JP3376843B2 - 反応装置の評価方法およびその装置 - Google Patents

反応装置の評価方法およびその装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種産業で用いら
れている例えば、排気ガスを処理する触媒コンバータ等
の反応装置を評価する方法と装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、反応装置として例えば、触媒コン
バータの評価手法は、実際に触媒コンバータを製作した
後、試験することによってその性能、効率等を確認し、
試行錯誤によって触媒の種類やコンバータの諸元等を決
定している。そのため、触媒コンバータの製作及び性能
確認と設計変更に要する手間、工数、期間等は膨大なも
のとなり、この手間と期間等の低減が必要である。特
に、自動車用エンジンの排気浄化のために使用される触
媒コンバータについては、最近、その劣化(耐久特性)
が問題となっている。しかし、触媒コンバータの耐久性
能の確認と所望の耐久性能の達成には、大変な手間と期
間等を要する。また、触媒材料には貴金属が使われるこ
とが多いため、触媒コンバータ設計において貴金属量等
の最適化を行い、原材料コストの低減を図ることが必要
である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、触媒コンバ
ータの効率は、前記のとおり、出来上がったものを試験
する形で評価されている。また、触媒自体の活性は、管
型流通反応器等を用いた実験における効率測定によって
評価されている。このような従来技術の問題点として
は、触媒自体の活性とコンバータの性能をそれぞれ別個
に評価せざるを得ないことから、手間がかかる。また、
触媒自体の活性データからコンバータの性能を予め定量
的に予測できない等といった実用上の問題がある。
【0004】そこで、本発明者等は、触媒自体の活性デ
ータから、触媒コンバータの効率を試作品製作以前に予
測し、最適な設計を可能にする触媒コンバータの評価方
法および装置の案出に鋭意努力した。そして、管型流通
反応器実験等から得られる触媒自体の効率データから、
触媒の活性を広い温度、圧力、入りガス組成範囲のもと
で、触媒反応量を定量的に予測する数学モデルを構築す
る方法と装置を鋭意検討した。すなわち、数学モデルを
組み込み、触媒コンバータの効率を広い温度、圧力、入
りガス組成、流量の範囲のもとで、予測する方法と装置
を各種試みた。
【0005】そして、触媒自体の効率データのみから、
試作品製作以前に、触媒コンバータの効率予測が可能に
なった。また、これにより触媒コンバータの最適設計及
び最適な触媒の選択が可能で、これにより、触媒コンバ
ータの開発工数が大幅に低減できる方法と装置を案出し
た。この方法と装置によれば、特に、耐久劣化時の触媒
コンバータ効率予測が可能になることによって、触媒コ
ンバータの耐久試験が不要になり、試験工数と時間を大
幅に低減することができる。
【0006】〔目 的〕本発明は、多種多様に各産業で
用いられている反応装置、例えば排気ガスを処理する触
媒コンバータを評価する方法と装置を提供することを目
的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の本発明
の反応装置の評価方法は、反応装置を形成する反応部材
を流通路に充填した流通反応部により、測定すべき流体
の組成及び流量と温度及び圧力の下で反応部材の反応効
率を測定し、反応モデル化部により前記の測定すべき流
体の組成、流量、温度と反応部材の反応効率のデータを
用い反応部材の反応モデルを形成して、かつ反応速度定
数の温度及びガス成分濃度に対する依存性を表す下記式
に含まれる各定数を、進化的アルゴリズム、単体法、準
ニュートン法を組み合わせ適用して反応速度定数を抽出
し、反応装置の効率予測検出部により、前記反応部材の
反応モデルと反応部材及び反応装置材料の物性、反応装
置の諸元を用い、反応装置としての効率を算出して予測
すると共に、この効率予測結果と反応装置の本来の各使
用条件との対応関係から、最適化評価部により最適な反
応装置諸元と、最適な反応部材および反応装置を選択す
る、ことを特徴とする。ここで前記反応装置材料とは以
下、反応材料の中で反応材料を除く反応装置を除く反応
装置の材料をいう。 k=Aexp(−E/T)/{ 1+A co exp(−E co /T)[CO] 2 /{ 1+A No exp (−E No /T)[NO] 2 /{ 1+A C3H6 exp(−E C3H6 /T)[C 3 6 ] 2 式中 kは反応速度定数(単位はcm /mol/s)、Aは
