JP2015523494A - エンジン背圧低減装置及び方法 - Google Patents

Abstract

自動車の排気システム内の缶とともに使用される改良された触媒基体であって、前記基体が、管内部に配設されて使用されるタイプのものであり、その改良は、基体を中央部と中央部を囲む管状の外側部に熱的に分ける断熱材料と、断熱材料、中央部、及び外側部のそれぞれが改良された基体を画定し、作動状態において、断熱材料を隔てた温度差が２５℃を下らないように断熱材料が構成されていることを含む。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１２年７月２５日に出願された米国仮特許出願第６１／６７５，４８３号、２０１２年７月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／６７３，３９４号、２０１３年６月３日に出願された米国仮特許出願第６１／８３０，４０９号、及び２０１３年６月２５日に出願された米国仮特許出願第６１／８３９，０８３号に基づく優先権を主張する。

本発明は、触媒コンバータの分野に関する。

触媒コンバータは、自動車における、排気物質の毒性を低減する排気システムとして広く使用されている。典型的な触媒コンバータでは、基体（substrate）は、触媒材料で被覆された多孔性構造の形態が用いられる。多孔性構造は、多くの場合、打抜き型を通じて押出され、多数の平行な流路（cells）が形成されたセラミックである。排気ガスは、或る速度のエンジンにより、排気管を通り、触媒コンバータを経由して放出される。触媒コンバータは、通常、吸気口（inlet）及び排気口（outlet）ディフューザといわれるフレア管の一部から排気システムの残部に連結された排気管の径よりも大きな径を有する金属管内に配設される。

排気システムまでの挿入物である触媒コンバータはガス流を妨げ、また、エンジンパワーを下げ、燃料消費量を増加させる背圧を作り出す。

本発明の一つの態様は、自動車の排気システム内の缶（can）とともに使用される改良された触媒基体であって、当該基体が、缶内部に配設されて使用されるタイプのものである。本発明のこの態様によれば、その改良は、基体を中央部と当該中央部を囲む管状の外側部に熱的に分ける断熱材料（以下、「断熱材」ともいう。）と、断熱材料、中央部、及び外側部のそれぞれが改良された基体を画定し、作動状態において、改良された基体を通るガス流が、改良された基体の上流側の表面において、
・改良された基体の上流側の表面に対して全体として中央の位置でピークを有し、
・上流側の表面が断熱材料よりも拡がった後の急上昇と、缶とのエッジ効果とを除き、上流側の表面の当該位置から外周に向けて径方向に拡がるにつれて減少する静圧によって断熱材料が特徴付けられるように構成されていることを含む。

本開示及び添付の請求項において、「全体として中央」（generally central）とは、外周の内側の位置と、場合によっては、当該外周よりも中心に近い場合を含むものと理解されるべきである。

本発明の他の態様によれば、上述した作動状態において、上流側の表面が、或る位置から外周に向けて径方向に拡がるにつれて、それに対するガスの静圧が最初は比較的ゆっくりと低下し、断熱材料を越えるまで上流側の表面がさらに拡がるにつれて、上流側の表面が断熱材料を横切るため、それに対するガスの静圧が比較的速く低下し、上流側の表面がさらに拡がると、それに対するガスの静圧が急上昇を示し、上流側の表面がさらに拡がると、缶とのエッジ効果を除き、それに対するガスの静圧が比較的ゆっくりと低下する。

本発明の他の態様によれば、断熱材料と外側部のそれぞれを管状とすることができる。

本発明の他の態様によれば、中央部の体積と外側部の体積の比率を６０：４０乃至４０：６０の範囲内とすることができる。

本発明の他の態様によれば、上述した作動状態において、断熱材料を隔てた温度差が２５℃を下らないように断熱材料を構成することができる。

本発明の他の態様によれば、上述した作動状態において、断熱材を隔てた温度差が２５℃から３００℃の間となるように断熱材を構成することができる。

本発明の他の態様によれば、上述した作動状態において、改良された基体の断熱部分が触媒物質に置換えられた場合に通過するガス流よりも、中央部を通るガス流は、より均一に分布することができる。

本発明の他の態様は、自動車の排気システム内の缶とともに使用される改良された触媒基体であって、缶内部に配設されて使用されるタイプのものである。

その改良は、基体を中央部と中央部を囲む管状の外側部に熱的に分ける断熱材料と、断熱材料、中央部、及び外側部のそれぞれが改良された基体を画定し、作動状態において、断熱材料を隔てた温度差が２５℃を下らないように断熱材料が構成されていることを含む。

他の態様によれば、断熱材料の厚みは、実質的には２又は３セル（cells）の幅とすることができる。

本発明の他の態様は、内燃機関からの排出物を処理するための方法である。その方法は、エンジンからの排気ガスを受入れる触媒コンバータを提供するステップを含む。このコンバータは、中央部と中央部を囲む管状の外側部を有し、中央部と外側部の間に配設された断熱材料を有する。断熱材料は、使用時に、改良された基体を通るガス流が、改良された基体の上流側の表面において、
・改良された基体の上流側の表面に対して全体として中央の位置でピークを有し、
・上流側の表面が断熱材よりも拡がった後の急上昇と、缶とのエッジ効果とを除き、上流側の表面のその位置から外周に向けて径方向に拡がるにつれて減少する静圧によって特徴付けられるように構成されている。

