소음기 document_id A220623019281

본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 유동 가스(flowing gas), 특히 맥동(pulsation)하며 흐르는 내연기관(internal combustion engine)의 배출 가스(waste gas)용 소음기(muffler)에 관한 것이다. 소음기를 구비하는 배출기(exhauster)와 결합되는 내연기관이 각각 그 내부에서 밀어 움직일 수 있는 피스톤(piston)을 갖는 하나 이상의 실린더(cylinder)를 구비하는 경우, 실린더 및 피스톤이 완전히 작동할 때마다 해당 실린더 내지 각각의 실린더가 배출 가스를 내뿜는다. 그래서 배출기에서 배출 가스의 압력(pressure)은 이러한 간헐적인 배출 가스 공급의 결과로 변동(fluctuation)된다. 이러한 변동은 엔진 속도(engine speed)가 일정할 때 규칙적 및 주기적이고, 음향적 압력 변동(acoustic pressure fluctuation)이라고도 지칭된다. 이러한 음향적 압력 변동의 진동수(frequency)는 엔진의 회전 속도(rotational speed) 및 배출기와 결합되는 실린더의 수에 비례한다. 또한 엔진의 회전 속도 및 출력된 동력(output power)의 변화는, 음향적 압력 변동의 온전한 한 주기 또는 여러 주기를 통한 평균 유량(mean flow rate)의 변화를 야기한다. 유량의 이러한 변화는 그 자체로 배출 가스의 압력 변화를 야기하거나, 이러한 압력 변화와 연관된다. 이러한 압력 변화는 주기적이지 않고, 일반적으로는 주기적인 음향적 압력 변동보다 다소 느리다. 소음기는 특히 자동차 또는 경우에 따라서는 다른 모터 차량(motor vehicle)의 내연기관용 배출기의 일부로 사용하기 위해 구비되고, 밸브 수단들로 부분적으로 또는 완전히 차단 가능한 연결 통로(connecting passage)를 갖는다. 밸브 수단들은 연결 통로 내부 및/또는 측면에 배열되는 밸브 시트(valve seat) 및 조정 가능한 차단 부재(blocking element)를 구비한다. 연결 통로를 때때로, 적어도 부분적으로 차단함으로써 소음기의 감쇠 특성들이 달라질 수 있어서, 배출 가스의 유량에 적응이 가능하다. 밸브 수단이 조정 수단(adjusting means)을 구비하거나 구비함과 동시에 조정 수단과 연결됨으로써 차단 부재를, 소음기에 공급되는 가스의 유량 및/또는 특정한 위치에 존재하며 유량과 연관되는 압력 내지 가스의 압력 차이에 따라 자동으로 조정할 수 있다. 이때, 이러한 압력 내지 압력 차이는 유량에 좌우된다. 배출 가스에 의해 자동으로 작동 가능한 밸브 수단을 구비하는 이러한 소음기는 또한 반-활성 소음기(semi-active muffler)라고도 지칭된다. 독일 실용신안 DE 89 08 244 U에 기재된 소음기는 하나의 입구관(inlet pipe) 및 두 개의 출구관(outlet pipe)을 갖고 있으며, 두 개의 출구관 중 하나는 밸브 시트를 구비한다. 밸브 시트는 출구관의 소기구(scavenging port)로부터 흐름 방향(direction of flow)을 따라서 원추형으로 확장되도록 출구관을 연장하여 형성된다. 밸브 수단은 하우징(housing) 내부에 배열되는 파형관(corrugated pipe)을 구비하고, 파형관의 한쪽 단부는 차단 가능한 출구관과 움직이지 않게 결합된다. 파형관의 다른쪽 단부는 밀어 움직일 수 있게 유도되는 생크에 의해, 밸브 시트를 차단하기 위한 차단 부재로 기능하는 밸브 디스크(valve disk)와 연결된다. 