JP2007218142A - 排気ガスの浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メタル担体内部での触媒反応が効率良く行われ、触媒性能の向上が図れる排気ガスの浄化方法を提供する。
【解決手段】少なくとも何れかにスリット孔４ａ、５ａが所定ピッチで複数形成された金属製薄板からなる波板４と平板５を重ねて多重に巻回して筒状とし、それら波板４と平板５とで形成されるセル部６に排気ガスを通過させるメタル担体１に、ＵＩ値が０．８〜０．９５の流速分布を持つように排気ガスを流して浄化する。
【選択図】図４

Description

本発明は、排気ガスの浄化方法に関し、詳細には、メタル担体内部での触媒反応を効率良く行わせるための技術に関する。

例えば、自動車エンジンから排出される排気ガス（反応ガス）の浄化に使用されるメタル担体（金属製触媒担体）は、触媒性能向上を目的として金属製薄板に孔を開けたものやエッジ状のフィン加工を施したものがある（例えば、特許文献１など参照）。

このような加工を施した部分では、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの反応物質や熱の移動を阻害する境膜が薄くなるため、反応物質や反応に必要な熱の移動がスムーズに行われ、触媒性能が向上する。
特開平１１−２２６３５８号公報

しかしながら、メタル担体内部の加工部(孔やフィン部)において、反応物質移動促進のための充分な効果を得るためには、排気ガスが効率良くその部分（孔やフィンなどの加工部）に当たる必要がある。

効率良く排気ガスを加工部に接触させるには、セル部を横切るような流れを作ることが有効であり、これには、メタル担体に流入する流速分布が大きく影響する。しかし、メタル担体に流入するガス流速分布は、ディフューザーの形状やパイプの形状に依存するところが大きく、メタル担体での浄化反応を考慮した流れになっていない場合が多い。

そこで、本発明は、上述の実状に鑑みてなされたものであり、メタル担体内部での触媒反応が効率良く行われ、触媒性能の向上が図れる排気ガスの浄化方法を提供することを目的とする。

本発明は、少なくとも何れかに孔が所定ピッチで複数形成された金属製薄板からなる波板と平板を重ねて多重に巻回して筒状とし、それら波板と平板とで形成されるセル部に排気ガスを通過させて浄化するメタル担体に、ＵＩ値が０．８〜０．９５の流速分布を持つように排気ガスを流して浄化することを特徴とする。

本発明によれば、メタル担体に流入する排気ガスがＵＩ値０．８〜０．９５の流速分布を持つので、メタル担体内部でのＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの反応物質の移動が促進され、触媒性能が向上する。したがって、本発明によれば、排気ガスの浄化性能を高めることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、メタル担体の一部を破断して示す斜視図、図２は、波板と平板を重ねて多重に巻回してコア部を製造する途中の状態を示す斜視図である。

メタル担体（金属製触媒担体）１は、図１に示すように、金属製薄板の巻回体からなるコア部２と、このコア部２を内部に収容し保持させる円筒形状の外筒３とから構成されている。

コア部２は、図２に示すように、ステンレスなどの金属製薄板からなる波板４と平板５とを重ね、多重に巻回することにより円筒体として形成される。波板４には、波形状に成形する前に予め所定間隔の元に複数のスリット孔４ａが形成されている。同様に、平板５にも複数のスリット孔５ａが形成されている。

このように形成されたコア部２には、波板４と平板５との波部と平坦部とで囲まれる略三角形状の空間部とされるセル部６が複数形成される。各セル部６の表面には、アルミナなどからなる触媒担持層が形成されると共に、その触媒担持層に触媒金属が担持されている。

かかるコア部２は、排ガス浄化触媒とされ、自動車エンジンの排気経路に配置されることにより、排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの反応物質を浄化させる働きをする。

外筒３は、例えばフェライト系ステンレス板材を円筒形にすることで形成されている。

そして、本実施の形態においては、コア部２の内部において触媒反応が効率良く行われるようにすべく、図３に示すように、メタル担体１の排気ガス流入口となるガス流入部１Ａに流速分布を持った排気ガスを流すようにする。メタル担体１に流入させる排気ガスに流速分布を持たせることで、図４に示すように、コア部２内部に形成された各スリット孔４ａ、５ａを介して前記排気ガスがセル部６間を移動する流れが生じ、当該スリット孔４ａ、５ａでの反応物質が促進される。排気ガスに流速分布を持たせると、メタル担体１の内部において圧力差が生じるため、スリット孔４ａ、５ａにガスが入り易くなり、エッジ効果が充分に促進される。

なお、図４では、ガスの流れを矢印で示してある。また、図４（Ａ）においては、波板４と平板５の表面を覆うようにして形成した触媒担持層７を図示してある。図４（Ｂ）では、スリット孔４ａ（或いは５ａ）に流れ込んだ反応ガスが、波板４表面の触媒担持層７の先端からその上下面に沿って流れていることを示している。

このように構成されたメタル担体１は、図５に示すように、反応促進部がメタル担体１のガス流入部１Ａの先端（エッジ部）だけではなく、そのコア部２内部に形成されたスリット孔４ａ、５ａの先端（エッジ部）でも反応が効率良く進んでいることが判る。

また、本実施の形態では、メタル担体１に流速速度を持った排気ガスを流すに際して、そのガス流速分布の指標にＵＩ値（Uniformity Index）を用い、そのＵＩ値が０．８〜０．９５の流速分布を持つように排気ガスを流すことが最もコア部２の内部において触媒反応が効率良く行われることが判った。

