 내연 기관의 배기 시스템 내 소음 감소 장치 및 방법 - Google Patents

내연 기관의 배기 시스템 내 소음 감소 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연 기관의 배기 시스템용 벌집형 구조체(1)에 대한 것이다. 상기 벌집형 구조체(1)는 축방향 길이(L)를 가지고, 채널(5, 8)을 구비하고, 상기 채널은 배기 가스(3)에 의해서 횡유동 가능하고, 본질적으로 서로 분리되어 있다. 상기 벌집형 구조체(1)는 하나 이상의 제 1 채널 그룹(5)과 제 2 채널 그룹(8)을 포함한다. 상기 그룹(5, 8) 중의 하나의 하나 이상의 단면적 표면(6, 7, 9, 10)은 상기 벌집형 구조체의 축방향 길이(L)를 따라 변하고, 이에 따라 서로 다른 그룹의 채널(5, 8)에서의 배기 가스(3)의 전달 시간은 다르다. 상기 다양한 그룹의 채널(5, 8)에서 배가 가스(3)의 전달 시간의 차이는 하나 이상의 파장을 갖는 음파의 감쇄를 위하여 특히 바람직한 방법으로 사용될 수 있다. 그 결과 배기 가스 시스템에서 배기 가스를 정화하기 위하여 벌집형 구조체를 갖춘 배기 시스템에서 추가요소에 대한 필요없이 바람직한 방법으로 소음이 감소한다.

Description

내연 기관의 배기 시스템 내 소음 감소 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR DAMPENING NOISE IN THE EXHAUST SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관의 배기 시스템에서 소음을 억제하기 위한 장치에 관한 것이다. 이러한 형태의 장치는, 예를 들어, 내연 기관 또는 예를 들어, 내연기관이 사용되는 자동차에서 특히 임계적인 하나 또는 그 이상의 주파수를 감쇄시키기 위하여 사용된다.
소음을 억제하기 위한 수많은 장치 및 방법이 자동차 공학에서 공지되어 있다. 이러한 내용들은 특히, 예를 들어, 자동차의 일부에서 공진(resonance)을 야기하는 임계 주파수를 감쇄시키기 위하여 자주 필요하다. 어떤 경우에는 매우 복잡한 구조적 수단이 이러한 목적을 위하여 고려된다. 특히, 추가 부품들이 자주 요구된다.
이러한 기초 하에서, 본 발명의 목적은 추가적인 부품들 없이 실질적으로 배기 가스 정화를 위하여 벌집형 구조체(honeycomb bodies)를 구비한 내연 기관의 배기 시스템에서, 특히 임계 주파수에 대하여 소음을 억제하기 위한 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징을 가진 벌집형 구조체, 청구항 5의 특징을 가진 배기 시스템, 그리고 청구항 9의 특징을 가진 소음 억제 방법에 의해 달성된다. 개별적으로 또는 병합에 의해서 발생가능한, 바람직한 구성들은 각각의 종속항들에서 설명된다.
이러한 형태의 벌집형 구조체의 기본 디자인은, 예를 들어, EP 0245 737 B1 호 또는 EP 0 430 945 B1호에 개시되어 있다. 그러나 본 발명은 또한 다른 구조적인 형태, 예를 들어, 나선형으로 굽은 구조 형태로 실현될 수 있다. 또한, 일방향으로 원뿔인 구조 형태가 예를 들어, WO 99/56010호로부터 공지되어 있다. 벌집형 구조체에 대한 공지된 생성 공정이 또한 본 발명에 채용될 수 있다. 셀 구조(cell geometry)와 관련된 최근의 발전은 예를 들어, WO 90/08249호 및 WO 99/31362호로부터 공지된 것과 같이, 경로 벽 안에서의 미세구조의 사용을 향상시켜 왔다. 이러한 발전은 또한 추가적으로 본 발명을 위하여 채용될 수 있다. 일반적으로 이러한 형태의 벌집형 구조체의 효율성을 향상시키거나 또는 생성하기 위해 공지된 방법들이 또한 본 발명에 채용될 수 있다.
내연 기관의 배기 시스템 안에서 소음을 억제하기 위한 본 발명에 따른 장치는 이러한 형태의 벌집형 구조체를 포함한다. 상기 벌집형 구조체는 축방향 길이를 가지며, 실질적으로 서로 분리되고 배기 가스가 유동할 수 있는 경로를 구비한다. 상기 경로는 최소한도 제 1 부분 경로 및 제 2 부분 경로로 나누어진다. 최소한도 상기 두 부분 경로 중 하나의 단면적은, 서로 다른 부분 경로에 대하여 배기 가스의 천이 시간(transient time)이 서로 다른 방법으로 벌집형 구조체의 축방향 길이를 걸쳐서 변한다. 이때, 예를 들면 용어 경로(passages), 단면적(cross-sectional areas) 등은 그 구성요소가 단수일 가능성 또는 복수일 가능성을 배제하지 않으며, 이러한 용어는 단수 또는 복수를 모두 포함할 수 있다.
