JP2012168062A - シミュレーション装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シミュレーション装置1は、所定の入力データから排気浄化触媒の浄化性能を評価するための排気の流速、濃度、触媒温度、及び排気温度などの評価パラメータの値を算出する。このシミュレーション装置1は、排気を構成するガス成分の輸送及び排気浄化触媒における熱の移動を模した物理モデルに基づいて評価パラメータの値を算出する物理演算モジュール31と、排気浄化触媒におけるガス成分に対して進行する触媒反応を模した触媒反応モデルに基づいて評価パラメータの値を算出する触媒反応演算モジュール32とで構成された演算装置3を備える。触媒反応モデルは、特定のガス成分対で進行する化学反応を模した化学反応モデルと、触媒表面への特定のガス成分の吸着反応を模した成分吸着モデルと、を含む。
【選択図】図1
Description
図1は、本実施形態に係るシミュレーション装置1の概略構成を示すブロック図である。シミュレーション装置1は、作業者が各種データや指令を入力する入力装置2と、各種演算処理を実行する演算装置3と、演算結果を表示する表示装置4と、を備える。以下詳述するように、このシミュレーション装置1では、排気管に設けられた排気浄化触媒による内燃機関の排気の浄化過程をシミュレーションすることにより、この排気浄化触媒の浄化性能を評価するための各種評価パラメータの値を算出する。
物理演算モジュールでは、図2に示すように、排気管5内に設けられた排気浄化触媒6を、排気の流れ方向に沿ってM個の要素に分割することにより離散化した1次元モデルとして捉える。そして、排気浄化触媒6に入力される各ガス成分の流量[g/s]の時間変化に関するデータ及び排気温度[K]の時間変化に関するデータを含んで構成された後述の入力データに基づいて、この1次元モデル上のM個の離散要素ごと及び触媒直下の排気の流速と、排気を構成する各ガス成分の濃度と、触媒及び排気の温度との時間発展を算出する。本発明では、これら排気の流速、ガス成分の濃度、触媒温度、及び排気温度、並びにこれらから算出されるガス成分の排出量など、排気浄化触媒の性能を評価するためのパラメータを、評価パラメータと言う。なお、この入力データを取得するためのモードエミッション試験については、後に詳述する。
上述のような評価パラメータの時間発展をシミュレーションするためには、排気浄化触媒において発生し得る物理現象のうち特に、内燃機関から排気として排出されたガス成分の輸送と、熱の移動と、の両方を扱う必要がある。物理演算モジュールでは、これらガス成分の輸送と熱の移動とを正確に把握するため、図3に示すように、各離散要素を、排気が流通するガス層と、ガス成分に対し所定の化学反応が進行する境界層と、熱が移動する固体層と、の3つの層に分けて扱う。以下、この第n番目の離散要素において進行する物理現象について、ガス成分の輸送と熱の移動とを順に説明する。
第n番目の離散要素に着目した場合、ガス成分の輸送は、第n番目の離散要素のガス層からより下流側の第n+1番目の離散要素のガス層へ流出するもの(図3中、白抜き矢印a参照)と、同じ離散要素内におけるガス層と境界層との間の交換(図3中、白抜き矢印b参照)と、に分けられる。活性状態にある排気浄化触媒における反応速度は、反応ガス成分のガス層から境界層への輸送速度、又は、反応により生成されるガス成分の境界層からガス層への輸送速度によって律速されることから、後述の触媒反応演算モジュールにおいて境界層での化学反応速度を正確に把握する上でも、このようなガス層と境界層との間における反応ガスの交換は正確にモデル化する必要がある。
第n番目の離散要素に着目した場合、熱の移動は、第n番目の離散要素のガス層における排気と固体層との間の熱伝達(図3中、太矢印c参照)によるものと、第n番目の離散要素の固体層と第n−1番目の離散要素の固体層との間の熱伝導(図3中、太矢印d参照)によるものと、第n番目の離散要素の境界層において進行したガス成分の化学反応により固体層において発生した反応熱(図3中、符号e参照)によるものと、固体層から外部(外套部)への放熱(図3中、太矢印f参照)によるものと、の主に4種類が支配的となっている。
図1に戻って、触媒反応演算モジュール32では、各離散要素の境界層においてガス成分に対して進行する触媒反応を扱う。例えば、上記式(2)中のガス成分の濃度Ci,boundaryや、上記式(5)中のモル数の変化量dni/dtなどは、境界層において特定のガス成分対に対して進行する化学反応によって変化する。この触媒反応演算モジュールでは、このような境界層のガス成分に関する評価パラメータの時間発展を算出する。以下、触媒反応演算モジュールについて、それぞれ異なるアルゴリズムが設定された比較例1、比較例2、及び実施例について説明する。
CO+O2反応、C3H6+O2反応、NO+CO反応など、境界層におけるガス成分対で進行する各種化学反応に対する反応速度式を、化学工学分野において基本的な反応速度式として一般的に用いられているアレニウスモデルに基づいて定式化したものを比較例1とする。また、この比較例1では、ガス成分の触媒表面への吸着はないものとして扱う。下記式(7)〜(9)に、一例として、CO+O2反応に係る反応速度RCO+O2に対する演算式を、アレニウスモデルに基づいて定式化したものを示す。
図7は、CO+O2反応によるCO転化率の温度特性を示す図である。図7中、実線は、NOの非存在下における試験結果(すなわち図4中、実線で示す結果と同じ)を示し、破線は、NOの存在下における試験結果を示す。また、四角印は、上記比較例1のアレニウスモデルによる推定結果を示す。この図に示すように、NOが存在すると、CO+O2反応の反応速度は鈍化する。これは、多成分が混在した触媒表面上における反応で発生する競争吸着現象によるものであり、この図に示すように、比較例1のアレニウスモデルでは、このような競争吸着現象を再現することができない。
