DE102014221271A1

DE102014221271A1 - Luftreinigungsvorrichtung für fahrzeug

Info

Publication number: DE102014221271A1
Application number: DE201410221271
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI Hirooka Shigemasa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-05-07
Also published as: JP2015085308A; US20150125352A1; JP5884809B2

Abstract

Eine Luftreinigungsvorrichtung für ein Fahrzeug (10), das eine Fahrzeugkomponente (18) aufweist, die an einem Ort vorgesehen ist, an dem Luft fließt, während sich das Fahrzeug bewegt, weist Folgendes auf: einen Ozonaufspaltungskörper (20), der MnO2 und Aktivkohle als Komponenten enthält, die Ozon aufspalten, wobei der Ozonaufspaltungskörper eine erste Schicht (22) und eine zweite Schicht (24) aufweist, wobei die erste Schicht auf einer Oberfläche der Fahrzeugkomponente vorgesehen ist, wobei in der ersten Schicht der Gehalt an MnO2 höher als jener an Aktivkohle ist, und in der zweiten Schicht der Gehalt an Aktivkohle höher als jener an MnO2 ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Luftreinigungsvorrichtung für ein Fahrzeug und noch genauer auf eine Luftreinigungsvorrichtung für ein Fahrzeug, durch die Ozon in der Luft aufgespalten werden kann.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ozon, das eine Ursache von photochemischen Smog ist, wird durch photochemische Reaktionen zwischen HC und NOx erzeugt, die in Abgasen von Fahrzeugen und Fabriken enthalten sind. Als ein Ergebnis ist die Verringerung der Mengen an HC und NOx, die von Fahrzeugen emittiert werden, ein effektives Mittel zum Unterdrücken der Erzeugung von Ozon und daher zum Verhindern des Auftreten von photochemischen Smog beziehungsweise Sommersmog. Ein direktes Aufspalten von Ozon in der Luft wurde jedoch als eine Einrichtung zum Verhindern des Auftreten von photochemischen Smog in Betracht gezogen. Statt zu versuchen, die emittierten Mengen der Reakanten HC und NOx zu verringern, ist es möglich, effektiver das Auftreten von photochemischen Smog zu verhindern, indem man versucht, Ozon aufzuspalten, das ein Produkt dieser Reakanten ist. In Anbetracht dessen wurden Fahrzeuge, die mit einer Luftreinigungsvorrichtung für Fahrzeuge ausgestattet sind, die dazu fähig ist, direkt Ozon in der Luft aufzuspalten, in einigen Teilen der Welt kommerziell erhältlich, zu denen Kalifornien in den Vereinigten Staaten gehört. Diese Art von Luftreinigungsvorrichtung für Fahrzeuge wird Direkt-Ozon-Reduktion (DOR) genannt.
Die veröffentlichte japanische Übersetzung der PCT-Anmeldung Nr. 2002-514966 ( JP 2002-514966 A ) offenbart ein OCR-System, in dem ein Metalloxid MnO₂ auf eine Fahrzeugkomponente wie einen Kühler aufgetragen ist. Ein Kühler ist an einem Ort angeordnet, der mit Luft in Kontakt kommt, während sich ein Fahrzeug bewegt, und MnO₂ hat die Fähigkeit, in der Luft enthaltenes Ozon aufzuspalten, indem es das Ozon in andere Substanzen wie Sauerstoff umwandelt. Daher ermöglicht das DOR-System, das in der JP 2002-514966 A offenbart ist, ein direktes Aufspalten von Ozon in der Luft, während sich ein Fahrzeug bewegt. Zudem offenbart dieses Dokument zusätzlich zu einem Ozonaufspaltungstest bzw. Ozonaufspaltungsverfahren, der bzw. das dieses Metalloxid verwendet, ein Ozonaufspaltungsverfahren, das Aktivkohle verwendet. Zudem lehrt dieses Dokument, dass Aktivkohle eine Reaktion katalysieren kann, in der Ozon zu O₂ reduziert wird.
Die veröffentlichte japanische Übersetzung der PCT-Anmeldung Nr. 10-512805 ( JP 10-512805 A ) offenbart einen Ozonaufspaltungskörper, den man erhält, indem man ein Metalloxid MnO₂ mit Aktivkohle kombiniert. In diesem Ozonaufspaltungskörper wird jedoch Aktivkohle als ein Adsorbent zum Einfangen von in der Luft enthaltenen Verunreinigungen verwendet.
Nicht nur Metalloxide wie MnO₂ weisen die Fähigkeit auf, Ozon aufzuspalten, sondern auch Aktivkohle, wie in der JP 2002-514966 A offenbart. Die Ozonaufspaltungsfähigkeit von Aktivkohle ist vergleichbar mit jener eines Metalloxides, und hat den Vorteil, das sie dazu fähig ist, Ozon in einem Niedertemperaturbereich (ungefähr 25° Celsius) aufzuspalten, in dem Metalloxide weniger aktiv sind. Daher kann eine Ozonaufspaltung über einen weiten Temperaturbereich erwartet werden, indem MnO₂ mit Aktivkohle kombiniert wird. Es gibt jedoch Unterschiede zwischen den Ozonaufspaltungseigenschaften von MnO₂ und jenen von Aktivkohle. Als Ergebnis kann es sein, dass die Vorteile der Kombination dieser Komponenten nicht realisiert werden, wenn MnO₂ und Aktivkohle einfach kombiniert werden.