내연 기관의 배기 시스템에서 소음을 억제하기 위하여 벌집형 구조체를 사용하는 것이 바람직한데, 이는 이러한 형태의 구조체가 이미 예를 들어, 배기 가스 정화를 위한 촉매 컨버터에서 널리 사용되고, 그 결과 이미 자동차의 배기 시스템 내에 존재하기 때문이다. 이는 추가 요소가 배기 시스템 안에 구비되지 않고도 배기 시스템 안에서의 소음 수준을 줄이는 것을 가능하게 한다. 따라서, 그 결과 구조적으로 단순하고 저렴한 방법으로 소음이 억제된다.
단면적이 변하는 경로에서, 가스 스트림의 속도는 단면적에 반비례한다. 따라서, 경로의 단면적이 벌집형 구조체의 축방향 길이에 걸쳐 증가할 때 가스 스트림은 감소된다. 역으로, 만일 상기 경로의 단면적이 벌집형 구조체의 축방향 길이에 걸쳐 감소하면, 상기 가스 스트림은 가속된다. 본 발명에 따르면, 벌집형 구조체로 들어가는 배기 가스 스트림은 각각 하나의 부분 경로를 통하여 흐르는 적어도 두 개의 배기 가스 부분량들로 분리된다. 만일 벌집형 구조체가 주 흐름 방향 (z)에서 축방향 길이(L)를 가질 때, 주 흐름 방향(z)에 의존하는, 속도(v)를 갖는 가스의 천이 시간 t(L)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112004025957758-pct00001
따라서, 속도 함수v(z)는 상기 경로의 단면적에서의 변화에 의해 영향을 받을 수 있고, 경로를 통과하는 가스의 천이 시간은 우선 경로의 길이에 그리고 둘째로 경로에 적용되는 속도 함수에 의존하고, 경로에서의 배기 가스의 천이 시간은 매우 정확하게 조정될 수 있다.
이러한 원리가 두 부분 경로에 적용되는 경우, 그 결과 두 개의 부분 경로를 통과하여 유동하는 배기 가스의 부분량 사이의 천이 시간 차이를 생성하는 본 발명에 따른 가능성이 도출된다. 만일 배기 가스가 소리 파동의 운반자라면, 이러한 천이 시간에서의 차이에 기인하여 두 개의 부분 경로에서의 음파 사이의 위상차(phase difference)가 발생한다. 만일 천이 시간에서의 차이가 적합하게 선택된다면, 이는 규정된 파장의 음파의 감쇠를 가져온다.
만일 파장(λ),상 속도(c) 및 각 주파수(ω)의 음파를 감쇄시키기 원한다면, 제 1 부분 경로를 통과하는 배기 가스의 제 1 부분량의 천이 시간(t1)과 제 2 부분 경로를 통과하는 배기 가스의 제 2 부분량의 천이시간 (t2)사이의 천이 시간 차이로서 다음 식을 선택하는 것이 바람직하고
Figure 112004025957758-pct00002
,
이때 n은 자연수이다. 벌집형 구조체의 개선 사항에 따르면, 제 1 부분 경로는 각각의 경우에 제 1 유입 단면적 및 제 1 배출 단면적을 가지고, 그 축방향 길이를 따르는 제 2 부분 경로는 각각의 경우에 제 2 유입 단면적 및 제 2 배출 단면적을 갖는다. 본 발명에 따르면, 제 1 배출 단면적에 대한 제 1 유입 단면적의 비는 제 2 배출 단면적에 대한 제 2 유입 단면적의 비와 다르다. 따라서, 이러한 경우에, 제 1 부분 경로의 단면적과 제 2 부분 경로의 단면적은 서로 다른 방식으로 변한다. 이는 두 부분 경로를 통하여 흐르는 배기 가스의 두 부분량에서의 속도 차이를 요구하고 결과적으로 천이 시간 차이를 요구한다.
벌집형 구조체의 또 다른 개선 사항에 따르면, 하나 이상의 부분 경로의 단면적은 주 유동 방향(z)에서 증가하고, 바람직하게는 단조로운 방식으로 증가하고, 특히 바람직하게는 정확하게 단조로운 방식으로 증가하며, 및/또는 또 다른 부분 경로의 단면적은 주 유동 방향에서 감소하며, 바람직하게는 단조로운 방식으로 감소하고, 특히 바람직하게는 정확하게 단조로운 방식으로 감소한다. 단조로운 방식이란 경로의 일부 또는 전 경로에 대하여 축방향 길이(L)를 따라 동일한 단면적을 가지는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 이는 정확하게 단조로운 프로파일의 경우에 가능하지는 않다: 이 경우, 축방향 길이에 따른 단면적이 균일하게 증가하거나 감소하여야 한다. 하나 이상의 부분 경로가 원뿔형으로 넓어지거나 및/또는 하나 이상의 추가 부분 경로가 원뿔형으로 좁아지는, 본 발명에 따른 추가적인 바람직한 실시예가 특히 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따라 제 1 부분 경로의 단면적이 축방향 길이에 걸쳐 변하지 않고, 반면에 제 2 부분이 원뿔형으로 넓어지거나 또는 좁아지는 것이 가능하고, 또는 또한 단면적이 어떤 다른 방법으로 주 흐름 방향 (z)에서 단조로운 방식으로 증가하거나 감소하는 것도 가능하다. 본 발명에 따르면, 제 1 부분 경로가 원뿔형으로 넓어지는 반면, 제 2 부분 경로는 원뿔형으로 좁아지는 것도 또한 가능하다. 이는 본 발명에 따른 벌집형 구조체가 매우 단순한 구조적 디자인을 갖도록 한다.
