KR20050022360A - 머플러 - Google Patents

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KR20050022360A
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건터 쿠티나츠
헤인쯔-유젠 펠드
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에이비비 터보 시스템즈 아게
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Abstract

공명기 머플러(3)는 완전하게 또는 부분적으로 유동 덕트(6)를 감싸는 챔버들을 포함한다. 상기 챔버들은 덮개 판(31)에 의하여 유동 덕트에 대하여 완전하게 덮여진다. 상기 덮개 판은 상기 유동 덕트의 원주를 따라서 배열된 복수 개의 슬롯(33)들을 가진다.
천공-판 배열을 가지는 머플러와 비교하여, 특별한 오리피스의 기하학적 구조에 의하여, 높은 유동 속도를 가지는 경우에까지도, 음향 동작의 여유가 있게 된다.

Description

머플러{Muffler}
본 발명은 내연 기관용 배기 가스 터보차져(turbocharger)에 관한 것이다.
본 발명의 청구항 제1항의 전제부에 따른 공명기 머플러에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 상응하는 공명기 머플러를 가지는 내연기관에 관한 것이다.
컴프레서는 내연 기관용 배기 가스 터보차져의 소음 방출에 대해 민감하다(critical). 특히, 고 소음 레벨이 컴프레서의 전달-측면 출구에 있는 공기-운반 라인 안으로 안내되는데, 현재까지는 이러한 소음 레벨을 감쇠하기 위한 만족할만한 해결책이 없다.
상기 유동 덕트 내에 배열된 흡수재는, 압축 공기의 높은 유동 속도 때문에, 상기 흡수재 물질이 천공-판 덮개를 통하여 밖으로 날리게되는 문제점을 나타낸다. 통상적으로 뒤따르게 되는 냉각기 안에서 적층되는 상기 물질에 의해, 냉각기는 막히게될 수 있다. 또한, 광물을 주성분으로 하여 제조된 섬유 물질은 내연 기관의 뒤따르는 엔진 부품들에 있어서 바람직하지 못하다.
헬름홀츠(Helmholtz) 공명기의 이론에 근거한 머플러는 하나 이상의 챔버들로 구성되는데, 상기 챔버는 그 안으로 안내되는 오리피스를 가지는 판에 의해 덮힌다. 상기 챔버 내의 공기는 진동하는 공기 질량이 상기 오리피스에 접속하도록 스프링 형태로 작용한다. 그러나, 상기 머플러를 지나서 유도된 압축 공기의 높은 유동 속도는 상기 진동하는 공기 질량의 상당 부분이 전단으로 잘려지게 되는 결과를 초래한다. 이는 설계 주파수의 오-조정 및 감쇠 동작의 완화의 원인이 된다. 종래의 공명기 머플러는 결과적으로 매체가 100 m/s 대를 지나서 유동함에 따라서 충분히 효과적이지 못했다.
예를 들어, JP 10-318194에 개시된 바와 같은, 유동 덕트 내에 배열된 종래의 공명기는, 그에 따라 높은 유동 속도에 따라 원하는 효과를 달성할 수 없었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 목적은 높은 유동 속도에서도 양호한 감쇠 동작을 나타내는, 처음에 언급한 타입의 머플러를 제공하는 것이다
이러한 목적은, 본 발명에 따라서, 특허청구범위 제1항의 특징에 의해 달성된다.
공명기 머플러는 원주의 유동 덕트 또는 부품을 둘러싸는 적어도 하나 이상의 챔버를 가진다. 상기 챔버는 덮개 판에 의하여 상기 유동 덕트에 비하여 완전하게 덮히는데, 상기 덮개 판은 하나 이상의 오리피스를 가진다. 본 발명에 따르면, 상기 덮개 판의 오리피스는 본질적으로 유동 방향으로 배향된 슬롯으로서 설계된다.