Kurze Erläuterung der Erfindung
Diese Erfindung ist ein DOR-System, das einen Ozonaufspaltungskörper verwendet, den man erhält, indem MnO₂ mit Aktivkohle kombiniert wird, wobei die Vorteile der Kombination dieser Komponenten ausreichend realisierbar sind.
Eine Luftreinigungsvorrichtung für ein Fahrzeug nach einem Aspekt dieser Erfindung umfasst eine Fahrzeugkomponente, die an einem Ort vorgesehen ist, an dem Luft fließt, während sich das Fahrzeug bewegt, wobei die Luftreinigungsvorrichtung Folgendes umfasst: einen Ozonaufspaltungskörper, der MnO₂ und Aktivkohle als Komponenten enthält, die Ozon aufspalten, und wobei der Ozonaufspaltungskörper eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, wobei die erste Schicht auf einer Oberfläche der Fahrzeugkomponenten vorgesehen ist, wobei die Menge an MnO₂ in der ersten Schicht größer als jene an Aktivkohle ist, und die Menge an Aktivkohle in der zweiten Schicht größer als jene an MnO₂ ist.
Nach diesen Aspekt kann die Menge an MnO₂ in der ersten Schicht zwischen 50 Gewichtsprozent (Gew.-%) und 80 Gew.-% je einschließlich betragen, und die Menge an MnO₂ in der zweiten Schicht kann gleich oder größer als 20 Gew.-% und kleiner als 50 Gew.-% sein.
Dieser Aspekt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugkomponente mindestens ein Kühler, ein Zwischenkühler oder ein Inverter für Hybridfahrzeuge ist.
Nach diesem Aspekt der Erfindung kann die Menge an MnO₂ in der zweiten Schicht (der oberen bzw. oberflächennahen Schicht) so eingestellt sein, dass sie kleiner als die Menge an Aktivkohle ist, und die Menge an MnO₂ in der ersten Schicht (der unteren bzw. komponentennahen Schicht) kann so eingestellt sein, dass sie höher als die Menge an Aktivkohle ist. Die O₃-Aufspaltungsfähigkeit von MnO₂ verschlechtert sich in Fällen, in denen die Temperatur des MnO₂ niedrig ist, oder in Fällen, in denen Wasser am MnO₂ adsorbiert wird. Aktivkohle kann jedoch O₃ in solchen Fällen aufspalten. Daher sind die Vorteile der Kombination von MnO₂ und Aktivkohle ausreichend realisierbar.
Kurze Erläuterung der Figuren
Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen, und in denen:
1 eine schematische Ansicht ist, die einen Aufbau eines Fahrzeugs zeigt, das mit einer Luftreinigungsvorrichtung ausgestattet ist;
2 ein schematisches Schaubild des Kernteils des in 1 gezeigten Kühlers in einer Schnittansicht ist;
3 ein Schaubild ist, das Unterschiede in Differenzialporenvolumen von Aktivkohle vor und nach einem Langzeittest zeigt;
4 ein Schaubild ist, das Änderungen der Ozonaufspaltungsrate von Aktivkohle über die Zeit zeigt;
5 ein Schaubild ist, das die Beziehung zwischen dem Inhalt an MnO₂ in Ozonaufspaltungskomponenten, die sowohl Aktivkohle als auch MnO₂ enthalten, und der Ozonaufspaltungsrate dieser Komponenten zeigt;
6 ein Schaubild ist, das die Ergebnisse eines Chloridwiderstandstests zeigt;
7 ein Schaubild ist, das die Ergebnisse eines Schwefelvergiftungstests zeigt;
8A bis 8C die Ergebnisse von Wasservergiftungstests zeigen;
9 ein Schaubild ist, das die Beziehung zwischen der Menge an aufgespaltetem Ozon und der Menge an MnO₂ in Ozonaufspaltungskomponenten während der nutzbaren Lebensdauer der Vorrichtung zeigt,
10A bis 10C vergrößerte Ansichten von Modellpartikeln sind, auf den H₂O adsorbiert wird;
11A und 11A Übergänge in der Anzahl von adsorbierten H₂O-Molekülen zeigen, die aus den in 10A bis 10C gezeigten Modellen berechnet werden;
12A und 12B Übergänge in der Erfassungsrate von H₂O-Molekülen zeigen, die aus den in 10A bis 10C gezeigten Modellen berechnet sind;
13A bis 13C vergrößerte Ansichten von Modellpartikeln sind, in denen auch O₃ auf den Modellpartikeln adsorbiert wird, auf dem H₂O adsorbiert wird;
14A und 14B Übergänge in der Anzahl von adsorbierten O₃-Molekülen zeigen, die aus den Modellen berechnet werden, die in den 13A bis 13C gezeigt sind; und
15A und 15B Übergänge in der Erfassungsrate von O₃-Moleküle zeigen, die aus den in 13A bis 13C gezeigten Modellen berechnet werden.