他の態様によれば、上述した作動状態において、上流側の表面が、或る位置から外周に向けて径方向に拡がるにつれて、それに対するガスの静圧が最初は比較的ゆっくりと低下し、断熱材料を越えるまで上流側の表面がさらに拡がるにつれて、上流側の表面が断熱材料を横切るため、それに対するガスの静圧が比較的速く低下し、上流側の表面がさらに拡がると、それに対するガスの静圧が急上昇を示し、上流側の表面がさらに拡がると、缶とのエッジ効果を除き、それに対するガスの静圧が比較的ゆっくりと低下する。

本発明の他の態様によれば、断熱材料と外側部のそれぞれを管状とすることができる。

本発明の他の態様によれば、中央部の体積と外側部の体積の比率を６０：４０乃至４０：６０の範囲内とすることができる。

本発明の他の態様によれば、上述した作動状態において、断熱材料を隔てた温度差が２５℃を下らないように断熱材を構成することができる。

本発明の他の態様によれば、上述した作動状態において、断熱材料を隔てた温度差が２５℃から３００℃の間となるように断熱材料を構成することができる。

本発明の他の態様によれば、上述した作動状態において、改良された基体の断熱材料部分が触媒物質に置換えられた場合に通過するガス流よりも中央部を通るガス流は、より均一に分布することができる。

他の態様によれば、断熱材料の厚みは、実質的には２又は３セルの幅とすることができる。

ここで説明されたものとは別の態様や特徴が、下記明細書、添付の請求項、及び以下に簡潔に説明された図面を参照すれば直ちに、当業者には明確となるであろう。

図１Ａは、本発明の第一実施形態の装置の側面の破断図。

図１Ｂは、図１Ａの装置の断面図。

図１Ｃは、第二実施形態を示す、図１Ｂと同様の図。

図１Ｄは、第三実施形態を示す、図１Ｂと同様の図。

図１Ｅは、第四実施形態を示す、図１Ｂと同様の図。

図２Ａは、第五実施形態の装置の側面の破断図。

図３は、実施例１のエンジンの背圧図。

図４は、従来製品（baseline）の結果を上側に、試作品（prototype）の結果を下側に示した、実施例１のエンジンの劣化(aging)サイクルの毎分回転数（ＲＰＭ）の図。

図５は、ＦＴＰとＵＳ０６ドライブサイクルにおける従来製品と試作品の排気の比較。

図６は、従来製品と試作品のＣＦＤシミュレーションの概要図。

図７は、低（上図）・高（下図）ガス流速度における圧力に対するガス透過性の図を示す。

図８は、従来製品と試作品の排気口速度（上図）と流れの均一性（下図）の図。

図９は、２０１０年式フォード・エッジにおけるＦＴＰドライブサイクル試験における、従来例と試作品のコンバータの中央部と辺縁部の時間と温度の変化の図。

図１０は、ＦＴＰドライブサイクルの加速部における試作品の中央部と辺縁部の温度変化の図。

図１１は、従来製品が上、試作品が下に示された、高速道路走行状態（質量流量＝０．０５ｋｇ／ｓ）における熱流量モデルによる、温度影響を含む、触媒コンバータのモデルの前部分の等圧図。

図１２は、試作品（左）と従来製品（右）の流速の比較。

図１３は、エンジン背圧を断熱層の位置の関数として示す図。

図１４は、背圧を断熱層の厚みの関数として示す図。

図１５は、シャシ・ダイナモメータによる本発明の実施例の最大出力試験時の重量ポンド毎平方インチ絶対圧力（ｐｓｉ）の背圧を示す図。

図１６は、最大出力試験における、馬力（ＨＰ）で示したエンジン出力を比較した図。

図１７は、最大出力試験における、フィートポンド（ｆｔ−ｌｂｓ）で示したエンジントルクを比較した図。

図１８は、最大出力試験における、空燃比を示す。

図１９は、エンジン背圧を断熱層の位置の関数として示す図。

詳細な説明

本発明の代表的な実施形態は、図１Ａから図２Ａに示されている。

図１Ａ、１Ｂ、及び２Ａは、本発明の第一代表実施形態に係る触媒コンバータ装置１００を示している。

本装置１００は、内燃機関（図示省略。）の排気システム内で使用するためのものであり、ハウジング１０２、ガス吸気口１０４、ガス吸気口１０４と間隔をおいて位置するガス排気口１０６、及び、吸気口１０４から排気口１０６までのガス流の軸に対する径方向又は横方向寸法において略ハウジング１０２を満たす楕円形基体要素１０８を含むことが分かる。基体要素１０８は、基体を中央部とその中央部を囲む管状の外側部に熱的、物理的に分ける断熱材料からなる楕円形のガス流再分配(redistribution)要素１１０を含む。中央部と外側部は、互いの形状と方向、及び断熱材料の介在が、従来構造のものと理解されることを除き、それぞれ、触媒物質に覆われた押出セラミックハニカムである。

図１Ｃは、第二代表実施形態を示しており、４つの機能セグメント１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、及び１００ｄがガス流分配要素１１０を画定している。よって、ここでは断熱材は中央部と外側部を物理的には分けていないが、熱的には、それらを依然として分けている。

図１Ｄは、第三代表実施形態を示し、ガス流分配要素は、円筒形である。

図１Ｅは、第四代表実施形態を示し、ガス流分配要素が円筒形で、４つのセグメント１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、及び１００ｄによって画定される。

図面に明確に示してはいないが、図示された各実施形態において、基体は４００ｃｐｉ基体であり、断熱材料の厚みは２セルの幅であり、中央部と外側部の体積の比率は約５０：５０であると理解されるべきである。

