머플러와 튠드파이프

[snaproll 이종헌]

머플러와 튠드파이프에 대해 소개합니다.

최근 여러비행장에서 소음문제가 제기되고 있어서 더욱 그 필요성이 대두되고 있고요.

< 머플러 >

일반적인 2cycle glow엔진의 머플러. 주로 알미늄 재질을 주물로 제작한 것입니다.

2행정 엔진은 흡기/배기 밸브가 없이 피스톤의 위치에 따라 흡기/배기구가 열리는 방식이고 어느 순간은 동시에

열려있기 때문에 흡/배기 효율이 그다지 좋지 않습니다.
이를 해결하기 위해 과거에 피스톤 윗면에 격판이 있기도 했습니다.
흡기가 이 격판에 부딪혀 배기구로 바로 빠져나가지 못하게 하기 위함이죠.

그 후로 시뉼레 포트 방식이 채택되었습니다.
흡기포트가 세갈래로 나누어지며 각도가 있어서 크랭크실에서 실린더로 흡기되는 혼합기 기류가 올라올때

소용돌이치며 서로 말리면서 배기구쪽으로 덜 빠져나가게 하는 방식입니다.
현재의 2행정 모형엔진의 거의 대부분은 이 방식을 사용합니다.

일반적인 4cycle glow 엔진의 머플러. 알미늄을 깍아서 제작한 것입니다.

4cycle엔진은 소음이 적고 밸브가 배기가스를 밀어내기 때문에 2cycle 엔진의 머플러 보다 크기가 훨씬 작습니다.

가솔린 엔진의 머플러. (DA엔진 standrad muffler)

알미늄 파이프와 알미늄판을 용접하여 제작한 것입니다.

Pitts style muffler 입니다. 스케일기의 카울안에 들어간다고 해서 In-cowl muffler라고도 합니다.

알미늄 주물로 부품을 만들고 다시 용접으로 조립한 것입니다.

가솔린 엔진의 Pitts style muffler 입니다.

Zenoah 엔진의 머플러는 철판을 프레스로 찍어 양산한 형태로 가격을 낮춘 방식이지만

합금을 사용하여 비교적 가볍고 중간에 격막이 있어 배기소음을 많이 줄여줍니다.

신형 Zenoah 엔진은 In-cowl muffler 형태입니다.

머플러는 배기가스를 한두번 확산시키는 과정(이합/집산)에서 소음을 감소시킵니다.

 배기구를 통해 나온 소음을 동반한 가스가 관을 통과하여 머플러로 들어가며 확산되고 다시 모아서 최종 배기구로 나오는 방식입니다.
머플러 속에 격막을 두어 한번 더 확산시키면 소음효과가 더욱 좋아집니다.

모형을 하다보면 머플러를 만들어야 할때가 있습니다.

엔진의 성능향상을 위해서라기 보다는 스케일기에 탑제할, 원하는 크기의 머플러 제품이 없기 때문이죠.

가공과 땜질이 쉬운 황동판으로도 만들어 보았고, 수많은 실패를 거듭하며 알미늄관을 토치로 용접해서 만들어 보기도 했습니다.

A-10에 탑재한 자작 머플러.

헤더는 알미늄판에 알미늄 파이프를 토치로 용접해서 만들고

머플러는 알미늄 파이프를 구멍뚫은 알미늄판으로 앞뒤를 막고 다시 작은 알미늄관을 용접해서 만든 것입니다.

알미늄 용접은 쉽지 않습니다.

토치두개(예열용, 용접용)와 알미늄용 긴노(용접봉), 플럭스만 있으면 되는데 온도가 낮으면 붙지 않고, 온도가 높으면

알미늄 모체가 녹아 무너져 내립니다.

예열용 토치로 알미늄 모체를 가열하여 알미늄의 표면의 색상변화(여러번 실패후 터득)를 보고 용접용 토치로 재빨리

긴노를 녹여 붙여야 합니다.

물론 용접후 물을 담아 새지 않나도 확인해야 하고요.

새는곳이 있으면 그 부분을 줄로 갈아내고 추가로 용접을 하여 메꾸어 줍니다.

아크 용접기가 있는 공장에 가서 용접을 부탁하는 것도 하나의 방법이고요.

최종 배기구는 헤더 파이프보다 직경이 작은 관을 사용하여 머플러내에 압력을 유지하도록 하고 니플을 박아 연료통으로 보내

백프레서 역할을 합니다.
 

엔진 배기구 에서 머플러까지의 관을 흔히 어댑터라고 부르는데 이는 일본식 영어인것 같고 원래의 명칭은 muffler header, header pipe라고 합니다.
이 관의 직경은 관내 저항을 고려하여 엔진 배기구보다는 1.2~1.5배 크게 만듭니다.
물론 길면 길수로 더 굵게 만들어야 하고요.
관의 직경이 작아 배기가 원할하지 못하면 출력이 떨어지고 엔진이 과열됩니다.