GENAUE ERLÄUTERUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform dieser Erfindung wird nun mit Bezug auf 1 bis 15B erläutert.
[Aufbau einer Luftreinigungsvorrichtung für ein Fahrzeug]
1 ist eine schematische Ansicht, die einen Aufbau eines Fahrzeugs zeigt, das mit der Luftreinigungsvorrichtung dieser Ausführungsform ausgestattet ist. Ein Fahrzeug 10 umfasst eine Maschine 12 mit interner Verbrennung als Leistungsquelle. Abgase, die von der Maschine 12 mit interner Verbrennung abgegeben werden, enthalten HC und NOx. Ozon wird mittels einer photochemischen Reaktion zwischen den HC und den NOx erzeugt. Hierbei ist das Fahrzeug 10, das mit der Maschine 12 mit interner Verbrennung versehen ist, mit einer Luftreinigungsvorrichtung ausgestattet, und durch Aufspalten von Ozon in der Luft, während sich das Fahrzeug bewegt, ist es möglich, die Belastung der Umwelt durch das Fahrzeug 10 zu verringern.
In dem Fahrzeug 10 wird ein Kühler 14, der Kühlwasser in der Maschine 12 mit interner Verbrennung umlaufen lässt, vor der Maschine 12 mit interner Verbrennung angeordnet. Wie durch die Pfeile in 1 gezeigt, wird Luft durch einen Stoßfängergrill bzw. Kühlergrill 16 an der Vorderseite des Fahrzeugs 10 eingesaugt, während das Fahrzeug fährt, und die eingesaugte Luft geht durch den Kühler 14 und wird hin zur Maschine 12 mit interner Verbrennung abgegeben.
2 ist ein schematisches Schaubild eines Querschnitts des Kernteils des in 1 gezeigten Kühlers 14. Wie in 2 gezeigt wird das Kernteil des Kühlers 14 aus einer Kühlerippe 18 und einer Ozonaufspaltungsschicht 20 gebildet, die auf die Kühlerrippe aufgebracht ist. Die Kühlerrippe 18 ist aus einer Aluminiumlegierung oder dergleichen aufgebaut, die eine ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit aufweist. Die Ozonaufspaltungsschicht 20 ist aus einem Ozonaufspaltungskörper gebildet, der MnO₂ und Aktivkohle als Komponenten enthält, die Ozon aufspalten, und einem Binder bzw. Kleber, der diesen Ozonaufspaltungskörper mit der Kühlerrippe 18 verbindet.
[Aufbau der Ozonaufspaltungsschicht 20]
Die Ozonaufspaltungsschicht 20 ist aus einer MnO₂-reichen Schicht 22, in der der Mischanteil von MnO₂ in der Ozonaufspaltungskomponente größer als jener der Aktivkohle ist, und einer aktivkohlereichen Schicht 24 gebildet, in der dieser Mischanteil niedriger als jener der Aktivkohle ist. Die Menge an MnO₂ in der Ozonaufspaltungskomponente, die in der MnO₂-reichen Schicht 22 enthalten ist, ist vorzugsweise nicht kleiner als 50 Gew.-% und nicht höher als 80 Gew.-%. Zusätzlich ist die Menge an MnO₂ in der Ozonaufspaltungskomponente, die in der aktivkohlereichen Schicht 24 enthalten ist, vorzugsweise nicht kleiner als 20 Gew.-% und kleiner als 50 Gew.-%. Indem solche Gehalte eingestellt sind, ist es möglich, Ozon in Anbetracht von realen Bedingungen, unter denen sich die Fahrzeuge bewegen (nachstehend als „Straßeneinsatzbedingungen” bezeichnet) und der Absorptionseigenschaften des Ozonaufspaltungskörpers aufzuspalten, der in dem Fahrzeug montiert ist. Die Basis für diese Ozonaufspaltungskomponentengehalte bzw. -mengen wird nun erläutert.
Zunächst werden die Gründe für die Verwendung von MnO2 in Kombination mit Aktivkohle erläutert, während die Ozonaufspaltungsfähigkeit von Aktivkohle gestreift wird. Aktivkohle hat unzählige Poren, die von der Oberfläche hin zur Innenseite gebildet sind. Wenn Ozon in diese Poren eintritt (insbesondere in Mesoporen und Mikroporen mit Porendurchmessern von 10 Nanometern oder kleiner) wird das Ozon in CO, CO₂, O₂ und so weiter umgewandelt (C + O₃ → CO, CO₂, O₂). Die Aufspaltung des Ozons durch die Aktivkohle ist dieser Art von Umwandlungsreaktion zuzuschreiben. Die Aktivkohle wird jedoch verbraucht, wenn das Ozon aufgespalten wird, wie aus der vorstehenden Reaktionsformel erkennbar.
