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머플러 (원동기)

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목차

1. 개요

머플러는 내연 기관의 배기 시스템에 설치되어 엔진에서 발생하는 소음을 줄이는 장치이다. 작동 원리는 반사, 저항, 흡수 등의 기술을 활용하여 배기 가스의 팽창 또는 압력파 간섭을 통해 소음을 억제하는 것이다. 머플러는 배기 머플러와 흡기 사이렌서로 나뉘며, 다양한 재료와 구조를 통해 소음 감소 효과를 높인다. 자동차 및 이륜차의 소음 규제는 국가별로 상이하며, 대한민국에서는 소음·진동관리법에 따라 소음 허용 기준을 정하고 있다. 애프터마켓 머플러는 순정 머플러보다 성능이나 디자인을 개선한 제품으로, 경기 전용 제품도 존재한다.

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머플러 (원동기)
개요
자동차 머플러의 단면도
자동차 머플러의 단면도
종류흡수형 머플러
반사형 머플러
사이드 브랜치관형 머플러
챔버형 머플러
상세 정보
역할배기 소음 감소
배기 가스 정화 (촉매 장치 포함 시)
작동 원리배기 가스의 압력 변화를 이용하여 소음 상쇄
구조복잡한 관 및 챔버 구조
위치배기 파이프 끝
재료강철
스테인리스강
티타늄
탄소 섬유
추가 정보
튜닝배기 효율 향상을 위한 튜닝 가능
관련 법규소음 기준 만족 필요

2. 작동 원리

머플러는 음향 소음기로서, 엔진에서 발생하는 음압의 크기를 줄이도록 설계되었다. 내연 기관의 작동은 배기관을 통해 배출되는 뚜렷한 배기 가스 펄스를 생성하며, 머플러는 이러한 펄스로 인한 소음을 줄이기 위해 다양한 기술을 사용한다.

2. 1. 소음 감소 기술

머플러는 엔진에서 발생하는 소음을 줄이기 위해 음향 소음기 역할을 하도록 설계되었다.[4] 소음 감소 기술에는 다음과 같은 것들이 있다.[4]

  • 반사식 소음기: 음파가 서로 상쇄되도록 반사시키는 구조를 사용한다.
  • 저항식 소음기: 배기 가스가 통과하는 경로에 저항을 만들어 소음을 줄인다.
  • 흡수식 소음기: 유리 섬유 단열재와 같은 흡음재를 사용하여 소음을 흡수한다.[5]
  • 쉘 댐핑: 머플러 외피의 진동을 줄여 소음을 감소시킨다.


내연 기관의 작동은 배기 가스 펄스를 생성하는데, 이러한 펄스는 음압을 발생시킨다.[6] 머플러는 이러한 음압의 크기를 줄이는 역할을 한다. 머플러는 일련의 통로와 챔버를 통해 배기 가스의 소음을 감소시키며, 조화롭게 튜닝된 공명 챔버는 서로 상쇄되는 반대 방향의 음파를 생성하여 소음을 줄인다.[5]

소음을 줄이는 내부 파이프와 챔버가 보이는 절개식 머플러


가장 간단한 머플러는 단순한 관 형태이지만, 더 높은 소음 감소 효과를 위해 다음과 같은 구조를 추가하거나 조합하기도 한다.

  • 유로를 부분적으로 넓힌다.
  • 펀칭 파이프라고 불리는 구멍이 뚫린 관을 통과시키는 이중 구조를 만든다.
  • 관 내벽에 요철을 만든다.
  • 배플(baffle)이라고 불리는 장벽 구조를 설치한다.
  • 내부 공간에 흡음성 있는 재질이나 구조물을 채운다.


머플러의 구조가 단순할수록 가볍고 저렴하며 배기 흐름에 저항이 적지만, 소음 감소 기능이나 배압을 이용하는 기능은 낮아진다. 자동차나 농기계 등에서 흔히 볼 수 있는 머플러는 내부를 격판(배플 플레이트)으로 나누어 여러 공간으로 만들고, 이를 우회하도록 길이와 굵기가 다른 파이프로 연결한 구조를 가지고 있다. 이를 통해 배기 가스가 복잡한 경로를 통과하면서 팽창과 압력파의 간섭을 반복하여 소음을 줄인다.

