KR20080065555A - 차량용 배기 시스템 구조 - Google Patents

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KR20080065555A
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도모키 마부치
히사시 니시노
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 배기관의 곡선부를 양호하게 보호할 수 있는 차량용 배기 시스템 구조에 관한 것이다. 차량용 배기 시스템 구조 (10) 는, 가로형 엔진을 갖는 전륜 구동 차량의 배기 가스를 차체 후방부로부터 배출하기 위한 것이며, 배기 가스 유동 방향의 상류 측으로부터 순서대로 제 1 촉매 변환기 (12), 제 2 촉매 변환기 (14), 배기 시스템 열 교환기 (15), 및 머플러 (16) 가 배치되어 구성된 배기 시스템 (11) 에 적용된다. 배기 시스템 (11) 에서, 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 머플러 (16) 에 연결하는 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 은 경사부 (26A) 를 갖고, 현가 수단 (80) 에 의해 배기 시스템 열 교환기 (15) 보다 더 후방에 놓인 배기 시스템 (11) 부분은 차체 (B) 에 현가 된다. 제 2 촉매 변환기 (14) 를 배기 시스템 열 교환기 (15) 에 연결하는 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 에는, 이러한 상대 변위를 허용하는 볼 조인트 (96) 가 설치되어 있다.
Figure P1020080002269
차량용 배기 시스템 구조.

Description

차량용 배기 시스템 구조{VEHICLE EXHAUST SYSTEM STRUCTURE}
본 발명은, 예를 들면 전륜 구동 (FF, Front-engine front-drive) 차량 등의 차체 전방부에 가로로 설치된 내연 기관의 차량용 배기 시스템 구조에 관한 것이며, 특히 배기 열을 회수하기 위한 배기 열 회수기를 포함하는 차량용 배기 시스템 구조에 관한 것이다.
예를 들면 일본 특허 출원 공개 공보 평 10－196358 호 및 2004－190610호 공보에 개시된 바와 같이, 가로형 내연 기관에 연결되어 있고, 촉매 변환기, 서브 머플러 및 메인 머플러가 순서대로 배기 가스 유동 방향의 상류측으로부터 직접 배치되어 있는 배기 시스템에 있어서, 서브 머플러와 메인 머플러를 연결하는 배기관에 곡선부가 구비되고, 촉매 변환기에 대한 배기 가스 유동 방향의 상류 및 메인 머플러에 대한 배기 가스 유동 방향의 바로 상류에 각각 볼 조인트가 구비되어 있는 구조가 공지되어 있다.
하지만, 상기 관련 기술에서는, 질량이 큰 배기 열 회수기가 구비되는 경우 배기관의 곡선부에 큰 힘이 작용하는 것이 염려되며, 이 점에 있어서 여전히 개선될 여지가 존재해 왔다.
본 발명은 상기의 상황을 고려하여 이루어졌으며, 차량용 배기 시스템 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 배기관의 곡선부를 양호하게 보호할 수가 있는 차량용 배기 시스템 구조를 제공한다.
본 발명의 제 1 태양은, 차체의 전방부에 가로로 설치된 내연 기관의 배기 가스를 차체 후방부로 배출하기 위한 차량용 배기 시스템 구조를 제공하며, 상기 차량용 배기 시스템 구조는, 배기 가스 유동 방향의 상부측으로부터 그 순서대로 배치된 제 1 촉매 장치, 제 2 촉매 장치, 배기 열 회수기 및 소음 장치; 제 2 촉매 장치를 상기 배기 열 회수기에 연결하는 제 1 배기관; 차체 전후방향을 가로지르는 방향으로 연장되는 부분을 포함하며, 차폭 방향으로 소음기에 대해 오프셋 되어 있는 배기 열 회수기를 소음기에 연결하는 제 2 배기관; 상기 제 1 배기관에 대해 배기 가스 유동 방향 하류 측에서 배기 열 회수기, 상기 제 2 배기관 및 소음기를 포함하는 배기 시스템 요소의 적어도 일부를, 차체에 대해 현가하는 현가 수단; 및 상기 제 1 배기관에 설치되어 상기 제 2 촉매 장치와 상기 배기 열 회수기 사이의 상대 변위를 허용하는 진동 차단 기구를 포함한다.
상기 태양에 따르면, 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스는, 배기 가스 유동 방향의 상부측으로부터 그 순서대로 배치된 제 1 촉매 장치, 제 2 촉매 장치, 배기 열 회수기, 소음 장치를 통하여, 차체 전방부에서 후방부 쪽으로 흘러 대기에 배출된다. 가로로 설치된 내연 기관은 차폭 방향을 따라 축선 주위로 롤링을 일으키기 때문에, 현가 장치에서 차체 상에 지지된 배기 시스템의 제 2 배기관의 차체 전후방향과 교차하는 방향으로 연장되는 부분 (곡선부) 은, 비틀림이나 휨 (하중 또는 강제 변위) 을 받게 되지만, 이 비틀림이나 휨은, 진동 차단 기구에 의해 억제 (흡수) 된다. 여기서, 진동 차단 기구보다 배기 가스 유동 방향의 더 상류 측에 위치하는 부분은, 현가 장치에 의한 차체 상의 피지지부와는 분리된 부분 (진동 시스템) 으로 파악할 수 있다. 또한, 차량용 배기 시스템 구조에서는, 제 2 촉매 장치와 배기 열 회수기 사이에 배치된 제 1 배기관에 진동 차단 기구가 설치되어 있기 때문에, 현가 장치에 의해 차체 상에 지지된 배기 시스템의 진동 시스템은 짧게 (가볍게) 구성되어 있어 공진 주파수를 높일 수 있으며, 이에 의해, 곡선부를 갖는 제 2 배기관이나, 배기관과 배기 시스템 부품 사이의 접합부 (용접부 등) 는, 내연 기관의 진동에 기인하는 공진에 대한 강도를 향상시킬 수 있게 된다.
상기 태양에 따르면, 배기관의 곡선부가 양호하게 보호될 수 있다.
상기 태양에서, 상기 제 1 촉매 장치, 제 2 촉매 장치, 제 1 배기관 및 배기 열 회수기는, 평면상에서 볼 때 차체 전후방향을 따라 직선으로 배치될 수도 있으며, 상기 진동 차단기구는 상기 제 1 배기관의 차체 전후방향의 전방부와 후방부가 차체 상하 방향으로 상대 변위하는 것을 허용하는 방식으로 구성될 수도 있다.
상기 태양에 따르면, 진동 차단 기구는 제 1 배기관의 전방부와 후방부 사이 의 차체 상하 방향의 상대 변위를 허용하기 위해, 가로형 내연 기관의 롤링이 제 2 배기관의 곡선부에 전달되는 것이 효과적으로 억제될 수 있다.
상기 태양에서, 상기 현가 장치는, 상기 배기 열 회수기를 차체에 대해 현가 하고, 배기 가스 유동 방향의 최상류에 위치하는 열 회수기 현가부를 가질 수도 있으며, 상기 열 회수기 현가부는, 상기 배기 열 회수기의 저강성부에 고정된 피지지 부재를 포함할 수도 있다.
상기 태양에 따르면, 배기 열 회수기의 다른 부분보다 강성이 낮은 (변형하기 쉬운) 저강성부에 고정된 피지지 부재를 포함한 열 회수기 현가부는, 현가 장치의 배기 가스 유동 방향의 최상류의 현가부이며, 진동 차단 기구에 가장 근접해 배치되어 있다. 이 때문에, 진동 차단 기구 내에 발생하는 변위는 배기 열 회수부의 저강성부의 변형에 의해 흡수되며, 이에 의해 배기 열 회수기보다 배기 가스 유동 방향 하류 측에 위치하는 제 2 배기관 (곡선부) 에, 내연 기관의 롤링에 수반하는 하중이나 강제 변위가 전달되는 것이 억제되어 곡선부의 공진에 대한 강도가 더욱 향상된다.
상기 태양에서, 상기 제 1 촉매 장치와 제 2 촉매 장치 사이의 상대 변위를 허용하는 진동 차단 기구가 더 구비될 수도 있다.
