JP2008169710A - 車両用排気系構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気管の曲がり部を良好に保護することができる車両用排気系構造を得る。
【解決手段】車両用排気系構造１０は、エンジン横置きＦＦ車の排気ガスを車体後部から排出するためのものであって、排気ガス流れ方向の上流側から順に第１触媒コンバータ１２、第２触媒コンバータ１４、排気系熱交換器１５、マフラ１６が配置されて構成された排気系１１に適用される。排気系１１は、排気系熱交換器１５とマフラ１６とを接続する熱交換器−マフラ間排気管２６が傾斜部２６Ａを有し、懸架手段８０によって排気系熱交換器１５以降の部分が車体Ｂに懸架されている。第２触媒コンバータ１４と排気系熱交換器１５とを接続する触媒−熱交換器間排気管２４には、これらの相対変位を許容するボールジョイント９６が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＦＦ車等の車体前部に横置きされた内燃機関の車両用排気系構造に関し、特に排気熱を回収するための排気熱回収器を備えた車両用排気系構造に関する。

横置式内燃機関に接続されると共に、排気ガス流れ方向の上流から触媒コンバータ、サブマフラ、メインマフラが直接に配置された排気系において、サブマフラとメインマフラとを接続する排気管に曲がり部を設け、触媒コンバータに対する排気ガス流れ方向の上流側及びメインマフラに対する排気ガス流れ方向の直上流にそれぞれボールジョイントを配設した構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１９６３５８号公報 特開２００４−１９０６１０号公報

しかしながら、上記従来の技術では、排気系に質量の大きい排気熱回収器を設ける場合に、排気管の曲がり部に大きな力が作用することが懸念され、この点に改善の余地があった。

本発明は、上記事実を考慮して、排気管の曲がり部を良好に保護することができる車両用排気系構造を得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係る車両用排気系構造は、車体前部に横置きされた内燃機関の排気ガスを車体後部から排出するための車両用排気系構造であって、排気ガス流れ方向の上流側から順に配置された第１触媒装置、第２触媒装置、排気熱回収器、及び消音装置と、前記第２触媒装置と前記排気熱回収器とを連結する第１の排気管と、車体前後方向に対し交差する方向に延在する部分を含み、車幅方向にオフセットして配置された前記排気熱回収器と前記消音装置とを連結する第２の排気管と、前記第１の排気管に対する排気ガス流れ方向下流側において、前記排気熱回収器、前記第２の排気管、及び前記消音装置を含む排気系要素の少なくとも一部を、車体に対し懸架する懸架手段と、前記第１の排気管に設けられ、前記第２触媒装置と前記排気熱回収器との相対変位を許容する振動遮断機構と、を備えている。

請求項１記載の車両用排気系構造では、内燃機関から排出された排気ガスは、第１触媒装置、第２触媒装置、排気熱回収器、消音装置の順に、車体前部から後部に向けて流れ、大気開放される。横置きされた内燃機関は、車幅方向に沿う軸廻りのロールを生じるため、懸架手段にて車体に支持された排気系の第２の排気管における車体前後方向との交差方向に延在する部分（曲がり部）は、ねじりや曲げ（荷重又は強制変位）を受けやすいが、このねじりや曲げは、振動遮断機構によって抑制（吸収）される。ここで、振動遮断機構よりも排気ガス流れ方向の上流側に位置する部分は、懸架手段による車体への被支持部とは切り離された部分（振動系）として把握することができる。そして、本車両用排気系構造では、第２触媒装置と排気熱回収器との間に配置された第１排気管に振動遮断機構が設けられているため、排気系における懸架手段にて車体に支持された振動系が短く（軽く）構成されており、共振周波数を高めることができる。これにより、曲がり部を有する第２の排気管や該排気管と排気系部品との接合部（溶接部等）は、内燃機関の振動に起因する共振に対する強度が向上する。

このように、請求項１記載の車両用排気系構造では、排気管の曲がり部を良好に保護することができる。

請求項２記載の発明に係る車両用排気系構造は、請求項１記載の車両用排気系構造において、前記第１触媒装置と、前記第２触媒装置と、前記第１の排気管と、前記排気熱回収器とは、平面視で車体前後方向に沿う直線状に配置されており、前記振動遮断機構は、前記第１の排気管における車体前後方向の前部と後部とが車体上下方向に相対変位することを許容するように構成されている。

請求項２記載の車両用排気系構造では、振動遮断機構は、第１の排気管の前部と後部との車体上下方向の相対変位を許容するため、横置き内燃機関のロールが第２の排気管の曲がり部に伝達されることを効果的に抑制することができる。

請求項３記載の発明に係る車両用排気系構造は、請求項１又は請求項２記載の車両用排気系構造において、前記懸架手段は、排気ガス流れ方向の最上流に位置する懸架部として、前記排気熱回収器を車体に対し懸架する熱回収器懸架部を有し、前記熱回収器懸架部は、前記排気熱回収部における低剛性部に固定された被支持部材を含んで構成されている。

請求項３記載の車両用排気系構造では、排気熱回収器における他の部分よりも剛性が低い（変形しやすい）低剛性部に固定された被支持部材を含む熱回収器懸架部が、懸架手段における排気ガス流れ方向の最上流の懸架部であり、振動遮断機構に最も近接して配置されている。このため、振動遮断機構で生じる変位が排気熱回収部の低剛性部の変形にて吸収される。これにより、排気熱回収器よりも排気ガス流れ方向下流側に位置する第２の排気管（曲がり部）に、内燃機関のロールに伴う荷重や強制変位が伝達されることが抑制され、該曲がり部の共振に対する強度が一層向上する。

請求項４記載の発明に係る車両用排気系構造は、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の車両用排気系構造において、前記第１触媒装置と第２触媒装置との相対変位を許容する振動遮断機構をさらに備えた。