断熱材料は、使用時及び作動状態において、
・改良された基体を通るガス流が、改良された基体の上流側の表面の全体として中央の位置でピークを有し、上流側の表面が、（i）断熱材を越えるまで拡がった後の急上昇、及び（ii）缶とのエッジ効果を除き、上流側の表面の当該位置から外縁に向けて径方向に拡がるにつれて低下する、改良された基体の上流側の表面における静圧によって特徴付けられ、
・上流側の表面の当該位置から外縁に向けて径方向に拡がるにつれて、それに対するガスの静圧が最初は比較的ゆっくりと低下し、断熱材料を越えるまで上流側の表面がさらに拡がるにつれて、断熱材料を越える上流側の表面において、それに対するガスの静圧が比較的速く低下し、上流側の表面がさらに拡がると、それに対するガスの静圧が急上昇を示し、上流側の表面がさらに拡がると、缶とのエッジ効果を除き、それに対するガスの静圧が比較的ゆっくりと低下し、
・断熱材料を隔てた温度差が２５℃から３００℃の間であり、
・中央部を通るガス流が、改良された基体の断熱材料部分が触媒物質に置換えられた場合に通過するガス流よりも均一に分布するように構成される。

本明細書及び請求項で「作動状態」(operating condition)とは、通常運転において、この状態が、自然に、且つ、通常運転サイクルの重要な部分に対して生じることを想定している。

以下、行われた試験及び分析についての下記の説明を参照するが、これにより、本発明の作用が理解され、効果が示されるであろう。
劣化（aging）試験

エンジン背圧の測定は、エンジン駆動時の劣化サイクルによって行われる。３．５ L デュラテック・エンジン用のフォード・エッジの商用触媒コンバータが、主要な試験用基礎として使用された。このコンバータは、９００セル毎平方インチ（ＣＰＳＩ）の前方セラミック基体と４００ＣＰＳＩの後方セラミック基体で構成されており、ともに直径が４．１６インチで、エンジンの近くに連結されている。この自動車排気システムは、エンジンの両側に一つずつ、以下、左手側（ＬＨ）及び右手側（ＲＨ）触媒コンバータという、並行する２つの触媒コンバータで構成されている。２セットの試験が約１８ヶ月あけて行われ、それぞれは、未処理（以下、「従来製品」ともいう。）の触媒コンバータと、本発明の構造（以下、「試作品」という。）と同じように処理された触媒コンバータで構成される。白金族金属（ＰＧＭ）とウォッシュコート被覆は、従来製品と試作品とで同一である。劣化は、一定のエンジンの毎分回転数（２９００±１５）及び排気温度（１５７０°Ｆ）で、２０時間以内の停止時間で２４０時間行われた。背圧は、全ての劣化サイクルの間、１Ｈｚの頻度で記録され、毎分回転数と温度が適正レベルにあるサイクルのアクティブパートの平均が計算された。

表１は、従来品と試作品のエンジン試験で測定された背圧と燃料消費量結果を示す。２つの４００ＣＰＳＩの試作品は、背圧の一因とならないため、残りの排気システムによって生じる背圧のおおよその値をもたらすと考えられる。質量流量は、空燃比１４．７±０．２を使用して計算され、この比は、サイクル中の計測によって求められた。

結果は、試作品が、エンジンの背圧のうちわずか４８％しか生じておらず、従来品の背圧よりも著しく低い背圧であることを示す。

従来製品の燃費が著しく高く（４．７対４．２ｇａｌ／ｈｒ）、高い質量流量を惹き起こすため、これらの測定は、従来製品に対する試作品の有効性を過大に評価している。より正確に背圧低減の測定をするため、Ｐ_０をシステム内の静圧、ρをガス密度、ｖをガス流速とする、動圧Ｐ＝Ｐ_０＋ρｖ^２で表されるベルヌーイの法則を利用して質量流量の不均衡が修正される。更なる修正が、触媒コンバータから離れる排気ガスの流速の違いを説明するためになされた（本発明の構造により、触媒コンバータを出るガスのガス流速は遅く、このことは、どの下流成分も低い背圧しか生じさせないことを意味する。）。従来製品と試作品の修正値はそれぞれ、１．１７と０．７８ｐｓｉであり、違いは３３％（計測された５０％と比較して）であった。
走行可能距離試験

試作品は、３．５ L デュラテック・エンジンを具えたフォード・エッジ車両で試された。ＦＴＰとＵＳ０６ドライブサイクルの組合せによる燃費は、二酸化炭素のバッグエミッション（bag emissions）の計量によって計測された。結果は表２に示され、２つのセットの試作品を表示している。さらに、２つのセットの試験を比較するために２０１０従来品が再び試された。

試作品は、２０１０及び２０１２試作品の両セットにおいて約４．５％低燃費を示す。９００ＣＰＳＩ従来製品のエンジン背圧の測定値は、製造業者によって期待される範囲の下端（２．０±０．２５ｐｓｉ）であった。２０１０ ９００ＣＰＳＩと２０１２ ９００ＣＰＳＩ従来製品は良い調和を示す（それぞれ、１．８８ｐｓｉと１．８１ｐｓｉ）。燃費の改善によるガス流の変化がひとたび起これば、９００ＣＰＳＩ試作品は、背圧が２０乃至３０％向上する。９００ＣＳＰＩ試作品は、燃費が著しく向上し、ＦＴＰとＵＳ０６ドライブサイクルの組合せにより約５％、毎分回転数２９００でのエージングで１２％向上する。低減した背圧に対するエンジンフィードバックは、燃費を著しく下げ、更なる背圧の低減を導き、９００ＣＰＳＩ従来製品と試作品の背圧の差は５０％（１．８８ｐｓｉと０．９１ｐｓｉ）となる。

