JP3665810B2 - 触媒コンバータにおける乱流誘発装置 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、圧力低下と気体の質量移転との比率を最適化するための触媒コンバータの改良に関する。
通常、触媒コンバータは、隣接するかなり多数の通路によって構成された基体を有し、この基体にコーティングされた触媒によって変換されるべき気体又は気体混合物がこれらの通路を通じて流れる。触媒コンバータを構成するには種々の材料が使用され、例えばセラミック材料やステンレス、アルミ等の金属が使用される。
セラミック製の触媒コンバータの基体の通路の断面は、通常、矩形又は多角形、例えば六角形である。このタイプの触媒コンバータは押し出し法によって作られ、この方法によれば、その全長にわたって同じ断面を有する通路が得られ、通路の壁は平滑で均一である。
金属によって接触コンバータの基体を製造する場合には、波型のストリップ又は箔を平らなストリップ又は箔と交互に重ね、こうして得られたアセンブリを軸を中心に巻き上げる。得られた通路の断面形状は、三角形又は台形となる。市場で入手可能な金属製の触媒コンバータは、その全長にわたって同じ断面サイズを有し、且つセラミック製の触媒コンバータの基体と同様に、通路壁は平滑で均一である。
最も重要な特徴は、通路を流れる気体又は気体混合物と触媒コンバータの通路壁との間で起こる質量移転である。高い触媒変換効率を得るためには、質量移転速度の指標である質量移転係数を高くする必要がある。
内燃機関や工業において使用されている上述のタイプの触媒コンバータにおいては、通路は比較的小さな断面形状を有し、気体は、これらが使用される一般的な速度で通路の方向に比較的整然とした層をなして流れている。こうして、流れは主として層流となる。通路の入口に隣接する短い長さに沿ってのみ、通路の壁面に向かう横方向の流れが生じる。気体の流れを分類するのに、いわゆるレイノルズ数が使用され、これらの応用分野ではその値は100〜600の範囲にある。レイノルズ数が約2000未満である限りは、流れは層流を保っている。
層流をなす気体の流れにおいては通路の壁面の最も近くに境界層が形成され、この境界層では気体の速度は実質的にゼロになることは、関連技術分野においては周知である。この境界層は質量移転係数を大幅に減少させ、なかんずくいわゆる完全に発達した流れの場合には著しい。質量移転係数を増大させるには、気体を通路表面に向けて流し、境界層を減少させ、一方の層から他方の層への流れの移転を増加させることが必要である。これは乱流によって行うことができる。平滑で均一な通路の場合、レイノルズ数が約2000以上の値に達すると、層流が乱流に変わる。ここで論じているタイプの触媒コンバータの通路でこの大きさのレイノルズ数を得ようとした場合、普通よりもかなり高い気体速度が必要となる。したがって、低いレイノルズ数を有する前述の触媒コンバータでは、通路の内部に特殊な乱流発生器を設けるなどして人工的に乱流を発生させる必要がある。
多くの乱流発生器が公知である。スウェーデン特許公報SE−Ｂ−461 018には、内部に横方向の波形をした乱流発生器を具えた通路を有する触媒コンバータが開示されている。イギリス特許公報GB−Ａ−2001547には、構造材料の板金加工によって作られた横方向の金属フラップ型の乱流発生器が設けられた通路を有する触媒コンバータが開示されている。これら二つのタイプの乱流発生器の組合せも存在している。
この種の乱流発生器に共通する特色は、質量移転を大幅に増大させるその能力である。しかし、圧力低下も劇的に増大する。実際、圧力低下の増大は、質量移転の増加を上回ることが判明した。この圧力低下は、乱流発生器の形状、寸法及び構成に応じて決まる。しかし、前記タイプの乱流発生器の圧力低下は余りにも大き過ぎるので、広い分野での使用が妨げられている。
発明の概要
本発明は、質量移転に対する圧力低下の比率が最適となるように、触媒コンバータの通路に乱流発生器を設置し、乱流発生器の形状を構成することを基本としている。本発明の関連する応用分野では、通路の周長に対する流通通路断面積の比率を示す表現である水力直径の概念が参照される。触媒コンバータの通路の入口では境界層が非常に薄いので、質量移転係数は高くなる。境界層の厚さは主たる流れの方向に沿って徐々に増加し、質量移転係数即ち通路表面に向かう質量の移転速度は減少する。
入口領域では質量移転は既に高い値になっているから、質量移転を増加させ、触媒変換効率を増大させるためには、通路壁の乱流発生器は入口のあまり近くに位置決めされるべきではない。結局、この領域に乱流発生器を設けることは、圧力低下を増加させるだけであって、好ましくない。