頻度因子、Eは反応活性化温度、Tは反応部材温度
【0008】請求項2記載の本発明の触媒コンバータの
評価方法は、コンバータを形成する反応部材を流通路に
充填した流通反応部により、測定すべき流体の組成及び
流量と温度及び圧力の下で触媒の反応効率を測定し、反
応モデル化部により前記の測定すべき流体の組成、流
量、温度と触媒の反応効率のデータを用い触媒反応モデ
ルを形成して、かつ反応速度定数の温度及びガス成分濃
度に対する依存性を表す下記式に含まれる各定数を、進
化的アルゴリズム、単体法、準ニュートン法を組み合わ
せ適用して反応速度定数を抽出し、効率予測検出部によ
り、前記触媒反応モデルと触媒びコンバータ材料の物
性、コンバータの諸元を用い、触媒コンバータとしての
効率を算出して予測すると共に、この効率予測結果と触
媒コンバータの本来の各使用条件との対応関係から、最
適化評価部により最適な触媒コンバータ諸元と、最適な
触媒コンバータ材料を選択することを特徴とする。 k=Aexp(−E/T)/{ 1+A co exp(−E co /T)[CO] 2 /{ 1+A No exp (−E No /T)[NO] 2 /{ 1+A C3H6 exp(−E C3H6 /T)[C 3 6 ] 2 式中 kは反応速度定数(単位はcm /mol/s)、Aは
頻度因子、Eは反応活性化温度、Tは触媒温度 コンバー
タ材料とは以下、コンバータの中で触媒を除く部分をい
う。
【0009】請求項3に記載の反応装置の評価装置は、
反応装置を形成する反応部材を流通路に充填し、測定す
べき流体の組成及び流量と温度及び圧力の下で反応部材
の反応効率を測定する流通反応部と、前記の測定すべき
流体の組成、流量、温度と反応部材の反応効率のデータ
を用い反応部材の反応モデルを形成して、かつ反応速度
定数の温度及びガス成分濃度に対する依存性を表す下記
式に含まれる各定数を、進化的アルゴリズム、単体法、
準ニュートン法を組み合わせ適用して反応速度定数を抽
出する反応モデル化部と、前記反応部材の反応モデルと
反応部材及び反応装置材料の物性、反応装置の諸元を用
い、反応装置としての効率を算出して予測する効率予測
検出部と、反応装置の前記効率予測結果と反応装置の本
来の各使用条件との対応関係から、最適な反応装置諸元
と、最適な反応部材および反応装置を選択する最適化評
価部と、から成ることを特徴とする。 k=Aexp(−E/T)/{ 1+A co exp(−E co /T)[CO] 2 /{ 1+A No exp (−E No /T)[NO] 2 /{ 1+A C3H6 exp(−E C3H6 /T)[C 3 6 ] 2 式中 kは反応速度定数(単位はcm /mol/s)、Aは
頻度因子、Eは反応活性化温度、Tは反応部材温度
【0010】請求項4に記載の本発明の触媒コンバータ
の評価装置は、コンバータを形成する触媒を流通路に充
填し、測定すべき流体の組成及び流量と温度及び圧力の
下で、触媒の反応効率を測定する流通反応部と、前記の
測定すべき流体の組成、流量、温度と反応部材の反応効
率のデータを用い反応部材の反応モデルを形成して、か
つ反応速度定数の温度及びガス成分濃度に対する依存性
を表す下記式に含まれる各定数を、進化的アルゴリズ
ム、単体法、準ニュートン法を組み合わせ適用して反応
速度定数を抽出する反応モデル化部と、前記触媒反応モ
デルと触媒及びコンバータ材料の物性、触媒コンバータ
の諸元を用い触媒コンバータとしての効率を算出して予
測する効率予測検出部と、触媒コンバータの前記効率予
測結果と触媒コンバータの本来の各使用条件との対応関
係から、最適な触媒コンバータ諸元と、最適な触媒及び
コンバータ材料を選択する最適化評価部と、からなるこ
とを特徴とする。 k=Aexp(−E/T)/{ 1+A co exp(−E co /T)[CO] 2 /{ 1+A No exp (−E No /T)[NO] 2 /{ 1+A C3H6 exp(−E C3H6 /T)[C 3 6 ] 2 式中 kは反応速度定数(単位はcm /mol/s)、Aは
頻度因子、Eは反応活性化温度、Tは反応部材温度
【0011】ところで、本発明の反応装置の評価方法お
よびその装置では、反応装置(例えば、触媒コンバー
タ)の性能予測が、効率予測検出部(計算機ソフトウエ
ア)を用いて行なわれる。この性能予測計算に必要な入
力データは、反応部材(例えば、触媒単体)の反応特性
の他に、反応装置(例えば触媒コンバータ)の形状や寸
