저주파수 배기소음 저감을 위한 차량 배기계의 최적화

Abstract

자동차 토출 소음은 배기소음 중 큰 비중을 차지하는데, 이 중 저주파수 토출 소음은 배기계의 소음기로 소음 저감 효과를 얻기엔 한계가 있다. 특히, 요즘은 자동차 엔진의 효율을 증가시키기 위해서 엔진의 공회전 상태의 RPM을 낮추는 추세이기 때문에, 이에 따라 엔진 점화 주파수도 점차 낮아지고 있다. 이 때, 엔진 점화 주파수 및 그 주파수의 주요 고조파 성분인 저주파수 성분이 배기계의 구성요소 길이에 의한 공명 주파수와 일치하면 토출 소음은 대단히 커지게 된다. 그러므로, 배기계의 구성 요소를 적절히 배치함으로써, 공명 현상에 의한 효과를 최소화하여 토출 소음을 줄일 수 있다. 따라서, 본 연구는 공회전 상태의 자동차 배기계에서 토출되는 저주파수 소음저감을 위해 엔진 점화 주파수와 그 주요 고조파 성분에 있어서, 배기계의 공명현상에 따른 음향 증폭을 최소화한 배기계를 찾는 방법을 개발하고자 하였다. 그 방법으로서, 소음기의 위치 및 소음기 내부의 연장관의 길이를 최적화하고, 이에 따른 토출 소음을 예측하였다. 소음기의 위치 및 소음기 내부의 연장관의 길이에 따른 배기계의 전체 특성을 파악하기 위해 4단자 정수 전달 행렬법을 사용하여 배기계를 음향학적으로 모델링 하였으며, 배기계의 음향학적 성능평가를 위해서 시스템 삽입손실과 가상 감쇠 계수를 이용하였다. 이를 바탕으로, 설계변수가 두 소음기의 위치인 경우와 두 소음기의 위치 및 각 소음기 내부의 연장관의 길이인 경우에 대해서 최적화 기법인 금속 냉각 모사 기법을 이용하여 배기계를 최적화하였다. 설계변수의 대상에 따라 소음 저감 성능이 뛰어난 최적화된 배기계와 소음 저감 성능이 떨어지는 배기계, 앞의 두 배기계의 중간 정도 소음 저감 성능을 내는 배기계를 설계하였으며, 예상되는 토출 소음 스펙트럼을 통하여 각 배기계의 소음 저감 성능을 확인하였다. 또한, 집중 매개 변수 이론과 배기관의 길이에 따른 공명주파수의 위치를 조사함으로써, 최적화된 배기계가 왜 소음 저감 성능이 좋은지를 파악하였다. 설계된 배기계의 소음 저감 성능을 검증하기 위해서, 각 배기계를 시편으로 만들어 실제 차량 엔진에 장착하고 토출 소음을 측정하였다. 그 결과, 최적화된 배기계가 다른 두 배기계에 비해 소음 저감 성능이 우수함을 알 수 있었다.