벌집형 구조체의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 서로 다른 부분 경로가 전 축방향 길이에 따른 단면적의 다른 적분값을 갖는 방법으로 형상화된다. 이는 경로에 챔버를 제공하고, 섹션을 넓히고, 섹션을 좁히는 것을 가능하게 하고, 이러한 식으로 구조적인 조건 또는 제한뿐 아니라, 예를 들어, 유동의 단면과 필요한 압력 손실에 관한 서로 다른 요구 사항을 고려하는 것을 가능하게 한다. 이는 또한 비교적 짧은 축방향 길이(L)에서의 천이 시간에서 고려할만한 차이를 산출하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 사상에 따라 또한 내연 기관의 배기 시스템이 제공된다. 이러한 배기 시스템은 배기 가스가 유동할 수 있는 경로를 구비하고 축방향 길이를 가진 하나 이상의 벌집형 구조체를 구비한다. 배기 가스의 제 1 부분량을 위한 유동로가 제 1 부분 경로에 의해 형성되고, 배기 가스의 제 2 부분량을 위한 유동로가 제 2 부분 경로에 의해 형성된다. 두 부분 경로 중 하나 이상의 단면적이 벌집형 구조체의 축방향 길이에 걸쳐 변한다. 이는 배기 가스의 두 부분량들 사이의 천이 시간에서의 차이를 필요로 한다. 이러한 경우에 또한 부분 경로의 적합한 치수화를 통해서, 배기 가스에서의 음파의 하나 이상의 주파수를 감쇄시키는 것이 가능하다. 이러한 내용에 있어서, 만일 각각의 경우 제 1 부분 경로가 제 1 유입 단면적 및 제 1 배출 단면적을 가지고, 제 2 부분 경로가 각각의 경우 제 2 유입 단면적 및 제 2 배출 단면적을 가지고 있다면, 제 1 배출 단면적에 대한 제 1 유입 단면적의 비가 제 2 배출 단면적에 대한 제 2 유입 단면적의 비와 다른 것이 특히 바람직하다.
배기 시스템의 바람직한 실시예에 따라서, 하나 이상의 부분 경로의 단면적은 주 흐름 방향(z)에서 증가하고, 바람직하게는 단조로운 방식으로 증가하고, 특히 바람직하게는 정확하게 단조로운 방식으로 증가하고, 및/또는 하나 이상의 추가 부분 경로의 단면적은 주 흐름 방향(z)에서 감소하고, 바람직하게는 단조로운 방식으로 감소하고, 특히 바람직하게는 정확하게 단조로운 방식으로 감소한다. 이러한 내용에 있어서, 단조로운 방식이라는 용어는, 경로 일부의 단면적 또는 전 경로의 단면적이 반드시 변할 필요는 없으나, 예를 들어, 전에 애초에 경로가 넓어지던 것이 후속적으로 다시 좁아지는 것이 가능하지 않다는 것을 의미한다. 이에 반하여, 정확하게 단조로운 방식으로 증가한다는 용어는 주 흐름 방향에서의 각각의 좌표(z)에서 좌표(z)가 증가하는 것과 같이 증가하는 서로 다른 단면적이 있다는 것, 즉, 크기에서 연속적인 증가가 있다는 것을 의미한다. 이와 관련된 서술들은 단조로운 방식으로 또는 정확하게 단조로운 방식으로 감소하는 프로파일에도 적용된다. 이러한 내용에 있어서, 하나 이상의 벌집형 구조체의 하나 이상의 부분 경로가 원뿔형으로 증가하거나 및/또는 하나 이상의 추가 부분 경로가 원뿔형으로 좁아지는 배기 시스템의 바람직한 실시예가 특히 바람직하다. 따라서, 제 1 부분 경로가 원뿔형으로 넓어지거나 또는 좁아지고, 반면에 제 2 부분 경로의 단면적이 축방향 길이를 걸쳐서 변하지 않는 것이 가능하다. 또한, 제 1 부분 경로가 원뿔형으로 넓어지는 반면 제 2 부분 경로가 원뿔형으로 좁아지는 것도 가능하다. 이에 따라 바람직하게는 배기 시스템의 구조적으로 단순한 디자인을 갖는다. 단면적에서의 원뿔형 변화가 주 유동 방향(z)에서만 가능한 것이 아니라, 또한, 단면적에서 어떤 단조로운 변화가 가능하고, 이는 본 발명과 관련된다.
배기 시스템의 추가적인 바람직한 형상에 따르면, 경로의 다른 하위 시스템들은 축방향 길이(L)를 따른 단면적의 다른 적분값을 가진다. 이는 예를 들어, 디자인에 있어서의 제한 요소가 있음에도 불구하고 예를 들어, 소음 억제가 잘 되도록 하는 것을 가능하도록 하기 위하여 챔버, 확대된 섹션 및 좁아진 섹션을 형성하는 것을 가능하게 만든다.