法、反応部材(例えば、触媒)及び反応部材以外の材料
の物性、及び反応装置(例えば、触媒コンバ−タ)を通
過または反応装置(例えば、触媒コンバータ)中で反応
により発生する流体成分の物性などである。これらの入
力データさえあれば、各種の反応装置(例えば、触媒コ
ンバータ)の性能予測を計算機シミュレーションによっ
て行なうことは、現在の科学技術上の知識を使って可能
である。
【0012】しかし、反応部材(例えば、触媒単体)の
反応特性は、流通反応部(管型流通反応器等)を用いた
実験により測定しなければならない。また、測定された
反応特性は、温度や流体の組成などに依存するので、種
々の条件で使用される反応装置(例えば、触媒コンバー
タ)の性能予測を行なうためには、反応速度の各種物理
条件(温度及び流体の組成など)に対する依存性を数表
化するか数式化する必要がある。ところが、一般に反応
(例えば、触媒反応)は、複数の素反応が組み合わされ
て起こる現象であり、その挙動は非定常の微分方程式で
表現されねばならない。それゆえ、数表化は一般に困難
である。
【0013】本発明では、反応装置(例えば、触媒コン
バータ)の各使用条件に対して反応(例えば、触媒反
応)のモデル化を行い、その反応速度定数を流通反応部
(管型流通反応器等)を用いた実験から求める。そし
て、このとき反応モデル化部(計算機ソフトウエア)を
用いる。なお、ここで注意すべき点は、反応部材(例え
ば、触媒)の反応特性を数式化する上で必要な反応(例
えば触媒反応)のモデルは、必ずしも実際の詳細な反応
メカニズムを反映する必要がないということである。ま
た、反応装置(例えば、触媒コンバータ)の使用にあた
って想定される全使用条件に対して共通のモデル及び共
通の反応速度定数にする必要はない。使用条件の範囲を
分割し、各分割条件で反応部材(例えば、触媒)の反応
特性を表現すればよい。その意味では、各使用条件に対
するモデルと反応速度定数が数表化される場合がある。
【0014】反応モデル化部は、次の様な数式を用い
て、流通反応部により測定された反応部材(例えば、触
媒)の前記反応効率データをもとに反応モデルの各反応
速度定数を求める。
【0015】反応モデルと反応速度定数が与えられたと
き、流通反応部を流れる流体の各成分濃度の変化は、例
えば式1で表現できる。
【0016】
【式1】
【0017】ただし、Ciはi番目の成分の濃度、R1は
l番目の反応の速度、bilはl番目の反応において生成
されるi番目の成分の量論比、ailはl番目の反応にお
いて消費されるi番目の成分の量論比である。式1にお
ける時間tは、反応管を流れる流体塊に着目した時間
(Lagrange表示)であり、流体の流速v及び反応管軸方
向の座標xとの間に式2に表す関係がある。
【0018】
【式2】
【0019】例えば、式1を計算機上で時間について積
分し得られる成分濃度Ciが流通反応部による測定結果と
異なるとき、それらの間の差の程度を表す評価関数Fを
十分小さくする、または十分大きくするような反応速度
定数の組合せを探しだす。(Fの値は、計算値と実験値
の差が大きくなる程、大きくなる、または小さくなるよ
うに関数形を設定する。)
【0020】Fの値を十分小さくする、または十分大き
くするには、各種の大域的探索手法を用いて、Fの値を
できるだけ小さくする、または大きくする反応速度定数
の値を求める。後述する本発明の実施の形態例では、進
化論的アルゴリズム(いわゆる遺伝的アルゴリズムまた
は進化論的戦略と呼び慣わされている手法)を応用し
た。進化論的アルゴリズムを応用したのは、探索範囲を
極めて広く選べる上に、いわゆるランダムサーチに比べ
て高速であるからである。
【0021】前記大域的探索手法によって求めたできる
だけ小さい、またはできるだけ大きいFの値に満足でき
なければ、前記大域的探索手法によって求めた速度定数
の値を初期値として、各種の解析的最適化手法(例え
ば、最急降下法、ニュートン法、マルカール法、共役勾
配法、準ニュートン法など)を用いれば、より満足の行
く小さな、または大きなFの値を与える反応速度定数の
値が得られる。
【0022】前記大域的探索手法を用いずに、いきなり
前記各種の解析的最適化手法を用いてFのできるだけ小
さな値またはできるだけ大きな値を与える反応速度定数
の値を求めることが可能な場合もあるが、前記各種の解
析的最適化手法においては適切な初期値を与えないと所
望の最適値(できるだけ小さなFの値またはできるだけ
大きなFの値)を探しだすことができない。
【0023】前記大域的探索手法及び前記各種の解析的