3 ist ein Schaubild, das Unterschiede im Differenzialporenvolumen (cm³/g) von Aktivkohle vor und nach einem Langzeittest zeigt. Dieser Langzeittest wird ausgeführt, indem ein Ozon enthaltendes Gas mit einer festen Ozonkonzentration von der Vorderseite zur Rückseite eines Aktivkohletestsstücks durchgeführt wird. Wie aus der 3 zu erkennen ist, wird das Differentialporenvolumen nach dem Ausdauertest im Vergleich zur Zeit vor dem Ausdauertest signifikant kleiner. Weil das Differentialporenvolumen das Mengen- bzw. Größenverhältnis von Poren anzeigt, bedeutet eine Verringerung im Differentialporenvolumen eine Verringerung in diesem Mengenverhältnis. Diese Ergebnisse sind ein Beweis für diesen Verbrauch von Aktivkohle.
Zusätzlich zeigt 4 ein Schaubild, das Änderungen in der Ozonaufspaltungsrate (in %) der Aktivkohle über die Zeit zeigt. In derselben Weise wie im in 3 erwähnten Langzeittest wird die in 4 erwähnte Ozonaufspaltungsrate berechnet, indem die Konzentration von Ozon vor und hinter einem Aktivkohleteststück gemessen wird, wenn ein Ozon enthaltendes Gas von der Vorderseite des Teststücks durchgeführt wird (Ozonaufspaltungsrate = Ozonkonzentration hinter dem Stück/Ozonkonzentration vor dem Stück).
In 4 gibt die durchgezogene Linie die Ozonaufspaltungsrate der Aktivkohle wieder und die gestrichelte Linie gibt die Ozonaufspaltungsrate des MnO2 wieder. Wie aus 4 ersichtlich weist die Aktivkohle eine Ozonaufspaltungsrate auf, die zu Beginn ähnlich jener des MnO₂ ist. Die Ozonaufspaltungsrate der Aktivkohle verringert sich jedoch, wenn die Testdauer steigt, und fällt auf ungefähr ein Viertel des Anfangswertes, nachdem eine lange Zeit verstrichen ist.
Durch Fokussieren auf das MnO₂ kann man jedoch verstehen, dass die Ozonaufspaltungsrate des MnO₂ zu Beginn hoch ist und immer noch ungefähr halb so groß wie der Anfangswert ist, selbst wenn eine lange Zeitdauer verstrichen ist. Mit anderen Worten ist zu verstehen, dass das MnO₂ eine ausgezeichnete Dauerfestigkeit der Ozonaufspaltungsfähigkeit im Vergleich zur Aktivkohle aufweist. Dies bedeutet, dass es unter Verwendung des MnO₂ zusammen mit der Aktivkohle möglich ist, die Verringerung der Ozonaufspaltungsfähigkeit der Aktivkohle auszugleichen.
Als Nächstes wird eine Erläuterung des Grunds zum Einstellen der Menge des MnO₂ in den Ozonaufspaltungskomponenten auf nicht kleiner als 20 Gew.-% und nicht größer als 80 Gew.-% gegeben. 5 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Menge (Gew.-%) von MnO₂ in den Ozonaufspaltungskomponenten, die sowohl Aktivkohle als auch MnO₂ enthalten, und der Ozonaufspaltungsrate (Prozent) die diese Komponenten zeigt. Die Ozonaufspaltungsraten, die in 5 gezeigt sind, werden berechnet, indem ein Ozon enthaltendes Gas über ein Teststück geführt wird, in dem die Menge von MnO₂ in Ozonaufspaltungskomponenten verändert wird (das heißt, das Mischverhältnis der Aktivkohle und des MnO₂ variiert), wobei die selbe Einrichtung wie jene verwendet wird, die in den in 3 erwähnten Langzeittests verwendet wird, und wobei die Ozonkonzentration vor und hinter dem Teststück in gleicher Weise wie in 4 erwähnt gemessen wird. Zudem war die Temperatur des über das Teststück geführten Gases 25° Celsius und 75° Celsius.
Wie aus 5 zu erkennen führt ein höherer MnO₂-Gehalt zu einer höheren Ozonaufspaltungsrate. Zusätzlich verändert sich in Fällen, in denen die MnO₂-Menge 50 Gew.-% oder 80 Gew.-% war, die Ozonaufspaltungsrate auch entsprechend der Temperatur des Gases, das über das Teststück geführt wird. Der Grund dafür liegt in den Temperatureigenschaften der Ozonaufspaltungsfähigkeit des MnO₂. Das heißt, dass die Ozonaufspaltungsfähigkeit von MnO₂ bei einer hohen Temperatur (ungefähr 80° Celsius) zunimmt bzw. hoch ist, aber bei Temperaturen niedriger als dieser allmählich abfällt. Wenn aber die Menge bei 20 Gew.-% liegt, sieht man beinahe keine Änderungen in der Ozonaufspaltungsrate. Der Grund dafür ist, dass die Menge von MnO₂ klein ist und sich kaum auf die Verringerung der Ozonaufspaltungsrate auswirkt.