본 발명의 사상에 따르면, 또한 내연 기관에서의 배기 시스템에서 소음 억제를 위한 방법이 제공된다. 이러한 경우에, 배기 시스템은 배기 가스가 유동할 수 있는 경로를 구비하고 축방향 길이를 가지는 하나 이상의 벌집형 구조체를 포함한다. 상기 배기 가스의 제 1 부분량은 제 1 부분 경로를 통과하고, 상기 배기 가스의 제 2 부분량은 제 2 부분 경로를 통과한다. 상기 두 개의 부분 경로의 하나 이상에서의 단면적은 벌집형 구조체의 축방향 길이에 걸쳐 변하고, 결과적으로 서로 다른 부분 경로에서 배기 가스의 천이 시간에서의 차이를 가져온다. 배기 가스의 부분량들은 하나 이상의 벌집형 구조체의 하류에서 다시 병합된다. 본 발명에 따른 이러한 방법은 배기 가스에서 존재하는 규정된 주파수의 하나 이상의 음파가 감쇄되도록 한다.
상기 방법의 바람직한 구성에 따르면, 각각의 경우에 제 1 부분 경로는 제 1 유입 단면적과 제 1 배출 단면적을 구비하고, 반면에 제 2 부분 경로는 각각의 경우 제 2 유입 단면적과 제 2 배출 단면적을 구비한다. 상기 제 1 배출 단면적에 대한 제 1 유입 단면적의 비는 제 2 배출 단면적에 대한 제 2 유입 단면적의 비와 다르다. 이러한 내용에 있어, 하나 이상의 부분 경로의 단면적이 주 흐름 방향(z)에서 증가하고, 바람직하게는 단조로운 방식으로 증가하고, 특히 바람직하게는 정확하게 단조로운 방식으로 증가하고, 반면에, 추가적인 부분 경로의 단면적은, 대안적으로 또는 추가하여, 감소하고, 바람직하게는 단조로운 방식으로 감소하고, 그리고 특히 바람직하게는 정확하게 단조로운 방식으로 감소하는 것이 특히 바람직하다. 이는 소음 억제 방법이 바람직하게 단순한 방법으로 수행되는 것을 가능하게 한다.
상기 방법의 추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 배기 가스는 원뿔형으로 넓어지는 하나 이상의 부분 경로 및/또는 원뿔형으로 좁아지는 하나 이상의 추가 부분 경로를 갖는 하나 이상의 벌집형 구조체를 통과한다. 이는 천이 시간에서의 차이의 계산 및 조정을 단순하게 한다.
상기 방법의 추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 배기 가스는 축방향 길이를 따르는 단면적의 다른 적분값을 갖는 서로 다른 부분 경로를 통과한다. 이는 실시예에 의해서, 예를 들어, 서로 다른 기하학적 조건 및 제한 하에서조차 상기 방법이 수행되도록 한다.
상기 방법의 추가적인 바람직한 구성에 따라서, 배기 가스의 부분량의 천이 시간에서의 차이는, 둘 이상의 부분량이 병합되었을 때, 하나 이상의 주파수에 대하여 적어도 부분적으로 상쇄 간섭이 발생하도록 정확하게 선택된다. 이를 위하여, 각 주파수(ω), 파장(λ), 및 상 속도(c)를 갖는 배기 가스의 제 1 부분량의 천이 시간 및 배가 가스의 제 2 부분량의 천이 시간 사이의 천이 시간 차는 다음과 같이 정확하게 설정되고,
Figure 112004025957758-pct00003
이때 n은 자연수이다. 이는 파형 수식에서 추가적인 상 인자를 필요로 하는데, 배기 가스의 제 1 부분량에서의 진폭(A1)과 배기 가스의 제 2 부분량에서의 진폭(A2)은 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다:
Figure 112004025957758-pct00004
진폭들(A1 , A2)은 제 2 부분 경로의 제 2 유입 단면적에 대한 제 1 부분 경로의 제 1 유입 단면적의 비에 의해서 조정될 수 있다. 만일 이러한 두 개의 진폭들(A1 , A2)이 정확하게 같다면, 각 주파수(ω)의 파형은 완전히 제거된다. 상쇄 간섭이 존재한다.
그러나 만일 배기 가스의 제 1 부분량에서의 진폭(A1)과 배기 가스의 제 2 부분량에서의 진폭(A2)이 동일하지 않다면, 어떠한 경우에는 음파 및 그와 관련된 고조파가 감쇄된다.
상기 방법의 추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 상쇄 간섭은 하나의 임계 주파수에서 정확하게 형성된다. 이는 예를 들어, 그 자체가 내연기관에 대하여 임계적이거나, 또는 그것이 구동을 위하여 사용되는 자동차에 대하여 임계적인 주파수의 감쇄를 허용한다. 실시예에 따르면, 이는 공진 효과가 발생하는 주파수일 수 있다. 그러한 효과는 일반적으로 바람직하지 않은데, 이는 그들이 소재에 증가된 부하를 나타내기 때문이다.