상기 태양에 따르면, 배기 가스 유동 방향에 제 2 촉매 장치를 사이에 유지하도록 2 개 이상의 진동 차단 기구가 배치되어 있다. 즉, 내연 기관과 제 2 배기관의 곡선부 사이에는 2개 이상의 진동 차단기구가 배치되어, 제 2 배기관의 곡선부에 내연 기관의 롤링에 수반하는 하중이나 강제 변위가 전달되는 것이 억제 되어, 곡선부의 공진에 대한 강도가 더욱 향상된다. 또한, 2 개의 진동 차단 기구를 현가 장치에 의한 배기 시스템의 지지 위치보다 배기 가스 유동 방향의 상류 측에 배치했기 때문에, 현가 장치에 의해 진동 차단 기구에 의한 진동 차단 작용이 방해되는 것이 억제된다.
상기 태양에서, 상기 제 2 배기관의 곡선부는, 상기 배기 열 회수기의 일 단부에 형성된 쉘이이며, 상기 제 2 배기관의 차체 전후방향으로 교차하는 방향으로 연장되는 경사부로 구성될 수도 있다.
상기 태양에 따르면, 제 2 배기관의 곡선부는, 쉘의 다른 부분 (배기관의 직선 부분) 보다 단면적이 크기 때문에, 휨이나 비틀림에 대한 강도가 증가될 수 있다.
상기 태양에서, 쉘은 차폭 방향 단면보다 상기 경사부가 연장되는 방향으로 돌출하는 돌출부를 포함할 수도 있다.
상기 태양에 따르면, 돌출부의 돌출 단부와 제 2 배기관의 상류 단부와의 용접부가 비틀림 또는 휨이 입력되는 부분인 배기 열 회수기의 후단부로부터 차폭 방향으로 이격되어 있기 때문에, 용접부에 작용하는 응력은 저감될 수 있다.
본 발명의 제 2 태양은, 차체 전방부에 가로로 설치된 내연 기관의 배기 가스를 상기 차체 후방부로부터 배출하기 위한 차량용 배기 시스템 구조를 제공하며, 상기 배기 시스템 구조는, 배기 가스 유동 방향의 상부 측으로부터 그 순서대로 배치된 제 1 촉매 장치, 제 2 촉매 장치, 배기 열 회수기 및 소음 장치; 차체 전후방향을 가로지르는 방향으로 연장되는 부분을 포함하며, 차폭 방향으로 소음기에 대 해 오프셋 되어 있는 배기 열 회수기를 소음기에 연결하는 배기관; 상기 제 1 촉매 장치와 제 2 촉매 장치 사이의 상대적 변위, 또는 상기 제 2 촉매 장치와 상기 배기 열 회수기 사이의 상대 변위를 허용하는 진동 차단 기구; 및 상기 배기 열 회수기의 저 강성부에 고정된 피지지 부재 및 상기 피지지 부재를 상기 차체 상에 지지하는 지지 부재를 포함하는 현가 수단을 포함한다.
상기 태양에 따르면, 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스는, 제 1 촉매 장치, 제 2 촉매 장치, 배기 열 회수기, 소음 장치가 그 순서대로, 차체 전방부에서 후방부 쪽으로 흘러 대기로 배출된다. 가로로 설치된 내연 기관은, 차폭 방향을 따른 축선 주위의 롤링을 일으키기 때문에, 현가 장치에서 차체에 지지된 배기 시스템의 배기관에 있어서의 차체 전후방향으로 교차하는 방향으로 연장되는 부분 (곡선부) 은, 비틀림이나 휨 (하중 또는 강제 변위) 을 받게 되지만, 이 비틀림이나 휨은 진동 차단 기구에 의해 억제 (흡수) 된다. 여기서, 차량용 배기 시스템 구조에서, 배기 열 회수기를 포함한 배기 시스템은, 배기 열 회수기의 저강성부에 고정된 피지지 부재가 지지 부재를 통하여 차체 상에 지지되고 있기 때문에, 진동 차단 기구로 생기는 변위가 배기 열 회수부의 저강성부의 변형에 의해 흡수된다. 이 때문에, 배기 열 회수기보다 배기 가스 유동 방향이 더 하류 측에 위치하는 배기관의 곡선부에, 내연 기관의 롤링에 수반하는 하중이나 강제 변위가 전달되는 것이 억제되며, 이에 의해, 곡선부를 갖는 배기관이나 배기관과 배기 시스템 부품 사이의 접합부 (용접부 등) 은 내연 기관의 진동에 기인하는 공진에 대한 강도를 향상시킬 수 있게 된다.
상기 태양에 따르면, 배기관의 곡선부가 양호하게 보호될 수 있다.
상기 태양에서, 배기관의 곡선부는, 배기 열 회수기의 일 단부에 형성된 쉘, 및 상기 배기관의 차체 전후방향으로 교차하는 방향으로 연장되는 경사부로 구성될 수도 있다.
상기 태양에 따르면, 배기관의 곡선부는, 쉘 내의 다른 부분 (배기관의 직선 부분) 보다 단면적이 크기 때문에, 휨이나 비틀림에 대한 강도가 증가될 수 있다.
상기 태양에서, 쉘은 차폭 방향 단면보다 상기 경사부가 연장되는 방향으로 돌출하는 돌출부를 포함할 수도 있다.
상기 태양에 따르면, 돌출부의 돌출 단부와 배기관의 상류 단부와의 용접부가, 비틀림 또는 휨이 입력되는 부분인 배기 열 회수기의 후단부로부터 차폭 방향으로 이격되어 있기 때문에, 용접부에 작용하는 응력은 저감될 수 있다.
본 발명의 차량용 배기 시스템 구조는, 배기관의 곡선부가 양호하게 보호될 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
이하에서는, 본 발명의 전형적인 실시 형태의 실시예를, 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 가 적용된 배기 시스템 (11) 의 전체적인 구성을 개략적으로 설명하고, 다음으로 상기 차량용 배기 시스템 구조 (10) 를 구성하는 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 설명하고, 그 후 상기 차량용 배기 시스 템 구조 (10) 에 있어서의 본 발명의 주요부를 구성하는 차체에 대한 상기 배기 시스템 (11) 의 지지 구조를 설명하기로 한다. 이하의 설명에 있어서, 단순히 상류 및 하류와 같은 용어가 사용되는 경우, 그것들은 배기 가스 유동 방향의 상류 또는 하류를 나타내는 것으로 한다. 또한, 각 도면 상에 도시된 화살표 (FR), 화살표 (UP) 및 화살표 (W) 는 각각 상기 차량용 배기 시스템 구조 (10) 가 적용된 차체 전후방향에서의 자동차의 전방측 (주행 방향), 차량 수직 방향의 상부측 및 차폭 방향을 나타낸다.
(전체적인 구성)
도 1 은 상기 차량용 배기 시스템 구조 (10) 의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내며, 도 2 는 상기 차량용 배기 시스템 구조 (10) 의 측면도를 나타낸다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 상기 차량용 배기 시스템 구조 (10) 가 적용된 배기 시스템 (11) 은 배기 가스 유로를 형성하도록 되어 있으며, 배기 가스의 정화를 위한 제 1 촉매 장치로서의 제 1 촉매 변환기 (12), 제 2 촉매장치로서의 제 2 촉매 변환기 (14), 엔진의 난기 운전 (warm-up) 을 촉진하고 난방 유지를 위해, 배기 가스에 의해 발생한 열 회수 목적의 배기 열 회수기로서의 배기 시스템 열 교환기 (15), 및 배기 소음의 저감 (소음 방지 (silencing)) 을 위한 머플러 (16) 가 상류측으로부터 그 순서대로 설치되며, 이 장치들은 배기관 (18) 에 의해 서로 직렬로 연통하게 된다.
보다 구체적으로는, 도 2 에 도시된 바와 같이, 제 1 촉매 변환기 (12) 는 내연 기관인 엔진 (20) 의 배기 매니폴드 (20A) 에 직접 연결되어 있다. 엔진 (20) 은, 크랭크 축 (20B) 의 축선 방향이 차폭 방향과 대략 일치하는 가로 형태이며, 차체 전방부에 설치된다. 이 실시 형태에서, 엔진 (20) 은, 전륜 구동 차량 (FF 차량) 또는 전륜 구동 차량을 기초로 한 4 륜 구동 차량에 적용되며, 적어도 전륜 (도시 생략) 에 구동력을 부여하도록 구성되어 있다. 또한, 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 제 1 촉매 변환기 (12) 및 제 2 촉매 변환기 (14) 는, 배기관 (18) 의 최상류부를 구성하는 촉매 변환기 간 배기관 (22) 을 통하여 연결 (연통) 되어 있다. 제 2 촉매 변환기 (14) 및 배기 시스템 열 교환기 (15) 는, 배기관 (18) 의 상류부를 구성하는 제 1 배기관으로서의 열 교환기 배기관 (24) 에 대한 촉매 변환기를 통하여 서로 연결 (연통) 되어 있다.