6 ist ein Schaubild, das die Ergebnisse eines Chloridwiderstandstests zeigt. Der Grund zum Ausführen dieses Testes ist es, die Effekte von Schneeschmelzmitteln (wie NaCl und CaCl₂) auf Straßenoberflächen zu prüfen. Schneeschmelzmittel werden auf Straßenoberflächen verteilt, um ein Gefrieren zu verhindern, werden in die Luft verteilt, wenn sie von vorausfahrenden Fahrzeugen aufgeschleudert werden, und kleben an der Oberfläche des Kühlers von nachfolgenden Fahrzeugen. Der Chloridwiderstandstest wurde ausgeführt, indem Teststücke mit verschiedenen MnO₂-Gehalten vorübergehend in wässrige Chloridlösungen eingetaucht wurden und dann ein Ozon enthaltendes Gas über die Teststücke geführt wurde, wobei dieselben Mittel wie in dem Dauertest verwendet wurden, der in 3 erwähnt ist. Zusätzlich wurde die in 6 erwähnte Ozonaufspaltungsrate berechnet, indem die Ozonkonzentration vor und hinter dem Teststück während des Ausdauertests in derselben Weise wie in 4 erwähnt gemessen wurde. Zudem war die Temperatur des über das Teststück geführten Gases 25° Celsius.
Wie aus 6 erkennbar war die Ozonaufspaltungsrate nach dem Ausdauertest (gealtert) niedriger als im Anfangszustand (frisch). Zusätzlich erhöht sich dieser Grad der Verringerung, wenn der Mengenanteil von MnO₂ steigt. Insbesondere war die Ozonaufspaltungsrate nach dem Ausdauertest signifikant kleiner als im Ursprungszustand, wenn reines MnO₂ verwendet wurde. Der Grund dafür ist, dass die Anzahl von MnO₂-Stellen aufgrund der Adsorption von Chloriden oder aufgrund des Lösens des MnO₂ verringert wird, das von abgelagerten Chloriden verursacht wird. Aus den in 6 gezeigten Ergebnissen kann man erkennen, dass ein MnO₂-Gehalt von 80 Gew.-% oder weniger verwendet werden sollte, um den Effekt von Schneeschmelzmitteln zu verringern.
7 ist ein Schaubild, das die Ergebnisse eines Schwefelvergiftungstests zeigt. Der Grund für das Ausführen dieses Tests ist es, die Effekte von SOx in der Luft zu untersuchen. SOx werden manchmal von Fahrzeugen emittiert und haften an den Kühlern von sich bewegenden Fahrzeugen. Der Schwefelvergiftungstest wurde ausgeführt, indem ein Gas, das Ozon und SO₂ enthält, über Teststücke geführt wurde, die verschiedene MnO₂-Gehalte aufweisen. Die in 7 gezeigte Ozonaufspaltungsrate wurde berechnet, indem die Ozonkonzentration vor und hinter dem Teststück während des Ausdauertests in gleicher Weise wie in 4 gezeigt gemessen wurde. Darüber hinaus betrug die Temperatur des über das Teststück geführten Gases 25° Celsius.
Wie aus 7 zu erkennen war die Ozonaufspaltungsrate nach dem Ausdauertest in einem Fall, in dem das Verhältnis von Aktivkohle (AC):MnO₂ 1:4 war, geringer als im Anfangszustand. Insbesondere wenn reines MnO₂ verwendet wurde, war die Ozonaufspaltungsrate nach dem Ausdauertest signifikant kleiner als im Anfangszustand. Wenn jedoch reine Aktivkohle verwendet wurde, ist kein Unterschied in der Aufspaltungsrate vor und nach dem Ausdauertest zu erkennen. Bei einem AC:MnO₂-Verhältnis von 4:1 war die Ozonaufspaltungsrate nach dem Ausdauertest höher als im Anfangszustand. Aus den in 7 gezeigten Ergebnissen kann man verstehen, dass ein MnO₂-Gehalt von 80 Gew.-% oder kleiner wünschenswert ist und ein MnO₂-Gehalt von 20 Gew.-% am Besten ist, um den Effekt von SO₂ zu verringern.
Die 8A bis 8C zeigen die Ergebnisse von Wasservergiftungstests. Der Grund zum Ausführen dieser Tests ist es, die Auswirkungen von Wasser in der Luft zu untersuchen. Die Wasservergiftungstests wurden ausgeführt, indem ein befeuchtetes Gas (O₃-Konzentration 100 ppm, O₂-Konzentration 20%, H₂O-Konzentration 2%) und ein trockenes Gas (O₃-Konzentration 100 ppm, O₂-Konzentration 20%, H₂O-Konzentration 0%) über Teststücke mit unterschiedlichem MnO₂-Gehalten geführt wurden.