상기 방법의 추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 배기 가스의 부분량들 사이의 천이 시간 차이는, 두 개 이상의 부분량들이 병합되는 때, 적어도 부분적으로 두 개 이상의 주파수에 대한 상쇄 간섭이 발생하는 방식으로 선택된다. 이는 바람직하게는 다수개의 임계 주파수가 감쇄되도록 할 수 있다.
본 발명의 추가적인 유용성 및 특히 바람직한 구성은 비록 본 발명이 도시되는 실시예에 의해 한정되는 것은 아니지만, 하기에서 도면을 참조하여 더욱 자세하게 설명된다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 벌집형 구조체의 경로 시스템의 개략도를 나타내고;
도 2는 본 발명에 따른 벌집형 구조체의 제 1 실시예의 단면도로부터 발췌한 도면이며;
도 3은 본 발명에 따른 벌집형 구조체의 제 1 실시예를 생성하기 위하여 사용되는 주름진 층을 나타내고;
도 4는 본 발명에 따른 벌집형 구조체의 제 2 실시예의 단면도로부터 발췌한 도면이며;
도 5는 본 발명에 따른 벌집형 구조체의 제 2 실시예를 생성하기 위하여 구조화된 금속 박판 층을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 벌집형 구조체(1)의 일부를 종방향으로 도해적으로 나타낸다. 배기 가스 스트림(3)은 유입면(2)을 통하여 벌집형 구조체(1) 안으로 유동하고, 배출면(4)을 통하여 벌집형 구조체(1)를 떠난다. 상기 벌집형 구조체는 경로의 축방향 길이(L)에 따른 경로에서 단면적이 변하는 다른 두 개의 부분 경로를 포함한다. 제 1 부분 경로는 확장 경로(5)를 포함하고, 이는 유입면(2)에 대향하는, 제 1 유입 단면적(6)과 상기 벌집형 구조체(1)의 상기 출구(4)에 대향하는 더 큰 제 1 배출 단면적(7)을 구비한다. 제 2 부분 경로는 축소 경로(8)를 포함하는데, 이는 유입면(2)에 대향하는 제 2 유입 단면적(9)과, 상기 벌집형 구조체(1)의 배출면(4)에 대향하는 더 작은 제 2 배출 단면적(10)을 구비한다. 이러한 예에서, 한편으로는 상기 제 1 유입 단면적(6)은 상기 제 2 배출 단면적(10)과 대응되고, 다른 한편으로는 상기 제 2 유입 단면적(9)은 상기 제 1 배출 단면적(7)과 대응된다. 따라서, 상기 제 1 유입 단면적(6) 및 상기 제 1 배출 단면적(7)으로부터 형성되는 비는 상기 제 2 유입 단면적(9)과 상기 제 2 배출 단면적(10)으로부터 형성되는 비의 역수이다.
각각의 경우에 경로(5, 8)의 단면적에서의 변화는 정확하게 단조롭다. 두 부분 경로에서 경로의 수는 동일하다. 배기 가스의 제 1 부분량은 제 1 부분 경로를 통과하고, 또 다른 반을 포함하는, 배기 가스의 제 2 부분량은 제 2 부분 경로를 통과한다. 상기 두 부분 경로 하류의 혼합 지역(11)에서, 배기 가스의 두 부분량들이 혼합되고, 배출면(4)을 통하여 벌집형 구조체(1)를 떠난다.
이제, 만일 배기 가스 스트림(3)이 파장(λ), 상 속도(c)의 음파를 가지고 있다면, 일반적으로 상기 벌집형 구조체(1)의 배출면(4)을 통과하여 흐르는 음파의 강도는 벌집형 구조체(1) 안으로 흘러들어오는 강도와 다를 것이다. 두 부분 가스 스트림의 각각의 속도는 경로 단면적에서의 변화의 결과에 따라 변한다. 이러한 고려하에서의 예에 대하여, 주 흐름 방향(z)에서의 가스의 속도(v)와 가스가 흐르는 단면적 사이에는 반비례 관계가 있다. 따라서, 배기 가스의 제 1 부분량은 확장 경로(5)에서 감소되고, 배기 가스의 제 2 부분량은 축소 경로(8)에서 가속된다. 배기 가스의 두 부분량들 각각에서, 속도는 두 개의 부분 경로를 통과하는 동안 연속적으로 변한다. 이러한 경우에, 다음의 식이 배기 가스의 제 1 부분량의 천이 시간(t1)과 배기 가스의 제 2 부분량의 천이 시간(t2 )에 적용되고
Figure 112004025957758-pct00005
이때 각각의 경우에 속도 함수 v(z)는 배기 가스의 두 부분량에 대하여 다르다. 이는 배기 가스의 제 1 부분량이 제 1 부분 경로를 통과하기 위해 시간(t1)이 필요한 반면에 배기 가스의 제 2 부분량이 제 2 부분 경로를 통과하기 위해서는 시간(t2)이 필요하다는 것을 의미한다. 만일 다음의 식이 두 개의 배기 가스의 부분량 사이에서, 두 부분 경로(5, 8)를 통과하는 결과로서 얻어진 천이 시간 차이(t1-t2)에 적용된다면,
Figure 112004025957758-pct00006
여기에서 n은 정수인데, 추가적인 상 인자가 얻어진다. 이때 전체적인 파형 관계식은 다음과 같이 나타나고,
Figure 112004025957758-pct00007
여기에서, ω는 상기 파형의 각 주파수이고, A1 및 A2는 상기 배기 가스의 제 1 및 제 2 부분량에서의 파형의 진폭이다. 만일 상기 배기 가스 스트림(3)이 두 개의 배기 가스의 부분량으로 나누어진다면, 즉, 만일 A1 = A2라면, 상기 파형은 완전히 제거된다. 상기 배기 가스의 제 1 부분량의 진폭(A1) 및 상기 배기 가스의 제 2 부분량의 진폭(A2)이 동일하지 않으면, 파장(λ) 및 관련 고주파를 가진 음파는 어느 정도 감쇄된다. 이러한 사실은 배기 가스 스트림(3)에서, 단지 하나의 파장의 음파만을 감소하기 위해서만이 아니라 오히려 다수개의 파장의 음파를 감쇄시키기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 배기 가스 스트림은 단지 두 개의 부분 경로를 통과하지 않고, 오히려 그 이상의 이와 관련하여 설계되어야 하는 경로 부분을 통과한다.