또한, 배기 시스템 열 교환기 (15) 및 머플러 (16) 는, 배기관 (18) 의 중간부를 구성하는 제 2 배기관 (배기관) 으로서의 열 교환기와 머플러간 배기관 (26) 을 통하여 서로 연결되어 있다. 열 교환기와 머플러간 배기관 (26) 은, 머플러 (16) 의 머플러 유입관 (16A) 에 연결되어 있다. 또한, 머플러 (16) 의 머플러 유출관 (16B) 은 배기관 (18) 의 하류부를 구성하는 하류 측 배기관 (28) 의 상류 단부에 연결되어 있다. 하류 측 배기관 (28), 즉 배기관 (18) 의 하류 단부는, 촉매 변환기 (12, 14) 에 의해서 정화제의 배기 가스가 대기중으로 배출되는 대기 개방부 (18A) 로 구성되어 있다.
상기 배기 시스템 (11) 구성의 결과로, 차체 전방부에 위치하는 엔진 (20) 의 배기 매니폴드 (20A) 로부터 배출된 배기 가스는, 제 1 촉매 변환기 (12), 촉매 변환기 간 배기관 (22), 제 2 촉매 변환기 (14), 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기 관 (24), 배기 시스템 열 교환기 (15), 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26), 머플러 (16), 및 하류 측 배기관 (28) 의 순서로 흘러 차체 후단부에 위치하는 대기 개방부 (18A) 로부터 대기로 배출된다.
(배기 시스템 열 교환기의 구성)
배기 시스템 열 교환기 (15) 는, 배기 가스에 의해 발생한 열을 냉매로서의 엔진 냉각수에 회수하도록 구성되어 있으며, 도 4 에 나타나 있는 바와 같이, 배기 가스의 유로와 엔진 냉각수의 유로를 격리하는 격벽 파이프 (30) 를 포함한다. 이 실시 형태에서, 격벽 파이프 (30) 는, 그 파이프 벽의 내외 표면상에 나선 모양으로 형성된 나선 홈 (30A, 30B) 을 갖는다. 나선 홈 (30A, 30B) 은, 배기 가스와 엔진 냉각수 사이의 열 교환이 이루어지는 열 교환부 (15A) 의 대략 전체 길이를 따라 형성되어 있으며, 격벽 파이프 (30) 의 전방부 및 후방부는, 열 교환부 (15A) 에 대해 전방 및 후방으로 각각 연장되는 배기 가스 도입부 (30C) 및 배기 가스 배출부 (30D) 로 구성되어 있다.
격벽 파이프 (30) 의 내부에는, 실질적으로 원통형으로 형성된 우회 관부로서의 내관 (32) 이 동축선 상으로 배치되어 있다. 이 격벽 파이프 (30) 와 내관 (32) 사이에 형성된 공간이 배기 시스템 열 교환기 (15) 의 배기 가스 유로 (34) 를 구성하도록 되어 있다. 또한, 격벽 파이프 (30) 는 실질적으로 원통형으로 형성되어 있으면서 동축선 상으로 배치된 외부관 (36) 으로 외주 측으로부터 덮여 있다. 이 격벽 파이프 (30) 와 외부관 (36) 사이의 공간이 배기 시스템 열 교환기 (15) 의 엔진 냉각수 유로 (38) 를 구성하도록 되어 있다.
배기 시스템 열 교환기 (15) 에서는, 배기 가스 유동 방향에 있어서의 엔진 냉각수 유로 (38) 의 형성 범위가, 배기 가스와 엔진 냉각수와의 열 교환을 하는 열 교환부 (15A) 를 구성하도록 되어 있으며, 내관 (32) 은 열 교환부 (15A) 보다 상류 측 및 하류 측으로 돌출된다. 이 배기 시스템 열 교환기 (15) 에 있어서의 내관 (32) 내의 공간은, 배기 시스템 열 교환기 (15) 에 있어서의 열 교환부 (15A) 를 우회하기 위한 상류 가스 유로로서의 우회 유로 (40) 를 구성하도록 되어 있다.
보다 구체적으로는, 도 4 에 나타나 있는 바와 같이, 내관 (32) 의 상류 단부 (32A) 에는 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 의 하류단이 연결되어 있고, 내관 (32) 의 하류단 (32B) 은, 배기 가스 안내 파이프 (42) 의 상류 단부 (42A) 에 거의 동축선 상으로 연결되어 있다. 덧붙여 배기 가스 안내 파이프 (42) 대신에, 내관 (32) 이 하류 측으로 연장될 수도 있다. 또한, 격벽 파이프 (30) 에 있어서의 외부관 (36) (엔진 냉각수 유로 (38)) 보다 상류로 돌출된 배기 가스 도입부 (30C) (열 교환부 (15A) 보다 상류 부분) 의 전방 단부는, 내관 (32) 의 상류 단부 (32A) 의 외주면에 기밀 상태로 연결되어 있다. 또한, 격벽 파이프 (30) 에 있어서의 외부관 (36) (엔진 냉각수 유로 (38)) 보다 하류로 돌출된 격벽 파이프 (30) 의 배기 가스 배출부 (30D) (열 교환부 (15A) 보다 하류 부분) 는, 단부 파이프 (44) 를 통하여 배기 가스 안내 파이프 (42) 에 기밀 상태로 연결되어 있다.
또한, 격벽 파이프 (30) 의 배기 가스 도입부 (30C) 의 내부에 있는 내관 (32) 부분에는, 내관 (32) 내의 공간인 우회 유로 (40) 와 배기 시스템 열 교환기 (15) 의 배기 가스 유로 (34) 사이로 연통하는 관통 구멍 (46) 이 설치되어 있다. 즉, 관통 구멍 (46) 이 배기 가스 유로 (34) 와 우회 유로 (40) 사이의 분기부를 구성한다. 한편, 단부 파이프 (44) 에는, 배기 가스 유로 (34) 의 내부와 외부 사이를 연통하는 관통 구멍 (48) 이 설치되어 있다. 관통 구멍 (48) 및 배기 가스 안내 파이프 (42) 의 하류측 개구 단부 (42B) 는, 상류측 개구 단부 (50A) 가 단부 파이프 (44) 에 기밀 상태로 접속된 쉘로서의 열 교환기 후방부 쉘 (50) 내의 공간인 배기 가스 출구 헤더 (52) 에 대해 각각 개방되어 있다.
따라서, 배기 시스템 열 교환기 (15) 에서는, 열교환부 (15A) 를 우회하여 우회 유로 (40) 를 통과한 배기 가스가, 배기 가스 안내 파이프 (42) 의 내부를 경유해 열 교환기 후방부 쉘 (50) 내의 배기 가스 출구 헤더 (52) 에 이르게 되며, 한편, 관통 구멍 (46) 을 경유해 배기 가스 유로 (34) 를 통과한 배기 가스는, 배기 가스 안내 파이프 (42) 의 외부 및 관통 구멍 (48) 을 경유해 열 교환기 후방부 쉘 (50) 내의 배기 가스 출구 헤더 (52) 에 이르게 된다.
또한, 배기 시스템 열 교환기 (15) 는, 배기 가스 안내 파이프 (42) 의 하류 측 개구 단부 (42B) 를 개폐하기 위한 밸브 장치 (54) 를 포함한다. 밸브 장치 (54) 는, 열 교환기 후방부 쉘 (50) 에 의해 지지되는 회전축 (56) 주위로 회전하여 배기 가스 안내 파이프 (42) 의 하류측 개구 단부 (42B) 를 폐쇄하는 폐쇄 위치 (도 4 의 실선 참조), 및 폐쇄 위치로부터 화살표 (A) 방향으로 회전하여 배기 가스 안내 파이프 (42) 의 하류측 개구 단부 (42B) 를 개방하는 개방 위치 (도 4 의 가상선 참조) 를 취할 수 있는 밸브 (58) 를 포함한다. 폐쇄 위치에 위치하는 밸브 (58) 는, 배기 가스 안내 파이프 (42) 의 하류측 개구 단부 (42B) 주위에 구비된 밸브 시트 (시일 (seal)) (60) 에 인접하도록 구성되어 있다.