상기 슬롯의 길이 때문에, 상기 슬롯의 전체 길이에 대하여 자신의 이동의 가능성을 제한하기 위하여, 상기 유동이, 동시에 또는 동기화되어 상기 전체 길이에 대하여 상기 오리피스에 접속한 진동하는 공기 질량을 전단으로 절단하는 것은 불가능하다. 본 발명에 따르는 머플러의 감쇠 동작은 그에 따라 높은 유동 속도의 경우에까지도 크게 유지된다.
최적 감쇠 동작을 달성하기 위하여, 챔버의, 유동 덕트를 향하여 지향된, 전체 면적에 대한 오리피스 면적의 합계의 선택된 비율은 4% 및 25% 사이이고, 특히 6% 및 14% 사이이다. 상기 동작은 너무 낮거나 너무 높은 비율의 경우에는 감소한다.
유동 방향에 있는 상기 슬롯의 선택된 길이는 상기 슬롯의 너비 보다 실질적으로 큰 것이 이롭다. 덮개 판에 형성되는 상이한 길이의 슬롯에 의해, 머플러의 효율성은 추가적으로 개선될 수 있다.
서로에 대하여 분리된 복수의 챔버들이 상기 유동 덕트를 따라서 배열되면, 감쇠 동작은 더 넓은 주파수 범위에 대하여 조화될 수 있다. 이를 위하여, 상기 슬롯의 수, 길이 및 오리피스 면적의 전체 합계는 대응되게 변한다.
높은 유동 속도에서도 효과적인, 본 발명에 따른 머플러는 터보차져의 컴프레서 소음을 감쇠하기 위하여 사용되는 이점이 있다. 상당한 소음치 및 상기 높은 유동 속도가 발생하는, 특히 충전-공기 출구의 구역에 있어서, 뒤따르는 공기-운반 부품들의 소음 방출에 있어 원하는 감소에 상당히 기여하는 것은 결과적으로 달성될 수 있다.
본 발명의 머플러의 설치를 위하여, 컴프레서 출구 소용돌이선과 엔진 부품들 사이를 연결하는 보정기가 특히 적절하다. 본질적인 설치 위치로서 보정기의 선택은 또한 이미 시판된 또는 운행 가능한 내연 기관의 대체품으로서의 가능성이 될 수 있다.
상기 머플러를 소용돌이선 컴프레서 하우징의 출구 안으로 직접 설치하는 것은 유사하게 이점이 있다. 소음 원천 및 다소 더 좁은 유동 덕트에 근접한 위치 때문에, 공명기의 동작은 추가적으로 개선될 수 있다.
본 발명에 따르는 머플러의 설치의 예시적인 실시예 및 상기 머플러의 구성의 예시적인 실시예는 도면들을 참고하여 개략적으로 도시되고 보다 상세하게 설명된다. 모든 도면에서 동일하게 동작하는 부품들은 동일한 참조 심볼이 부여된다.
도 1은 연결된 터보차져를 가지는 내연 기관의 개략적인 부분도를 도시한다. 예를 들어, 내연 기관은, 예를 들어, 선박 또는 고정 전류 발전 플랜트에서 사용되는 것과 같은, 대형 디젤 엔진이다. 터보차쳐는, 순차적으로 컴프레서 출구(11) 및 연결 라인(4)을 통해서 내연 기관의 충전-공기 냉각기(5)까지 공급되게 하기 위하여, 공기가 흡입되어 압축되는 컴프레서(1)를 포함한다. 이 경우에 압축된 공기는 유동 덕트(6)를 통하여 화살표 방향으로 흐르는데, 상기 유동 덕트(6)는, 내연 기관 상에 터보차져의 배열에 따라서, 더 짧아지거나 길어질 수 있을 것이고 하나 이상의 관형 중간 부품을 포함할 수 있을 것이다. 이러한 중간 부품들 중 하나는 개략적으로 도시된 보정기 부품(2)이다.