파형관은 양쪽 단부가 닫혀 있으며, 내부(interior)를 포함한다. 내부는 제어 라인(control line)에 의해 입구관의 연결 통로와 연결된다. 파형관은 약간의 탄성(elasticity)을 가져서 또한 스프링 수단(spring means)을 형성한다. 배출 가스가 소음기 내부로 전혀 흘러들지 않거나 극히 미미하게 흘러든다면, 밸브 디스크는 파형관의 탄성에 의해 파형관 및 밸브 시트를 향해 끌어당겨지고 밸브 시트에 압착된다. 배출 가스의 유량이 늘어남에 따라 입구관 및 파형관에서 배출 가스의 압력이 올라간다. 그 결과 파형관은 길이가 길어지고 밸브 디스크가 원추형 밸브 시트에서 분리되는 것은 물론, 밸브 디스크를 출구관의 연장부(extension) 내부로 계속 밀어넣는다. 파형관에서 배출 가스 압력이 특정한 압력 한계치를 넘어선다면, 차단 가능한 출구관의 연결 통로는 배출 가스 압력이 늘어날수록 점차적으로 더 열리다가 마침내 밸브 디스크가 최종 위치(end position)에 도달된다. 밸브 디스크가 밸브 시트로부터 분리되어 졌을 때, 소음기의 내부로부터 나오는 배출 가스는 밸브 디스크에 대해 차단 가능한 출구관의 소기구를 통해 흐르고, 밸브 디스크를 통해 방향을 변환하고 이어서 출구관의 내부면 및 밸브 디스크 사이의 링 갭(ring gap)을 지나 흐른다. 그 다음 배출 가스는 출구관의 세로 방향에서 계속 출구관을 통해 흐른다. 독일 실용신안 DE 89 08 244 U에서 파형관에 대해서는 상세히 기술되지 않았다. 그러나 잘 알려져 있는 파형관들은 통상 얇은 박강판(sheet steel)으로 이루어지고 약간 탄성을 갖는 변형 가능한 케이스(case)를 갖는다. 독일 실용신안 DE 89 08 244 U에 기재된 소음기의 경우, 특히 예컨대 600℃까지의 온도를 갖고 또한 부식성(corrosive)인 뜨거운 배출 가스에 의해 파형관이 부하를 심하게 받으므로 비교적 빨리 피로하고 수명이 짧아지는 단점이 있다. 뿐만 아니라 매연 입자(soot particle)와 같은 단단한 불순물(impurity)이 파형관 내부에 모여 파형관의 작동에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 또한 상온 시동(cold start) 때 응축수(condensation water)가 파형관에 모일 수 있어서 부식(corrosion)이 더욱 심해질 수 있다. 뿐만 아니라 파형관은 밸브 디스크의 비교적 작은 허브(hub)만을 허용한다. 독일 실용신안 DE 89 08 244 U에 기재된 소음기의 밸브 디스크는 차단 가능한 출구관을 열 때, 출구관을 통해 흐르는 배출 가스의 일반적인 흐름 방향에서 보면 밸브 시트의 지지면(supporting surface)으로부터 멀리 밀려난다. 따라서 배출 가스는 출구관으로 흘러 들어갈 때, 밸브 디스크에 의해 방향을 변환할 때, 그리고 소위 링 갭을 관류할 때 큰 유속(flow velocity)을 갖는다. 그 결과, 배출 가스가 밸브 디스크의 주위를 흐를 때 심한 유동 노이즈(flow noise)가 만들어진다는 단점이 생긴다. 이로써 차단 가능한 연결 통로를 부분적으로 개방한 후 유량이 클 때, 소음기의 소음(silencing) 상태는 더욱 나빠진다. 이것은 특히 배출 가스 압력이 파형관에서 소위 압력 한계치보다 약간 클 뿐이고, 밸브 디스크가 중간 위치에 남아있을 때의 경우이다. 