차폭 방향으로 기다란 회전축 (56) 은, 배기 가스 안내 파이프 (42) 에 고정된 프레임 (62) 상에 열 교환기 후방부 쉘 (50) 에 대해 회전할 수 있는 방식으로 지지되고 있다. 밸브 (58) 는, 회전축 (56) 과 함께 회전 가능하도록 아암 (64) 을 통하여 회전축 (56) 에 연결되어 있으며, 이에 의해 밸브 (58) 는, 회전축 (56) 주위로 회전할 수 있게 되어 상기 폐쇄 위치 및 개방 위치를 취할 수 있게 된다. 또한, 열 교환기 후방부 쉘 (50) 의 외측으로 돌출된 회전축 (56) 의 단부 상에는, 밸브 (58) 를 폐쇄 위치로 바꾸기 위한 편향력을 발생시키는 편향 부재로서 기능하는 리턴 스프링 (66) 이 설치되어 있다. 도 3 에 나타나 있는 바와 같이, 회전축 (56) 의 단부 및 리턴 스프링 (66) 은 단열 덮개 (68) 로 덮여있다.
이상 설명한 밸브 장치 (54) 를 갖는 배기 시스템 열 교환기 (15) 에서는, 배기 가스의 압력이 낮은 경우, 리턴 스프링 (66) 의 편향력에 의해 밸브 (58) 가 배기 가스 안내 파이프 (42) 즉 우회 유로 (40) 를 폐쇄하여, 배기 가스가 열 교환부 (15A) 의 배기 가스 유로 (34) 를 통하여 유동하게 된다. 한편, 배기 가스의 압력이 소정 값 이상이 되면, 밸브 (58) 는 리턴 스프링 (66) 의 편향력에 저항한 배기 가스의 압력에 따라 개방 위치를 취하게 된다. 이 실시 형태에서는, 엔진 (20) 의 최고 출력이 발생하는 경우의 배기 가스의 압력에 의해, 밸브 (58) 는, 배기 가스의 압력에 의한 최대 개방도가 되는 개방 위치 (도 4 의 가상선 참 조) 를 취하도록 설정된다.
또한, 이 실시 형태에서, 밸브 장치 (54) 는, 배기 가스와 열 교환을 실시하는 엔진 냉각수의 온도가 소정 온도 이상인 경우, 배기 가스의 압력에 무관하게 강제로 밸브 (58) 를 개방 위치에 유지하게 된다. 구체적으로는, 도 3 에 나타나 있는 바와 같이, 배기 가스 유동 방향에 있어서 외부관 (36) 의 하류 측에는, 내부가 엔진 냉각수 유로 (38) 와 연통하는 제 1 냉각수 유입관 (70) 이 연결되어 있다. 제 1 냉각수 유입관 (70) 의 단부에는, 작동 단부가 단열 덮개 (68) 내에 구비된 열 액추에이터 (72) 가 구비되어 있다. 열 액추에이터 (72) 는, 내부에 충전된 왁스의 열 팽창에 의해, 리턴 스프링 (66) 의 편향력에 저항해 회전축 (56) 을 회전시키도록 구성되어 있다. 이 실시 형태에서, 열 액추에이터 (72) 는, 엔진 냉각수 온도가 80 ℃ 이상인 경우, 회전축 (56) 을 통하여 밸브 (58) 를 배기 가스 압력에 의한 개방 위치보다 개방도가 큰 전개 (full open) 위치를 취하도록 (밸브 (58) 가 전개 위치를 유지하도록) 이루어져 있다. 도 4 에서 일점쇄선으로 표시된 바와 같이, 전개 위치는, 폐쇄 위치로부터 화살표 (A) 방향으로 약 90°회전한 위치이다.
도 3 에 나타나 있는 바와 같이, 제 1 냉각수 유입관 (70) 의 중간부에는, 제 1 냉각수 유입관 (70) 을 경유해 배기 시스템 열 교환기 (15) 의 엔진 냉각수 유로 (38) 에 엔진 냉각수를 도입하기 위한 제 2 냉각수 유입관 (74) 이 연결되어 있다. 한편, 배기 가스 유동 방향에 있어서 외부관 (36) 의 상류 측에는, 엔진 냉각수 유로 (38) 로부터 엔진 냉각수를 배출하기 위한 냉각수 유출관 (76) 이 연 결되어 있다. 냉각수 유출관 (76) 은 외부관 (36) 의 실질적으로 수직 방향 꼭대기 (최상부) 와 연통하며, 제 2 냉각수 유입관 (74) 은 외부관 (36) 의 수직 방향 꼭대기보다 약간 아래쪽과 연통하는 제 1 냉각수 유입관 (70) 의 최상부에서 만나며, 외부관 (36) 의 최상부보다 더 높은 부분에 연통하고 있다. 제 2 냉각수 유입관 (74) 및 냉각수 유출관 (76) 은, 엔진 (20), 라디에이터, 히터 코어를 포함한 냉각수 순환 경로에, 적어도 엔진 냉각수 유동에 따라 엔진 (20) 과 직렬이 되도록 연결되어 있다.
따라서, 배기 시스템 열 교환기 (15) 는, 배기 가스의 유동 방향과 엔진 냉각수의 유동 방향이 반대인 대향류 열 교환기가 되며, 이 실시 형태에서, 배기 시스템 열 교환기 (15) 는, 배기 가스가 나선 홈 (30A) 을 따라 나선 모양의 유동을 일으킴과 동시에, 엔진 냉각수가 나선 홈 (30B) 에 따라 배기 가스와는 역방향의 나선 모양의 유동을 일으키기 때문에, 컴팩트한 크기이며 열 교환 효율의 높은 구성으로 되어 있다. 또한, 배기 시스템 열 교환기 (15) 에서는, 우회 유로 (40) 를 통과하는 통로에 의한 배기 가스의 압력 손실 (배압) 이 배기 가스 유로 (34) 를 통과하는 통로에 의한 배기 가스의 압력 손실에 대해 충분히 작고, 밸브 (58) 가 개방 위치를 취하는 경우에 배기 가스는 주로 우회 유로 (40) 를 통하여 유동하게 되어 있다.
(차량용 배기 시스템 구조)
도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서, 제 1 촉매 변환기 (12), 촉매 변환기 간 배기관 (22), 제 2 촉매 변환기 (14), 촉매 변 환기와 열 교환기 간 배기관 (24), 및 배기 시스템 열 교환기 (15) 는, 평면상에서 볼 때 차체 전후방향을 따라 실질적으로 직선으로 배치되어 있다. 또한, 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 측면도 상으로, 제 1 촉매 변환기 (12) 는 차량의 수직 방향을 따라 배치되고, 제 2 촉매 변환기 (14), 배기 시스템 열 교환기 (15) 는, 각각 수평 방향에 대해 약간 기울어져 배치되어 있다.
또한, 도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 상기와 같이 평면상에서 볼 때 실질적으로 직선으로 배치된 제 1 촉매 변환기 (12), 촉매 변환기 간 배기관 (22), 제 2 촉매 변환기 (14), 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24), 및 배기 시스템 열 교환기 (15) 는, 차폭 방향의 실질적으로 중앙부에 위치하고 있다. 그리고, 배기 시스템 열 교환기 (15) 는, 차체 (B) 의 플로어에 형성된 터널부 (T) (도 1 에서 좌우 터널 측 보강재 (82) 사이에 끼워진 부분) 내에 배치되어 노면 간섭이나 자갈이 튀는 것으로부터 보호된다.