도 2는 본 발명에 따른 벌집형 구조체(1)의 일 실시예의 유입면(2)의 단면도로부터 보여지는 도면이다. 이러한 벌집형 구조체는 제 1 부분 확장 경로(5) 및 제 2 부분 축소 경로(8)를 구비한다. 각각의 경우에 확장 경로(5)는 제 1의, 더 작은 유입 단면적(6)을 가지고 있으며, 반면에 각각의 경우에 축소 경로(8)는 제 2의, 더 큰 유입 단면적(9)을 가지고 있다. 상기 벌집형 구조체(1)의 축방향 길이(L)를 따르는 단면적에서의 변화는 본 실시예에서 양 부분 경로에서 정확하게 단조롭다. 상기 벌집형 구조체는 대안적인 매끄러운 금속 박편 층(12)과 주름진 금속 박편 층(13)에 의해 구조화된다.
도 3은 주름진 금속 박편 층(13)의 실시예를 도시한다. 이러한 주름진 금속 박편 층(13)의 주름 길이는 종방향 축선의 방향으로 정확하게 단조로운 방식으로 변하고, 그 결과 인접한 매끄러운 금속 박편 층과 함께 주름진 금속 박편 층에 의해 형성되는 경로의 단면적은 종방향 축선의 방향으로 정확하게 단조로운 방식으로 변한다. 인접한 매끄러운 금속 박편 층(12)과의 병합은 한편으로는 제 1 유입 단면적(6)을 구비한 경로를 이루고, 다른 한편으로는 제 2 유입 단면적(9)을 구비한 경로를 이룬다. 만일 매끄러운 금속 박편 층(12)과 결합하는 주름진 금속 박편층이 각각의 경우에, 중심 축선(14)에 대하여 서로와의 관계에서 180°회전되도록 고정된다면, 바람직하게는 확장 경로(5) 및 축소 경로(8)를 갖는 실린더형 벌집형 구조체(1)를 형성하는 것이 가능하다. 확장 경로(5) 및 축소 경로(8)는 층층마다 엇갈리고, 상기 확장 경로(5)의 단면적은 상기 제 1 유입 단면적(6)으로부터 상기 제 1 배출 단면적(7)으로 정확하게 단조로운 방식으로 증가하고, 반면에 축소 경로(8)의 단면적은 제 2 유입 단면적(9)으로부터 제 2 배출 단면적(10)으로 정확하게 단조로운 방식으로 감소한다. 교류 확장 경로(5) 및 축소 경로(8)를 포함하는 이러한 층진 구조 때문에, 이러한 형태의 벌집형 구조체(1)는 바람직하게는 그 종방향 축선에 대하여 어떠한 바람직한 방향도 가지지 않으며, 결과적으로 벌집형 구조체(1)를 고정할 때 설치 방향을 설정하기 위해 고려할 필요가 없다.
도 4는 본 발명에 따른 벌집형 구조체(1)의 제 2 실시예의 개략적인 단면으로부터 발췌한 도면이다. 상기 벌집형 구조체(1)는 실질적으로 매끄러운 금속 박편 층(12)과 구조화된 금속 박편 층(13)으로부터 구조화되고, 제 1 부분 확장 경로(5) 및 축소 경로(8)를 포함하는 제 2 부분 경로를 구비한다. 확장 경로(5)는 제 1 유입 단면적(6a)을 구비하고 있다. 주 유동 방향(z)에서 상기 확장 경로(5)의 확장은 이 방향에서 경로 단면을 증가시킨다. 축소 경로(8)는 제 2 유입 단면적(9)을 구비하고 있다. 이러한 경로 단면은 주 유동 방향(z)으로 감소한다.