Die 8A bis 8C zeigen jeweils ein Arrhenius-Diagram, das auf der Grundlage von durch Messen der Konzentration von Ozon vor und hinter einem Teststück berechneten Ozonaufspaltungsraten vorbereitet wurde, während die Temperatur des Teststücks mit einer Temperaturerhöhungsrate von 2,5°C/min von 35°C auf 125°C erhöht wird. Wie aus den 8A bis 8C zu erkennen führt eine niedrigere Teststücktemperatur in Fällen, in denen H₂O vorhanden ist, zu einer Verringerung der Reaktionsratenkonstante k (proportional zur Aufspaltungsrate). Zusätzlich wird dieser Verringerungstrend signifikanter, wenn der MnO₂-Gehalt steigt. Das heißt, wenn H₂O vorhanden ist, verringert sich die Reaktivität des Ozonaufspaltungskörpers. Zudem liegt in einer Hochtemperaturregion eines Teststücks aufgrund der hohen Verdampfungsrate von H₂O ein hoher Wert für die Reaktionsratenkonstante k vor.
9 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Menge (g) von aufgespaltetem Ozon und dem Gehalt (Gew.-%) von MnO₂ in den Ozonaufspaltungskomponenten während der nützlichen Lebensdauer bzw. Nutzlebensdauer der Vorrichtung zeigt. In 9 basiert die Charakteristik, die durch „Ozonfestigkeit” wiedergegeben wird, auf den in 5 gezeigten Ergebnissen. Das bedeutet, dass eine Langlebigkeit der Ozonaufspaltungsfähigkeit verlangt wird, um eine hohe Ozonaufspaltungsmenge über die Nutzlebensdauer der Vorrichtung zu erhalten. Daher ist es unabdingbar, die Menge an MnO₂ in der Ozonaufspaltungskomponente auf 20 Gew.-% oder höher festzulegen. Zusätzlich basieren die Charakteristiken, die durch „Sulfate, Chloride, Wasser” in 9 wiedergegeben werden, auf den Ergebnissen, die in den 6 bis 8C gezeigt sind. Das heißt, um eine hohe Ozonaufspaltungsmenge über die Nutzlebensdauer der Vorrichtung zu erhalten, ist es unerlässlich, die Effekte von Straßeneinsatzbedingungen auf die Ozonaufspaltungsfähigkeit in Betracht zu ziehen. Daher ist es nicht wünschenswert, die Menge an MnO₂ in den Ozonaufspaltungskomponenten auf 80 Gew.-% oder höher festzulegen. Wenn all diese Faktoren in Betracht gezogen werden, führt dies zu den Eigenschaften, die durch die in 9 gezeigten „Straßeneinsatzbedingungen” wiedergegeben werden.
Insbesondere in den letzten Jahren wurden Fahrzeuge kraftstoffsparender und ein Faktor dabei war die Tendenz, die Häufigkeit zu verringern, mit der Wasser in dem Motorkühler zugeführt wird. Zusätzlich wurde in sogenannten Hybridfahrzeugen, die mit einer Maschine mit interner Verbrennung und einem Elektromotor oder einer Maschine mit interner Verbrennung und Batterien versehen sind, die Belastung der Maschine mit interner Verbrennung verringert und die Häufigkeit, mit der Wasser in den Motorkühler zugeführt wird, wurde verringert. Als ein Ergebnis ist es wünschenswert, derartige Wasserzufuhrbedingungen vorab zu berücksichtigen, wenn ein Ozonaufspaltungskörper auf einen Kühler aufgebracht wird. Im Hinblick darauf wird die Menge an MnO₂ in den Ozonaufspaltungskomponenten auf der Grundlage der Ausdauertestergebnisse bei einer Durchgangstemperatur von 25° Celsius in dem Ozonaufspaltungskörper dieser Ausführungsform angepasst. Daher ist es selbst in Fällen möglich, für die Nutzlebensdauer der Vorrichtung eine hohe Ozonaufspaltungsmenge zu erreichen, in denen Betriebsbedingungen kontinuierlich auftreten, bei denen die Häufigkeit kleiner ist, mit der Wasser in den Radiator zugeführt wird.
Schließlich wird eine Erläuterung für die Gründe dafür gegeben, die Menge an MnO₂ in der MnO₂-reichen Schicht 22 und die in der aktivkohlereichen Schicht 24 so einzustellen, dass sie in die vorstehend erläuterten Bereiche fallen. Die 10A bis 15B sind Schaubilder, die die Ergebnisse von Absorptionsberechnungen zeigen. Der Grund für das Ausführen von Absorptionsberechnungen ist es, das Absorptionsverhalten von O₃-Molekülen und H₂O-Molekülen zu bestätigen. Diese Berechnungen wurden unter Verwendung eines Porositätssimulators ausgeführt. Mit dem Porositätssimulator werden die spezifische Oberfläche und der mittlere Porendurchmesser von tatsächlich vorbereiteten Ozonaufspaltungskörpern gemessen, und poröse Modellpartikel werden in einer solchen Weise vorbereitet, dass sie zu diesen Ozonaufspaltungskörpern passen. Als Nächstes wird die Menge bestimmt, die pro vorbereitetem Modell adsorbiert wird. Wenn die adsorbierte Menge bestimmt wird, wird die Menge in Betracht gezogen, die unter vorab festgelegten Bedingungen adsorbiert wird, die unter Verwendung eines Monte-Carlo-Berechnungsprogramms im thermischen Gleichgewicht (Grand Canonical Monte Carlo, GCMC) berechnet wurde. Als Nächstes wird die bestimmte Menge, die pro Partikel adsorbiert wurde, bis zum Maßstab eines Modells (einer Zelle) hochgerechnet. Zusätzlich wird die auf einer tatsächlichen Messskala adsorbierte Menge aus der Größe dieses Modells und der pro Modell adsorbierten Menge bestimmt.