한편, 도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 머플러 (16) 는, 배기 시스템 열 교환기 (15) 에 대해 차폭 방향으로 오프셋 되어 배치된다. 이 실시 형태에서, 머플러 (16) 는, 연료 탱크 (84) 에 차폭 방향으로 병렬로 배치되고 있다. 이 때문에, 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 은, 평면상에서 볼 때, 그 중앙부 (주요부) 가 차체 전후방향과의 교차 방향으로 연장되는 (차체 전후방향에 대해 경사진) 경사부 (26A) 로 이루어져 있다. 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 의 후방 단부 측은, 실질적으로 차체 전후방향을 따라 연장되는 직선부 (26B) 를 구성하며, 상기와 같이 머플러 (16) 의 머플러 유입관 (16A) 에 고정된다. 따라서, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 는, 연료 탱크 (84) 를 회피해 배기 시스템 (11) 또는 머플러 (16) 를 배치하기 위해서, 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 에 경사부 (26A) 를 구비한 구성으로 파악될 수 있다.
또한, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서, 제 1 촉매 변환기 (12) 는 상기와 같이 엔진 (20) 의 배기 매니폴드 (20A) 에 직접 연결되고, 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 포함한 배기 시스템 (11) 의 후방부는 현가 장치 (80) 에 의해 차체 (B) 상에 지지된다. 이 실시 형태에서는, 배기 시스템 (11) 에서, 배기 시스템 열 교환기 (15) 는 각각 열 회수기 현가부로서의 2 개의 지지부 (86, 88) 에 의해 차체 (B) 상에 지지되고, 머플러 (16) 는 1 개의 지지부 (90) 에 의해 차체 (B) 상에 지지되며, 하류측 배기관 (28) 은 1 개의 지지부 (92) 에 의해 차체 (B) 상에 지지된다. 이하에서 구체적으로 설명기로 한다.
도 3 에 나타나 있는 바와 같이, 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 구성하는 격벽 파이프 (30) 의 외부에의 노출부인 배기 가스 배출부 (30D) 에는, 평면상에서 볼 때 배기 시스템 열 교환기 (15) 의 길이 방향과 실질적으로 직각이 되도록 서로 반대 방향으로 돌출된 피지지 부재로서의 피지지 로드 (86A, 88A) 가 고정되어 있다. 도 4 에 나타나 있는 바와 같이, 격벽 파이프 (30) 의 배기 가스 배출부 (30D) 는, 배기 시스템 열 교환기 (15) 의 외부 쉘에서의 외부관 (36) 과 단부 파이프 (44) 사이에 노출된 단일 판부분으로 구성된다. 즉, 2 개의 지지부 (86, 88) 를 구성하는 피지지 로드 (86A, 88A) 는, 모두 배기 시스템 열 교환기 (15) 의 저강성부 (강성 최약 부위) 에 고정되어 있다.
도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 지지부 (86) 는, 피지지 로드 (86A) 의 말단부가 차체 (B) 에 고정된 지지 로드 (86B) 가 삽입된 지지 고무 (86C) 에 길이 방향의 상대 변위 (열 신장의 흡수) 가 가능한 방식으로 삽입되도록 하여, 배기 시스템 (11) 에 대해 질량이 가장 큰 부품인 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 차체 (B) 에 현가 (매달아 지지) 하고 있다. 이와 유사하게, 지지부 (88) 는, 피지지 로드 (88A) 의 말단부가 차체 (B) 에 고정된 지지 로드 (88B) 가 삽입된 지지 고무 (88C) 에 길이 방향의 상대 변위가 가능한 방식으로 삽입되도록 하여, 배기 시스템 (11) 에 대해 질량이 가장 큰 부품인 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 차체에 현가하고 있다. 이 실시 형태에서, 지지 로드 (86B, 88B) 는, 좌우의 터널 측 보강재 (82) 사이에 걸쳐 있는 차체 크로스 부재 (94) 에 고정되어 있다.
지지부 (90) 는, 머플러 (16) 를 구성하는 머플러 쉘 (16C) 의 후단 (16D) 에 고정되어 차폭 방향 외부로 돌출된 피지지 로드 (90A) 를 갖는다. 피지지 로드 (90A) 는, 차체 (B) 에 고정된 지지 로드 (90B) 가 삽입된 지지 고무 (90C) 에 길이 방향의 상대 변위 (열 신장의 흡수) 가 가능한 방식으로 삽입되도록, 배기 시스템 (11) 에 대해 질량이 비교적 큰 부품인 머플러 (16) 을 차체 (B) 에 현가 (매달아 지지) 하고 있다. 또한, 지지부 (92) 는, 대기 개방부 (18A) 의 근방에 놓인 하류측 배기관 (28) 상에 고정되어 차폭 방향의 외부로 돌출된 피지지 로드 (92A) 를 갖는다. 피지지 로드 (92A) 는, 차체 (B) 에 고정된 지지 로드 (92B) 가 삽입된 지지 고무 (92C) 에 길이 방향의 상대 변위 (열 신장의 흡수) 가 가능한 방식으로 삽입되도록, 배기관 (18) 을 구성하는 하류측 배기관 (28) 을 차 체 (B) 에 현가 (매달아 지지) 하고 있다.
도시는 생략되었지만, 4 개의 지지부 (86, 88, 90, 92) (지지 고무 (86C, 88C, 90C, 92C)) 에 의해 형성된 가상의 사각형 내부에, 배기 시스템 (11) 의 무게 중심이 위치하도록 구성되어 있다. 또한, 이 실시 형태에서는, 상기 가상의 사각형 내부에, 촉매 변환기 간 배기관 (22) 의 볼 조인트 (96) (후술됨) 보다 하류측에 놓인 배기 시스템 (11) 부분의 무게 중심이 위치하도록 구성되어 있다.
또한, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 는, 엔진 (20) 의 진동 (크랭크축 (20B) 과 평행한 축 주위의 롤링) 이 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 포함한 배기 시스템 (11) 의 후방부에 전달되는 것을 방지하는 진동 차단 기구로서의 볼 조인트 (96) 를 포함한다. 이 실시 형태에서는, 볼 조인트 (96) 는, 촉매 변환기 간 배기관 (22), 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 에 각각 설치되며, 촉매 변환기 간 배기관 (22) 의 전방부 (22A) 와 후방부 (22B) 사이의 상대 변위, 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 의 전방부 (24A) 와 후방부 (24B) 사이의 상대 변위를 허용하도록 구성되어 있다.
보다 구체적으로는, 도 5a 에 나타나 있는 바와 같이, 볼 조인트 (96) 내에서, 개스킷 (96D) 은 촉매 변환기 간 배기관 (22), 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 의 후방부 (22B, 24B) 상에 구비된 제 2 플랜지 (96B) 의 구면부 표면에 슬라이딩 가능하게 접촉하는 구면부를 갖는다. 개스킷 (96D) 은 촉매 변환기 간 배기관 (22), 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 의 전방부 (22A, 24A) 에 설치된 제 1 플랜지 (96A) 및 제 2 플랜지 (96B) 사이에 유지하도록 배치된다. 그 결과, 촉매 변환기 간 배기관 (22) 및 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 의 전방부 (22A, 24A) 와 촉매 변환기 간 배기관 (22) 및 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 의 후방부 (22B, 24B) 는, 구면부 (96C) 의 중심 주위로 상대 각 변위 가능하도록 연결된다.
또한, 볼 조인트 (96) 에서는, 제 1 플랜지 (96A) 와 제 2 플랜지 (96B) 가, 스프링 (96E) 을 통하여 볼트 (96F) 에 의해 체결되어 있다. 도 5a 에 나타나 있는 바와 같이, 한 쌍의 스프링 (96E) 및 볼트 (96F) 는 촉매 변환기 간 배기관 (22), 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 을 차폭 방향 내에 유지하도록 하는 방식으로 설치되어 있으며, 이에 의해, 볼 조인트 (96) 는, 주로 촉매 변환기 간 배기관 (22), 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 의 전방부 (22A, 24A) 와 촉매 변환기 간 배기관 (22), 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 의 후방부 (22B, 24B) 를, 차체 상하 방향 (도 5b 의 화살표 (X) 참조) 으로 상대 각 변위 가능하도록 연결하는 구조로 되어 있다.