最適化手法の他にも、単体法として知られる最適値探索
手法が存在する。以下の本発明の実施の形態例では、こ
の単体法を中規模領域の探索手法として位置付け、前記
大域的探索手法によって求めた反応速度定数の値を初期
値として、単体法を適用した後、単体法によって求めた
反応速度定数の値を初期値として、前記各種の解析的最
適化手法を用いて最終的な反応速度定数の値を求めた場
合もある。
【0024】前記各種の解析的最適化手法においては、
各成分濃度の各反応速度定数に対する感度が必要とな
る。この感度は、差分近似によって得ることもできる
が、以下の実施例では、式1に対応する式3を用いて計
算した。式3を用いる方が、差分近似を用いるよりも、
計算の手間が少なく高速である。
【0025】
【式3】
【0026】ここで、k はある反応速度定数、NRは相異
なる反応の個数、NSは相異なる化学種の個数、∂Ci/∂k
が i 番目の化学種濃度の反応速度定数 k に対する感度
である。
【0027】
【発明の作用・効果】本発明の反応装置の評価方法およ
びその装置は、図1に示すように、流通反応部1を使っ
て、所定の複数の流体の組成及び流量と温度及び圧力の
もとで反応部材(例えば触媒)の反応効率を測定する。
反応モデル化部2は、前記流体の組成、流量、温度及び
圧力と反応部材(例えば、触媒)の反応効率のデータを
使って反応モデルを作成する。効率予測検出部3は、こ
の反応モデルと反応部材(例えば触媒)及び反応部材を
除く反応装置(例えば、触媒コンバータ)の材料の物性
及び反応装置(例えば、触媒コンバータ)の設計諸元を
入力データとして、反応装置(例えば、触媒コンバー
タ)としての効率を計算する。この計算結果をもとに、
最適化評価部4を使って反応装置(例えば、触媒コンバ
ータ)の用途及び使用目的に最適な反応装置(例えば、
触媒コンバータ)の諸元と、最適な反応部材(例えば、
触媒)及び反応装置(例えば、コンバータ)の材料を選
択することができる。
【0028】このように、本発明の反応装置の評価方法
およびその装置によれば、反応装置(例えば、触媒コン
バータ)を実際に製作及び試験することなく、反応装置
(例えば、触媒コンバータ)の適正評価が行なえる。た
だし、反応部材(例えば、触媒)の選定を行なった上
で、流通反応部(例えば、管型流通反応器等)により、
反応部材単体(例えば、触媒単体)の反応効率を求めね
ばならない。反応装置(例えば、触媒コンバータ)を実
際に製作及び試験する必要がないのは、反応装置(例え
ば、触媒コンバータ)の性能予測に必要な反応モデル
(例えば、触媒反応モデル)を、本発明の反応装置の評
価方法およびその装置が実現するという実用上有意義な
作用・効果を奏するからである。
【0029】
【発明の実施の形態】以下、本発明の種々の好ましい実
施の形態を、図面を参照して説明する。
【0030】〔第1の実施の形態〕第1の実施の形態の
触媒コンバータの効率評価方法およびその装置は、未使
用の触媒A(新品触媒A)と劣化後の触媒A(劣化触媒
A)をそれぞれ流通反応部に封入し、各触媒によるC
O、C36、NOの浄化率(触媒の反応効率)を測定。
上記データから、触媒反応モデル化部を使って、下記4
反応の反応速度定数を求めた。
【0031】 反応1 CO + 0.5 O2 → CO2 反応2 C36 + 4.5 O2 → 3 CO2 + 3 H2O 反応3 NO + CO → 0.5 N2 + CO2 反応4 9 NO + C36 → 3 CO2 + 3 H2O + 4.5 N2
【0032】反応速度R(単位は、mol/cm3/s)は以下
の様に表現した。
【0033】R1=k1[CO][O2] R2=k2[C36][O2] R3=k3[NO][CO] R4=k4[NO][C36
【0034】ただし、kは反応速度定数、[ ]で示す
量は、流通反応部内の各ガス成分の濃度(単位はmol/cm
3)である。反応速度定数k(単位は、cm3/mol/s)は、
以下の式4に表現した。
【0035】
【式4】
【0036】また、表1に各定数の値を示す。
【0037】
【表1】
【0038】なお、表1に、反応4に関わる各定数の値
を示していないのは、反応モデル化部が、反応4は各浄
化率の値に寄与しないことを示すからである。上記の触
媒反応モデル及び表1の値を効率予測部に入力すること
により、触媒Aを用いる触媒コンバータを自動車用エン
ジンに取り付けたときのエンジン排気内CO、C36
NOの浄化率を予測した。ここでは、例としてエンジン
暖機時の触媒コンバータ温度及び浄化率の推移の予測例
を図2ないし図6にそれぞれ示す。