請求項４記載の車両用排気系構造では、排気ガス流れ方向に第２触媒装置を挟むように、少なくとも２つの振動遮断機構が配置されている。すなわち、内燃機関と第２の排気管の曲がり部との間には少なくとも２つの振動遮断機構が配置されており、該第２の排気管の曲がり部に、内燃機関のロールに伴う荷重や強制変位が伝達されることが抑制され、該曲がり部の共振に対する強度がより一層向上する。また、２つの振動遮断機構を懸架手段による排気系の支持位置よりも排気ガス流れ方向の上流側に配置したため、懸架手段によって振動遮断機構による振動遮断作用が妨げられることが抑制される。

請求項５記載の発明に係る車両用排気系構造は、車体前部に横置きされた内燃機関の排気ガスを車体後部から排出するための車両用排気系構造であって、排気ガス流れ方向の上流側から順に配置された第１触媒装置、第２触媒装置、排気熱回収器、及び消音装置と、車体前後方向に対し交差する方向に延在する部分を含み、車幅方向にオフセットして配置された前記排気熱回収器と前記消音装置とを連結する排気管と、前記第１触媒装置と前記第２触媒装置との相対変位、又は前記第２触媒装置と前記排気熱回収器との相対変位を許容する振動遮断機構と、前記排気熱回収器の低剛性部に固定された被支持部材と、前記被支持部材を車体に支持される支持部材とを含む懸架手段と、を備えている。

請求項５記載の車両用排気系構造では、内燃機関から排出された排気ガスは、第１触媒装置、第２触媒装置、排気熱回収器、消音装置の順に、車体前部から後部に向けて流れ、大気開放される。横置きされた内燃機関は、車幅方向に沿う軸廻りのロールを生じるため、懸架手段にて車体に支持された排気系の排気管における車体前後方向に対し交差する方向に延在する部分（曲がり部）は、ねじりや曲げ（荷重又は強制変位）を受けやすいが、このねじりや曲げは、振動遮断機構によって抑制（吸収）される。ここで、本車両用排気系構造では、排気熱回収器を含む排気系は、該排気熱回収器の低剛性部に固定された被支持部材が支持部材を介して車体に支持されているため、振動遮断機構で生じる変位が排気熱回収部の低剛性部の変形にて吸収される。このため、排気熱回収器よりも排気ガス流れ方向下流側に位置する排気管の曲がり部に、内燃機関のロールに伴う荷重や強制変位が伝達されることが抑制される。これにより、曲がり部を有する第２の排気管や該排気管と排気系部品との接合部（溶接部等）は、内燃機関の振動に起因する共振に対する強度が向上する。

このように、請求項５記載の車両用排気系構造では、排気管の曲がり部を良好に保護することができる。

以上説明したように本発明に係る車両用排気系構造は、排気管の曲がり部を良好に保護することができるという優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係る車両用排気系構造１０について、図１乃至図７に基づいて説明する。先ず、車両用排気系構造１０が適用された排気系１１の概略全体構成を説明し、次いで車両用排気系構造１０を構成する排気系熱交換器１５について説明し、その後、車両用排気系構造１０における本発明の主要部を成す車体に対する排気系１１の支持構造を説明することとする。なお、以下の説明で、単に上流・下流の語を用いるときは、排気ガスの流れ方向の上流・下流を示すものとする。また、各図に示す矢印ＦＲ、矢印ＵＰ、矢印Ｗは、車両用排気系構造１０が適用された自動車の車体前後方向の前側（走行方向）、車体上下方向の上側、車幅方向をそれぞれ示すものとする。

（全体構成）
図１には、車両用排気系構造１０の概略全体構成が平面図にて示されており、図２には車両用排気系構造１０が側面図にて示されている。これらの図に示される如く、車両用排気系構造１０が適用された排気系１１は、排気ガス流路を形成するようになっており、上流から順に、排気ガスを浄化するための第１触媒装置としての第１触媒コンバータ１２、第２触媒コンバータ１４、エンジンの暖機促進や暖房維持のために排気ガスの熱回収する排気熱熱回収器としての排気系熱交換器１５、排気音を低減（消音）するためのマフラ１６が設けられ、これらの機器が排気管１８にて直列に連通されている。

より具体的には、第１触媒コンバータ１２は、図２に示される如く、内燃機関であるエンジン２０の排気マニホルド２０Ａに直付けされている。エンジン２０は、クランクシャフト２０Ｂの軸線方向が車幅方向に略一致する横置き形式で、車体前部に取り付けられている。この実施形態では、エンジン２０は、前輪駆動車（ＦＦ車）又は前輪駆動車をベースにした４輪駆動車に適用され、少なくとも図示しない前輪に駆動力を付与する構成とされている。また、図１及び図２に示される如く、この第１触媒コンバータ１２と第２触媒コンバータ１４とは、排気管１８の最上流部を構成する触媒間排気管２２を介して接続（連通）されている。第２触媒コンバータ１４と排気系熱交換器１５は、排気管１８の上流部を構成する第１排気管としての触媒−熱交換器間排気管２４を介して接続（連通）されている。

さらに、排気系熱交換器１５とマフラ１６とは、排気管１８の中間部を構成する第２排気管（排気管）としての熱交換器−マフラ間排気管２６を介して接続されている。熱交換器−マフラ間排気管２６は、マフラ１６のマフラインレットパイプ１６Ａに接続されている。また、マフラ１６のマフラアウトレットパイプ１６Ｂには、排気管１８の下流部を構成する下流側排気管２８の上流端に接続されている。下流側排気管２８すなわち排気管１８の下流端は、第１触媒コンバータ１２、１３にて浄化済の排気ガスを大気中に排出する大気開放部１８Ａとされている。