試作品の燃費の向上（benefits）は、エンジン負荷及び毎分回転数によって決まるということが分かった。

図５は、９００ＣＰＳＩ従来品と９００ＣＰＳＩ試作品の二酸化炭素の排出量（上）及び排気ガス量（下）を、ＦＴＰとＵＳ０６ドライブサイクルにおける毎分回転数の関数として比較したものである。よりよい統計的信頼性のために、車両の毎分回転数は、１０００未満、１０００乃至１５００、１５００乃至２０００、２０００乃至２５００及び２５００超過の５つの範囲とした。毎分回転数のエラーバーは、各点に対するこれらの範囲を示す。この（上）図は、ＦＴＰとＵＳ０６ドライブサイクルにおける車両の毎分回転数に対する二酸化炭素の排出の依存性を示す。これらは、燃費の代理(proxy)であり（燃費が高いと、二酸化炭素の排出も高い。）、それらは、燃費の向上が、エンジンの毎分回転数がより高い場合により明白であることを示し、それらは、測定された排気ガス量の減少に付随して起こる。

これは、背圧の低減から生じる燃費の向上と一致する。つまり、車両は、より高い毎分回転数において、触媒コンバータを通してより多くの排気ガスを押す（push）ことが要求され、それがさらなる背圧を生み、エンジンの効率を低下させる。この結果はまた、毎分回転数２９００の定置式エンジンで集められた背圧とも一致し、９００ＣＰＳＩ従来製品と９００ＣＰＳＩ試作品間で約１２％の差があることが分かった。
負荷試験

試作品の燃費の向上のクロスプラットフォームの適用可能性を検証するために、更なる試験が行われた。３．５Ｌエコブーストエンジンを具えるフォード・エフ‐１５０と１．６Ｌエンジンを具えるフォード・フィエスタの二つの異なる試験車両が使用された。車両は、時速１１５ｋｍ（７２ｍｐｈ）で、円形の高速道路を６０ｋｍ（３７．３ｍｉｌｅ）で走行し、それらの燃費は、ラップトップ型コンピュータのデータシステムにつながれた質量流量計に記録された。燃費の平均値は、元々の触媒コンバータを具える車両（従来製品）と試作品を具える車両の各車両に対して記録された。各試験は、従来品に対して５乃至８回の走行、試作品に対して従来製品と同じ回数の走行で構成される。フォード・エフ−１５０は、トラックの荷台において、９００ｋｇ（２０００ｌｂ）の負荷で更に試された。試験結果及び関連する標準偏差が表３に示される。

負荷試験の結果は、フォード・エッジの車両で先に行われた実験室での試験と一致する。更に、フォード・エフ‐１５０は、実験室で観測された燃費の向上及び自動車荷重に対して同様の依存性を示す。
動力計試験

Ｆ-２５０ ６．７Ｌパワーストロークディーゼルエンジン車についてシャシ・ダイナモメータ試験が行われた。比較計測は、元々の触媒コンバータ（ここに指定されたベース又は従来製品）と発明にかかるデザインに改良された触媒コンバータ（試作品）の間で行われた。元々の触媒コンバータは、二つのディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ）セラミック基体（直径６．５インチ）、二つの選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒（直径８インチ）及びディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ、直径８インチ）から成る。ＳＣＲとＤＯＣは変更せずに、発明にかかるデザインが、二つのＤＯＣ基体に適用された。ＤＯＣは、エンジンに最も近い構成要素であり、排気ガスがＳＣＲ及びＤＰＦに達する前に、均一に流れる排気ガス中のどんな不均衡も再分配するであろう。

二つのタイプの試験が行われた。一つは、定常状態の燃費と背圧の試験であり、これらの二つのパラメータは、９６ｋｍ/ｈｒ（６０ｍｐｈ）の車両速度で、定常状態で５分間、同時に測定された。もう一方は、最大出力試験で、（エンジン出力、トルク及び背圧の様な）種々のエンジンパラメータが記録される中、車両は、１０００乃至１１００ＲＰＭで第６ギアまでシフトアップされ、約１０秒間最大加速度状態に置かれる。

表４は、改良されたＦ-２５０ ６．７Ｌパワーストロークディーゼルエンジンでの背圧と燃費の比較測定を示す。９６ｋｍ/ｈｒ（６０ｍｐｈ）で５分走行する間、二つのパラメータがシャシ・ダイナモメータ上で同時に測定された。示された値は、走行中の定常状態の平均値であり、約４分の走行が含まれる。

表４にまとめられた結果は、試作品の背圧と燃費が一貫して低いことを示す。３０％の負荷では、背圧の差はわずかに小さいが、試作品の燃費の向上は高かった。これは、背圧の絶対値がより高い状態では、燃費の増加に関係する背圧がより高いということが原因であり、これにより、試作品のより低い背圧によって回復されるべき効率の悪さのレベルがさらに高くなる。