図9は、後述の成分吸着特性試験の結果を示す図である。図9のうち細実線は排気浄化触媒に流入する排気の酸素濃度の変化を示し、太実線は排気浄化触媒から流出する排気の酸素濃度の変化を示す。排気浄化触媒に添加されたCeO2により排気中の酸素が吸着することにより、この図9に示すように、触媒の前後でガス成分に応答遅れが生じる。
次に、以上のように構成された比較例1、2及び実施例のシミュレーション装置によるシミュレーション結果について説明する。また、比較例1、2及び実施例のシミュレーション装置に入力する入力データは、後述のモードエミッション試験で得られたものを用いた。
図12に示すように、実測値(細実線)と比較例2のシミュレーション装置による推定値(太実線)とを比較すると、NOの浄化開始タイミングについては、上述の図11に示す比較例1の結果よりも実測値に近くなり、改善されたと言える。しかしながら、CO、NMHC、及びNOの排出量が、全体的に実測値よりも多目になっている点や、始動開始直後におけるNOの排出挙動については、比較例1のシミュレーション装置に対して十分に改善されているとは言えない。
以下、上記シミュレーション装置を構築するにあたって各種モデルパラメータを決定するために行った触媒単体試験と、構築したシミュレーション装置への入力データを取得するために行った実車によるモードエミッション試験と、について順に説明する。
先ず、これら2つの試験に用いた排気浄化触媒の仕様は、以下の通りである。なお、実際の試験には、所定の条件下でエージング処理を施したものを用いた。
・触媒組成:Pt−Pd−Rh−CeO2
・触媒セル密度:900cpi
・触媒サイズ(触媒単体試験用の試験片):φ30mm×L55mm
・触媒サイズ(モードエミッション試験用):φ105.7mm×L114.3mm
この触媒単体試験では、準備した排気浄化触媒における各種触媒反応の速度特性と、各化学種の吸着特性とを特定することを目的として、準備した上記触媒試験片と排気を模して構成された合成ガスとを用いて、以下に示す(1−1)反応速度特性試験と(1−2)成分吸着特性試験との2種類の試験を行った。
この反応速度特性試験では、触媒試験片に流量一定の条件下で合成ガスを供給しながら、この合成ガスの温度を373[K]から773[K]まで、5[K/min]の割合で上昇させたときにおける、合成ガス中の各成分の転化率の変化を測定した。図18には、試験結果の一例として、COの転化率に相当する触媒試験片の上流側と下流側のCO濃度[ppm]の変化を示す。図18の下段において、破線は触媒試験片の上流側のCO濃度を示し、実線は触媒試験片の下流側のCO濃度を示す。
基づいて特定される。
この成分吸着特性試験では、内燃機関の混合気の空燃比がリーン側又はリッチ側に周期的に制御された場合を想定して、還元性ガスと酸化性ガスとを一定の周期で交互にステップ状に供給し、このときの触媒試験片の上流側と下流側のガス成分の濃度差を測定することにより、触媒表面への各化学種の吸着特性及び脱離特性を特定した。また、以上のような試験を、触媒試験片に供給するガスの温度を323K、473K、573K、673K、773Kに変えて行った。図19には、この試験結果の一例として、CO(上段)とO2(下段)を交互に供給した場合における触媒上流側濃度(破線)と触媒下流側濃度(実線)を示す。また、図20には、この試験結果の一例として、NOの吸着容量[mol/m3]の温度特性を示す。図20に示すように、NOの吸着容量は、温度によって変化する。また、この試験では、50℃以下においてもNOを吸着できる排気浄化触媒を用いた。
このモードエミッション試験では、実車を用いることにより、シミュレーション装置への入力データを取得した。
より具体的には、上記試験用の排気浄化触媒を搭載した車両を準備し、この車両を米国認証モード(FTP75サイクル)の下で実際に運転し、このときに排気浄化触媒に供給される排気中の各ガス成分の流量パターンと触媒入り口の排気温度とを取得し、これをシミュレーション装置への入力データとした。また、このモードエミッション試験では、このようなシミュレーション装置への入力データを取得すると同時に、排気浄化触媒の各部分の温度(上述の図16参照)や、排気浄化触媒の下流側の各ガス成分の濃度(上述の図11〜15及び図17参照)などを取得し、これをシミュレーション装置の出力精度を検証するための比較データとする。
3…演算装置(演算手段)
31…物理演算モジュール
32…触媒反応演算モジュール
Claims (4)
- 内燃機関の排気を浄化する排気浄化触媒について、所定の入力データから前記排気浄化触媒の浄化性能を評価するための評価パラメータの値を算出する排気浄化触媒用のシミュレーション装置であって、
排気を構成するガス成分の輸送及び前記排気浄化触媒における熱の移動を模した物理モデル、並びに前記排気浄化触媒におけるガス成分に対して進行する触媒反応を模した触媒反応モデルに基づいて、前記評価パラメータの値を算出する演算手段を備え、
前記触媒反応モデルは、
特定のガス成分対で進行する化学反応を模した化学反応モデルと、
触媒表面への特定のガス成分の吸着反応を模した成分吸着モデルと、を含むことを特徴とするシミュレーション装置。 - 前記成分吸着モデルは、特定のガス成分の触媒表面への吸着速度を算出する演算式で構成されることを特徴とする請求項1に記載のシミュレーション装置。
- 前記化学反応モデルは、3種以上のガス成分の混在下における特定のガス成分対で進行する化学反応を模した競争吸着モデルであることを特徴とする請求項3に記載のシミュレーション装置。
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