図６は、反応物質の移動量を熱移動量で代用し、流速分布のＵＩ値と放熱量との関係を示す特性図である。図６中、線Ａはスリット孔有り、線Ｂはスリット孔無しのメタル担体を示す。この結果から判るように、スリット孔の有り無しにより、ガス流れの影響は異なり、スリット孔無しの場合は、流速分布無し（ＵＩ値が１．００の場合）の方が最も良い結果となる。これに対して、スリット孔が有る場合は、流速分布を持たせた方が放熱量が大きくなることが判る。特に、ＵＩ値が０．８〜０．９５の範囲で最適な放熱量を得ることができる。

ＵＩ値は、流体の流れの均一性を表す指標で下記の数式１で表される。ＵＩ値が１に近くなるほど流速分布は均一に近づき、１で管内の流速分布が無くなる。

数式１におけるＵｉは、図７で示すように流体が流れる管８内をある断面で格子状に分割した場合、格子状の各エリア９の流速を表す。Ｕａｖｅは、平均流速を表す。Ｓは、管８の断面積を表す。Ｓｉは、各エリアの面積を表す。

このように、ＵＩ値が０．８〜０．９５の流速分布を持つようにメタル担体１に排気ガスを流せば、排気ガス中に含まれる反応ガスの物質移動が促進され、触媒性能が向上する。触媒性能向上のためには、ＵＩ値を前記範囲内とすることが必要であるが、実際の流速分布で表した場合、メタル担体の管外部より半径Ｒの約半分位置までは流速分布が必要である。図８は、メタル担体の半径と流速との関係を示す特性図である。この図から判るように、ＵＩ値０．８〜０．９５を達成させるためには、メタル担体の管外部から半径Ｒの約半分である０．５Ｒの位置まで、流速分布を生じさせる必要があることが判る。

しかし、管内を流れるガスの流速分布は、乱流の場合、流れ方向に対し大きな流速分布を有する位置は管外部より１０％程度の箇所に留まるため、触媒流入部には流速分布を有する領域を拡げる必要がある。コンバータスペースに余裕がある場合には、図９に示すように、入口側のディフューザー１０におけるガス流入部管の直径Ｄ１を２ｒ（ｒは半径を表す）とし、ディフューザー角θを１９度とした場合、メタル担体の直径Ｄ２を３．６ｒとすれば、触媒反応に良好な流速分布を得ることができる。

コンバータスペースに余裕が無くスペース的にメタル担体１が導入管１１と同程度の直径しか取れない場合は、図１０に示すように、導入管１１内に偏流を起こすような邪魔板１２を漏斗形状となるように設けることで、触媒反応に良好な流速分布を得ることができる。

なお、図１１に示すように流速分布を持たない排気ガスをメタル担体１のガス流入部１Ａに流した場合は、図１２及び図１３に示すようにスリット孔４ａ、５ａにガスが流入せず、内部エッジにガスが効率良く当たらない。そのため、本実施の形態のように、所定の流速分布を持たせてメタル担体１に排気ガスを流した場合におけるエッジ効果は充分に発揮されない。

以上のように本実施の形態によれば、触媒性能が向上するため、これまでに比べてメタル担体の小型化を実現することができる。また、本実施の形態によれば、メタル担体の内部でエッジ効果が得られるので、触媒が有効に使われることから貴金属量の低減も可能となる。さらに、本実施の形態によれば、前記２つの効果により、性能を維持したままで触媒コンバータのコスト低減が可能となる。

メタル担体の一部を破断して示す斜視図である。 波板と平板を重ねて多重に巻回してコア部を製造する途中の状態を示す斜視図である。 流速分布を持った排気ガスをメタル担体に流す様子を示す図である。 流速分布を持った排気ガスがスリット孔内にも入り込む様子を示す図である。 流速分布を持った排気ガスを流したときの反応物質の拡散促進状態を示す図である。 反応物質の移動量を熱移動量で代用し、流速分布のＵＩ値と放熱量との関係を示す特性図である。 流体が流れる管を格子状に分割し各エリアの流速を表す。 所定のＵＩ値を得るための担体の半径と流速との関係を示す特性図である。 コンバータスペースに余裕がある場合において、触媒反応に良好な流速分布を持つようにした触媒コンバータの一例を示す図である。 コンバータスペースに余裕が無い場合において、触媒反応に良好な流速分布を持つようにした触媒コンバータの一例を示す図である。 流速分布を持たない排気ガスをコンバータに流す様子を示す図である。 流速分布を持たない排気ガスがスリット孔に入らない様子を示す図である。 流速分布を持たない排気ガスではスリット部で物質移動が促進されないことを示す図である

符号の説明

１ メタル担体
２ コア部
３ 外筒
４ 波板
４ａ，５ａ スリット孔
５ 平板
６ セル部
７ 触媒担持層
１０ ディフューザー
１１ 導入管
１２ 邪魔板

Claims (1)

1. 少なくとも何れかに孔（４ａ、５ａ）が所定ピッチで複数形成された金属製薄板からなる波板（４）と平板（５）を重ねて多重に巻回して筒状とし、それら波板（４）と平板（５）とで形成されるセル部（６）に排気ガスを通過させて浄化するメタル担体（１）に、ＵＩ値が０．８〜０．９５の流速分布を持つように排気ガスを流して浄化する
   ことを特徴とする排気ガスの浄化方法。

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