머플러의 주요 재질로는 강관, 강판, 스테인리스강 등이 사용된다. 엔진 용도에 따라 알루미늄 합금, 황동, 티타늄 합금, 인코넬과 같은 합금이 사용되기도 한다. 배기가 직접 닿지 않는 부분에는 FRP나 CFRP와 같은 섬유 강화 플라스틱이 사용되기도 한다. 흡음재로는 글라스울, 스틸 울, 스틸 메쉬(철망) 등이 사용된다.

2. 2. 배기 시스템과 머플러의 관계

내연 기관의 작동은 배기관과 머플러를 통해 배출되는 뚜렷한 배기 가스 펄스를 생성한다.[6] 예를 들어 4기통 엔진은 작동 주기마다 4개의 고압 펄스를, 6기통 엔진은 6개의 고압 펄스를 방출하는데, 이러한 펄스는 다음 실린더의 배기 사이클을 위한 스캐빈징 메커니즘으로 기능하는 낮은 압력으로 분리된다.[6] 배기 시스템에는 실린더에서 가스를 비우는 데 도움이 되는 음압파가 필요하며,[7] 뚜렷하게 분리된 펄스가 많을수록 배기 흐름이 더 긍정적이고 각 실린더에서 배기 가스가 더 효율적으로 배출된다.[6]

배기 시스템과 머플러의 설계는 효과적인 배기 가스 추출, 배기 가스 압력, 엔진의 연비 및 출력, 그리고 소음 감소 간의 균형을 찾아야 한다. 소음 감소의 부작용은 배기 가스 흐름을 제한하여 배압을 생성하고, 이로 인해 엔진 효율이 감소할 수 있다. 이는 엔진 배기가 머플러 내부에 설계된 복잡한 출구 경로를 소음 감소를 위해 머플러가 설계된 음압과 공유해야 하기 때문이다. 그러나 약간의 배압은 도움이 되며,[7] 더 높은 배압은 일부 엔진에서 질소 산화물 (NOx) 배출 감소에도 도움이 될 수 있다.[8]

엔진 성능이 주요 관심사일 때, 배기관과 머플러는 호흡을 돕기에 충분히 크고 높은 배기 흐름을 생성할 수 있도록 충분히 작아야 한다.[7] 소음이 있는 고성능 배기 시스템의 목표는 "길이/직경 선택에서 파생된 압력파 튜닝과 해당 응용 분야에 적합한 흐름 용량의 머플러를 선택하여 배압 최소화"이다.[9]

일부 애프터마켓 머플러는 배압을 약간 줄여 엔진 출력을 증가시키거나 자동차의 연비를 줄인다고 주장한다. 이것은 일반적으로 소음 감소가 적음을 의미한다 (즉, 더 많은 소음). 더 큰 머플러 흐름은 엔진 출력을 증가시킬 수 있지만, 과도한 머플러 흐름 능력은 추가적인 이점을 제공하지 않으며, 더 비싸고 시끄러울 수 있다.[9]

실린더 내에서 일을 마친 연소 가스는 배기 가스로 방출되지만, 여전히 고온, 고압 상태이며, 대기로 방출되면 급격히 팽창하여 큰 소리를 낸다.[17] 머플러는 그 내부에서 배기를 단계적으로 팽창시키거나, 반복적으로 압력파를 간섭시키는 등의 방법으로 압력과 온도를 낮춰 소음을 억제하는 장치이다.[17] 자동차 등 엔진에서는 배압을 이용하여 발진 시나 가속 시 등에 유용한 엔진 출력의 과도 특성을 향상시키는 경우도 있다.[18] 이 경우 사용되는 머플러는 효율적으로 배기를 배출하는 기능과 적절한 배압을 제공하는 기능의 균형을 고려한 설계가 되어 있으며,[18] 프리 머플러와 메인 머플러처럼 복수로 설치되는 경우도 있다.