以上により、排気系１１では、車体前部に位置するエンジン２０の排気マニホルド２０Ａから排出された排気ガスは、第１触媒コンバータ１２、触媒間排気管２２、第２触媒コンバータ１４、触媒−熱交換器間排気管２４、排気系熱交換器１５、熱交換器−マフラ間排気管２６、マフラ１６、下流側排気管２８の順で流れ、車体後端部に位置する大気開放部１８Ａから大気開放される構成とされている。

（排気系熱交換器の構成）
排気系熱交換器１５は、排気ガスの熱を冷媒としてのエンジン冷却水に回収する構成とされており、図４に示される如く該排気ガスの流路とエンジン冷却水の流路とを隔てる隔壁パイプ３０を備えている。この実施形態では、隔壁パイプ３０は、そのパイプ壁の内外に螺旋状に形成された螺旋溝３０Ａ、３０Ｂが形成されている。螺旋溝３０Ａ、３０Ｂは、排気ガスとエンジン冷却水との熱交換を行う熱交換部１５Ａの略全長に亘り形成されており、隔壁パイプ３０の前後は、熱交換部１５Ａに対し前後にそれぞれ延設された排気ガス導入部３０Ｃ、排気ガス排出部３０Ｄとされている。

隔壁パイプ３０の内側には、略円筒状に形成されたバイパス管部としてのインナパイプ３２が同軸的に配置されている。この隔壁パイプ３０とインナパイプ３２との間に形成された空間が、排気系熱交換器１５の排気ガス流路３４とされている。また、隔壁パイプ３０は、略円筒状に形成されると共に同軸的に配置されたアウタパイプ３６にて外周側から覆われている。この隔壁パイプ３０とアウタパイプ３６との間の空間が排気系熱交換器１５のエンジン冷却水流路３８とされている。

排気系熱交換器１５では、排気ガス流れ方向におけるエンジン冷却水流路３８の形成範囲が、排気ガスとエンジン冷却水との熱交換が行われる熱交換部１５Ａとされており、インナパイプ３２は熱交換部１５Ａよりも上流側及び下流側に突出している。この排気系熱交換器１５におけるインナパイプ３２内の空間は、排気系熱交換器１５における熱交換部１５Ａをバイパスするための上流ガス流路としてのバイパス流路４０とされている。

より具体的には、図４に示される如く、インナパイプ３２の上流端３２Ａは、触媒−熱交換器間排気管２４の下流端が接続されており、インナパイプ３２の下流端３２Ｂは、排気ガス案内パイプ４２の上流端４２Ａに略同軸的に接続されている。なお、排気ガス案内パイプ４２に代えて、インナパイプ３２を下流側に延長しても良い。また、隔壁パイプ３０におけるアウタパイプ３６（エンジン冷却水流路３８）よりも上流に突出した排気ガス導入部３０Ｃ（熱交換部１５Ａよりも上流部分）の前端は、インナパイプ３２の上流端３２Ａの外周面に気密状態で接続されている。さらに、隔壁パイプ３０におけるアウタパイプ３６（エンジン冷却水流路３８）よりも下流に突出した隔壁パイプ３０の排気ガス排出部３０Ｄ（熱交換部１５Ａよりも下流部分）は、エンドパイプ４４を介して排気ガス案内パイプ４２に気密状態で接続されている。

そして、インナパイプ３２における隔壁パイプ３０の排気ガス導入部３０Ｃの内側に位置する部分には、該インナパイプ３２内の空間であるバイパス流路４０と排気系熱交換器１５の排気ガス流路３４と連通する透孔４６が設けられている。すなわち、透孔４６が排気ガス流路３４とバイパス流路４０との分岐部を構成している。一方、エンドパイプ４４には、排気ガス流路３４の内外を連通する透孔４８が設けられている。透孔４８及び排気ガス案内パイプ４２の下流側開口端４２Ｂは、上流側開口端５０Ａがエンドパイプ４４に気密状態で接続されたシェルとしての熱交換器後部シェル５０内の空間である排気ガス出口ヘッダ５２において、それぞれ開口している。

したがって、排気系熱交換器１５では、熱交換部１５Ａをバイパスしてバイパス流路４０を通過した排気ガスは、排気ガス案内パイプ４２の内側を経由して熱交換器後部シェル５０内の排気ガス出口ヘッダ５２に至り、一方、透孔４６を経由して排気ガス流路３４を通過した排気ガスは、排気ガス案内パイプ４２の外側、透孔４８を経由して熱交換器後部シェル５０内の排気ガス出口ヘッダ５２に至る構成とされている。

さらに、排気系熱交換器１５は、排気ガス案内パイプ４２の下流側開口端４２Ｂを開閉するためのバルブ装置５４を備えている。バルブ装置５４は、熱交換器後部シェル５０に支持された回動軸５６廻りに回動することで、排気ガス案内パイプ４２の下流側開口端４２Ｂを閉止する閉止姿勢（図４の実線参照）と、該閉止位置から矢印Ａ方向に回動して排気ガス案内パイプ４２の下流側開口端４２Ｂを開放する開放姿勢（図４の想像線参照）とをとり得るバルブ５８を備えている。閉止姿勢に位置するバルブ５８は、排気ガス案内パイプ４２における下流側開口端４２Ｂ廻りに設けられた弁座（シール）６０に当接する構成とされている。

車幅方向に長手とされた回動軸５６は、排気ガス案内パイプ４２に固定されたフレーム６２に熱交換器後部シェル５０に対し回転自在に支持されている。バルブ５８は、アーム６４を介して回動軸５６と一体回転可能に連結されている。これにより、バルブ５８は、回動軸５６廻りに回動することで上記した閉止姿勢と開放姿勢とをとり得る。また、回動軸５６における熱交換器後部シェル５０の外側に突出した端部には、バルブ５８を閉止姿勢に偏倚させるための付勢力を生じる付勢部材としてのリターンスプリング６６が設けられている。図３に示される如く、回動軸５６の端部やリターンスプリング６６は、遮熱カバー６８にて被覆されている。