도 2에서, 확대되어, 도시된, 보정기 부품은 탄성 판으로 형성되고 두개의 결착 플랜지(22 및 23) 사이에 배열되는 보정 요소(21)를 포함한다. 상기 보정기 부품은 도 2의 우반부에 도시된 바와 같은, 탄성 보정 영역 때문에 길이 상으로 연장할 수 있다. 터보차져 및 내연 기관 사이의 간격 변화는 그에 따라서 보정된다. 상기 결착 플랜지(22 및 23)는, 나사(7), 또는 외부 유동 연결 부품(11) 및 냉각기(5)의 연결 라인(4)의 상응하는 플랜지에 대한 다른 결착 수단에 의해 연결된다.
본 발명에 따르면, 상기 머플러(3)는 상기 보정기의 안쪽에 배열된다. 이는 유동 덕트(6)로부터 공명기 챔버(32)를 분리시키는 덮개 판(31) 내의 슬롯-형상 오리피스(33)를 가지는 공명기 머플러이다. 도시된 실시예에 있어서, 상기 머플러는 유동 방향으로 연속해서 배열된 세 개의 공명기 챔버를 포함하는데, 각각은 상이한 갯수의 슬롯을 가진다. 상기 챔버들은 분리된 덮개 판들에 의해 또는 다르게는 하나 이상의 공통 덮개 판에 의해 덮힐 수 있다. 도시된 실시예에서, 예를 들어, 상부 챔버는 특정한 판으로 덮히는 반면에, 두개의 하부 챔버들은 하나의 공통 덮개 판 아래에 놓인다.
또한 원주를 따라서 서로의 옆에 배열될 수 있을, 개별 챔버들은 벽 부분(35)에 의해 세분화된다. 상기 챔버들은 후방 벽 부분(34)에 의해 외측에서 방사상으로 한계가 정해진다. 원주 상에 배열된 챔버들의 경우에 있어서, 이러한 챔버들은 축에 대하여 평행하게 삽입된 상응하는 벽 부분에 의해 서로로부터 분리된다.
상기 슬롯들은 본질적으로 유동 방향으로 지향되고 너비(b) 보다 적어도 3배 더 큰 길이(l)를 가진다. 상기 유동은 일 방향으로 균일하게 흐르지 않기 때문에, 유동 프로파일에 보다 가깝게 일치하기 위하여, 개별 슬롯들은 또한 서로에 대하여 작은 각도로 배열될 수 있을 것이다. 상기 슬롯들은 상기 유동 프로파일에 따라서, 또한 곡선형 디자인일 수 있을 것이다. 상기 슬롯들의 깊이(t)는, 예를 들어, 덮개 판의 두께 방향으로 만들어질 수 있다. 챔버 당 슬롯의 갯수 및 나아가 상기 챔버들의 크기뿐만 아니라, 모든 세 가지 양(슬롯의 길이, 너비 및 깊이)은 상기 머플러의 감쇠 용량에 직접적인 영향을 끼친다.
상기 머플러(3)는 지지물에 장착되지 않는 유닛으로 디자인된다. 단부-면 벽(36)은, 상기 머플러를 상기 보정기 부품에 결착하기 위하여, 상기 결착 플랜지(22)내의 대응하는 리세스 안에 맞추어지는 계단부(step)를 가지고 있다. 그에 따라, 장착 중에는, 상기 머플러(3)를 먼저, 그리고 상기 보정기 부품(2)이 조립된다. 결과적으로, 상기 머플러와 조립된 상기 보정기 부품은 보정기 출구 및 엔진-측 공기 라인 사이에 삽입되고, 제공된 결착 플랜지에 양 측면에서 견고하게 나사 조립된다. 동시에, 컴프레서 출구의 측면 상에서, 단부 벽 부분(36)은 결착 플랜지(22)와 컴프레서 출구(11)의 플랜지 사이에 견고하게 죄어진다. 상기 머플러는 또한 대안적으로 냉각기에 대한 연결라인(4)의 측면 상에서 대응하여 견고하게 죄어질 수 있다.