3. 구조

머플러는 주로 강관, 강판, 스테인리스강 등으로 제작되며, 용도에 따라 알루미늄 합금, 황동, 티타늄 합금, 인코넬 등이 사용되기도 한다. 배기가 직접 닿지 않는 부분에는 FRP, CFRP와 같은 섬유 강화 플라스틱이 사용되기도 한다. 흡음재로는 글라스울, 스틸 울, 스틸 메쉬(철망) 등이 사용된다.

3. 1. 종류

머플러는 크게 배기 머플러와 흡기 사이렌서로 나뉜다.

  • 배기 머플러: 내연 기관의 배기 시스템에 설치되어 엔진에서 발생하는 소음을 줄인다. 연소 가스 배출 시 발생하는 고온, 고압의 음압을 낮추기 위해 팽창, 간섭 등의 방법을 사용한다.[17] 주로 강관, 강판, 스테인리스강 재료를 사용하며, 알루미늄 합금, 황동, 티타늄 합금, 인코넬 같은 합금을 쓰기도 한다.
  • 구조:
  • 유로를 부분적으로 넓힌다.
  • 펀칭 파이프(구멍 뚫린 관)를 이용한 이중 구조를 만든다.
  • 관 내벽에 요철을 설치한다.
  • 배플(장벽)을 설치한다.
  • 흡음재(글라스울, 스틸 울, 스틸 메쉬 등)를 충전한다.
  • 자동차의 경우, 소음 감소 성능을 높이기 위해 여러 개의 머플러를 단계적으로 장착하기도 한다. 이때 '''메인 머플러''', '''서브 머플러''', '''프리 머플러''' 등으로 구분한다.[19]

  • 흡기 사이렌서: 주로 정숙성이 요구되는 엔진의 흡기관에 설치되어 흡기 소음을 줄인다. 헬름홀츠 공명기나 확장실을 이용하며, 헬름홀츠 공명기를 이용한 것은 '''레조네이터'''라고도 부른다.[14] 레조네이터는 흡기관 중간에 설치된 가지 관에서 공명을 일으켜 소음을 상쇄시킨다.[14]

4. 규제

세계 각국은 자동차 소음에 대한 법적 규제를 시행하고 있다. 많은 국가에서 자동차(사륜차, 오토바이 등)의 소음을 법령으로 제한하고 있다.[19] 자동차 경주나 오토바이 경주의 경우에도, 포뮬러 1과 같은 일부를 제외하고는 공식적인 경기 규칙(레귤레이션)에 의해 차량 소음 레벨에 상한선이 정해져 있다. 비공식 경기나 개인 주행의 경우에도 서킷 이용 규칙에 따라 제한되기도 한다.

4. 1. 대한민국

대한민국에서는 소음·진동관리법에 따라 자동차 및 이륜차의 소음 허용 기준을 정하고 있으며, 기준치를 초과하는 소음을 발생시키는 불법 개조는 단속 대상이다. 2009년 이후, 범퍼에서 튀어나오는 머플러의 치수나 관재 단말부의 처리 등에 대한 보안 기준이 강화되었다.[20]

4. 2. 해외

1905년, 미국 오리건주는 차량에 "가벼운 머플러 방식의 효율적인 브레이크"를 장착하도록 요구하는 법안을 통과시켰다.[10] 미국, 캐나다, 오스트레일리아 등 많은 선진국에서는 자동차의 OEM 배기 시스템 변경을 엄격하게 규제하거나 금지한다.[11][12][13]

5. 안전 문제

겨울철에는 자동차 주변과 배기구(머플러 이후의 테일 파이프 개구부)가 눈에 막혀 배기가스가 차내에 가득 차면서 차 안에서 일산화 탄소 중독에 빠지는 사고가 발생할 수 있다.[23]