머플러의 용적은 엔진배기량(실리더 용적)과 밀접한 연관이 있습니다.

정확한 용적 계산법을 몰라 기성제품 머플러의 용적을 참고하였고요.

< 튠드 파이프 >

튠드 머플러(Tuned muffler)는 2행정 엔진의 배기가스를 공명시켜서 출력을 향상시키는 역할을 합니다.
즉, 쭈욱 빠져나간 배기가 중간격막 또는 최종 배기구에 부딪히며 반사파(공명)를 일으켜서 흡기시에 엔진 배기구쪽을 막아주는 역할을 하는겁니다.
이를 위해서 튠드 머플러는 중간격막 또는 최종 배기구까지 정체나 걸림돌 없이 한번에 쭈욱 빠져나가게 설계하여야 하므로 일반 머플러와는 다른 구조로 만듭니다.

파이프 오르간의 소리의 파장을 설명한 것입니다. 자동차의 흡배기 다기관이나 튠드 머플러 설계이론의 근거라고 할수 있을겁니다.

머플러처럼 관을 통과하다가 갑자기 확산시키고, 다시 모으다 보면 정체되는 부분도 있고, 소용돌이 치는 부분도 생기고 해서 배기가 원활하지 못하게 되며, 공명을 위한 거리확보도 되지 않습니다.
따라서 빠져나가는 배기가스를 적체 시키지 않고 부하를 줄이는 방법으로 갑자기 넓어지지 않고 서서히 넓어지는 머플러 (테이퍼형 파이프) 형태가 됩니다.
여기에 최종 격막을 두고 격막에 구멍을 뚫고 파이프를 박아 최종 배기를 시키게 됩니다.

배기가스가 튠드파이프를 통과하고 반사파가 형성되어 배기포트로 내뱉는 흡기(혼합기)를 다시 밀어주는 튠드파이프의 원리를 잘 설명한 그림입니다.

마지막 배기구의 직경은 header pipe의 직경에 비해 훨씬 작습니다. 물론 길이도 상당히 짧죠.  이는 공명을 위해서, 그리고 튠드 머플러 내부의 압력유지 (연료통 백프레셔) 등과 연관이 있다고 봅니다.
출력증가를 예상하여, 즉, 더 많은 배기를 고려하여 튠드 머플러 앞에 헤더 파이프도 일반 머플러보다는 굵게 설계하여야 합니다.

헤더 파이프와 튠드파이프 사이를 실리콘이나 테프론으로 연결하고 피크 rpm에서 이 길이를 점차로 서서히 줄여주면 rpm이 올라가기 시작합니다.
가장 좋은 위치를 찾아 최고의 출력점을 찾아내면 됩니다.
튠드머플러는 최고 rpm에 세팅하는 것이므로 결국 중/저속에서는 별 이득이 없다고 보면 됩니다.

튠드파이프가 끝나는 지점에서 곧바로 배기시키지 않고 다시 한번 확산후 모아서 배기시키는 방식을 사용하면 소음이 더욱 감소될겁니다.

그림을 그려서 설명드립니다.

Tuned pipe에 소음기가 추가로 붙은것을 Tuned Muffler 또는 Tuned Silencer 라고 부르는데 꼭 이런 호칭을 따르지는 않습니다.

튠드파이프의 공명을 위한 길이는 위의 그림과 같습니다.

예전에 어디에선가 공식을 본적이 있는데... 튠드파이프의 길이에 영향을 주는 가장 큰 변수는 엔진 rpm 입니다. 부수적으로 영향을 미치는 것이 배기 타이밍과 음속 이라고 기억하고 있습니다. 음속은 배기관 내의 음속으로 배기가스 온도와 밀접한 연관이 있고요.

피크 rpm을 내는 길이를 찾아 이보다 아주약간 길게 세팅합니다. 너무 짧으면 반사파(returning wave)가 뜨거운 배기가스를 실린더 안으로 다시 밀어넣기 때문에 실린더 온도가 올라가서 엔진이 히팅하게 됩니다. (엔진은 일단 히팅을 시키면 유막이 끊겨 실린더 벽이 손상되어 못쓰게 됩니다.)

모형보트엔진이나 덕티드팬 엔진은 20,000rpm 이상 올리기도 하는데 이때에는 믹스쳐나 니들 세팅을 아주 잘~ 해야만 하며 플러그는 거의 매탕마다 바꾸어 주어야 합니다.