상기 머플러는 상기 유동 방향에 있고 및/또는 그에 반대되는 방향에 있는 공급 및 방출 라인 안으로 무 부하의 보정기 부품을 넘어서 길이 상으로 돌출할 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 상기 머플러가 컴프레서 외부유동 구역 내에서 어떻게 배열될 수 있는지에 대한 두 번째 가능성을 보여준다. 상기 머플러는 소용돌이형 컴프레서 하우징의 구성요소로서, 특히 출구 또는 외부 유동 연결 부품(11)이라 알려진 것 내의 상기 소용돌이형 컴프레서 하우징의 출구에서 배열된다. 상기 머플러(3)가 바로 상기 소용돌이형 출구에서의 구역에 배열됨에 따라서, 소리 감쇠가 다소 개선될 수 있다. 이 구역에서의, 소리는, 컴프레서 출구의 방향에서는 퍼질 수 없고, 감쇠되지 않을 수 없으나, 상기 머플러에 의해 감쇠되는 많은 성분을 내포하고 있다. 출구 연결 부품 내에서 유동 덕트의 다소 작은 직경은 유사하게 다소 더 높은 감쇠를 보장한다. 이러한 머플러에서, 주로 다양한 차원(상기 슬롯들의 갯수, 길이, 너비, 깊이, 형상 및 배열)을 가지는 복수의 공명기 챔버(32)의 조합 때문에, 기본적으로 좁은 대역 동작을 가지는 공명기의 유효 대역폭은 더 넓어질 수 있고 그에 따라 2 이상의 주파수 범위에서의 동작이 달성될 수 있다. 외부 유동 연결 부품내의 상기 머플러는 또한 장착 중에 하우징 내에서 상응하는 리세스 안으로 삽입되는 별도의 삽입물로 제조될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른, 본질적으로 유동 방향으로 지향된 슬롯들을 가지는 머플러는 컴프레서 외부 유동 구역의 영역에 대하여 특히 적합하지만, 상기 머플러는 또한 유동 덕트의 다른 구역, 예를 들어 컴프레서의 흡기 구역에서 또는 다른 터빈 측면 상에서 사용될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 공명기 머플러의 기능은 아래서 설명된다. 원형 오리피스를 가진 종래의 헬름홀쯔 공명기에 있어서, 오리피스의 질량은 질량/스프링 시스템의 질량에 근사적으로 대응되고, 상기 챔버에서의 공기 체적은 상기 시스템의 스프링에 근사적으로 대응된다. 상기 챔버 체적은 덮개 판에 의해 유동으로부터 분리된다. 높은 속도를 가진 유동이 오리피스를 통과할 때, 진동하는 공기 플러그(plug)의 일부는 상기 유동에 의해 전단으로 절단된다. 상기 진동하는 공기 플러그는 좀더 작아지게 되고, 그에 따라 주파수 편이의 원인이 된다. 나아가, 상기 플러그의 방사상 이동성은, 감소된 감쇠 동작이 추가적으로 발생하는 방식으로, 지나가는 공기 브러싱(brushing)에 이해 방해를 받는다.
본 발명에 따른 머플러에 있어서, 이러한 효과는 신장된 슬롯 오리피스의 사용 때문에 상당히 감소된다. 상기 슬롯의 길이에 때문에, 상기 유동이, 전체 길이에 대하여 자신의 이동성을 제한하기 위하여, 동시에 또는 동기화되어서 전체 길이에 대하여 질량 플러그를 전단 방향으로 절단하는 것은 불가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 머플러는 높은 유동 속도에서도 양호한 감쇠 동작을 나타내는 등의 개선된 효과가 있다.