또한, 도 3 에 나타나 있는 바와 같이, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 구성하는 열 교환기 후방부 쉘 (50) 은, 그 차폭 방향 단면 (50B) 보다 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 의 경사부 (26A) 가 연장되는 방향으로 더 돌출된 돌출부 (50C) 를 가지며, 돌출부 (50C) 의 돌출 단부 (50D) 에 대해 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) (경사부 (26A)) 의 상류 단부 (26C) 에 용접을 통해 접합되어 있다. 즉, 돌출 단부 (50D) 와 상류 단부 (26C) 사이의 용접부 (Wp) 는, 평면상에서 볼 때, 제 1 촉매 변환기 (12), 촉매 변환기 간 배기관 (22), 제 2 촉매 변환기 (14), 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24), 및 배기 시스템 열 교환기 (15) 에 의해 형성되는 직선에 대해 차폭 방향으로 오프셋 되어 위치하고 있다. 또한, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 구성하는 열 교환기 후방부 쉘 (50) 이, 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 의 경사부 (26A) 와 함께, 배기관 (18) 의 곡선부 (18B) 를 구성한다.
이 돌출부 (50C) 를 형성하기 위해, 열 교환기 후방부 쉘 (50) 은, 차폭 방향의 일측을 구성하는 반 차체 (98) 와 반대편 측을 구성하는 반 차체 (99) 와의 결합에 의해 구성되어 있으며, 예를 들면 돌출부 (50C) 는 드로잉을 통하여 반 차체 (98) 에 일체로 형성되어 있다. 따라서, 돌출부 (50C) 는, 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 으로 실질적으로 동일 직경의 돌출 단부 (50D) 를 향해 서서히 유로 단면적이 축소되는 실질적으로 콘 형상으로 형성되어 있다.
다음으로, 실시 형태의 작용을 설명하기로 한다.
상기 구성의 차량용 배기 시스템 구조 (10) 가 적용된 배기 시스템 (11) 에서는, 엔진 (20) 의 운전에 수반해 발생하는 배기 가스는, 배기관 (18) 에 의해 연통된 제 1 촉매 변환기 (12), 제 2 촉매 변환기 (14), 배기 시스템 열 교환기 (15), 및 머플러 (16) 를 경유해, 정화되고 소음 방지되어 대기중에 배출된다. 또한, 배기 시스템 열 교환기 (15) 에서는, 엔진 냉각수 온도가 낮은 경우 열 액추 에이터 (72) 에 대해 밸브 (58) 가 자유로워져서, 밸브 장치 (54) 는 자압 밸브로서 작용한다. 이 때문에, 배기 가스의 압력이 낮은 운전 조건에서는, 리턴 스프링 (66) 의 편향력에 의해 배기 가스 안내 파이프 (42), 즉 우회 유로 (40) 가 폐쇄되어, 배기 가스는 열 교환부 (15A) 의 배기 가스 유로 (34) 를 흘러 엔진 냉각수 유로 (38) 를 흐르는 엔진 냉각수와 열 교환하게 된다. 이에 의해, 엔진 (20) 의 난기가 촉진될 수 있고, 저온 시동시에 난방이 유지될 수 있다.
예를 들면 가속이나 등반 등의 엔진 (20) 의 출력이 증가하는 운전 조건에서는, 배기 가스의 압력이 상승하면, 이 배기 가스의 압력을 받은 밸브 (58) 는, 리턴 스프링 (66) 의 편향력에 저항해 화살표 (A) 방향으로 회전하여 개방 위치에 이르고, 이에 의해 배기 가스는 주로 우회 유로 (40) 를 통해 유동하며, 배기 가스 유로 (34) 를 통해 유동하는 경우와 비교해 배압이 저감 된다. 즉, 자압 밸브로서 기능하는 밸브 장치 (54) 를 갖춘 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 엔진 (20) 의 난기 등을 위한 배기 열 회수보다 출력 확보를 위한 배압 저감이 우선되는 경우, 배기 가스가 열 교환부 (15A) 를 우회해 우회 유로 (40) 를 통해 유동하며, 자동적으로 배압은 저감된다. 또한, 엔진 (20) 이 최고 출력을 내는 경우, 그 배기 가스의 압력으로 밸브 (58) 는 도 4 에서의 가상선에 의해 표시된 개방 위치 (배기 가스의 압력에 의한 최대 개방도) 가 된다.
또한, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 엔진 냉각수 온도가 80℃ 이상이 되면, 열 액추에이터 (72) 는 리턴 스프링 (66) 의 편향력에 저항하는 토크를 회전축 (56) 에 부여하여 밸브 (58) 를 전개 위치에서 유지하며, 이에 의해, 배기 가스는 주로 우회 유로 (40) 를 흘러 배기 가스 안내 파이프 (42), 열 교환기 후방부 쉘 (50) 의 배기 가스 출구 헤더 (52) 를 경유해 배기관 (18) 으로부터 배출된다. 즉, 배기 열의 회수가 불필요한 운전 상태에서는, 배기 가스 유로가 자동적으로 우회 유로 (40) 로 전환될 수 있다.
그런데, 차체 (B) 의 전방부에 가로로 설치된 엔진 (20) 은, 크랭크축 (20B) 과 평행한 축 주위의 롤링 진동 (도 2 의 화살표 (R) 참조) 을 일으키고, 이러한 진동은 배기관 (18) 의 곡선부 (18B) 를 구성하는 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 의 경사부 (26A), 경사부 (26A) 와 열 교환기 후방부 쉘 (50) 과의 접합부인 용접부 (Wp) 등에 뒤틀림 또는 휨을 발생시키기 쉽다.
여기서, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 에 볼 조인트 (96) 가 구비되어 있기 때문에, 엔진 (20) 의 롤링 진동이 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 의 경사부 (26A) 에 전달되는 것이 방지된다. 특히, 볼 조인트 (96) 가 주로 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 의 전방부 (24A) 와 후방부 (24B) 사이의 차체 상하 방향의 상대 변위를 허용함과 동시에, 엔진 (20) 으로부터의 진동 전달 경로인 제 1 촉매 변환기 (12), 촉매 변환기 간 배기관 (22), 제 2 촉매 변환기 (14), 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24), 및 배기 시스템 열 교환기 (15) 가 평면상에서 볼 때 실질적으로 직선 모양으로 배치되고 있기 때문에, 엔진 (20) 의 롤링 진동이 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 측으로의 전달되는 것이 효과적으로 억제된다.
즉, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 제 1 촉매 변환기 (12), 촉매 변환기 간 배기관 (22), 제 2 촉매 변환기 (14), 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24), 배기 시스템 열 교환기 (15) 가 평면상에서 볼 때 차체 전후방향을 따라 직선 모양으로 배치되고, 엔진 (20) 의 롤링 진동에 수반하는 하중 또는 강제 변위가 주로 차폭 방향과 직교하는 면을 따라 작용하기 때문에 (차폭 방향 성분이 작음), 하중 또는 강제 변위는 볼 조인트 (96) 에 의해 효과적으로 차단 (흡수) 될 수 있다.
또한, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 에 볼 조인트 (96) 를 구비함으로써, 볼 조인트 (96) 와 현가 장치 (80) 에 있어서의 배기 시스템 (11) 을 현가하는 맨 앞의 지지부 (86, 88) 와의 거리가 짧게 설정되어 있다. 이 때문에, 볼 조인트 (96) 가 중립 위치에 양호한 정밀도로 조립될 수가 있으며, 이에 의해 볼 조인트 (96) 에 의한 진동 차단 효과를 보다 양호하게 발휘시킬 수 있다.
또한, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 에 볼 조인트 (96) 를 구비함으로써, 현가 장치 (80) 에 의해 차체 (B) 상에 지지되는 배기 시스템 (11) (배기 시스템 (11) 에 의해 구성되는 진동 시스템) 의 길이가 외관상 짧아질 수 있다. 구체적으로는, 배기 시스템 (11) 에 있어서의 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 에 구비된 볼 조인트 (96) (제 2 플랜지 (96B)) 보다 차체 전후방향으로 더 후방인 (하류측) 부분은, 전방 측 부분에 대해 독립적인 진동 시스템으로 파악될 수 있기 때문에, 배기 시스템 (11) 의 현가 장치 (80) 에 의해 지지되는 진동 시스템의 공진 주파수가 증가하고, 이에 의해, 배기관 (18) 의 곡선부 (18B) 를 구성하는 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 의 경사부 (26A), 및 경사부 (26A) 와 열 교환기 후방부 쉘 (50) 과의 접합부인 용접부 (Wp) 등의 엔진 (20) 의 롤링 공진에 대한 강도가 향상된다.