【0039】図2ないし図4は、エンジン暖機時の触媒
コンバータ温度の経時変化を、未使用(新品)の触媒コ
ンバータと劣化後の触媒コンバータについて示したもの
である(図5は、各温度を与える場所を示す)。また、
図6は、同じくエンジン暖機時の触媒コンバータ浄化率
の推移を、未使用(新品)の触媒コンバータと劣化後の
触媒コンバータについて示したものである。図6から、
劣化後の触媒コンバータの方が、触媒コンバータの温度
上昇がやや遅く、暖機後の温度もやや低いことがわか
る。また、図6から、COとC36の浄化率は、暖機途
中及び暖機後ともに、劣化後の触媒コンバータの方が低
いが、暖機後のNOの浄化率は、未使用(新品)の触媒
コンバータの方が低いということがわかる。
【0040】〔第2の実施の形態〕第2の実施の形態
は、前記第1の実施の形態とは別の劣化触媒(劣化履歴
は第1の実施の形態例と同程度:劣化触媒B)を流通反
応部に封入し、CO、C36、NOの浄化率(触媒効
率)を測定してなる。上記データから、反応モデル化部
を使って、前記第1の実施の形態と同様にして、上記4
反応の劣化触媒Bの反応速度定数を求めた。上記の触媒
反応モデル及び求めた反応速度定数の値を効率予測部に
入力することにより、触媒Bを用いる触媒コンバータ
(触媒コンバータの諸元は、触媒の種類を除いて第1の
実施の形態と同じ)が劣化したときのエンジン排気内C
O、C36、NOの浄化率を第1の実施の形態と同様に
予測した。
【0041】ここでは、第1の実施の形態と同様、エン
ジン暖機時の触媒コンバータ温度及び浄化率の推移の予
測例を示す。図7ないし図9は、触媒Aを用いる劣化し
た触媒コンバータ(第1の実施の形態)と触媒Bを用い
る劣化した触媒コンバータの温度推移の比較を示すもの
である(図10は、各温度を与える場所を示す)。一
方、図11は、同様に浄化率を比較するものである。図
7ないし図10から、劣化履歴は同程度であっても、触
媒Bを用いる触媒コンバータの方が、暖機時の温度上昇
がやや速く、暖機後の温度もやや高いことがわかる。そ
して、図11から触媒Bを用いる触媒コンバータの方
が、劣化後においては、自動車用エンジンの排気成分C
O、C36、NOを遥かに良く浄化することがわかる。
したがって、同一諸元(同一形状かつ同一寸法)の触媒
コンバータであれば、劣化を考慮した長期間の使用を考
慮するとき、触媒Aよりも触媒Bを採用した方が、触媒
コンバータの浄化性能が良い可能性があると判断でき
る。
【0042】〔第3の実施の形態〕第3の実施の形態
は、前記第1の実施の形態とは別の新品触媒(新品触媒
B)を流通反応部に封入して、CO、C36、NOの浄
化率(触媒の反応効率)を測定した。上記データから、
触媒反応モデル化部を使って、前記第1の実施の形態と
同様にして、上記4反応の新品触媒Bの反応速度定数を
求めた。上記の触媒反応モデル及び求めた反応速度定数
の値を効率予測部に入力することにより、触媒Bを用い
る新品の触媒コンバータ(触媒コンバータの諸元は、触
媒の種類を除いて第1の実施の形態と同じ)を自動車用
エンジンに取り付けたときのエンジン排気内CO、C3
6、NOの浄化率を前記第1の実施の形態と同様に予
測した。
【0043】ここでは、第1の実施の形態と同様、エン
ジン暖機時の触媒コンバータ温度及び浄化率の推移の予
測例を示す。図12ないし図14は、触媒Aを用いる新
品の触媒コンバータ(第1の実施の形態)と触媒Bを用
いる新品の触媒コンバータの温度推移を比較するもので
ある(図15は、各温度を与える場所を示す)。一方、
図16は、同様に浄化率を比較するものである。図16
から、新品の状態では、触媒Aを用いる触媒コンバータ
の方が、暖機途中及び暖機後ともに、COとC36の浄
化率が高いことがわかる。ただし、NOの浄化率(図1
6)と温度(図12ないし図14に示す)に関しては、
二つの触媒コンバータの間に大きな差はない。
【0044】したがって、同一諸元(同一形状かつ同一
寸法)の触媒コンバータであれば、劣化が進まない短期
間の使用を考慮するとき、触媒Bよりも触媒Aを採用し
た方が、触媒コンバータの浄化性能が良いと判断でき
る。
【0045】〔第4の実施の形態〕第4の実施の形態と
して、触媒コンバータの使用期間全体にわたる効率評価
を行なうために、表2に示すように、自動車使用期間全
体にわたる暖機後のCO排出量を予測した(表2は最適
化評価部による)。
【0046】
【表2】
【0047】表2より、自動車使用期間全体にわたる暖
機後のCO排出量は、触媒Bを用いる触媒コンバータの
方が、触媒Aを用いる触媒コンバータより少ないことが