도 1은 터보차져 및 집적된 공명기 머플러를 가지는 보정기 부품을 가지는 내연 기관 사이의 충천-공기 측면 상에 설치의 개략적인 예시도를 도시하고,
도 2는 도 1에 따른 집적된 공명기 머플러 및 보정기 부품을 통한 유동 방향에서의 단면도를 도시하는데, 상기 보정기는 본 도면의 좌측 절반에서 정상적인 상태로 도시되고 우측 절반에서는 약간 늘여진 상태로 도시되며, 또한
도 3은 소용돌이형 출구에서 집적된 공명기 머플러를 가지는 소용돌이형 컴프레서 하우징을 부분 단면도를 도시한다.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 컴프레서 2: 보정기 부품
3: 머플러 4: 냉각기에 대한 연결 라인
5: 냉각기 6: 유동 덕트, 유동
7: 결착 수단, 나사
11: 컴프레서 출구, 외부 유동 연결 부품
21: 보정 부품 22,23: 결착 플랜지
31: 덮개 판 32: 공명기 챔버
33: 슬롯 오리피스 34: 챔버 후방 벽
35: 챔버 세분화 부품 36: 머플러 단부 벽
b: 슬롯 오리피스 너비 l: 슬롯 오리피스 길이
t: 슬롯 오리피스 깊이

Claims (11)

  1. 적어도 부분적으로 유동 덕트(6)를 감싸는 적어도 하나의 챔버(32)를 가지는 공명기 머플러(3)로서,
    상기 적어도 하나의 챔버는 덮개 판(31)에 의해 상기 유동 덕트에 대하여 완전하게 덮히고, 상기 덮개 판은 상기 유동 덕트의 원주를 따라서 배열된 하나 이상의 오리피스(33)를 가지는, 공명기 머플러(3)에 있어서,
    상기 덮개 판의 오리피스는 슬롯으로 구성되며, 상기 슬롯은 본질적으로 유동 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는, 공명기 머플러.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유동 덕트를 향하는, 상기 개별 챔버의 전체 면적(31)에 대한 오리피스 면적(33)의 합계의 비율은 4% 및 25% 사이, 특히 6% 및 14% 사이에 놓이는 것을 특징으로 하는, 공명기 머플러.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 슬롯(33)의 너비(b)에 대한 상기 슬롯 길이(l)의 비는 3보다 큰 것을 특징으로 하는, 공명기 머플러.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 슬롯(33)은 적어도 부분적으로는 상이한 길이를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 공명기 머플러.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 머플러는 유동 방향에서 또는 원주 상에서 연속해서 배열된 복수의 챔버(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공명기 머플러.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 챔버들은 각각 분리된 덮개 판에 의해 덮히는 것을 특징으로 하는, 공명기 머플러.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 복수의 챔버(32)의 덮개는 각 경우에 있어서 챔버 당 상이한 갯수의 슬롯(33)을 가지는 것을 특징으로 하는, 공명기 머플러.
  8. 적어도 하나의 배기 가스 터보차져를 가지는 내연 기관으로서,
    상기 배기 가스 터보차져의 영역 안의 적어도 하나의 보정기 부품(2)은 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 공명기 머플러(3)를 포함하는, 내연 기관.
  9. 청구항 제 8 항에 있어서, 상기 보정기 부품(2)은 컴프레서 출구(11)의 구역에 제공되고, 상기 머플러(3)는 상기 보정기 부품의 구성요소로서 설계되고 대체로 장착할 수 있는 것을 특징으로 하는, 내연 기관.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 보정기 부품(2)은 상기 컴프레서 출구에 있는 유출 연결 부품(11)과 충전-공기 냉각기(5) 안으로 유출하는 연결 라인(4) 사이에 배열되고, 상기 머플러(3)는 상기 머플러가 상기 연결 라인 및/또는 상기 외부 유동 부품 안으로 돌출하는 방식으로 적어도 일 측면 상에서 상기 유동 방향에 일치 및/또는 반대되는 방향으로 상기 보정기를 넘어서 돌출하는 것을 특징으로 하는, 내연기관.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 배기 가스 터보차져는 기체 매체를 압축하기 위한 컴프레서(1)를 포함하는데, 상기 컴프레서는 가스 입구 측 상의 오리피스와 가스 출구 측 상의 오리피스를 가지는 컴프레서 하우징을 포함하고, 상기 가스 출구 측 상의 상기 오리피스는 유동-운반 부품을 결착하기 위한 외부 유동 연결 부품(11)을 포함하고, 또한 상기 공명기 머플러(3)는 상기 컴프레서 출구의 외부 유동 연결 부품 내에 배열되는 것을 특징으로 하는, 내연기관.
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