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문제 정의
- 본 연구에서는 터보 차져 디젤 엔진에서 발생하는 기류음(Hissing 소음)을 감소시키기 위해서 삽입관이 있는 단순 확장형 의 반사형 소음기를 터보 차져 출구 곡관에 적용하고자 한다. 음향학적인 설계를 위해 전달 행렬법(Transfer matrix method)를 이용하여 소음기의 후보군을 선택하였다.
- (7) 따라서 음향학적으로 선택한 소음기 후보군의 유동장 영향을 수치해석을 통해 살펴보았다. 본 연구에서는 전산 유체역학 코드인 CFD-ACE 를 이용하여 소음기 내의 유동 현상을 해석하였다.
제안 방법
- 음향학적인 설계를 위해 전달 행렬법(Transfer matrix method)를 이용하여 소음기의 후보군을 선택하였다. 또한 소음기의 정상 상태 난류 유동 해석을 통해 기류 소음을 최소로 감소시키는 소음기의 형상을 최적화하여 실제 차량에 적용, 그 성능을 확인하였다.
- 011mm일 때 8600Hz에서 소음 감소가 40dB이상임을 확인 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 삽입관이 있는 확장형 소음기 모델을 목표 소음 저감 구간인 7-9kHz에서 전달손실의 값이 크도록 설계하였다.
- (5,6) 즉 형상 인자의 차이가 있는 삽입관이 있는 소음기의 후보군들은 비슷한 전달 손실을 갖을 수 있지만, 유체역학적인 특성이 다르기 때문에 기류음에 미치는 영향에 차이가 있을 수 있다.(7) 따라서 음향학적으로 선택한 소음기 후보군의 유동장 영향을 수치해석을 통해 살펴보았다. 본 연구에서는 전산 유체역학 코드인 CFD-ACE 를 이용하여 소음기 내의 유동 현상을 해석하였다.
- 소음기 내의 유동을 정상상태(Steay-state)의 난류유동으로 고려하였으며, 소음기내로 유입된 입구 유동은 실제 디젤 엔진의 입구관에서 측정한 유속, 온도 등의 물리량을 사용하였다. 난류 유동을 해석하기 위하여 기존의 소음기 내부의 유동장을 해석했던 많은 문헌들에서도 사용되었던 표준 k − ε 모델을 적용하였다.
- Fig. 7(b)와 같이 유동장 해석을 통해 두께의 차이(1mm, 2mm )에 대한 난류 운동 에너지의 분포를 비교해보았다. 두께가 보다 두꺼운 형상에서 하류의 삽입관 근처에서 난류 운동에너지가 증가하는 것을 볼 수 있다.
- 전달 행렬법을 이용한 음향학적 전달 손실을 구하여 설계한 소음기 후보들을 유동장 해석의 난류 운동에너지를 이용하여 유동장 영향까지 고려하여 본 연구에 적용할 소음기를 선정하였다(Fig. 9). 선정한 소음기를 실제 차량 모델의 Fig.
- 본 연구에서는 실제 차량의 근접 소음 측정을 통해 가속 구간에서 7-9kHz 영역의 Hissing 소음이 발생함을 확인하였다. Hissing 소음의 저감을 위해 삽입관이 있는 확장형 소음기를 적용하였다. 이는 삽입관의 길이에 해당하는 주파수의 소음을 위상반전으로 감쇠시키는 원리로서 전달 행렬법과 전달손실을 적용하여 음향학적인 특성만을 고려한 소음기 후보군을 선정하였다.
- Hissing 소음의 저감을 위해 삽입관이 있는 확장형 소음기를 적용하였다. 이는 삽입관의 길이에 해당하는 주파수의 소음을 위상반전으로 감쇠시키는 원리로서 전달 행렬법과 전달손실을 적용하여 음향학적인 특성만을 고려한 소음기 후보군을 선정하였다. 그러나 삽입관이 있는 소음기는 입구에서부터 성장한 전단층이 후류의 삽입관에 부딛치면서 강한 난류/압력 섭동으로 인한 기류음을 유발할 수 있다.
- 그러나 삽입관이 있는 소음기는 입구에서부터 성장한 전단층이 후류의 삽입관에 부딛치면서 강한 난류/압력 섭동으로 인한 기류음을 유발할 수 있다. 따라서, 소음기 후보군의 유동장의 영향을 고려하기 위해 수치해석을 통해 난류 유동장 분포를 계산하여 비교하였다. 소음기의 길이가 길어질수록 입구에서부터 형성된 전단층이 성장하기 때문에 난류 에너지가 증가하게 되고, 부딪히게 되는 삽입관의 두께가 두꺼울수록 난류 에너지가 증가하였다.
- 소음기의 길이가 길어질수록 입구에서부터 형성된 전단층이 성장하기 때문에 난류 에너지가 증가하게 되고, 부딪히게 되는 삽입관의 두께가 두꺼울수록 난류 에너지가 증가하였다. 최종적으로 같은 음향학적인 특성을 같은 소음기중에서 소음기 전체의 길이가 짧고 삽입관의 두께가 얇은 모델로 최적화하였다. 선정된 소음기를 실제 양산 차량에 적용하여 근접소음을 비교했을 때 목표 저감 구간인 7-9kHz 의 Hissing 소음이 10dB 이상 감소를 확인함으로서 그 효과를 검증하였다.
대상 데이터
- 소음기를 적용하고자 하는 구간을 Hissing 소음의 주요 발생 구간인 7~9kHz로 선정하였다(Fig. 2). 소음기의 음향 성능을 평가하는 방법으로서 전달 손실 (Transmission Loss:TL) 을 사용하였다.