한편, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 촉매 변환기 간 배기관 (22) 에도 볼 조인트 (96) 가 설치되어 있기 때문에, 엔진 (20) 의 롤링 진동이 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 측으로 전달되는 것이 한층 효과적으로 억제된다. 즉, 만일 제 2 볼 조인트 (96) 가 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 또는 하류측 배기관 (28) 에 구비되는 경우, 지지부 (86, 88) 와 지지부 (90) 사이, 또는 지지부 (90) 와 지지부 (92) 사이, 즉 현가 장치 (80) 에 의한 구속부 사이에 볼 조인트 (96) 가 배치되어, 볼 조인트 (96) 의 동작이 방해될 우려가 있다. 이에 대해, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 촉매 변환기 간 배기관 (22) 에 볼 조인트 (96) 가 배치되기 때문에, 즉, 엔진 (20) 에 구속된 제 1 촉매 변환기 (12) 와 현가 장치 (80) 의 맨 앞의 지지부 (86, 88) 사이에 2 개의 볼 조인트 (96) 가 배치되기 때문에, 2 개의 볼 조인트 (96) 는 모두 필요한 진동 차단 효과를 발휘할 수 있게 된다.
또한, 제 2 촉매 변환기 (14) 의 상하류에 각각 볼 조인트 (96) 가 구비되기 때문에, 엔진 (20) 의 롤링 진동에 대해 제 2 촉매 변환기 (14) 와 촉매 변환기 간 배기관 (22) 사이의 접합부가 보호된다. 만일 촉매 변환기 간 배기관 (22) 에 볼 조인트 (96) 가 구비되지 않는 구성을 채택한 경우, 촉매 변환기 간 배기관 (22) 의 상류 단부가 접속된 제 1 촉매 변환기 (12) 가 엔진 (20) 에 고정되어 있기 때문에, 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 에 구비된 볼 조인트 (96) 의 동작에 수반하는 진동이 촉매 변환기 간 배기관 (22) 과 제 2 촉매 변환기 (14) 사이의 접합부에 높은 응력을 작용시킬 우려가 있다. 이에 대해, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 촉매 변환기 간 배기관 (22) 에 볼 조인트 (96) 가 구비함으로써, 제 2 촉매 변환기 (14) 가 전후의 구속부 (엔진 (20), 현가 장치 (80)) 에 대해 상대 변위가 가능하도록 지지되므로 (또는 자유로워지므로), 촉매 변환기 간 배기관 (22) 과 제 2 촉매 변환기 (14) 와의 접합부가 보호된다.
또한, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 현가 장치 (80) 를 구성하는 맨 앞의 지지부 (86, 88) 가 배기 시스템 열 교환기 (15) 의 저강성부인 격벽 파이프 (30) 의 배기 가스 배출부 (30D) 에 고정되어 있기 때문에, 볼 조인트 (96) 의 진동 차단 동작에 수반해, 배기 시스템 열 교환기 (15) 는 피지지 로드 (86A, 88A) 의 고정부인 격벽 파이프 (30) 의 배기 가스 배출부 (30D) 의 탄성 변형에 의한 (배기 가스 배출부 (30D) 를 받침점으로 한) 진동 동작을 실시한다. 이 때문에, 볼 조인트 (96) 의 진동 차단 동작에 수반하는 배기 시스템 열 교환기 (15) 의 하류 부분 (후방부) 의 변위가 억제되어, 변위 (진동) 가 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 에 전달되는 것이 억제되며, 이에 의해, 특히 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 의 경사부 (26A) 의 비틀림 입력이 효과적으로 억제된다.
또한, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에서는, 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 구성하는 열 교환기 후방부 쉘 (50) 이 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 의 경사부 (26A) 와 함께 배기관 (18) 의 곡선부 (18B) (도 3 참조) 를 구성하고 있기 때문에, 배기관 (18) 의 곡선부 (18B) 는, 열 교환기 후방부 쉘 (50) 에 대해 다른 부분 (배기관 (18) 의 직선 부분) 보다 단면적이 크고, 휨이나 비틀림에 대한 강도가 높다. 또한, 열 교환기 후방부 쉘 (50) 에 설치된 돌출부 (50C) 는, 경사부 (26A) 쪽으로 단면적을 서서히 감소시키므로, 응력 집중이 발생하기 쉬운 단면 급변부가 형성되지 않고, 곡선부 (18B) 에 과다한 응력이 작용되는 것이 방지된다. 또한, 돌출부 (50C) 가 열 교환기 후방부 쉘 (50) 의 차폭 방향 단면 (50B) 보다 돌출되어 있기 때문에, 즉, 돌출부 (50C) 의 돌출 단부 (50D) 와 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 의 상류 단부 (26C) 사이의 용접부 (Wp) 가, 비틀림 및/또는 휨 입력부를 구성하는 배기 시스템 열 교환기 (15) 의 후방 단부로부터 차폭 방향으로 이격되어 있기 때문에, 용접부 (Wp) 에 작용하는 응력은 감소될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 예를 들어 도 6a 에 나타나 있는 바와 같이, 특정 주파수로 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 의 볼 조인트 (96) 가 차폭 방향으로 벗어나는 진동 모드가 발생하는 경우, 곡선부 (18B) 에 과다한 휨을 발생시키지 않고, 도 6b 에도 나타나 있는 바와 같이, 머플러 (16) 를 후방으로 밀어내도록 하는 방식으로 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 이 변위하는 배기관 (18) 의 변형 모드가 발생하는 것이 수치 해석에 의해 확인되었다. 또한, 도 7a 에 나타나 있는 바와 같이, 또 다른 특정 주파수로 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 의 볼 조인트 (96) 가 후방으로 경사지도록 벗어나는 진동 모드가 발생하는 경우, 곡선부 (18B) 에 과다한 휨을 발생시키지 않고, 도 7b 에도 나타나 있는 바와 같이, 머플러 (16) 를 후방에 밀어내도록 하는 방식으로 열 교환기와 머플러 간 배기관 (26) 이 변위하는 배기관 (18) 의 변형 모드가 발생하는 것이 수치 해석에 의해 확인되었다. 즉, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 가 적용된 배기 시스템 (11) 에 대해, 열 교환기 후방부 쉘 (50) 이 곡선부 (18B) 의 적어도 일부를 구성하도록 함으로써, 배기관 (18) 의 곡선부 (18B) 및 용접부 (Wp) 에 작용하는 응력을 억제할 수가 있는 것이 해석적으로도 확인되었다.
상기 설명된 구성의 결과로, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 가 적용된 배기 시스템 (11) 을 갖춘 자동차에서는, 차체 아래쪽의 한정된 공간에 배기 시스템 열 교환기 (15) 가 배치된 구성으로, 연료 탱크 (84) 와의 간섭을 피하면서 배기 시스템 (11) 이 설계될 수 있다. 또한, 현가 장치 (80) 에 의해 질량이 큰 배기 시스템 열 교환기 (15) 가 포함된 배기 시스템 (11) 을 적은 수의 구성 부품으로 차체 (B) 에 지지될 수 있고, 엔진 (20) 의 롤링에 의해 곡선부 (18B) 에 작용하는 응력을 감소시켜 곡선부 (18B) 가 양호하게 보호될 수 있으며, 이에 의해 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에 적용함으로써, 예를 들면 가로형 엔진을 갖는 소형 전륜 구동 차량에, 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 구비하고 연료 탱크 (84) 와의 간섭을 회피하는 배기 시스템 (11) 이 구비될 수 있다.
상기 실시 형태에서는, 차량용 배기 시스템 구조 (10) 에 의해 배기 시스템 열 교환기 (15) 를 포함한 배기 시스템 (11) 을 차체에 지지하는 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다양한 형태의 배기 시스템 열 교환기를 갖는 배기 시스템에 대해서도 적용 가능하다.
또한, 상기한 실시 형태에서는, 촉매 변환기 간 배기관 (22) 에 볼 조인트 (96) 가 구비된 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 브래킷 등을 통하여 제 2 촉매 변환기 (14) 가 엔진 (20) 에 지지되는 구성에서는, 촉매 변환기 간 배기관 (22) 의 볼 조인트 (96) 를 없앨 수도 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 현가 장치 (80) 가 4 개의 지지부 (86, 88, 90, 92) 를 갖춘 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 3 개의 지지부에 의해 배기 시스템 (11) 이 지지될 수도 있다.