わかる。
【0048】したがって、同一諸元(同一形状かつ同一
寸法)の触媒コンバータであれば、自動車の使用期間全
体にわたる暖機後のCO排出量を少なくするためには、
触媒Bを選ぶべきであることがわかる。
【0049】〔第5の実施の形態〕第5の実施の形態と
して、同一諸元(同一形状かつ同一寸法)の触媒コンバ
ータに触媒Aまたは触媒Bを使用する場合、触媒Bを用
いる方が触媒コンバータの単位長さ当たりの価格が高く
なる。そこで、触媒コンバータの寸法を変えて、触媒A
を用いたとき、自動車使用期間全体にわたる暖機後のC
O排出量が、触媒Bを用いたときより少なく、かつ価格
も低くなることを予測できた(最適化評価部による)。
具体的には、触媒Aを用いる触媒コンバータの流れ方向
長さを、触媒Bを用いる触媒コンバータよりも長くし
た。触媒コンバータが長くなることによって、触媒Aの
使用量は増えるが、触媒コンバータの下流程、劣化しに
いので、自動車使用期間全体にわたる暖機後のCO排出
量が、触媒Bを用いたときより少なく、かつ価格も低く
なる。
【0050】〔第6の実施の形態〕第6の実施の形態
は、自動車用触媒コンバータに関するもので、エンジン
の暖機時に留まらない。どのような自動車およびエンジ
ンの運転条件においても、本発明を適用実施し得る。こ
こでは、自動車を速度約50km/hで定常運転している
場合のエンジン排気内CO、C36 、NOの浄化率を
予測した(第1の実施の形態で用いた触媒反応モデルお
よび表1等の値を効率予測部へ入力することによる)。
表3に、その結果として定常運転時の浄化率(単位%)
を示す。
【0051】
【表3】
【0052】表3から、新品触媒と劣化触媒の浄化率は
NOの場合を除いて殆ど代わらないこと、NOの場合は
新品触媒の浄化率自体が元々低いということから、少な
くともこの運転条件では、触媒が劣化しても浄化率性能
が悪化していないといえる。これは、触媒コンバータ内
を排気が通過する時間が十分長い(言い換えると、触媒
コンバータの長さと触媒の担持量が十分である)ため
に、劣化が浄化率に影響しないからである。他の定常運
転条件でも同様のことが確かめられるので、使用期間全
体にわたって触媒コンバータの設計を最適化する際に
は、(触媒コンバータの長さと触媒の担持量および形状
を大きく変えない場合には)、定常状態以外(例えば暖
機時)の浄化率低下に、より大きな注意を払うべきこと
がわかる。
【0053】〔第7の実施の形態〕第7の実施の形態
は、自動車以外の反応装置に対して適応実施したもの
で、化学プラントで用いられている反応装置の一例とし
て、ギアなどの鍛造物を浸炭処理する場合に用いられる
RXガス(COとH2 の混合気)を生成するための触媒
コンバータに対して実施した(本発明を、触媒を用いな
い反応装置および管などの流通形態を用いない反応装置
に対しても、実施できることは原理上明らかである。化
学プラント等の反応装置においては、触媒利用時の反応
効率等が一般に優れているので、触媒を利用した流通形
態を採る場合が多い。)。未使用のRXガス生成用触媒
Aを「流通反応部」に封入し、ブタン(C410)ガス
の部分酸化反応効率を測定する。つづいて、そのデータ
から「触媒反応モデル化部」を用いて、次の反応(モデ
ル)の速度定数を求めた。
【0054】 C410+2O2 →4CO+5H2 〔式5〕
【0055】ただし、反応速度Rは、次式6で表現し
た。
【0056】 R=k〔C410〕〔O2 〕 〔式6〕
【0057】ただし、kは反応速度定数、〔 〕で示す
量は、「流通反応部」内の各ガス成分濃度である。ま
た、速度定数kは次式7で表現した。
【0058】 k=Aexp(−E/T) 〔式7〕
【0059】「触媒反応モデル化部」によって、次の値
が得られた。 A= 1000cm3 /mol/s E=12600K これらの定数値および反応モデルを「触媒コンバータの
効率予測検出部」に入力することにより、触媒Aを用い
るRXガス生成用コンバータ内での温度と反応効率を予
測した。そして、その結果から、RXガス生成反応は殆
ど触媒層の入り口付近で起こっており、触媒の経時劣化
を抑制できれば、触媒コンバータをより小さくすること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の反応装置の評価方法およびその装置の
概要を示す概要図
【図2】エンジン暖機時の触媒コンバータの中心軸より
半径方向に8mmの位置における温度の推移(効率予測
検出部が算出)を、未使用(新品)の触媒コンバータと