중간 위치에서는 배출 가스에 의해 만들어진 압력이 파형관에 의해 만들어진 탄성과 균형을 이루고, 출구관의 내부면 및 밸브 디스크 사이에 존재하는 링 갭이 좁을 뿐이다. 설령 배출 가스 유량이 대단히 클 때 밸브 디스크가 최종 위치로까지 밸브 시트에서 밀려났을지라도, 배출 가스는 여전히 밸브 디스크 주위를 흘러야 한다. 이때 파형관은 앞에서 언급된 바와 같이 밸브 디스크의 작은 스트로크(stroke)만 가능하게 하므로, 밸브 디스크가 이에 따라 밸브 시트로부터 멀리 밀려날 수 없다는 점도 유념해야 한다. 뿐만 아니라 상기에서 기술된 바와 같이 배출 가스가 출구관에서 밸브 디스크 주위를 흐르면, 밸브 디스크가 흐름 저항(flow resistance)을 높이고, 소음기 및 배출기에 의해 야기되는 배압(back pressure)을 높인다는 단점이 있다. 독일 실용신안 DE 89 08 244 U에 기재된 소음기의 경우, 파형관에 의해 만들어지는 힘(force)은 주기적으로 배출 가스를 뿜어내는 것에 따라 변화된다. 회전 속도가 일정할 때 주기적인 이러한 힘의 변화는 밸브의 주기적인 열림과 닫힘 및 채터링 노이즈(chattering noise)를 야기할 수 있다. 이것은 더욱이 파형관 내부로 통하는 제어 라인의 소기구가, 배출 가스를 소음기의 하우징으로 유도하는 입구관의 케이스 내에 놓여있기 때문에 발생하는 경우이다. 제어 라인에 의해 파형관 내로 유도되는 배출 가스의 압력은 따라서 정압(static pressure)과 똑같고, 그래서 입구관을 통해 흐르는 배출 가스의 전체 압력보다 작다. 따라서 특히 유량의 변화에 의해 야기되는 압력 변화는 비교적 작을 뿐이다. 여기에서 또한 파형관에 의해 만들어지는 탄성이 작게 분배되어야 하고, 배출 가스의 맥동에 의해 야기되는 주기적인 힘의 변화가 탄성에 비해 비교적 크다는 단점도 생긴다. 소음기의 내부로 통하는 입구관 또는, 소음기의 내부에 완전히 위치되고 소음기의 여러 챔버(chamber)를 연결해주는 내부관의 연결 통로가 조정 가능한 차단 부재로 부분적으로 차단될 수 있는 소음기들도 잘 알려져 있다. 독일 특허 DE 195 03 322 A에 기재된 소음기의 경우, 밸브 디스크는 하우징 내부로 통하는 입구관의 출구를 차단하기 위해 존재한다. 밸브 디스크를 조정하기 위해 이용되는 소음기의 조정 수단은 박스, 박스에 배열되는 가요성 막(flexible membrane) 및 스프링을 구비한다. 가요성 막은 박스 내부(box-interior)를 고압실(high pressure chamber) 및 저압실(low pressure chamber)로 구분한다. 고압실과 연결되는 제어 라인은 입구관의 출구 위쪽 및 소음기 하우징 바깥쪽에서 측면으로 입구관과 결합되거나 로드(rod) 내로 통합되며, 로드는 가요성 막을 밸브 디스크와 연결시켜준다. 따라서 고압실에는 배출 가스의 맥동하는 정압이나 맥동하는 전체 압력이 지배적이다. 저압실은 주위의 대기와 결합되므로, 저압실에는 적어도 잠깐 동안 다소 일정하고 특히 맥동하지 않는 대기압(atmospheric pressure)이 지배적이다. 가요성 막에 의해 만들어지고 밸브 디스크 상에 전해지는 힘은 배출 가스를 내뿜는 주기에 따라 심하게 변화된다. 입구(inlet)를 통해 흐르는 배출 가스는 밸브 디스크에 직접 닿는 힘을 밸브 디스크 상에 인가한다. 이때의 힘도 마찬가지로 배출 가스를 내뿜는 주기에 따라 변화되고, 배출 가스가 가요성 막에 인가하는 힘과 같은 방향을 갖는다. 독일 특허 DE 195 03 322 A에 기재된 소음기의 밸브들은 따라서 배출 가스를 내뿜는 주기에서 볼 때 독일 실용신안 DE 59 08 244 U에 따른 밸브보다 채터링을 심하게 하는 경향이 있다. 