6. 애프터마켓 머플러

자동차나 오토바이에는 차체 제조 시에 장착되는 순정 머플러 외에도, 차체 제조사가 아닌 애프터마켓에서 제조되는 머플러도 판매되고 있으며, 데빌과 같은 전문 메이커도 존재한다. 애프터마켓제 머플러는 소음 성능 등을 순정 머플러와 동등하게 한 제품 외에, 순정 머플러보다 배기 효율이나 내식성을 향상시키거나, 엔진의 출력 특성, 음량・음질, 외관 디자인을 사용자의 요구에 맞춘 설정으로 만들어진 것도 있다.[18][21] 배기 효율과 경량화를 중시하여 공도 주행을 위한 안전 기준을 충족하지 않는 경기 전용 제품도 있다.[22] 경기 전용 머플러 중에는, 배기 효율을 더욱 향상시키는 탈착식 파이프나, 탈착식 추가 소음기를 머플러 출구에 삽입하여, 주행 상황에 따라 사용자가 배기 효율과 음량을 조절할 수 있도록 한 제품도 있다.[22]

7. 자동차 경주

공도를 주행하지 않는 자동차 경주나 오토바이 경주에서도 포뮬러 1과 같은 일부 카테고리를 제외하고는 공식적인 경기에서는 경기 규칙(레귤레이션)에 의해 차량의 소음 레벨에 상한이 설정되어 있다.[19] 비공식적인 경기나 개인적으로 서킷을 주행하는 경우에도 서킷의 이용 규칙에 의해 제한되는 경우가 있다.

참조

[1] 웹사이트 muffler (noun) https://dictionary.c[...] 2023-02-03
[2] 웹사이트 Definition of ''muffler'' https://www.merriam-[...] 2023-02-03
[3] 웹사이트 How Mufflers Work https://auto.howstuf[...] 2023-02-03
[4] 웹사이트 Diesel Exhaust Systems https://dieselnet.co[...] 2023-02-04
[5] 웹사이트 Interference of Waves http://physics.bu.ed[...] 2023-02-03
[6] 웹사이트 Exhaust Backpressure: Do We Need It? https://trade.mechan[...] 2023-02-03
[7] 웹사이트 Do vehicle exhaust systems need back pressure? https://www.motoraut[...] 2023-02-03
[8] 간행물 A review on the correlation between exhaust backpressure and the performance of IC engine 2021-08-23
[9] 웹사이트 Auto Exhaust Science - Exhaust Science Demystified https://www.motortre[...] 2023-02-04
[10] 서적 Roseburg https://books.google[...] Arcadia Publishers 2019-09-04
[11] 웹사이트 Regulations Section https://www.fmcsa.do[...] 2018-12-18
[12] 웹사이트 Motor Vehicle Act Regulations http://www.bclaws.ca[...] 2020-06-16
[13] 웹사이트 vehicle-noise https://www.epa.nsw.[...] 2018-12-18
[14] 서적 大車林－自動車情報辞典 三栄書房
[15] 서적 Oxford Dictionary of English Oxford University Press
[16] 웹사이트 バイク用語辞典 | バイク・スクーター | ヤマハ発動機株式会社 http://www2.yamaha-m[...] ヤマハ発動機株式会社 2014-02-25
[17] 웹사이트 FUJITSUBO 自動車マフラー http://www.fujitsubo[...] 藤壺技研工業株式会社 2014-02-26
[18] 웹사이트 チューニングの基礎 | 株式会社エッチ・ケー・エス https://www.hks-powe[...] 株式会社エッチ・ケー・エス 2024-08-21
[19] 웹사이트 JASMA 日本自動車スポーツマフラー協会｜スポーツマフラーとは http://www.jasma.org[...] 日本自動車スポーツマフラー協会 2014-03-05
[20] 웹사이트 マフラーのはみ出し等に関して http://www.apexi.co.[...] アペックス株式会社 2014-03-05
[21] 웹사이트 FUJITSUBO 自動車マフラー http://www.fujitsubo[...] 藤壺技研工業株式会社 2014-03-10
[22] 웹사이트 柿本改 KAKIMOTORACING｜マフラーシリーズ｜GT1.0Z Racing_詳細 http://www.kakimotor[...] カキモトレーシング株式会社 2014-03-10
[23] 뉴스 雪でマフラー塞がれ、車内で一酸化炭素中毒死か https://web.archive.[...] 読売新聞 2016-03-01


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