劣化後の触媒コンバータについて示す線図(触媒コンバ
ータに用いたのは、触媒A)
【図3】エンジン暖機時の触媒コンバータの中心軸より
半径方向に20mmの位置における温度の推移(「効率
予測検出部」が算出)を、未使用(新品)の触媒コンバ
ータと劣化後の触媒コンバータについて示す線図(触媒
コンバータに用いたのは、触媒A)
【図4】エンジン暖機時の触媒コンバータの中心軸より
半径方向に35mmの位置における温度の推移(「効率
予測検出部」が算出)を、未使用(新品)の触媒コンバ
ータと劣化後の触媒コンバータについて示す線図(触媒
コンバータに用いたのは、触媒A)
【図5】触媒コンバータの内部を示す縦断面図
【図6】触媒コンバータの効率予測検出部が算出した自
動車用エンジン暖機時の触媒コンバータの浄化率推移
を、未使用(新品)の触媒コンバータと劣化後の触媒コ
ンバータそれぞれについて示す線図。(触媒コンバータ
に用いたのは、触媒A)
【図7】触媒Aを用いる劣化した触媒コンバータと触媒
Bを用いる劣化した触媒コンバータの中心軸より半径方
向に8mmの位置における暖機時温度推移(「効率予測
検出部」が算出)を比較した線図
【図8】触媒Aを用いる劣化した触媒コンバータと触媒
Bを用いる劣化した触媒コンバータの中心軸より半径方
向に20mmの位置における暖機時温度推移(「効率予
測検出部」が算出)を比較した線図
【図9】触媒Aを用いる劣化した触媒コンバータと触媒
Bを用いる劣化した触媒コンバータの中心軸より半径方
向に35mmの位置における暖機時温度推移(「効率予
測検出部」が算出)を比較した線図
【図10】劣化触媒コンバータの内部を示す縦断面図
【図11】触媒Aを用いる劣化した触媒コンバータと触
媒Bを用いる劣化した触媒コンバータの暖機時浄化率推
移(効率予測検出部が算出)を比較した線図
【図12】触媒Aを用いる新品の触媒コンバータと触媒
Bを用いる新品の触媒コンバータの中心軸より半径方向
に8mmの位置における暖機時温度推移(効率予測検出
部が算出)を比較した線図
【図13】触媒Aを用いる新品の触媒コンバータと触媒
Bを用いる新品の触媒コンバータの中心軸より半径方向
に20mmの位置における暖機時温度推移(効率予測検
出部が算出)を比較した線図
【図14】触媒Aを用いる新品の触媒コンバータと触媒
Bを用いる新品の触媒コンバータの中心軸より半径方向
に35mmの位置における暖機時温度推移(効率予測検
出部が算出)を比較した線図
【図15】触媒コンバータの内部を示す縦断面図
【図16】触媒Aを用いる新品の触媒コンバータと触媒
Bを用いる新品の触媒コンバータの暖機時浄化率推移
(効率予測検出部が算出)を比較した線図
【符号の説明】
1 流通反応部 2 反応モデル化部 3 効率予測検出部 4 最適化評価部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−207930(JP,A) 特開 昭63−287558(JP,A) 特表 平6−508414(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/00 B01D 53/86 G01N 33/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 反応装置を形成する反応部材を流通路に
    充填した流通反応部により、測定すべき流体の組成及び
    流量と温度及び圧力の下で反応部材の反応効率を測定
    し、 反応モデル化部により前記の測定すべき流体の組成、流
    量、温度と反応部材の反応効率のデータを用い反応部材
    の反応モデルを形成して、かつ反応速度定数の温度及び
    ガス成分濃度に対する依存性を表す下記式に含まれる各
    定数を、進化的アルゴリズム、単体法、準ニュートン法
    を組み合わせ適用して反応速度定数を抽出し、 反応装置の効率予測検出部により、前記反応部材の反応
    モデルと反応部材及び反応装置材料の物性、反応装置の
    諸元を用い、反応装置としての効率を算出して予測する
    と共に、この効率予測結果と反応装置の本来の各使用条
    件との対応関係から、最適化評価部により最適な反応装
    置諸元と、最適な反応部材および反応装置を選択する、 ことを特徴とするガスを処理する反応装置の評価方法。 k=Aexp(−E/T)/{ 1+A co exp(−E co /T)[CO] 2 /{ 1+A No exp (−E No /T)[NO] 2 /{ 1+A C3H6 exp(−E C3H6 /T)[C 3 6 ] 2 式中 kは反応速度定数(単位はcm /mol/s)、Aは