図１５乃至１８は、シャシ・ダイナモメータ試験について集められた種々の結果を示す。

図１５は、最大出力試験における背圧のポンド毎平方センチ（ｐｓｉ）の比較であり、試作品が、一貫して２ｐｓｉ優位性を示すことを証明する。

図１６は、最大出力試験における馬力（ＨＰ）によるエンジン出力の比較であり、試作品が、１７５から２３５ＨＰにおいて、一貫して２０ＨＰ優位性を示すことを証明する。

図１７は、最大出力試験におけるフィート・ポンド（ｆｔ-ｌｂｓ）によるエンジントルクの比較であり、試作品が、一貫して４０乃至６０ｆｔ-ｌｂｓ優位性を示すことを証明する。

図１８は、最大出力試験における空燃比を示し、試作品と従来品では差がないことを証明する。
モデリング（Modeling）

試作品における背圧低減の原因を研究する数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションが、二つの一般的な床下触媒コンバータデザインで行われた。シミュレーションシステムは、室温（低温流動性）軸対称形システムであり、同一の吸気管及び排気管、並びに二つの同一のセラミック基体を具える。現在における従来の全ての基体のセル密度および壁の厚みを説明するために、基体の浸透性(permeability)が、広範囲にわたる値に変えられた。吸気口のガス流速度もまた、正常動作状態の車両によって経験されうる種々のエンジン負荷をシミュレートするために、広範囲にわたって変えられた。

図６は、シミュレーションの結果の概観であり、研究で利用された浸透性とガス速度の範囲を示し、試作品が、ほとんどのエンジン条件下及び基体浸透性において低い背圧を示すことが分かるであろう。

図７は、低いガス流速度（上）と高いガス流速度（下）における背圧の低減の比較であり、低速度においては、従来製品と試作品に少しの違いしかないが、高速度においては、顕著な差があることがここで分かるであろう。

図８は、従来製品と試作品の排気速度（上）と流れの均一性（下）との比較であり、ここで、全ての運転条件の下、試作品の排気ガス流速度が従来製品よりも低く、流れ均一性も、全ての吸気口ガス流速度において、試作品の方が従来製品よりも高いことが分かるであろう。

図９は、２０１０フォード・エッジでのＦＴＰドライブサイクル試験中に測定した従来の触媒コンバータ（上）と試作品（下）の中央部と辺縁部の温度差を示す。二つの部分の境界は、試作品の断熱材の位置によって画定される。ここで、試作品の断熱材の存在及び位置によって、断熱材の二つの面の間に著しい温度差が生じさせられることが分かるであろう。

更なるＣＦＤモデリングも行われた。このモデルにおいて、触媒コンバータはモデル化された。コンバータは、直径が４．８インチ（１２ｃｍ）で、０．４インチ（１ｃｍ）離れて置かれた二つの４００ＣＰＳＩ基体から成る。モデル化された排気マニホルドは、２．１インチ（５．４ｃｍ）の直径を有し、３９．４インチ（１ｍ）の長さであった。モデル化された排気管は、直径は同じ２．１インチを有し、長さが１１．８インチ（３０ｃｍ）であった。モデルにおいて、ディフューザとコネクタは共に４５°の角度を有し、基体とコンバータの壁の間には、０．１５インチの詰め物がある。モデル化された排気ガス流は、高速道路の運転状況に近い、０．４２６ｋｇ/ｓで９１０℃であった。

シミュレーションの結果が、図１３、１４及び１９に示される。

図１３は、エンジン背圧を断熱層の位置の関数として示す。このシミュレーションでは、断熱材の厚さは、０．１２インチであり、破線は、断熱材料がない場合の背圧を示し、排気ガス流は０．４２６ｋｇ/ｓで、高速道路の運転状況に近く、排気ガスの温度は、９１０℃である。

図１４は、背圧効果を、直径２．７５インチで最適な断熱材料としてモデル化された断熱材料の厚さの関数として示す。０．０４インチ（１ｍｍ）、０．１２インチ（３ｍｍ）及び０．２０インチ（５ｍｍ）の３つの断熱材料の厚さでモデル化された。

図１９は、エンジンの背圧を断熱材料の位置の関数として示す。このシミュレーションでは、断熱材料の厚さは、０．１２インチであり、破線は、断熱材料がない場合の背圧を示し、排ガス流は０．２２９ｋｇ/ｓで、高速道路の運転状況に近く、排気ガスの温度は、５３８℃である。

図１３と１４は、断熱材料の直径が２．７５インチの時のエンジン背圧の明確な最適化を明示する。最大効果のうちの７５％未満となる良好な結果が、断熱材料の直径２．３インチと３．１インチの間で得られる。断熱材料の厚さ０．１２インチ（３ｍｍ）が、本適用においては、最適であることが分かる。

図１９は、断熱材料の最適な位置は、運転条件（ガス流及び温度）とは無関係で、変わらないということを示す。これらの結果は、本発明によって、種々の断熱材料の位置及び厚さにより背圧の低減をもたらすことができると同時に、これらの二つのパラメータによって最高性能を得ることができるということを明示する。これらのパラメータは、全ての運転条件において適用されるであろう。
理論

チャンネルを通るガスの質量流量は、

によって求めることができ、Ｒはチャンネルの直径、△Ｐはチャンネルの両端の圧力差、ηは動的ガス粘度、Ｌは、チャンネルの長さ、ρはガス密度である。

これらの因子の中でも触媒コンバータの能力と最も関係があるのは、圧力差、ガス粘度及びガス密度である。
・圧力差の効果は、既に論じられており、圧力差が大きくなれば、ガス流速が速くなることが思いだされるであろう。
・排気ガスの粘度は、一般的には動的粘度（η）と言うが、ガス流速に反比例する。すなわち、低粘度は、速いガス流速をもたらす。
・ガス密度は、排気流速に正比例する。