독일 특허 DE 195 03 322 A에 기재된 소음기 조정 수단의 박스는 본래의 소음기 하우징 외부에 배열되고, 따라서 본래의 소음을 위해 쓰이지 않는 추가 공간이 필요하다. 박스에 배열되는 가요성 막이 대단히 얇고 무척 탄력적이어야 하기에 거의 금속으로 이루어질 수 없기 때문에, 박스를 가요성 막과 함께 하우징 내부에 배열하는 것 역시 하우징 내부의 고온으로 인해 거의 불가능하다. 뿐만 아니라 박스를 하우징 외부에 배열하는 것은 대단히 위험하다. 박스에서 또는 박스를 나머지 소음기와 연결시키는 제어 라인에서 누출(leakage)이 발생하여 뜨거운 배출 가스가 새어나올 가능성이 있기 때문이다. 게다가 가요성 막은 밸브 디스크의 작은 스트로크만 가능하게 한다. 또한 가요성 막을 박스에 기밀 배열(gas tight arrangement)하는 것은 복잡하고 비용이 많이 든다. 더욱이 박스의 고압실에는 매연 입자와 같은 단단한 불순물이 모일 수 있고, 상온 시동 때는 응축수가 모일 수 있다. 독일 특허 DE 195 03 322 A에 기재된 소음기의 경우, 또한 앞에서 언급한 바와 같이 입구관의 소기구가 차단 부재로 차단되므로, 소음기 하우징에서 흘러나오는 배출 가스에 맞게 사용할 수 있는 통로 횡단면은 밸브로 인해 달라질 수 없다. 또한 독일 특허 DE 195 03 322 A에 기재된 소음기의 경우 연결 통로를 적어도 부분적으로 차단하기 위해 사용하는 차단 부재는, 배출 가스가 차단 가능한 연결 통로를 통해 흐르는 일반적인 흐름 방향에서 열릴 때 밀려 옮겨진다. 따라서 독일 특허 DE 195 03 322 A에 따른 소음기들의 경우 밸브는 열릴 때 앞에서 기술한 독일 실용신안 DE 89 08 244 U에 기재된 소음기에서와 유사하게 수많은 구동 상태에서 작은 통로 영역들만 비워주므로, 가스는 통로 영역들을 관류할 때 심한 유동 노이즈를 만들어낸다. 독일 특허 DE 125 837 C는 하우징, 입구관 및 출구관을 구비하는 소음기를 개시하고 있다. 출구관은 서로 마주보는 두 개의 측면 개구(side opening)를 갖고, 측면 개구는 하나의 로드에 고정되는 두 개의 밸브 디스크로 차단될 수 있다. 스프링은 로드의 한쪽 단부에서 로드에 접촉된다. 로드의 다른쪽 단부에는 깔대기형 도그(funnel-shaped dog)가 고정되고, 도그는 하우징 내부에서 입구관의 출구 맞은편에 위치된다. 스프링이 로드에 인가하는 힘은, 두 개의 밸브 디스크를 출구관에 대해 비스듬하게 출구관의 측면 개구로부터 분리시키는 경향이 있다. 내연기관이 소음기의 입구관과 연결되고 구동 때 입구관에 간헐적으로 배출 가스를 공급한다면, 소음기의 출구는 공급된 배출 가스를 내뿜을 때마다 밸브에 의해 소정의 시간 동안 완전히 닫혔다가 다시 열린다. 밸브는 따라서 채터링 노이즈를 만들어낸다. 밸브가 열리면 배출 가스는 출구관의 양쪽 개구를 통해 서로 반대 방향에서 출구관에 대해 비스듬히 출구관 내부로 흘러 들어간 후 출구관에서 심하게 방향을 변화한다. 이러한 흐름은 심한 난류(turbulence) 및 노이즈(noise)를 야기한다. 이러한 난류 및 노이즈는 제2 밸브 디스크가 열릴 때 밸브 디스크에 의해 폐쇄 가능한 개구에서 일반적인 흐름 방향과 관련하여 흐름 위쪽에서 출구관의 내부로 밀려들어가고 그곳에서 흐름을 추가로 방해함으로써 더욱 심해진다. 현대적 엔진들의 경우 통상 그렇듯이 엔진이 다수의 실린더를 구비하는 경우, 각각의 실린더마다 별도의 소음기가 구비되어야 하므로, 비용이 대단히 많이 들게 된다. 