    頻度因子、Eは反応活性化温度、Tは反応部材温度
  2. 【請求項2】 コンバータを形成する反応部材を流通路
    に充填した流通反応部により、測定すべき流体の組成及
    び流量と温度及び圧力の下で触媒の反応効率を測定し、 反応モデル化部により前記の測定すべき流体の組成、流
    量、温度と触媒の反応効率のデータを用い触媒反応モデ
    ルを形成して、かつ反応速度定数の温度及びガス成分濃
    度に対する依存性を表す下記式に含まれる各定数を、進
    化的アルゴリズム、単体法、準ニュートン法を組み合わ
    せ適用して反応速度定数を抽出し、 効率予測検出部により、前記触媒反応モデルと触媒びコ
    ンバータ材料の物性、コンバータの諸元を用い、触媒コ
    ンバータとしての効率を算出して予測すると共に、 この効率予測結果と触媒コンバータの本来の各使用条件
    との対応関係から、最適化評価部により最適な触媒コン
    バータ諸元と、最適な触媒コンバータ材料を選択する、 ことを特徴とする排気ガスを処理する触媒コンバータの
    評価方法。 k=Aexp(−E/T)/{ 1+A co exp(−E co /T)[CO] 2 /{ 1+A No exp (−E No /T)[NO] 2 /{ 1+A C3H6 exp(−E C3H6 /T)[C 3 6 ] 2 式中 kは反応速度定数(単位はcm /mol/s)、Aは
    頻度因子、Eは反応活性化温度、Tは触媒温度
  3. 【請求項3】 反応装置を形成する反応部材を流通路に
    充填し、測定すべき流体の組成及び流量と温度及び圧力
    の下で反応部材の反応効率を測定する流通反応部と、 前記の測定すべき流体の組成、流量、温度と反応部材の
    反応効率のデータを用い反応部材の反応モデルを形成し
    、かつ反応速度定数の温度及びガス成分濃度に対する
    依存性を表す下記式に含まれる各定数を、進化的アルゴ
    リズム、単体法、準ニュートン法を組み合わせ適用して
    反応速度定数を抽出する反応モデル化部と、 前記反応部材の反応モデルと反応部材及び反応装置材料
    の物性、反応装置の諸元を用い、反応装置としての効率
    を算出して予測する効率予測検出部と、 反応装置の前記効率予測結果と反応装置の本来の各使用
    条件との対応関係から、最適な反応装置諸元と、最適な
    反応部材および反応装置を選択する最適化評価部と、 から成ることを特徴とするガスを処理する反応装置の評
    価装置。 k=Aexp(−E/T)/{ 1+A co exp(−E co /T)[CO] 2 /{ 1+A No exp (−E No /T)[NO] 2 /{ 1+A C3H6 exp(−E C3H6 /T)[C 3 6 ] 2 式中 kは反応速度定数(単位はcm /mol/s)、Aは
    頻度因子、Eは反応活性化温度、Tは反応部材温度
  4. 【請求項4】 コンバータを形成する触媒を流通路に充
    填し、測定すべき流体の組成及び流量と温度及び圧力の
    下で、触媒の反応効率を測定する流通反応部と、 前記の測定すべき流体の組成、流量、温度と反応部材の
    反応効率のデータを用い反応部材の反応モデルを形成し
    、かつ反応速度定数の温度及びガス成分濃度に対する
    依存性を表す下記式に含まれる各定数を、進化的アルゴ
    リズム、単体法、準ニュートン法を組み合わせ適用して
    反応速度定数を抽出する反応モデル化部と、 前記触媒反応モデルと触媒及びコンバータ材料の物性、
    触媒コンバータの諸元を用い触媒コンバータとしての効
    率を算出して予測する効率予測検出部と、 触媒コンバータの前記効率予測結果と触媒コンバータの
    本来の各使用条件との対応関係から、最適な触媒コンバ
    ータ諸元と、最適な触媒及びコンバータ材料を選択する
    最適化評価部と、 からなることを特徴とする排気ガスを処理する触媒コン
    バータの評価装置。 k=Aexp(−E/T)/{ 1+A co exp(−E co /T)[CO] 2 /{ 1+A No exp (−E No /T)[NO] 2 /{ 1+A C3H6 exp(−E C3H6 /T)[C 3 6 ] 2 式中 kは反応速度定数(単位はcm /mol/s)、Aは
    頻度因子、Eは反応活性化温度、Tは反応部材温度
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