또한 상기 실시 형태에서는, 촉매 변환기와 열 교환기 간 배기관 (24) 에 볼 조인트 (96) 가 구비되고, 격벽 파이프 (30) 의 배기 가스 배출부 (30D) 에 현가 장치 (80) 의 피지지 로드 (86A, 88A) 가 고정된 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 2 개의 특징적인 구성 중 어느 것 하나만을 포함하도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 대표적인 실시 형태에 대한 상기 설명은 설명 목적으로 제공된 것이다. 이는 본 발명을 개시된 형태에만 한정하려는 의도가 아니다. 당연히, 다양한 수정예 및 변형예가 당업자에게 명백하다. 대표적인 실시 형태는 본 발명의 원리를 가장 잘 설명하여, 이에 의해 당업자는 예상되는 특정 용도에 적합한 다양한 변형예를 갖는 다양한 실시 형태에 대해 본 발명을 이해할 수 있도록 하기 위해 선택되어 기술되었다. 본 발명의 범위는 이하의 청구항 및 그 균등 범위에 의해 한정되는 것으로 한다.
도 1 은 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 배기 시스템 구조가 적용된 배기 시스템의 평면도.
도 2 는 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 배기 시스템 구조가 적용된 배기 시스템의 측면도.
도 3 은 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 배기 시스템 구조가 적용된 배기 시스템 열 교환기의 평면도.
도 4 는 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 배기 시스템 구조를 구성하는 밸브 장치의 측단면도.
도 5a 는 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 배기 시스템 구조를 구성하는 볼 조인트의 평면 단면도.
도 5b 는 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 배기 시스템 구조를 구성하는 볼 조인트의 측면도.
도 6a 는 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 배기 시스템 구조가 적용된 배기 시스템의 특정 주파수에서의 진동 상태를 나타내는 평면도.
도 6b 는 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 배기 시스템 구조가 적용된 배기 시스템의 특정 주파수에서의 진동 상태를 나타내는 측면도.
도 7a 는 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 배기 시스템 구조가 적용된 배기 시스템의 또 다른 특정 주파수에서의 진동 상태를 나타내는 평면도.
도 7b 는 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 배기 시스템 구조가 적용된 배 기 시스템의 또 다른 특정 주파수에서의 진동 상태를 나타내는 측면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
B 차체 10 차량용 배기 시스템 구조
11 배기 시스템 12 제 1 촉매 변환기
14 제 2 촉매 변환기 15 배기 시스템 열 교환기
15A 열 교환부 16 머플러
16A 머플러 유입관 16B 머플러 유출관
16C 머플러 쉘 18A 대기 개방부
18, 22, 24, 26, 28 배기관 20 엔진
20A 배기 매니폴드 20B 크랭크 축
30 격벽 파이프 30A, 30B 나선 홈
30C 배기 가스 도입부 30D 배기 가스 배출부
32 내관 34 배기 가스 유로
36 외부관 38 엔진 냉각수 유로
40 우회 유로 42 배기 가스 안내 파이프
44 단부 파이프 46 관통 구멍
48 관통 구멍 50 후방부 쉘
52 배기 가스 출구 헤더 54 밸브 장치
56 회전축 58 밸브
60 밸브 시트 62 프레임
64 아암 66 리턴 스프링
68 단열 덮개 70 제 1 냉각수 유입관
72 열 액추에이터 74 제 2 냉각수 유입관
76 냉각수 유출관 80 현가 수단
82 보강재 84 연료 탱크
86A, 88A 피지지 로드 86B, 88B 지지 로드
90 지지부 90C 지지 고무
92 지지부 94 차체 크로스 부재
96 볼 조인트 96A 제 1 플랜지
96B 제 2 플랜지 96C 구면부
96D 개스킷 96E 스프링
96F 볼트 98, 99 반 차체

Claims (10)

  1. 차체 전방부에 가로로 설치된 내연 기관의 배기 가스를 차체 후방부로부터 배출하기 위한 차량용 배기 시스템 구조로서,
    배기 가스 유동 방향의 상류 측으로부터 순서대로 배치된 제 1 촉매 장치, 제 2 촉매 장치, 배기 열 회수기, 및 소음 장치와,
    상기 제 2 촉매 장치와 상기 배기 열 회수기를 연결하는 제 1 배기관과,
    차체 전후방향으로 교차하는 방향으로 연장되는 부분을 포함하면서, 차폭 방향으로 오프셋 되어 배치된 상기 배기 열 회수기와 상기 소음 장치를 연결하는 제 2 배기관과,
    상기 제 1 배기관에 대해 배기 가스 유동 방향 하류 측 상에, 상기 배기 열 회수기, 상기 제 2 배기관, 및 상기 소음 장치를 포함하는 배기 시스템 요소의 적어도 일부를 차체에 대해 현가 하는 현가 수단, 및
    상기 제 1 배기관에 설치되어 상기 제 2 촉매 장치와 상기 배기 열 회수기 사이의 상대 변위를 허용하는 진동 차단 기구를 포함하는, 차량용 배기 시스템 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 촉매 장치, 상기 제 2 촉매 장치, 상기 제 1 배기관, 및 상기 배기 열 회수기는 평면상에서 볼 때 차체 전후방향을 따라 직선으로 배치되고,
    상기 진동 차단기구는 상기 제 1 배기관의 차체 전후방향으로의 전방부 및 후방부가 차체 상하 방향으로 상대 변위하는 것을 허용 하도록 구성되어 있는, 차량용 배기 시스템 구조.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 현가 수단은, 배기 가스 유동 방향의 최상류에 위치하는 현가부로서 상기 배기 열 회수기를 차체에 대해 현가 하는 열 회수기 현가부를 갖고,
    상기 열 회수기 현가부는, 상기 배기 열 회수기의 저강성부에 고정된 피지지 부재를 포함하는, 차량용 배기 시스템 구조.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 촉매 장치와 제 2 촉매 장치 사이의 상대 변위를 허용하는 진동 차단기구를 더 포함하는, 차량용 배기 시스템 구조.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 촉매 장치와 제 2 촉매 장치 사이의 상대 변위를 허용하는 진동 차단기구를 더 포함하는, 차량용 배기 시스템 구조.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 배기관의 곡선부는, 상기 배기 열 회수기의 일 단부에 형성된 쉘, 및 차체 전후방향으로 교차하는 방향으로 연장되는 상기 제 2 배기관의 경사부로 구성되는, 차량용 배기 시스템 구조.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 쉘은 차폭 방향 단면보다 상기 경사부의 연장 방향으로 돌출된 돌출부를 포함하는, 차량용 배기 시스템 구조.
  8. 차체 전방부에 가로로 설치된 내연 기관의 배기 가스를 차체 후방부로부터 배출하기 위한 차량용 배기 시스템 구조로서,
    배기 가스 유동 방향의 상류 측으로부터 순서대로 배치된 제 1 촉매 장치, 제 2 촉매 장치, 배기 열 회수기, 및 소음 장치와,
    차체 전후방향으로 교차하는 방향으로 연장되는 부분을 포함하면서, 차폭 방향으로 오프셋 되어 배치된 상기 배기 열 회수기와 상기 소음 장치를 연결하는 배기관과,
    상기 제 1 촉매 장치와 상기 제 2 촉매 장치 사이의 상대 변위, 또는 상기 제 2 촉매 장치와 상기 배기 열 회수기 사이의 상대 변위를 허용하는 진동 차단기구, 및
    상기 배기 열 회수기의 저강성부에 고정된 피지지 부재 및 상기 피지지 부재를 차체에 지지하는 지지 부재를 포함하는 현가 수단을 포함하는, 차량용 배기 시스템 구조.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 배기관의 곡선부는, 상기 배기 열 회수기의 일 단부에 형성된 쉘, 및 차체 전후방향으로 교차하는 방향으로 연장되는 상기 배기관의 경사부로 구성되는, 차량용 배기 시스템 구조.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 쉘은 차폭 방향 단면보다 상기 경사부의 연장 방향으로 돌출된 돌출부를 포함하는, 차량용 배기 시스템 구조.
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