- 하지만, 유동장의 영향을 고려하기 위한 수치해석의 결과에서는 소음기의 길이가 길어질수록 소음기의 확장되는 부분에서부터 형성되는 전단층이 보다 성장하기 때문에 하류의 삽입관에 부딛치며 발생하는 난류 에너지가 증가하게 된다. 따라서 소음기 선정에는 유사한 전달 손실을 보이는 후보군 소음기 중에 그 길이(L)가 가장 짧은 형상을 선정하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 터보 차져 디젤 엔진에서 발생하는 기류음(Hissing 소음)을 감소시키기 위해서 삽입관이 있는 단순 확장형 의 반사형 소음기를 터보 차져 출구 곡관에 적용하고자 한다. 음향학적인 설계를 위해 전달 행렬법(Transfer matrix method)를 이용하여 소음기의 후보군을 선택하였다. 또한 소음기의 정상 상태 난류 유동 해석을 통해 기류 소음을 최소로 감소시키는 소음기의 형상을 최적화하여 실제 차량에 적용, 그 성능을 확인하였다.
- 2). 소음기의 음향 성능을 평가하는 방법으로서 전달 손실 (Transmission Loss:TL) 을 사용하였다.(3) 전달 손실은 소음기에 입사된 음향 파워 레벨(PWL : Sound Power Level)에서 하류측에 전달된 PWL을 뺀 값이며, 예측치와 실측치의 비교에 유용하다고 알려져 있다.
- 음향 성능의 정량적 표현을 위하여 본 연구에서는 전달 행렬법(Transfer Matrix Method)을 사용하였다. 평면파 (Plane wave) 이론에 의해 Fig.
- 난류 유동을 해석하기 위하여 기존의 소음기 내부의 유동장을 해석했던 많은 문헌들에서도 사용되었던 표준 k − ε 모델을 적용하였다.
- 삽입관이 있는 소음기 내부에서 기류음 발생에 미치는 유동장 영향을 평가하기 위한 인자(Parameter) 로는 난류 에너지(Turbulent Kinetic Energy)를 이용하였다. 난류 운동 에너지는 0~25 m2/s2의 레벨로 나타내었다.
성능/효과
- 디젤 엔진은 출력 성능을 향상시키기 위하여 실린더 내로 흡입되는 공기를 고 밀도의 공기로 압입시키는 터보 차져(Turbo-charger)를 사용하고 있다.(1) 터보 차져를 사용할 경우 동일한 실린더 체적에서 출력과 연비를 향상시킬수 있는 장점이 있지만, 엔진 속도가 올라감에 따라 터보 차져에서 발생되는 높은 압력과 온도의 흡기류에 의해 발생하는 기류음 (Flow-induced noise)등에 의한 NVH특성이 나빠지는 단점이 있다. 터보 차져 시스템의 전달경로는 압축기(Compressor), 연결 호스, 알루미늄 곡관, 인터쿨러, 엔진 실린더 여러 부품들이 연결된 구조로 되어 있다.
- 이러한 음향 전송 계의 특성을 나타내는 전달행렬(Transfer Matrix)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.(3) 이러한 음향 전송계를 소음기에 적용하고 소음기의 형상과 임피던스의 특성을 알면, 소음기 적용 전의 음압과 입자 속도를 이용하여, 적용후의 음압과 입자 속도를 예측할 수 있다. 소음기 적용 전후의 음압과 입자 속도를 알면, 각각의 음향 파워 레벨을 구할 수 있게 되고, 이를 이용하여 앞에서 정의하였던 전달 손실 식을 이용하여 전달 손실 값을 다음과 같이 구할 수 있다.
- 음향학적인 설계 인자를 결정할 때 확인할 수 있었듯이 단순 확장형 소음기보다 삽입관이 있는 확장형 소음기의 의 전달 손실이 훨씬 큼을 볼 수 있었다. 삽입관이 있는 소음기 내부의 유동은 확장되는 모서리에서 박리된 유동이 전단층(Shearlayer)을 형성하고 성장하며 하류로 흘러오며, 삽입관에 부딛치면서 강한 난류 섭동, 압력 섭동을 발생하면서 기류음을 유발하는 것으로 알려져 있다.
- 그렇지만, 삽입관의 위치에 따른 난류 에너지의 분포는 차이가 있다. 상, 하류에 삽입관이 있는 형상의 경우(a, b) 둘 다 유사하게 소음기의 하류에서 난류 운동 에너지가 크게 나타나는 것을 볼 수 있다 이로 인해 음향학적인 설계에는 고려되지 못했던 유동장 영향으로 인해 기류음이 발생할 수 있는 것이다.
- 주요한 기류음으로서는 터보 차져(압축기)의 작동 구간이 서지 한계에 가까워 질 때 생기는 난류 및 압력의 불안정성에 의해 발생하는 광대역의 Hissing 소음이 있다. 본 연구에서는 실제 차량의 근접 소음 측정을 통해 가속 구간에서 7-9kHz 영역의 Hissing 소음이 발생함을 확인하였다. Hissing 소음의 저감을 위해 삽입관이 있는 확장형 소음기를 적용하였다.
- 최종적으로 같은 음향학적인 특성을 같은 소음기중에서 소음기 전체의 길이가 짧고 삽입관의 두께가 얇은 모델로 최적화하였다. 선정된 소음기를 실제 양산 차량에 적용하여 근접소음을 비교했을 때 목표 저감 구간인 7-9kHz 의 Hissing 소음이 10dB 이상 감소를 확인함으로서 그 효과를 검증하였다.
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