本発明は、気体流を長手方向に導く通路を具えた触媒コンバータに関する。この通路は触媒でコーティングされ、気体の流れを乱すために長手方向に間隔をあけて設置された少なくとも第１と第２の乱流発生器を有する。各乱流発生器は、通路の底面から35〜50゜の範囲の角度で後方上向きに傾斜している前縁面と、通路の底面からの高さがｅの前記前縁面の自由縁から後方に延在し、長手方向の長さＢを有する接続用の上面と、前記接続用の上面の後縁から底面後方を向いている後縁面とを具えている。前記第１乱流発生器は、第２乱流発生器よりも通路の入口の近くに設置されている。第１乱流発生器の長手方向の中心は、通路の入口から距離X₁だけ離れている。そして、
0.01＜X₁/（D_h・R_e・S_c）＜0.015
ここで、D_hは通路の水力直径、
R_eはレイノルズ数、
S_cは気体のシュミット数１である。
更に、水力直径D_hに対する高さｅの比率は、0.35〜1.0の範囲にあり、
前記高さｅに対する第１及び第２乱流発生器の長手方向の中心同士の間の距離Ｐの比率は、20〜50の間にあり、
前記高さｅに対する前記接続用の上面の長さＢの比率は、1.5〜4.0の範囲にある。
【図面の簡単な説明】
添付の図面を参照して、以下に本発明を更に詳細に説明する。
図１は、乱流発生器を示すために部分的に破断された、本発明の触媒コンバータの通路部を示す模式的部分破断斜視図である。
図２は、図１の通路の模式的長手断面図である。
図３は、乱流発生器の領域における通路部の断面図である。
発明の好適実施例の詳細な説明
図１には、触媒コンバータの通路２の入口１と該通路２の残りの部分が模式的に示され、触媒コンバータは後述するようにこのような多数の通路２を具えている。この通路２は、その中で気体流を長手方向に前方に（即ち、図１で右方に）導いている。図には、入口１の最も近くに設けられた第１乱流発生器３と、そこから長手方向に隔たった第２乱流発生器４とのみが示されている。通路２は高さｈを有する。入口開口から第１乱流発生器３の長手方向中心までの距離X₁は、次の式によって規定される。
0,01＜X₁/（D_h・R_e・S_c）＜0.015
ここで、D_hは通路２の水力直径であり、
R_eはレイノルズ数（ulρ／μ）であり、
S_cは気体混合物のシュミット数である。
上の式から、X₁はレイノルズ数、したがって気体速度に依存していることが判る。こうして、第１乱流発生器３の最適位置は、使用されている作業条件によって決められる。
図２に明らかに示されているように、各乱流発生器3,4は特定の幾何学的構成を与えられている。各乱流発生器3,4は、傾斜する前縁面５と、平らな接続用の上面６と、前向き、すなわち、傾斜する後縁面７とを具えている。
本発明によれば、次の条件が当てはまる。
触媒コンバータの通路２の底面８に対する乱流発生器3,4の前縁面５の傾斜を規定する角度θは35〜50゜の範囲にあり、通路２の水力直径D_hに対する底面８から上面６までの高さｅの比率が0.35〜1.0の範囲にあることが必要である。更に、前記寸法の高さｅに対する第１、第２乱流発生器３と４の長手方向中心間の距離Ｐが20〜50の範囲にあることを要する。また、高さｅに対する各乱流発生器３と４の前記上面６の長手方向の長さＢの比率が1.5〜4.0の範囲にあることを要する。
各乱流発生器3,4に対面する通路の領域には拡大部12が設けられ、乱流発生器の存在に起因する圧力低下の増大の軽減を図っている。しかし、拡大領域12における気体の流れは、主たる気体流には関与せず、渦流となってゆっくりと動き、乱流には僅かな影響しか与えない。通常、寸法ｅはチャンネルの高さｈの約50〜60％であり、乱流発生器を包含する領域内の気体流のための活性断面積は、乱流発生器の上流側の気体流のための活性断面積の約1/4である。この結果、乱流発生器を通過する気体の速度は、それの上流側で生じる速度の約４倍程度となる。
本発明の通路のための好ましい断面形状は、三角形か台形である。
本発明によれば、乱流発生器3,4に特定の幾何学的形状を与え、これらを互いに所定の距離を隔て、且つ好ましくは三角形又は台形断面形状を有する通路２の入口１から所定の距離を隔てて位置決めすることによって、質量移転を増大させることができ、その結果、触媒変換を増大させることができるが、圧力低下が少し増加する。気体流が乱流発生器３に接近すると、断面積の減少に起因して流れの速度が局部的に増加する。図３はその特徴のいったんを示している。その後、気体が乱流発生器３を通過し、接続用の上面６と後縁面７との間の接続箇所に形成された縁を離れると、その離れたことと、気体が急に増大した断面積に遭遇したこととによって、烈しい乱流運動が発生する。このプロセスは質量移転を非常に効率的に増大させる。