以上説明したバルブ装置５４を有する排気系熱交換器１５では、排気ガスの圧力が低い場合には、リターンスプリング６６の付勢力によってバルブ５８が排気ガス案内パイプ４２すなわちバイパス流路４０を閉止し、排気ガスが熱交換部１５Ａの排気ガス流路３４を流通するようになっている。一方、排気ガスの圧力が所定値以上になると、バルブ５８はリターンスプリング６６の付勢力に抗して排気ガスの圧力に応じた開放姿勢をとるようになっている。この実施形態では、上記したエンジン２０が最高出力を発生する場合の排気ガスの圧力によって、バルブ５８は、排気ガスの圧力による最大開度となる開放姿勢（図２の想像線参照）をとる設定とされている。

また、この実施形態では、バルブ装置５４は、排気ガスと熱交換を行うエンジン冷却水の温度が所定温度以上である場合には、排気ガスの圧力に依らず強制的にバルブ５８を閉止姿勢で保持するようになっている。具体的には、図３に示される如く、アウタパイプ３６における排気ガス流れ方向の下流側には、内部がエンジン冷却水流路３８に連通した第１冷却水入口パイプ７０が接続されている。第１冷却水入口パイプ７０の端部には、作動端が遮熱カバー６８内に配設されたサーモアクチュエータ７２が配設されている。サーモアクチュエータ７２は、内部に充填したワックスの熱膨張によって、リターンスプリング６６の付勢力に抗して回動軸５６を回転させ得る構成とされている。この実施形態では、サーモアクチュエータ７２は、エンジン冷却水温が８０℃以上である場合に、回動軸５６を介してバルブ５８を排気ガス圧力による開放姿勢よりも開度が大きい全開姿勢とする（全開姿勢を維持する）ようになっている。図４に一転鎖線にて示す如く、全開姿勢は、閉止姿勢から矢印Ａ方向に略９０°回動した姿勢とされている。

図３に示される如く、第１冷却水入口パイプ７０の中間部には、該第１冷却水入口パイプ７０を経由して排気系熱交換器１５のエンジン冷却水流路３８にエンジン冷却水を導入するための第２冷却水入口パイプ７４が接続されている。一方、アウタパイプ３６における排気ガス流れ方向の上流側には、エンジン冷却水流路３８からエンジン冷却水を排出するための冷却水出口パイプ７６が接続されている。冷却水出口パイプ７６は、アウタパイプ３６の略上下方向頂部（最上部）に連通しており、第２冷却水入口パイプ７４は、アウタパイプ３６の上下方向頂部よりも若干下側に連通した第１冷却水入口パイプ７０の最上部であって、アウタパイプ３６の最上部よりも高位である部分に連通している。第２冷却水入口パイプ７４及び冷却水出口パイプ７６は、エンジン２０、ラジエータ、ヒータコアを含む冷却水循環路に、少なくともエンジン冷却水流れに沿ってエンジン２０と直列となるように接続されている。

以上により、排気系熱交換器１５は、排気ガスの流れ方向とエンジン冷却水の流れ方向とが反対向きである向流型熱交換器とされており、この実施形態では、排気系熱交換器１５は、排気ガスが螺旋溝３０Ａに沿って螺旋状の流れを生じると共に、エンジン冷却水が螺旋溝３０Ｂに沿って排気ガスとは逆向きの螺旋状の流れを生じることで、コンパクトで熱交換効率の高い構成とされている。また、排気系熱交換器１５では、バイパス流路４０を通過することによる排気ガスの圧力損失（背圧）が、排気ガス流路３４を通過することによる排気ガスの圧力損失に対し十分に小さく、バルブ５８が開放姿勢をとる場合に排気ガスは主にバイパス流路４０を流通するようになっている。

（車両用排気系構造）
図１に示される如く、車両用排気系構造１０では、第１触媒コンバータ１２、触媒間排気管２２、第２触媒コンバータ１４、触媒−熱交換器間排気管２４、排気系熱交換器１５は、平面視で車体前後方向に沿った略直線状に配置されている。なお、図２に示される如く、側面視においては、第１触媒コンバータ１２は車体上下方向に沿って配置され、第２触媒コンバータ１４、排気系熱交換器１５は、それぞれ水平方向に対し若干傾斜して配置されている。

また、図１に示される如く、上記の如く平面視で略直線状に配置された第１触媒コンバータ１２、触媒間排気管２２、第２触媒コンバータ１４、触媒−熱交換器間排気管２４、排気系熱交換器１５は、車幅方向の略中央部に位置している。そして、排気系熱交換器１５は、Ｂのフロアに形成されたトンネル部Ｔ（図１では、左右一対のトンネルサイドリインフォースメント８２に挟まれた部分）内に配置され、路面干渉や飛び石に対し保護されている。

一方、図１に示される如く、マフラ１６は、排気系熱交換器１５に対し車幅方向にオフセットして配置されている。この実施形態では、マフラ１６は、燃料タンク８４に車幅方向に並列して配置されている。このため、熱交換器−マフラ間排気管２６は、平面視で、その中央部（主要部）が車体前後方向との交差方向に延在する（車体前後方向に対し傾斜した）傾斜部２６Ａとされている。熱交換器−マフラ間排気管２６の後端側は、車体前後方向に略沿ったストレート部２６Ｂとされ、上記の通りマフラ１６のマフラインレットパイプ１６Ａに固定されている。したがって、車両用排気系構造１０は、燃料タンク８４を回避して排気系１１すなわちマフラ１６を配置するために、熱交換器−マフラ間排気管２６に傾斜部２６Ａを設けた構成であると把握することができる。