動的粘度（η）と密度（ρ）を組合わせて、二つの比（ν＝η/ρ）と等しい、動粘性率（ν）を導くことができる。

チャンネルを通るガスの質量流量の方程式は、

とも書くことができる。

空気の動的粘度は温度上昇とともに増し、その一方で、その密度は減少する。そのため、より高温のガスでは、同じ圧力差で同じチャンネルを通るガスの流量はより小さい。温度と共に変化する粘度と密度を組込むので、動粘性率は、温度効果を示すのに特に都合が良い。

断熱材料は、基体を、二つのはっきりと異なるゾーンに分ける。触媒コンバータの吸気管から入ってくる排気ガスの直接流にさらされ、暖かいガスによって直接暖められるホットゾーンと、排気ガスの軸流にのみさらされ、暖かいガスとホットゾーンからの熱伝導の組合せによって暖められるコールドゾーンである。一般的に、ホットゾーンは、背圧の低減を達成するために、広い高圧領域に位置し、そのため、ホットゾーンからコールドゾーンへガスを再分配する必要がある。

従来の触媒コンバータでは、二つのゾーン間の熱の流れを妨げる障害はなく、温度差は全体として非常に段階的である。試作品においては、断熱材料は、断熱材の幅分の短い距離を隔てて大きな（２５℃から３００℃）温度差を惹き起こす境界を形成する。基体の前面に亘って同様に圧力が分配されても、試作品のコールドゾーンの温度がより低いことで、従来の触媒コンバータよりも試作品の方が、このゾーンを通る排気ガス流量が多いであろうことが分かる。

表５は、温度変化に伴って変わる粘度の大きさを強調した、異なる温度における空気の動的粘度（η）と動粘性率（ν）を示す。

この表から、高温であっても、１００℃の温度差を伴う動粘性率の差は大きいことが分かるであろう。２２５℃と２３５℃の間の差は２６％であり、５２５℃と６２５℃の間では１７％、６２５℃と７２５℃の間では１６％まで下がる。

図１０は、ＦＴＰドライブサイクルの加速時における試作品の中央部と辺縁部の間の温度差を示す。示された通り、ＦＴＰドライブサイクルの加速時の通常温度差は、約５０℃であり、急加速時には２５０℃まで上昇する。これにより、非常に高温であっても、８％以上、且つ、通常は１０から１５％の動粘性率の差が生じる。

温度効果を含むホットフローモデルにおいて、高速道路の走行条件（質量流量が０．０５ｋｇ/ｓ）の下における触媒コンバータモデルの前部の等圧図である図１１からも明らかなように、本発明は、中央部から辺縁部に向うガス流の再分配によって断熱材から得られる減少された粘度を活用する。従来品は、上側に示され、試作品は、下側に示される。等圧図は、基体表面に亘って流れを再分配するセラミック基体の前部にある高圧領域（赤で強調されている。）の形の違いを明確に示す。

一般的にこのメカニズムは、一つが、セラミック基体の中心で、もう一方が、不浸透性の断熱層の前面の、二つの高圧領域の結合として表される。吸気管から入ってくるガスジェット（gas jet）は、セラミック基体の表面にぶつかり、基体の外側に向かって入ってくる流れの一部を偏らせる基体の中心に、より高い圧力領域を作り出す。試作品では、不浸透性の断熱材層の前面に、より高い圧力の領域があり、中心の高圧領域と結合することができる。新しく作られた高圧領域は、従来製品よりも広い土台(base)を有し、入ってくるガスをうまく偏らせ、それ故、より速い軸流を生じさせ、基体の表面全域により均一にガス流が再分配される。

流れの再分配には、試作品の辺縁部にあるチャンネルのガスの動粘性率がより低いことが有効である。数２に示されるように、チャンネル全域の圧力差が、従来の触媒コンバータにおけるものと同じであっても、より低い粘度により、試作品の辺縁部のガス流量は１０乃至３０％高くなるであろう。

試作品において流れがより均一に分配されることは、温度依存性のＣＦＤモデル（ホットフロー）における流速分配を示す図１２からも同様に明らかである。試作品の中央部における圧力と温度の均一性は、試作品の基体の中央部分に著しく均一な流れを惹き起こす。さらに重要なことに、下流の排気システムの構成要素と関連する向上を伴って、試作品においては、ガス流速のピークが、１０％低くなり、最も低いガス流速が、１０％高い。図１２から明らかなように、基体を通る流速は、基体の前表面にかかる圧力に正比例し、これは、基体の表面全域に亘る圧力の分配を表す。試作品の基体の中央部を横切る流速は、ほぼ一定であり、広く均一に分配された高い圧力領域の結果であるがしかし、従来品の中央部を横切る流速は、より狭い高圧領域を示し、より高いピークを有する圧力をもたらしそれ故より高い背圧をもたらす。
設計最適化

排気ガス流再分配に関わる物理的な力が、増加する流れの不均衡な分配を修正するため、自動的に増加する傾向にあるということが、試作品の設計の有利な点うちのひとつである。例えば、湾曲した吸気管を有する触媒コンバータにおいて、排気ガス流は傾斜して触媒コンバータの中に入ってくるであろう。そして、高圧領域は、基体の側面に対して相殺されるであろう。この場合、高圧領域と基体の末端近くの間の温度差が、高圧領域と基体の末端から離れた部分の間の温度差よりも小さいであろう。排気ガス粘度は、基体の末端から離れた部分でより低く、流れの不均衡な分配を修正し、基体の側面を通るいっそう多くの排気ガスを活発にする。