第２乱流発生器４は第１乱流発生器３から計算された距離Ｐだけ離れて設けられ、発生した乱流をできるだけ完全に利用して、気体が第２乱流発生器４に到達する前に図１に符号Ｏで示された再接触ゾーンを形成することを可能にする。このようにして、既に乱れた気体流における質量移転を大幅に増大させることなく、不必要な過剰の圧力低下を防ぐことができる。再接触ゾーンＯにおいて、大部分の気体は再び平滑な面に隣接して流れ、第２乱流発生器４に到達する。
乱流発生器3,4の縁は、分離点（変位点）を形成するのに充分な程度に鋭いことが重要である。図２を参照すれば、これらの縁の半径ｒは、D_hに対するｒの比率が0.04〜0.2の範囲にあることが必要である。
本発明によって乱流発生器を構成することにより、これらの乱流発生器は気体速度が高い場合にも効率よく作動し、平滑な通路内でも乱流が形成される。こうして自然に形成された乱流は、収束／拡散効果及び気体の分離と再接触の機構によって強化される。
本発明による質量移転の増大は、次のように利用することができる。質量移転ｊは、通常、式ｊ＝ｐ・h_w・Ａ（W_1g−W_1w）で表される。ここで、
h_Mは質量移転係数
Ａは移転表面積
W_1gは気体中の物質１の質量の割合（バルク値）
W_1wは前記表面における物質１の質量の割合
ｐは気体の密度である。
式W_1g−W_1wは変換されない気体の濃度の指標である。h_Mが増加すると、一定の大きさの表面Ａに対する触媒変換が増大する。一方、ｊを増加させる必要がなく、その代わり質量移転を一定に維持するならば、通路表面積を減少させることができる。したがって、触媒コンバータのキャリア材料（金属製触媒コンバータ及び薄い塗膜の場合にはステンレスやアルミ等）及び非常に高価な貴金属の量を減らすことがで、このようにしてかなりの経済的利得が得られる。
その代りに、触媒コンバータの所与の前方領域に対して、通路の表面積を減らしたい場合には、水力学的直径を増加させればよい。これによって圧力低下が減り、これを乱流の発生による予定外の圧力低下のために使用することができる。このようにして、質量移転の増加（h_Wの増加）にも関わらず圧力低下の増大が抑制される。その結果、質量移転係数が高くなって通路の表面積の減少を補填する。触媒コンバータのキャリア材料及び薄い塗膜の量と高価な貴金属の量は、これによって更に少なくなり、その結果として大幅な経済的利得が得られる。
所定の寸法を有する真っ直ぐな通路のいわゆる完全に発達した流れの領域に関して、圧力低下（所与の気体速度に対して）は水力直径に反比例する。水力直径が例えば２倍に増大すると、圧力低下はこれに対応して減少する。しかし、完全に発達した流れと質量割合分野の場合には、質量移転表面も水力直径に反比例する。したがって、移転も減少する。比較的大きい通路が本発明の乱流発生器を具えている場合、圧力低下と質量移転は増大するであろう。圧力低下は、質量移転を減少させることなく、小さいサイズの通路に適用できる値まで増加するであろう。質量移転の正確な数値は、乱流発生器の構成に依存している。質量移転係数が、この小さなサイズの通路に適用可能な値の２倍にまで達すると、殆ど半分の量の材料（キャリア材料、薄い塗膜及び貴金属）を使用して同じ触媒変換が得られる。

Claims (5)

1. 通路内を流れる気体の移動質量に対する圧力低下の比率を最適化する触媒コンバータであって、前記通路は、気体の流れの通過方向に対して横方向に形成され、前縁部（５）、上面（６）、及び後縁部（７）を有する乱流発生器（3,4）を有し、触媒コンバータの前記通路の気体入口（１）から、該気体入口に最も近接して位置する乱流発生器（３）の中心部までの距離（X₁）は次の式によって示される、
   0.01＜X₁/（D_h・R_e・S_c）＜0.015
   ここで、D_hは通路の水力直径、
   R_eはレイノルズ数、
   S_cは気体混合物のシュミット数であり、
   触媒コンバータの通路（２）の底面（８）に対する乱流発生器（3,4）の前縁面（５）の傾斜度を規定する角度（θ）は35゜〜50゜の範囲にあり、
   更に、通路（２）の水力直径D_hに対する底面（８）から上面（６）までの高さｅの比率は、0.35〜1.0の範囲にあり、
   前記高さｅに対する、第１及び第２乱流発生器（3,4）の長手方向の中心同士の間の距離Ｐの比率は、20〜50の間にあり、
   前記高さｅに対する各乱流発生器（3,4）の上面（６）の長さＢの比率は、1.5〜4.0の範囲にある、
   触媒コンバータ。
2. 前記通路が三角形断面形状である請求項１に記載の触媒コンバータ。
3. 前記通路が台形断面形状である請求項１に記載の触媒コンバータ。
4. 各通路が、各乱流発生器（3,4）に対面して設けられた拡大部（12）を有する請求項１に記載の触媒コンバータ。
5. 前記後縁面（７）が底面（８）に向かって後方に傾斜している請求項１に記載の触媒コンバータ。

Images