また、車両用排気系構造１０では、第１触媒コンバータ１２が上記の通りエンジン２０の排気マニホルド２０Ａに直付けされると共に、排気系１１における排気系熱交換器１５を含む後部が懸架手段８０によって車体Ｂに支持されている。この実施形態では、排気系１１は、排気系熱交換器１５がそれぞれ熱回収器懸架部としての２つのサポート部８６、８８にて車体Ｂに支持され、マフラ１６が１つのサポート部９０にて車体Ｂに支持され、下流側排気管２８が１つのサポート部９２にて車体Ｂに支持されている。以下、具体的に説明する。

図３に示される如く、排気系熱交換器１５を構成する隔壁パイプ３０における外部への露出部である排気ガス排出部３０Ｄには、平面視で排気系熱交換器１５の長手方向と略直角を成すように互いに反対向きに張り出した被支持部材としての被サポートロッド８６Ａ、８８Ａが固定されている。図４に示される如く、隔壁パイプ３０の排気ガス排出部３０Ｄは、排気系熱交換器１５の外郭におけるアウタパイプ３６とエンドパイプ４４との間で露出する１枚板部分とされている。すなわち、２つのサポート部８６、８８を構成する被サポートロッド８６Ａ、８８Ａは、共に排気系熱交換器１５における低剛性部（剛性最弱部位）に固定されている。

図１に示される如く、サポート部８６は、被サポートロッド８６Ａの先端部が、車体Ｂに固定されたサポートロッド８６Ｂが差し込まれたサポートゴム８６Ｃに長手方向の相対変位（熱伸びの吸収）が可能なように挿し込まれることで、排気系１１において質量が大きい部品である排気系熱交換器１５を車体Ｂに懸架（吊り支持）している。同様に、サポート部８８は、被サポートロッド８８Ａの先端部が、車体Ｂに固定されたサポートロッド８８Ｂが差し込まれたサポートゴム８８Ｃに長手方向の相対変位が可能なように挿し込まれることで、排気系１１において質量が最も大きい部品である排気系熱交換器１５を車体に懸架している。この実施形態では、サポートロッド８６Ｂ、８８Ｂは、左右のトンネルサイドリインフォースメント８２を架け渡すボディクロスメンバ９４に固定されている。

サポート部９０は、マフラ１６を構成するマフラシェル１６Ｃの後端１６Ｄに固定されて車幅方向外向きに張り出した被サポートロッド９０Ａを有する。被サポートロッド９０Ａは、車体Ｂに固定されたサポートロッド９０Ｂが差し込まれたサポートゴム９０Ｃに長手方向の相対変位（熱伸びの吸収）が可能なように挿し込まれることで、排気系１１において質量が比較的大きい部品であるマフラ１６を車体Ｂに懸架（吊り支持）している。また、サポート部９２は、下流側排気管２８における大気開放部１８Ａの近傍に固定されて車幅方向外向きに張り出した被サポートロッド９２Ａを有する。被サポートロッド９２Ａは、車体Ｂに固定されたサポートロッド９２Ｂが差し込まれたサポートゴム９２Ｃに長手方向の相対変位（熱伸びの吸収）が可能なように挿し込まれることで、排気管１８を構成する下流側排気管２８を車体Ｂに懸架（吊り支持）している。

図示は省略するが、４つのサポート部８６、８８、９０、９２（サポートゴム８６Ｃ、８Ｃ、９０Ｃ、９２Ｃ）が形成する仮想四角形の内側に、排気系１１の重心が位置する構成とされている。また、この実施形態では、上記した仮想四角形の内側に、排気系１１における触媒間排気管２２のボールジョイント９６（後述）よりも下流側部分の重心が位置する構成とされている。

また、車両用排気系構造１０は、エンジン２０の振動（クランクシャフト２０Ｂと平行な軸廻りのロール）が排気系熱交換器１５を含む排気系１１の後部に伝達されることを防止するための、振動遮断機構としてのボールジョイント９６を備えている。この実施形態では、ボールジョイント９６は、触媒間排気管２２、触媒−熱交換器間排気管２４にそれぞれ設けられており、触媒間排気管２２の前部２２Ａと後部２２Ｂとの相対変位、触媒−熱交換器間排気管２４の前部２４Ａと後部２４Ｂとの相対変位を許容する構成とされている。

より具体的には、図５（Ａ）に示される如く、ボールジョイント９６は、触媒間排気管２２、触媒−熱交換器間排気管２４の前部２２Ａ、２４Ａに設けられた第１フランジ９６Ａと、触媒間排気管２２、触媒−熱交換器間排気管２４の後部２２Ｂ、２４Ｂに球面部９６Ｃを有して設けられた第２フランジ９６Ｂとの間に、球面部９６Ｃに摺動可能に面接触する球面部を有するガスケット９６Ｄを挟み込むことで、触媒間排気管２２、触媒−熱交換器間排気管２４の前部２２Ａ、２４Ａと触媒−熱交換器間排気管２４の後部２２Ｂ、２４Ｂとを、球面部９６Ｃの中心廻りの相対角変位可能に連結する構造とされている。

そして、ボールジョイント９６では、第１フランジ９６Ａと第２フランジ９６Ｂとは、スプリング９６Ｅを介してボルト９６Ｆにて締結されている。図５（Ｂ）に示される如く、スプリング９６Ｅ、ボルト９６Ｆは、触媒間排気管２２、触媒−熱交換器間排気管２４を車幅方向に挟むように一対設けられている。これにより、ボールジョイント９６は、主に触媒間排気管２２、触媒−熱交換器間排気管２４の前部２２Ａ、２４Ａと触媒−熱交換器間排気管２４の後部２２Ｂ、２４Ｂとを、車体上下方向（図５（Ｂ）の矢印Ｘ参照）に相対角変位するように連結する構造とされている。