Die 10A bis 10C sind vergrößerte Ansichten von Modellpartikeln, in denen H₂O adsorbiert ist. In den 10A bis 10C wird es dem H₂O erlaubt, von oben auf die Modellpartikel herabzufließen. Aus der Vielzahl von in der 10 gezeigten Partikeln sind jene mit extrem kleinen Partikelndurchmessern H₂O. Wie aus den 10A und 10B zu sehen ist, wird H₂O auf aktivierten Kohlenstoffpartikeln und MnO₂ Partikeln in dem Modell gleichförmig adsorbiert. In 10C wird jedoch ein Großteil des H₂O an Orten in der oberen Hälfte des Modells adsorbiert, aber nicht in der unteren Hälfte. Daher ist in Modellen, in denen das AC:MnO₂ Verhältnis 1:4 ist, die Verteilung von H₂O nicht gleichförmig.
11A und 11B zeigen Übergänge in der Anzahl von adsorbierten H₂O Molekülen, die aus den in 10A bis 10C gezeigten Modellen berechnet wurden. 11A zeigt die Anzahl von H₂O-Molekülen, die an der Aktivkohle adsorbiert wurde, und 11B zeigt die Anzahl von H₂O-Molekülen, die an dem MnO₂ adsorbiert wurden. Darüber hinaus wurden die Linienschaubilder, die in 11A und 11B gezeigt wurden, für jeden MnO₂-Gehalt vorbereitet. Wie aus den 11A und 11B zu sehen ist, steigt die Anzahl von adsorbierten H₂O-Molekülen, wenn die Zeit vergeht. Zusätzlich werden mehr H₂O-Moleküle durch die Aktivkohle als vom MnO₂ adsorbiert, wenn numerische Werte bei einem Gehalt von 50 Gew.-% verglichen werden. Zusätzlich steigt die Menge der von MnO₂ adsorbierten H₂O-Moleküle und die Menge der von Aktivkohle adsorbierten H₂O-Moleküle fällt, wenn der MnO₂-Gehalt steigt.
Die 12A und 12B zeigen Übergänge in der Erfassungsrate von H₂O-Molekülen, die von den Modellen berechnet wurden, die in den 10A bis 10C gezeigt sind. Die in 12A gezeigten Ergebnisse entsprechen den in 11A gezeigten Ergebnissen, und die in 12B gezeigten Ergebnisse entsprechen den in 11B gezeigten Ergebnissen. Wie aus den 12A und 12B zu sehen ist, nähert sich die Erfassungsrate sowohl der Aktivkohle als auch des MnO₂ der 1,0, wenn die Zeit in Fällen verstreicht, in denen der Gehalt an MnO₂ 20 Gew.-% oder 50 Gew.-% ist. Falls der Gehalt von MnO₂ 80 Gew.-% ist, ist jedoch die Erfassungsrate sowohl des aktivierten Kohlenstoffs als auch des MnO₂ niedrig. Dies ist so, weil die Verteilung von H₂O-Molekülen in dem Modell wie in 10C gezeigt ungleich ist.
Die 13A bis 13C sind vergrößerte Ansichten von Modellpartikeln, in denen O₃ ebenfalls auf den Modellpartikeln adsorbiert wird, auf denen H₂O adsorbiert ist, (das heißt, den in 10A bis 10C gezeigten Modellpartikeln). In den 13A bis 13C wird es H₂O und O₃ erlaubt, von oben auf die Modellpartikel herabzufließen. Aus der Vielzahl der Partikel, die in den 13A bis 13C gezeigt sind, sind jene, die außergewöhnlich kleine Partikeldurchmesser aufweisen, O₃. Zudem wurde H₂O in den 13A bis 13C weggelassen. Wie aus den 13A und 13B zu sehen ist, wird O₃ in dem Modell gleichförmig an Aktivkohlepartikeln und MnO₂-Partikeln adsorbiert. In 13C wird jedoch ein Großteil des O₃ an Orten in der oberen Hälfte des Modells, aber nicht in der unteren Hälfte adsorbiert. Daher ist die Verteilung von O₃ in den Fällen nicht gleichförmig, in denen das AC:MnO₂ Verhältnis 1:4 ist.