도 5는 구조화된 금속 박편 층(13)을 도시하고, 도 4에서 보여지는 벌집형 구조체의 일부를 형성한다. 이러한 구조화된 금속 박편 층(13)은, 두 개의 인접한 골(structure maximums; 16) 사이의 거리로서 규정되는 구조 반복 길이(15)가 주 유동 방향(z)을 따라 연속적으로 변하고, 구조화된 금속 박편 층(13)의 종방향 축선과 동일하다는 사실에 의해서 특징지워진다. 이는 도시되지 않았으나, 인접한 실질적으로 매끄러운 금속 박편 층(12)과 함께 구조화된 금속 박편 층(13)에 의해 두 개의 부분 경로가 형성되도록 한다. 하나의 부분 경로는 축소 경로(8)를 포함하고, 반면에 다른 부분 경로는 확장 경로(5)를 포함한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 구조화된 금속 박편 층(13)의 적합한 구성이 주어짐으로써, 하나 이상의 주파수의 음파의 감쇄를 이끈다.
본 발명은 단순한 방법으로 추가적인 특징으로서 소음 억제를 위해 배기 시스템 안에 존재하는 벌집형 구조체를 사용하는 것을 가능하도록 만든다.
참조 번호 리스트
1 벌집형 구조체
2 유입면
3 배기 가스 스트림
4 배출면
5 확장 경로
6 제 1 유입 단면적
7 제 1 배출 단면적
8 축소 경로
9 제 2 유입 단면적
10 제 2 배출 단면적
11 혼합 지역
12 매끄러운 금속 박편 층
13 주름진 금속 박편 층
14 중심 축선
15 구조 반복 길이
16 골
A1 제 1 부분 가스 스트림의 음파의 진폭
A2 제 2 부분 가스 스트림의 음파의 진폭
c 상 속도
L 축방향 길이
λ파장
n 자연수
ω음파의 각 주파수
t1 제 1 부분 경로를 통과하는 천이 시간
t2 제 2 부분 경로를 통과하는 천이 시간
v 속도
z 주 유동 방향

Claims (18)

  1. 배기 가스가 유동할 수 있으며 서로 분리된 경로(5, 8)를 구비하고, 축방향 길이(L)를 갖는, 내연 기관의 배기 시스템용 벌집형 구조체(1)에 있어서,
    상기 벌집형 구조체(1)는 제 1 부분 경로(5) 및 제 2 부분 경로(8)를 구비하고, 상기 두 부분 경로(5, 8) 중 하나의 단면적(6, 7, 9, 10)은 상기 벌집형 구조체의 축방향 길이(L)에 걸쳐 변하고, 이에 따라 다른 부분 경로(5, 8)에서 배기 가스(3)의 천이 시간(transient time)이 다른 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템용 벌집형 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부분 경로(5)는 각각의 경우에 제 1 유입 단면적(6)과 제 1 배출 단면적(7)을 구비하고, 상기 제 2 부분 경로(8)는 각각의 경우에 제 2 유입 단면적(9)과 제 2 배출 단면적(10)을 구비하고, 상기 제 1 배출 단면적(7)에 대한 상기 제 1 유입 단면적(6)의 비는 상기 제 2 배출 단면적(10)에 대한 상기 제 2 유입 단면적(9)의 비와 다른 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템용 벌집형 구조체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    하나 이상의 상기 부분 경로(5, 8)의 단면적이 주 유동 방향(z)으로 증가하고 하나 이상의 다른 부분 경로(5, 8)의 단면적이 상기 주 유동 방향(z)으로 감소하거나, 하나 이상의 상기 부분 경로(5, 8)의 단면적이 주 유동 방향(z)으로 증가하거나 하나 이상의 다른 부분 경로(5, 8)의 단면적이 상기 주 유동 방향(z)으로 감소하는 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템용 벌집형 구조체.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    하나 이상의 상기 부분 경로(5, 8)가 원뿔형으로 확장되고 하나 이상의 다른 부분 경로가 원뿔형으로 좁아지거나, 하나 이상의 상기 부분 경로(5, 8)가 원뿔형으로 확장되거나 하나 이상의 다른 부분 경로가 원뿔형으로 좁아지는 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템용 벌집형 구조체.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 축방향 길이(L)에 따른 단면적의 적분값이 상이한 부분 경로에 대하여 서로 다른 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템용 벌집형 구조체.