さらに、図３に示される如く、車両用排気系構造１０では、排気系熱交換器１５を構成する熱交換器後部シェル５０は、その車幅方向端面５０Ｂよりも熱交換器−マフラ間排気管２６の傾斜部２６Ａの延在方向に突出した突出部５０Ｃを有しており、該突出部５０Ｃの突出端５０Ｄにおいて熱交換器−マフラ間排気管２６（傾斜部２６Ａ）の上流端２６Ｃに溶接にて接合されている。すなわち、突出端５０Ｄと上流端２６Ｃとの溶接部Ｗｐは、平面視で、第１触媒コンバータ１２、触媒間排気管２２、第２触媒コンバータ１４、触媒−熱交換器間排気管２４、排気系熱交換器１５が成す直線に対し車幅方向にオフセットして位置している。また、車両用排気系構造１０では、排気系熱交換器１５を構成する熱交換器後部シェル５０が、マフラ間排気管２６の傾斜部２６Ａとで、排気管１８の曲がり部１８Ｂを構成している。

この突出部５０Ｃを形成するため、熱交換器後部シェル５０は、車幅方向の一方側を構成する半体９８と他方側を構成する半体９９との接合にて構成されており、例えば絞り加工等によって、半体９８に突出部５０Ｃが一体に形成されている。したがって、突出部５０Ｃは、熱交換器−マフラ間排気管２６と略同径の突出端５０Ｄに向けて徐々に流路断面積が縮小される略コーン形状とされている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

上記構成の車両用排気系構造１０が適用された排気系１１では、エンジン２０の運転に伴って生じる排気ガスは、排気管１８により連通された第１触媒コンバータ１２、第２触媒コンバータ１４、排気系熱交換器１５、マフラ１６を経由して、浄化・消音されて大気中に開放される。そして、排気系熱交換器１５では、エンジン冷却水温が低い場合には、サーモアクチュエータ７２に対しバルブ５８がフリーとされ、バルブ装置５４は自圧バルブとして作用する。このため、排気ガスの圧力が低い運転条件では、リターンスプリング６６の付勢力によって排気ガス案内パイプ４２すなわちバイパス流路４０が閉止され、排気ガスは、熱交換部１５Ａの排気ガス流路３４を流れ、エンジン冷却水流路３８を流れるエンジン冷却水との熱交換が行われる。これにより、エンジン２０の暖機促進や、低温始動時の暖房維持が果たされる。

例えば加速や登坂等のエンジン２０の出力が増す運転条件で、排気ガスの圧力が上昇すると、この排気ガスの圧力を受けたバルブ５８は、リターンスプリング６６の付勢力に抗し矢印Ａ方向に回動し、開放姿勢に至る。これにより、排気ガスは、主にバイパス流路４０を流れ、排気ガス流路３４を流れる場合と比較して背圧が低減される。すなわち、自圧バルブとして機能するバルブ装置５４を備えた車両用排気系構造１０では、エンジン２０の暖気等のための排気熱回収よりも出力確保のための背圧低減が優先される場合に、排気ガスが熱交換部１５Ａをバイパスしてバイパス流路４０を流れることで、自動的に背圧の低減が果たされる。そして、エンジン２０が最高出力を発生する際には、その排気ガスの圧力でバルブ５８が図４に示す想像線にて示す開放姿勢（排気ガスの圧力による最大開度）となる。

また、車両用排気系構造１０では、エンジン冷却水温が８０℃以上になると、サーモアクチュエータ７２がリターンスプリング６６の付勢力に抗するトルクを回動軸５６に付与してバルブ５８を全開位置に保持する。これにより、排気ガスは主にバイパス流路４０を流れ、排気ガス案内パイプ４２、熱交換器後部シェル５０の排気ガス出口ヘッダ５２を経由して排気管１８Ｃから排出される。すなわち、排気熱の回収が不要な運転状態では、排気ガス流路が自動的にバイパス流路４０に切り替えられる。

ところで、車体Ｂの前部に横置きされたエンジン２０は、クランクシャフト２０Ｂと平行な軸廻りのロール振動（図２の矢印Ｒ参照）を生じ、このような振動は、排気管１８の曲がり部１８Ｂを構成する熱交換器−マフラ間排気管２６における傾斜部２６Ａ、傾斜部２６Ａと熱交換器後部シェル５０との接合部である溶接部Ｗｐ等にねじりや曲げを生じさせやすい。

ここで、車両用排気系構造１０では、触媒−熱交換器間排気管２４にボールジョイント９６を設けたため、エンジン２０のロール振動が熱交換器−マフラ間排気管２６の傾斜部２６Ａに伝達されることが防止される。特に、ボールジョイント９６が主に触媒−熱交換器間排気管２４の前部２４Ａと後部２４Ｂとの車体上下方向の相対変位を許容すると共に、エンジン２０からの振動伝達経路である第１触媒コンバータ１２、触媒間排気管２２、第２触媒コンバータ１４、触媒−熱交換器間排気管２４、排気系熱交換器１５が平面視で略直線状に配置されているため、エンジン２０のロール振動の熱交換器−マフラ間排気管２６側への伝達が効果的に抑制される。

すなわち、第１触媒コンバータ１２、触媒間排気管２２、第２触媒コンバータ１４、触媒−熱交換器間排気管２４、排気系熱交換器１５が平面視で車体前後方向に沿う直線状に配置された車両用排気系構造１０では、エンジン２０のロール振動に伴う荷重又は強制変位が主に車幅方向との直交面に沿って作用する（車幅方向成分が小さい）ため、該荷重又は強制変位をボールジョイント９６にて効果的に遮断（吸収）することができる。

また、車両用排気系構造１０では、触媒−熱交換器間排気管２４にボールジョイント９６を設けたことにより、該ボールジョイント９６と懸架手段８０における排気系１１を懸架する最前のサポート部８６、８８との距離が短く設定されている。このため、ボールジョイント９６を中立位置で精度良く組み付けることができ、該ボールジョイント９６による振動遮断効果をより良好に発揮させることができる。