試作品を通る最適化された流れにより、触媒コンバータと排気管直径を小さくすることができる。小さくできるおおよその見積もりは、数２を利用して得られる。

Ｒはチャンネルの直径、△Ｐはチャンネルの両端の圧力差、ηは動的ガス粘度、Ｌは、チャンネルの長さ、νは動粘性率である。全車両の排気システムを考慮すると、圧力差△Ｐはエンジンマニホルド背圧を示し、Ｒは触媒コンバータと排気管の直径である。排気ガスの温度は、排気システムの大部分（触媒コンバータにおける局部的な差を除いて）に亘って略同じなので、粘度は、二つのシステム間では実質的に同一である。それ故、類似の容器において同じ燃費特性をもたらす触媒コンバータ及び排気管の直径の相互の低減を見積もることができる。二つの直径（従来品と試作品）の比は、背圧の比の四分の1乗（数３）に相当する。

表６は、背圧の関数として適応可能な触媒コンバータと排気管の直径のおおよその低減を示す。表において、背圧低減率０％は元の大きさを示し、４０％までの低減が考慮される。同じ燃費での３０％の背圧低減、即ち、同じ質量流量での３０％の背圧低減は、実験データに基づく試作品で可能であろう。

触媒コンバータ及び排気ガスシステムの大きさの低減は、しばしば背圧の低減以上に望まれ、このことは、車の製造業者に対して更なる利益をもたらす。

概して、本発明は、非常に頑健で適応性のある解決法を提供する。試作品の特有な適応能力を利用するために車両特性を最適化することによって利益が得られうる。限度なく、これらは、
-還元されたＰＧＭの利用
-小さくて、軽い排気システム
-低燃費
のいずれか、又は全てになりうる。

例示した実施例は、全体として円筒状で、同心であることが示されているが、近似連結システムの場合と同じように、特定の排気システムにおける暖かい排気ガスの噴出し口がずらされた場合、断熱材リングを中心からずらしてもよい。

なお、断熱材料は、楕円形のシステムと適合させるために楕円になりうるし、又は、この構成を有するあるシステムと適合させるために、正方形又は長方形のチャンネルにもなりうる。

更に、示された実施例においては、基体は、４００ｃｐｉ基体で断熱材料は、２セルの幅であるが、他の基体も利用可能である。例えば、９００ｃｐｉの環境においては、３セルの幅の断熱材料が有用であることが知られている。

更に、示された実施例のいくつかにおいては、中央部に対する外側部の体積比は５０：５０であるが、４０：６０から６０：４０まで比率を下げても有用であることが知られている。最適な性能を達成するためには、排気流の噴出し口の膨張を考慮して、断熱材料の直径を吸気管の直径よりも大きくしなければならない。理論に束縛されるものではないが、断熱材料の直径が、少なくとも０．５インチ吸気管の直径よりも大きければ、最も一般的な自動車用途において内側ゾーンの中にある吸気管から流れてくる排気流の噴出し口を収容できるものと信じられる。断熱層を隔てて最大温度傾斜を得るために、内側ゾーンの相対質量は４０％から６０％の間であるべきであるがしかし、内側ゾーンにある排気ガス噴出し口を収容する場合は、できる限り４０％近くにあるべきである。より広い外側ゾーンを有していることにより、外側ゾーンにより熱慣性を与えることになり、より大きな温度傾斜を作り出す。

薄い断熱材料が一般的には好まれるが、図１４にはっきりと示されるように、断熱材料の厚みに対する背圧の増加は、０．１２インチから０．２０インチまで増加し、厚みを減らしすぎると、最適な結果を下回ることになる。断熱材料の直径と厚さは、主としてＭＣＣＣにおける背圧の低減の原因となる温度傾斜の大きさに直接影響を及ぼす。断熱材料の直径は、二つのゾーン及び位置調整と、触媒コンバータの吸気管から流れてくる暖かい排気ガスの噴出し口との間の熱質量の比をコントロールするであろう。断熱材料の厚みは、二つのゾーンの間の熱流をコントロールし、流れを制限し、熱傾斜を最大にするのに十分な厚みを必要とする。断熱材料が一旦この目的を達するのに十分な厚さになると、流れの領域の損失につながるため、更なる増加は性能にとって有害である。

本開示は、一つの断熱材層について検討しているが、いくつかの触媒コンバータが、複数の明確に異なるガスの流れを受入れるということを理解すべきである。これらの例においては、各流入ガスごとに、断熱物質からなる複数の管が配置されるであろう。

実験データが最適な断熱材の厚さは０．１０インチから０．１５インチの間であることを示唆している一方で、このことは、断熱材の熱伝導率への依存を示すであろう。理論に束縛されるものではないが、断熱材料の熱伝導率がセラミック基体の熱伝導率の少なくとも６倍小さい限りは、このことは成立つであろう。

更なる変更が可能である。

従って、本発明は、添付の請求項によってのみ限定されるものと理解され、目的にかなって解釈されるべきである。

Claims (22)