엔진이 공급하는 배출 가스를 내뿜을 때마다 밸브가 완전히 닫히고 다시 열리기 때문에, 현대적 엔진을 사용할 때 두 개의 밸브 디스크는 진동수가 많아지고 속도가 올라갈수록 이리저리 밀린다. 따라서 밸브는 구동 때 부하를 심하게 받게 된다. 심한 부하 때문에 엔진에 필요한 소음기 내지 각각의 소음기에 구비되는 밸브의 제작에 비용이 많이 들게 된다. 구동 때 마찬가지로 부하가 심한 스프링이 부러지는 경우 출구는 계속 완전히 닫혀 있으므로, 배출 가스가 더 이상 흘러나갈 수 없게 된다. 이로써 엔진과 배출기에 상당한 손상이 계속 발생될 수 있다. 미국 특허 US 6 427 645 B는 내부가 분리벽(dividing wall)에 의해 제1 챔버 및 제2 챔버로 구분되는 소음기를 개시하고 있다. 제1 챔버는 2행정 엔진의 실린더에 있는 배출 가스 채널(waste gas channel)과 연결된다. 제2 챔버는 출구를 구비한다. 분리벽은 원을 따라 분포하는 세 개의 개구를 갖는다. 세 개의 개구는 하나의 밸브 플래이트(valve plate)에 의해 폐쇄될 수 있다. 밸브 플레이트는 원주를 따라 분포되는 변형 가능하고 파형관형 가이드 부재(guide element)와 함께 유도되고, 제2 챔버 내에 배열되고 스프링이 접촉되는 가요성 막과 함께 로드를 통해 연결된다. 가요성 막은 소음기의 하우징 벽에 고정되고, 고무(rubber) 또는 고무형 물질로 이루어진다. 구동 때 제2 챔버에 큰 압력이 지배적이고 가요성 막에 접촉되면, 밸브 플레이트는 분리벽의 표면에 의해 형성되는 밸브 시트에 압착되고 분리벽의 개구를 막으므로 제1 챔버에서 배출 가스가 전혀 흘러나갈 수 없게 된다. 제2 챔버의 압력이 한계치 이하로 내려간다면, 밸브 플레이트는 스프링에 의해 야기된 힘을 통해 흐름 위쪽에서 분리벽으로부터 분리된다. 밸브가 소음기에 배출 가스를 공급하는 2행정 엔진 실린더의 작동 사이클 때마다 완전히 닫혔다가 다시 열리기 때문에, 밸브의 여러 부분 및 특히 밸브 플레이트를 유도하는 변형 가능한 파상관형 가이드 부재뿐만 아니라 특히 밸브 플레이트를 밀어 옮기는 데 이용되는 가요성 막이 대단히 심한 부하를 받는다. 이것은 더욱이 소음기가 직접 엔진에 배열되고 배출 가스가 이에 따라 대단히 고온으로 소음기 내로 흘러 들어가기 때문에 발생하는 경우이다. 따라서 수명이 충분히 긴 이러한 소음기를 만드는 것은 까다롭고 비용이 많이 들게 된다. 구동 때 스프링이 부러지는 경우 개구들이 분리벽에 계속 닫힌 채 있게 되므로, 독일 특허 DE 125 837 C에 기재된 소음기에서와 비슷하게 계속 손상, 특히 엔진 손상도 발생될 수 있다. 또한, 미국 특허 US 6 427 645가 개시하는 소음기는 수평으로 흔들 수 있는 플랩(flap)을 구비하는 밸브를 갖는다. 플랩은 엔진의 크랭크축(crankshaft) 상에 배열되는 플레이트 캠(plate cam) 및 플레이트 캠을 감지하는 로드에 의해 조정된다. 이러한 소음기는 특히 앞서 언급된 로드가 외부에서 통로를 지나 소음기의 내부로 유도되어야 하고, 이러한 로드가 소음기 외부에 자리를 잡아야 하므로, 소음기의 위치 결정의 가능성이 심하게 제한 받는다는 단점이 있다. 또한, 미국 특허 US 6 27 645 B에 기재된 앞에서 기술된 두 개의 소음기는 2행정 엔진에만 적합하다. 이러한 엔진이 다수의 실린더를 갖고 있다면, 또한 각 실린더마다 별도의 소음기가 제작 및 조립되어야 한다. 따라서 제조 및 조립 비용이 올라간다.