さらに、車両用排気系構造１０では、触媒−熱交換器間排気管２４にボールジョイント９６を設けたことにより、懸架手段８０によって車体Ｂに支持される排気系１１（が構成する振動系）の長さを見かけ上短くすることができる。具体的には、排気系１１における触媒−熱交換器間排気管２４に設けたボールジョイント９６（第２フランジ９６Ｂ）よりも車体前後方向後側（下流側）部分を、前側部分に対し独立した振動系として把握することができるため、排気系１１における懸架手段８０にて支持される振動系の共振周波数が高くなる。これにより、排気管１８の曲がり部１８Ｂを構成する熱交換器−マフラ間排気管２６の傾斜部２６Ａ、該傾斜部２６Ａと熱交換器後部シェル５０との接合部である溶接部Ｗｐ等は、エンジン２０のロール共振に対する強度が向上する。

一方、車両用排気系構造１０では、触媒間排気管２２にもボールジョイント９６が設けられているため、エンジン２０のロール振動の熱交換器−マフラ間排気管２６側への伝達が一層効果的に抑制される。すなわち、仮に２つ目のボールジョイント９６を熱交換器−マフラ間排気管２６や下流側排気管２８に設けた場合には、サポート部８６、８８とサポート部９０との間、又はサポート部９０とサポート部９２との間すなわち懸架手段８０による拘束部間にボールジョイント９６が配置されることになり、該ボールジョイント９６の動作が妨げられてしまう恐れがある。これに対して車両用排気系構造１０では、触媒間排気管２２にボールジョイント９６を配置したため、換言すれば、エンジン２０に拘束された第１触媒コンバータ１２と懸架手段８０による最前のサポート部８６、８８との間に２つのボールジョイント９６を配置したため、２つのボールジョイント９６が共に所要の振動遮断効果を果たさせることができる。

また、第２触媒コンバータ１４の上下流にそれぞれボールジョイント９６を設けたため、エンジン２０のロール振動に対し第２触媒コンバータ１４と触媒間排気管２２との接合部が保護される。仮に触媒間排気管２２にボールジョイント９６を設けない構成とした場合に、該触媒間排気管２２の上流端が接続された第１触媒コンバータ１２はエンジン２０に固定されているため、触媒−熱交換器間排気管２４に設けたボールジョイント９６の動作に伴う振動が触媒間排気管２２と第２触媒コンバータ１４との接合部に高い応力を作用させる恐れがある。これに対して車両用排気系構造１０では、触媒間排気管２２にボールジョイント９６を設けることで、第２触媒コンバータ１４が前後の拘束部（エンジン２０、懸架手段８０）に対し相対変位可能に支持（フリーに）されるので、触媒間排気管２２と第２触媒コンバータ１４との接合部が保護される。

さらに、車両用排気系構造１０では、懸架手段８０を構成する最前のサポート部８６、８８が排気系熱交換器１５における低剛性部である隔壁パイプ３０の排気ガス排出部３０Ｄに固定されているため、ボールジョイント９６の振動遮断動作に伴って、排気系熱交換器１５は、被サポートロッド８６Ａ、８８Ａの固定部である隔壁パイプ３０の排気ガス排出部３０Ｄの弾性変形による（排気ガス排出部３０Ｄを支点にした）首振り動作を行う。このため、ボールジョイント９６の振動遮断動作に伴う排気系熱交換器１５の下流部（後部）の変位が抑制され、該変位（振動）が熱交換器−マフラ間排気管２６に伝達されることが抑制される。これにより、特に熱交換器−マフラ間排気管２６の傾斜部２６Ａのねじり入力が効果的に抑制される。

さらに、車両用排気系構造１０では、排気系熱交換器１５を構成する熱交換器後部シェル５０がマフラ間排気管２６の傾斜部２６Ａとで排気管１８の曲がり部１８Ｂ（図３参照）を構成しているため、該排気管１８の曲がり部１８Ｂは、熱交換器後部シェル５０において他の部分（排気管１８の直線状部分）よりも断面積が大きく、曲げやねじりに対する強度が高い。しかも、熱交換器後部シェル５０に設けられた突出部５０Ｃは、傾斜部２６Ａに向けて断面積を徐変させているので、応力集中の生じやすい断面急変部が形成されず、曲がり部１８Ｂに過大な応力が作用することが防止される。さらに、突出部５０Ｃが熱交換器後部シェル５０の車幅方向端面５０Ｂよりも突出しているため、換言すれば、突出部５０Ｃの突出端５０Ｄと熱交換器−マフラ間排気管２６の上流端２６Ｃとの溶接部Ｗｐが、ねじり、曲げの入力部である排気系熱交換器１５の後端部から車幅方向に離間しているため、該溶接部Ｗｐに作用する応力を低減することができる。

この点について補足すると、例えば図６（Ａ）に示される如く、特定周波数で触媒−熱交換器間排気管２４のボールジョイント９６を車幅方向にずらすような振動モードが生じた場合に、曲がり部１８Ｂが過大な曲げを受けず、図６（Ｂ）にも示される如く、マフラ１６を後方に押すように熱交換器−マフラ間排気管２６が変位する排気管１８の変形モードが生じることが数値解析により確かめられた。また、図７（Ａ）に示される如く、別途特定周波数で触媒−熱交換器間排気管２４のボールジョイント９６を斜め後方にずらすような振動モードが生じた場合に、曲がり部１８Ｂが過大な曲げを受けず、図７（Ｂ）にも示される如く、マフラ１６を後方に押すように熱交換器−マフラ間排気管２６が変位する排気管１８の変形モードが生じることが数値解析により確かめられた。すなわち、車両用排気系構造１０が適用された排気系１１において、熱交換器後部シェル５０が曲がり部１８Ｂの少なくとも一部を構成することで、排気管１８の曲がり部１８Ｂ、溶接部Ｗｐに作用する応力を抑制することができることが解析的にも確認された。