  6. 배기 가스(3)가 유동할 수 있는 경로(5, 8) 및 축방향 길이(L)를 갖는 하나 이상의 벌집형 구조체(1)를 포함하는, 내연 기관의 배기 시스템에 있어서,
    상기 배기 가스의 제 1 부분량을 위한 유동로가 제 1 부분 경로(5)에 의해서 형성되고, 상기 배기 가스의 제 2 부분량을 위한 유동로가 제 2 부분 경로(8)에 의해서 형성되고, 상기 두 부분 경로(5, 8) 중 하나 이상의 단면적(6, 7, 9, 10)이 상기 벌집형 구조체(1)의 축방향 길이(L)에 따라 변화하고, 이에 따라 다른 부분 경로(5, 8)에서 배기 가스(3)의 천이 시간이 다른 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 부분 경로(5)는 각각의 경우에 제 1 유입 단면적(6)과 제 1 배출 단면적(7)을 구비하고, 상기 제 2 부분 경로(8)는 각각의 경우에 제 2 유입 단면적(9) 및 제 2 배출 단면적(10)을 구비하고, 상기 제 1 배출 단면적(7)에 대한 상기 제 1 유입 단면적(6)의 비는 상기 제 2 배출 단면적(10)에 대한 상기 제 2 유입 단면적(9)의 비와 다른 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    하나 이상의 상기 부분 경로(5, 8)의 단면적이 주 유동 방향(z)으로 증가하고 하나 이상의 다른 부분 경로(5, 8)의 단면적이 상기 주 유동 방향(z)으로 감소하거나, 하나 이상의 상기 부분 경로(5, 8)의 단면적이 주 유동 방향(z)으로 증가하거나 하나 이상의 다른 부분 경로(5, 8)의 단면적이 상기 주 유동 방향(z)으로 감소하는 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 벌집형 구조체(1)의 하나 이상의 부분 경로(5, 8)가 원뿔형으로 확장되고 하나 이상의 다른 부분 경로(5, 8)가 원뿔형으로 좁아지거나, 상기 하나 이상의 벌집형 구조체(1)의 하나 이상의 부분 경로(5, 8)가 원뿔형으로 확장되거나 하나 이상의 다른 부분 경로(5, 8)가 원뿔형으로 좁아지는 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템.
  10. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    서로 다른 부분 경로에 대하여 상기 축방향 길이(L)에 따른 단면적의 적분값이 서로 다른 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템.
  11. 배기 가스(3)가 유동할 수 있는 경로(5, 8) 및 축방향 길이(L)를 갖는 하나 이상의 벌집형 구조체(1)를 포함하는, 내연 기관의 배기 시스템에서 소음을 감소하기 위한 방법에 있어서,
    상기 배기 가스의 제 1 부분량은 제 1 부분 경로(5)를 통과하고, 상기 배기 가스의 제 2 부분량은 제 2 부분 경로(8)를 통과하고, 상기 두 부분 경로(5, 8) 중 하나 이상의 단면적(6, 7, 9, 10)은 상기 벌집형 구조체(1)의 축방향 길이(L)에 걸쳐 변하고, 그 결과 상이한 부분 경로(5, 8)에서 배기 가스(3)의 천이 시간 차이가 발생하고, 상기 배기 가스의 부분량이 상기 하나 이상의 벌집형 구조체(1)의 하류에서 다시 병합되는 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템에서 소음을 감소하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 부분 경로(5)는 각각의 경우에 제 1 유입 단면적(6) 및 제 1 배출 단면적(7)을 구비하고, 상기 제 2 부분 경로(8)는 각각의 경우에 제 2 유입 단면적(9) 및 제 2 배출 단면적(10)을 구비하고, 상기 제 1 배출 단면적(7)에 대한 상기 제 1 유입 단면적(6)의 비는 상기 제 2 배출 단면적(10)에 대한 상기 제 2 유입 단면적(9)의 비와 상이한 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템에서 소음을 감소하기 위한 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서
    하나 이상의 상기 부분 경로(5, 8)의 단면적이 주 유동 방향(z)으로 증가하고 하나 이상의 다른 부분 경로(5, 8)의 단면적이 상기 주 유동 방향(z)으로 감소하거나, 하나 이상의 상기 부분 경로(5, 8)의 단면적이 주 유동 방향(z)으로 증가하거나 하나 이상의 다른 부분 경로(5, 8)의 단면적이 상기 주 유동 방향(z)으로 감소하는 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템에서 소음을 감소하기 위한 방법.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 배기 가스는, 원뿔형으로 확장하는 하나 이상의 부분 경로(5, 8) 및 원뿔형으로 좁아지는 하나 이상의 다른 부분 경로(5, 8) 중 하나 또는 그보다 많은 부분 경로를 구비한 상기 하나 이상의 벌집형 구조체(1)를 통과하여 유동하는 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템에서 소음을 감소하기 위한 방법.
  15. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    서로 다른 부분 경로에 대하여 상기 축방향 길이에 따른 단면적의 적분값이 서로 다른 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템에서 소음을 감소하기 위한 방법.
  16. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 배기 가스의 부분량의 천이 시간의 차이는, 둘 이상의 상기 두 부분량이 병합될 때 하나 이상의 주파수에 대한 상쇄 간섭이 부분적으로 또는 전체적으로 나타나도록 선택되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관의 배기 시스템에서 소음을 감소하기 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 상쇄 간섭은 임계 주파수에 대하여 발생하는 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템에서 소음을 감소하기 위한 방법.
  18. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 배기 가스의 부분량의 천이 시간 차이는, 둘 이상의 상기 부분량이 병합될 때 둘 이상의 주파수에 대한 상쇄 간섭이 부분적으로 또는 전체적으로 나타나도록 선택되는 것을 특징으로 하는
    내연 기관의 배기 시스템에서 소음을 감소하기 위한 방법.
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