머플러나 튠드파이프는 폭발음중 째지는 소리(고음)는 많이 줄여 주지만 중저음은 그다지 줄지 않습니다.
그 이유는 머플러나 튠드파이프 관의 재질문제와 두께 때문인것 같습니다,
문제는 무게이죠. 무겁고 두꺼운 재질을 사용하면 비행에 지장이 많으니까요.
머플러는 소음감소, 튠드파이프는 출력향상과 소음감소 효과가 잇습니다.
그러나 연비향상은 크게 기대하기 어렵습니다.
오히려 튠드파이프를 사용하면 rpm 증가로 출력향상이 되지만 그많큼 연료소모가 엄청납니다.
경험상 머플러를 사용하면 대개 5~10% 출력감소가 되며 잘 세팅된 튠드파이프를 사용하면 10~30% 출력증가 효과를 볼수 있습니다.

헬기의 Tuned Muffler 입니다.

비행기나 보트용 보다는 짧게 설계되어 있는데 아마도 이는 rpm 보다도 토크향상과 연관이 있지 않나 하는 생각입니다.

헬기에 대해서는 잘 모르겠고요.

대형 가솔린 엔진에 사용하는 Canister Muffler 입니다.

소음감소 효과도 있고 출력도 향상되는 Tuned Muffler 역할도 합니다.

Canister Muffler를 기체에 장착한 모습입니다.

기체 내부에  Canister Muffler를 장착하는 일은 상당히 까다롭습니다.

< 자료 링크 >

내친김에 자료를 찾아 링크를 걸었습니다.

튠드파이프에 대해 자세한 설명과 공식이 나와 있습니다.

http://www.prestwich.ndirect.co.uk/tunedpipetheory2.htm

음속계산 공식입니다. 기온이 0도에서는 331.4m/sec 인데 (340m/sec는 상온 15도 일때 이죠.) 온도가 100도가 되면 392.4m/sec가 됩니다. 엄청 차이가 납니다.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/souspe.html

튠드파이프의 길이는 대략 이렇다고 합니다. (모형보트엔진)

• 3.5 cc Motor - 20 - 22 centimetres
• 7.5 cc Motor - 24 - 27 centimetres
• 15 cc Motor - 30 - 32 centimetres

http://home.intekom.com/modelboats/boat/tunepipe.html

튠드 파이프를 만드는데 있어서 결정적인 자료도 있습니다.

http://www.mh-aerotools.de/airfoils/javapipe_en.htm

자바프로그램인데 이 프로그램을 분석해 보면 대충 다음과 같은 원리입니다.

- 배기가스의 음파가 음속으로 진행후 반사파가 다시 돌아와서 흘러나오는 흡기를 다시 밀어넣는 동안

엔진이 130도 회전한다고 봅니다. (transfer port angle)

- 엔진의 rpm이 12,000 이면 초당 회전수는 200 이므로 1/200 초에 엔진이 1회전 합니다.

- transfer port angle 이 130도 이므로 이 시간은 1/200초 x 130/360도 = 1/554초

- 배기가스온도가 450도 이면 음속(상온15도 340m/sec)이 600m/sec가 됩니다. 600m x 1/554초 = 약 1.08m.

- 튠드파이프 내에서 왕복하므로 튠드파이프 길이는 1/2로 54cm.

- 프로그램에 의한 답은 49cm. 약간의 차이는 아마도 포트앵글에 대한 반응시간 등이 고려된것 같습니다.

15000rpm 이면 41cm 로 줄고, 10000rpm 이면 58cm 로 늘어납니다.

이 프로그램은 배기량 8.2~14.3cc (50~87엔진) 에 해당합니다. 더 크거나 작으면 또 다른 변수가 있나 봅니다.

이 정도면 튠드파이프의 원리를 충분히 이해할수 있겠죠?

[snaproll 이종헌]

튠드 파이프를 만드는 것은 정말로 무모한 일입니다. 그냥 사서 쓰느것이... 졸업을 앞두고 실험을 위해 만든다고 해서 Q&A 답글로 올린 내용을 정리해서 실었습니다.

[허성필]

좋은자료 감사합니다. 정말 소음기 는 만들기 어려운것이군요

[발언자]

헬리콥터의 경우 튠드파이프를 다는 경우는 일정한 rpm을 유지할 수 있도록-가버너효과-하기 위해서 장착하는 경우가 있습니다만, 엔진 맞추기가 까다롭고 무게도 무겁고해서 잘 사용하지 않습니다. rpm에 따라서 용적이 가변되는 파이프가 있으면 정말 좋을 텐데요...

[하늘평화]

맨 마지막 음속 계산에서 음속은 절대온도(섭씨+273)의 0.5승(루트...)에 비례하니까 450도 이면 상온(15도, 절대 288도)에 비하여 1.584배 정도가 되네요. 그러면 약 540 m/s가 나옵니다.

[하늘평화]

음속 공식 속에 들어가는 비열비(감마)도 상온에서는 1.4이다가 연소가 생긴 뜨거운 가스는 1.33으로 낮아지는데 오래되어 가물가물....합니다.