以上により、車両用排気系構造１０が適用された排気系１１を備えた自動車では、車体下側の限られたスペースで、排気系熱交換器１５を備えた構成において燃料タンク８４との干渉を避けつつレイアウトすることができる。そして、懸架手段８０によって質量の大きい排気系熱交換器１５を含む排気系１１を少ない点数で車体Ｂに支持すると共に、エンジン２０のロールによる曲がり部１８Ｂに作用する応力を低減して該曲がり部１８Ｂを良好に保護することができる。これにより、車両用排気系構造１０を適用することで、例えばエンジン横置きＦＦ車糠の小型自動車に、排気系熱交換器１５を設けると共に燃料タンク８４との干渉を避けた排気系１１を設けることができる。

なお、上記した実施形態では、車両用排気系構造１０によって排気系熱交換器１４を含む排気系１１を車体に支持する例を示したが、本発明はこれに限定されず、各種形式の排気系熱交換器を有する排気系に対しても本発明を適用可能である。

また、上記した実施形態では、触媒間排気管２２にボールジョイント９６を設けた例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ブラケット等を介して第２触媒コンバータ１４をエンジン２０に支持させる構成においては、触媒間排気管２２のボールジョイント９６を不要とすることができる。

さらに、上記した実施形態では、懸架手段８０が４つのサポート部８６、８８、９０、９２を備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、３つのサポート部によって排気系１１を支持するようにしても良い。

またさらに、上記した実施形態では、触媒−熱交換器間排気管２４にボールジョイント９６を設けると共に、隔壁パイプ３０の排気ガス排出部３０Ｄに懸架手段８０の被サポートロッド８６Ａ、８８Ａを固定した例を示したが、本発明はこれに限定されず、上記２つの特徴的構成の何れか一方のみを備えて構成されても良い。

本発明の実施形態に係る車両用排気系構造が適用された排気系の平面図である。 本発明の実施形態に係る車両用排気系構造が適用された排気系の側面図である。 本発明の実施形態に係る車両用排気系構造を構成する排気系熱交換器の平面図である。 本発明の実施形態に係る車両用排気系構造を構成するバルブ装置を示す側断面図である。 本発明の実施形態に係る車両用排気系構造を構成するボールジョイントを示す図であって、（Ａ）は平面断面図、（Ｂ）は側面図である。 本発明の実施形態に係る車両用排気系構造が適用された排気系の特定周波数での振動状態を示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 本発明の実施形態に係る車両用排気系構造が適用された排気系の別途特定周波数での振動状態を示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。

符号の説明

１０ 車両用排気系構造
１２ 第１触媒コンバータ（第１触媒装置）
１４ 第２触媒コンバータ（第２触媒装置）
１５ 排気系熱交換器（排気熱回収器）
１６ マフラ（消音装置）
２０ エンジン（内燃機関）
２４ 触媒−熱交換器間排気管（第１の排気管）
２６ 熱交換器−マフラ間排気管（第２の排気管）
２６Ａ 傾斜部（車体前後方向との交差方向に延在する部分）
３０Ｄ 排気ガス排出部（排気熱回収器の低剛性部）
８０ 懸架手段
８６・８８ サポート部（熱回収器懸架部）
８６Ａ・８８Ａ 被サポートロッド（被支持部材）
９６ ボールジョイント（振動遮断機構）

Claims (5)

1. 車体前部に横置きされた内燃機関の排気ガスを車体後部から排出するための車両用排気系構造であって、
   排気ガス流れ方向の上流側から順に配置された第１触媒装置、第２触媒装置、排気熱回収器、及び消音装置と、
   前記第２触媒装置と前記排気熱回収器とを連結する第１の排気管と、
   車体前後方向に対し交差する方向に延在する部分を含み、車幅方向にオフセットして配置された前記排気熱回収器と前記消音装置とを連結する第２の排気管と、
   前記第１の排気管に対する排気ガス流れ方向下流側において、前記排気熱回収器、前記第２の排気管、及び前記消音装置を含む排気系要素の少なくとも一部を、車体に対し懸架する懸架手段と、
   前記第１の排気管に設けられ、前記第２触媒装置と前記排気熱回収器との相対変位を許容する振動遮断機構と、
   を備えた車両用排気系構造。
2. 前記第１触媒装置と、前記第２触媒装置と、前記第１の排気管と、前記排気熱回収器とは、平面視で車体前後方向に沿う直線状に配置されており、
   前記振動遮断機構は、前記第１の排気管における車体前後方向の前部と後部とが車体上下方向に相対変位することを許容するように構成されている請求項１記載の車両用排気系構造。
3. 前記懸架手段は、排気ガス流れ方向の最上流に位置する懸架部として、前記排気熱回収器を車体に対し懸架する熱回収器懸架部を有し、
   前記熱回収器懸架部は、前記排気熱回収部における低剛性部に固定された被支持部材を含んで構成されている請求項１又は請求項２記載の車両用排気系構造。
4. 前記第１触媒装置と第２触媒装置との相対変位を許容する振動遮断機構をさらに備えた請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の車両用排気系構造。
5. 車体前部に横置きされた内燃機関の排気ガスを車体後部から排出するための車両用排気系構造であって、
   排気ガス流れ方向の上流側から順に配置された第１触媒装置、第２触媒装置、排気熱回収器、及び消音装置と、
   車体前後方向に対し交差する方向に延在する部分を含み、車幅方向にオフセットして配置された前記排気熱回収器と前記消音装置とを連結する排気管と、
   前記第１触媒装置と前記第２触媒装置との相対変位、又は前記第２触媒装置と前記排気熱回収器との相対変位を許容する振動遮断機構と、
   前記排気熱回収器の低剛性部に固定された被支持部材と、前記被支持部材を車体に支持される支持部材とを含む懸架手段と、
   を備えた車両用排気系構造。

Images