Die 14A und 14B zeigen Übergänge in der Anzahl von adsorbierten O₃-Molekülen, die aus den Modellen berechnet sind, die in 13A bis 13C gezeigt sind. 14A zeigt die Anzahl von O₃ Molekülen, die an der Aktivkohle adsorbiert werden, und 14B zeigt die Anzahl von O₃ Molekülen, die an dem MnO₂ adsorbiert werden. Zudem wurden die Liniendiagramme, die in den 14A und 14B gezeigt sind, für jeden MnO₂-Gehalt vorbereitet. Wie aus den 14A und 14B zu erkennen, zeigen die Übergänge in der Anzahl von adsorbierten O₃-Molekülen ähnliche Tendenzen wie die in den 11A und 11B erläuterten H₂O-Übergänge.
Die 15A und 15B zeigen Übergänge in der aus den in 13A bis 13C gezeigten Modellen berechneten Erfassungsrate von O₃-Molekülen. Die in 15A gezeigten Ergebnisse entsprechen den in 14A gezeigten Ergebnissen, und die in 15B gezeigten Ergebnisse entsprechen den in 14B gezeigten Ergebnissen. Wie aus den 15A und 15B zu sehen ist, zeigen die Übergänge in der Erfassungsrate von O₃-Molekülen ähnliche Tendenzen wie bei den in 12A und 12B erläuterten H₂O-Übergängen.
Aus den in 10A bis 15B gezeigten Ergebnissen kann verstanden werden, dass der Effekt der Adsorption von H₂O ansteigt, wenn die MnO₂-Menge ansteigt, und die Erfassungsrate von O₃ fällt. Wenn die Erfassungsrate von O₃ niedrig ist, wird die Reaktion mit O₃ schwieriger. Die Erfinder dieser Erfindung haben angenommen, dass ein Faktor der verringerten Reaktivität des in 8A bis 8C erläuterten Ozonaufspaltungskörpers diese Verringerung der Erfassungsrate ist. Auf der Grundlage dieser Annahme wurden der Gehalt von MnO₂ in der MnO₂-reichen Schicht 22 und jener in der aktivkohlereichen Schicht 24 innerhalb der vorstehend in dieser Ausführungsform erläuterten Bereiche festgelegt. Das heißt, dass der Gehalt an MnO₂ in der Schicht 24 (oberen Schicht) niedriger als jene der Aktivkohle eingestellt wird, und der Gehalt an MnO₂ in der MnO₂-reichen Schicht (der unteren Schicht) höher als jener an Aktivkohle eingestellt ist. Auf diese Weise wird Wasser an der Aktivkohle der oberen Schicht adsorbiert, die im direkten Kontakt mit Außenluft ist, und O₃ kann verlässlich von MnO₂ in der unteren Schicht aufgespalten werden. Zusätzlich kann O₃ hauptsächlich durch die Aktivkohle in der oberen Schicht aufgespalten werden, die leicht durch den Kontakt mit Außenluft gekühlt wird, und O₃ kann hauptsächlich durch MnO₂ in der unteren Schicht aufgespalten werden, die vergleichsweise warm ist.
Die Ozonaufspaltungsschicht 20 wird in dieser Ausführungsform auf den Kühler 14 gebildet, aber die Position, an der die Ozonaufspaltungsschicht 20 zu bilden ist, kann ein Kondensator für eine Klimaanlage, ein Zwischenkühler, oder ein Inverter für ein Hybridfahrzeug sein. Diese bildenden Teile können wie der Radiator 14 an dem Fahrzeug montiert sein, und die bildenden Teile werden mittels Kühlprinzipien ähnlich den Radiator 14 (ein Kühlmedium in dem Fall der Wasserkühlung) gekühlt bzw. durchströmt. Wenn bildende Teile wie diese verwendet werden, kann die Ozonaufspaltungsschicht 20 in derselben Weise wie in dieser Ausführungsform gebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2002-514966 A [0003, 0003, 0005]
JP 10-512805 A [0004]

Claims

Luftreinigungsvorrichtung für ein Fahrzeug (10) wobei das Fahrzeug eine Fahrzeugkomponente (18) aufweist, die an einem Ort vorgesehen ist, an dem Luft fließt, während sich das Fahrzeug bewegt, wobei die Luftreinigungsvorrichtung Folgendes umfasst: einen Ozonaufspaltungskörper (20), der MnO₂ und Aktivkohle als Komponenten aufweist, die Ozon aufspalten, wobei der Ozonaufspaltungskörper eine erste Schicht (22) und eine zweite Schicht (24) aufweist, wobei die erste Schicht auf einer Oberfläche der Fahrzeugkomponente vorgesehen ist, ein Gehalt von MnO₂ in der ersten Schicht höher als jener an Aktivkohle ist, und ein Gehalt von Aktivkohle in der zweiten Schicht höher als jener an MnO₂ ist.
Luftreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Menge an MnO₂ in der ersten Schicht zwischen 50 Gewichtsprozent und 80 Gewichtsprozent je einschließlich ist, und die Menge von MnO₂ in der zweiten Schicht gleich oder höher als 20 Gewichtsprozent und unter 50 Gewichtsprozent ist.
Luftreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fahrzeugkomponente mindestens entweder ein Kühler, ein Zwischenkühler, oder ein Inverter für ein Hybridfahrzeug ist.