1. 自動車の排気システム内の缶とともに使用される改良された触媒基体であって、該基体が、缶内部に配設されて使用されるタイプのものであって、前記改良が、
   前記基体を中央部と該中央部を囲む外側部に熱的に分ける断熱材料と、該断熱材料、前記中央部及び前記外側部のそれぞれが改良された基体を画定し、前記断熱材料が、作動状態において、前記改良された基体を通るガス流が、前記改良された基体の上流側の表面において、
   前記改良された基体の上流側の表面に対して全体として中央の位置でピークを有し、
   前記上流側の表面が断熱材料よりも拡がった後の急上昇と、缶とのエッジ効果とを除き、前記上流側の表面が前記位置から外周に向けて径方向に拡がるにつれて減少する静圧によって特徴付けられるように構成されることを含む、
   改良された触媒基体。
2. 前記作動状態において、前記上流側の表面が前記位置から外周に向けて径方向に拡がるにつれて、それに対するガスの静圧が最初は比較的ゆっくりと低下し、前記上流側の表面が前記断熱材料を越えるまで更に拡がるにつれて、前記上流側の表面が前記断熱材を横切るため、それに対するガスの静圧が比較的早く低下し、前記上流側の表面が更に拡がると、それに対するガスの静圧が前記急上昇を示し、前記上流側の表面が更に拡がると、前記缶とのエッジ効果を除き、それに対するガスの静圧が比較的ゆっくりと低下することを特徴とする、請求項１の装置。
3. 前記断熱材料と外側部のそれぞれが管状である、請求項１の装置。
4. 前記中央部と外側部の体積の比率が、６０：４０から４０：６０の範囲に納まる、請求項１の装置。
5. 前記断熱材料が、前記作動状態において、前記断熱材料を隔てた温度差が少なくとも２５℃であるように構成されている、請求項１の装置。
6. 前記断熱材料が、前記作動状態において、前記断熱材料を隔てた温度差が、２５℃から３００℃の間であるように構成されている、請求項１の装置。
7. 前記作動状態において、前記中央部を通るガス流が、前記改良された基体の前記断熱材料部分が触媒物質に置換えられた場合に通過するガス流より均一に分配されることを特徴とする、請求項１の装置。
8. 前記作動状態において、前記外側部を通るガス流が、前記改良された基体の前記断熱材料部分が触媒物質に置換えられた場合に通過するガス流より速いことを特徴とする、請求項１の装置。
9. 自動車の排気システム内の缶とともに使用される改良された触媒基体であって、該基体が、缶内部に配設されて使用されるタイプのものであって、前記改良が、
   前記基体を中央部と該中央部を囲む管状の外側部に熱的に分ける断熱材料と、該断熱材料、前記中央部及び前記外側部のそれぞれが改良された基体を画定し、前記断熱材料が、作動状態において、前記断熱材料を隔てた温度差が、少なくとも２５℃であるように構成されていることを含む、
   改良された触媒基体。
10. 前記断熱材の厚さが、２又は３セルの幅である、請求項９の改良された触媒基体。
11. 前記中央部と外側部の体積の比率が、６０：４０から４０：６０の範囲である、請求項９の改良された触媒基体。
12. 前記断熱材料の厚さが、０．１０インチから０．１５インチの間である、請求項９の触媒基体。
13. 内燃機関からの排出物を処理するための方法であって、
    前記機関からの排気ガスを受入れる触媒コンバータを提供するステップを含み、前記コンバータが、
    中央部と、
    該中央部を囲む管状の外側部と、
    前記中央部と外側部との間に配設された断熱材料とを有し、前記断熱材料が、使用時に、前記改良された基体を通るガス流が、改良された基体の上流側の表面において、
    前記改良された基体の上流側の表面に対して全体として中央の位置でピークを有し、
    前記上流側の表面が断熱材料よりも拡がった後の急上昇と、缶とのエッジ効果とを除き、前記上流側の表面が前記位置から外周に向けて径方向に拡がるにつれて減少する静圧によって特徴付けられるように構成される、
    方法。
14. 前記作動状態において、前記上流側の表面が前記位置から外周に向けて径方向に拡がるにつれて、それに対するガスの静圧が最初は比較的ゆっくりと低下し、前記上流側の表面が前記断熱材料を越えるまで更に拡がるにつれて、前記上流側の表面が前記断熱材を横切るため、それに対するガスの静圧が比較的早く低下し、前記上流側の表面が更に拡がると、それに対するガスの静圧が前記急上昇を示し、前記上流側の表面が更に拡がると、前記缶とのエッジ効果を除き、それに対するガスの静圧が比較的ゆっくりと低下することを特徴とする、請求項１３の方法。
15. 前記断熱材料と外側部のそれぞれが管状である、請求項１３の方法。
16. 前記中央部と外側部の体積の比率が、６０：４０から４０：６０の範囲に納まる、請求項１３の方法。
17. 前記断熱材が、前記作動状態において、前記断熱材料を隔てた温度差が、少なくとも２５℃であるように構成されている、請求項１３の方法。
18. 前記断熱材料が、前記作動状態において、前記断熱材料を隔てた温度差が、２５℃から３００℃の間であるように構成されている、請求項１３の方法。
19. 前記作動状態において、前記中央部を通る前記ガス流が、前記改良された基体の断熱部分が触媒物質に置換えられた場合に通過するガス流より均一に分配されることを特徴とする、請求項１３の方法。
20. 前記作動状態において、外側部を通るガス流が、前記改良された基体の断熱部分が触媒物質に置換えられた場合に通過するガス流より速いことを特徴とする、請求項１３の方法。
21. 前記断熱材料の厚さが、２又は３セルの幅である、請求項１３の方法。
22. 前記断熱材料の厚さが、０．１０インチから０．１５インチの間である、請求項１３の方法。

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