JP6140618B2 - 触媒装置及び触媒装置の設計方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に示された触媒基材においては、中心部に担持する触媒量を増やすことで浄化性能を向上しているが、触媒基材の中心部と外側部との間における排気ガスの流量の偏りが解消されない。触媒基材において、排気ガスの流量の偏りが生じると、排気ガスの流量が多い中心部が高温となり、排気ガスの流量が少ない外側部が中心部より低温となる。そのため、低温となった部位においては、触媒の活性化温度に到達するのに時間がかかったり、活性化温度に到達しなくなるおそれがある。これにより、触媒基材における浄化性能が低下する。
内燃機関において発生した排気ガスを流通する上流側配管と、該上流側配管の下流側に配設されると共に該上流側配管よりも直径が大きく上記触媒基材を内包する触媒配置管と、該触媒配置管の下流側に配設され上記触媒基材によって浄化された浄化排気ガスを流通する下流側配管とを有する排気管とを備えた触媒装置の設計方法であって、
上記上流側配管の流路断面積をS1、上記内側基材部の断面積をS2、上記触媒基材の断面積をS3、上記内側セル孔の水力直径をd1、上記外側セル孔の水力直径をd2としたとき、S1≦S2≦S3(−0.2242(d12/d22)2+0.1141(d12/d22)+0.617)の関係を満たすよう、上記S1、上記S2、上記S3、上記d1及び上記d2を決定することを特徴とする触媒装置の設計方法にある。
内燃機関において発生した排気ガスを流通する上流側配管と、該上流側配管の下流側に配設されると共に該上流側配管よりも直径が大きく上記触媒基材を内包する触媒配置管と、該触媒配置管の下流側に配設され上記触媒基材によって浄化された浄化排気ガスを流通する下流側配管とを有する排気管とを備えており、
上記上流側配管の流路断面積をS1、上記内側基材部の断面積をS2、上記触媒基材の断面積をS3、上記内側セル孔の水力直径をd1、上記外側セル孔の水力直径をd2としたとき、S1≦S2≦S3(−0.2242(d12/d22)2+0.1141(d12/d22)+0.617)の関係を満たすことを特徴とする触媒装置にある。
具体的には、上流側配管の流路断面積S1、上記内側基材部の断面積S2、上記触媒基材の断面積S3、上記内側セル孔の水力直径d1及び上記外側セル孔の水力直径d2を、S1≦S2≦S3(−0.2242(d12/d22)2+0.1141(d12/d22)+0.617)の関係式を満たすように決定する。上記関係式を満たすことにより、上記S1、上記S2、上記S3、上記d1及び上記d2の各寸法をバランスよく決定し、上記触媒基材を流通する排気ガスの流速分布を均一化することができる。これにより、上記触媒基材における温度分布を均一化し、上記触媒基材の全体を速やかに活性化温度まで昇温することができる。
このように、上記関係式を満たすように上記触媒装置を設計することにより、排気ガスを効率よく浄化させるための適切な設計をすることができる。
図1及び図2に示すごとく、本例の触媒装置1は、排気ガスG1を浄化するための触媒基材2と、触媒基材2を内包する排気管3とを備えている。
触媒基材2は、排気ガスG1を流通させる内側セル孔211が形成された内側基材部21と、内側基材部21の外側に形成されると共に内側セル孔211よりも水力直径の大きい外側セル孔231が形成された外側基材部23とを有している。
触媒装置1は、上流側配管31の流路断面積をS1、内側基材部21の断面積をS2、触媒基材2の断面積をS3、内側セル孔211の水力直径をd1、外側セル孔231の水力直径をd2としたとき、S1≦S2≦S3(−0.2242(d12/d22)2+0.1141(d12/d22)+0.617)の関係を満たしている。
図1に示すごとく、本例の触媒装置1は、自動車のエンジンにおいて発生した排気ガスG1を浄化するために用いられるものである。エンジンの燃焼室から排出された排気ガスG1は、排気流路(図示略)を通じて触媒装置1へと流通する。
排気管3は、触媒基材2を内包する触媒配置管32と、触媒配置管32の上流側に設けられた上流側配管31と、下流側に設けられた下流側配管33とを有している。
触媒配置管32の内径は、上流側配管31及び下流側配管33よりも大きい直径で形成されており、触媒配置管32の内側に触媒基材2を内包している。触媒配置管32と上流側配管31との間には、触媒配置管32に向かうにつれて上流側配管31の直径から触媒配置管32の直径へと徐々に変化する上流側コーン部34が設けられている。また、触媒配置管32と下流側配管33との間には、下流側配管33側に向かうにつれて触媒配置管32の直径から下流側配管33の直径へと徐々に変化する下流側コーン部35が設けられている。
また、下流側配管33は、円筒形状をなしており、下流側コーン部35との接続部位近傍は、その中心軸が、触媒配置管32の中心軸と同軸となる直線形状に形成されている。
外側基材部23は、格子状に形成された複数の外側セル壁232と、外側セル壁232によって区分されると共に軸方向に貫通して形成された複数の外側セル孔231とを有している。このとき、外側セル壁232の厚さはt2に設定してある。また、各外側セル孔231は、四角形の断面形状からなり、その水力直径はd2とする。
このように、関係式を満たすように触媒装置1を設計することにより、排気ガスG1を効率よく浄化させるための適切な設計をすることができる。
本確認試験においては、図3〜図6に示すごとく、実施例1の触媒装置1において、内側セル孔211の水力直径d1、外側セル孔231の水力直径d2、内側基材部21の断面積S2を変化させた場合の流速分布、熱分布及び浄化性能への影響を確認した。
触媒基材2の寸法は、上流側配管31の流路断面積S1を2827mm2とし、触媒基材2の断面積S3を8332mm2とした。また、触媒基材2における内側セル孔211の水力直径d1及び外側セル孔231の水力直径d2については、水力直径d1の二乗と水力直径d2の二乗との比を示す水力直径二乗比(d12/d22)が、0.67、0.82、0.49、0.35、0.24の5つの条件となるように設定した。
実線L1〜実線L5の第1変局点P11〜P51は、いずれも断面積比が0.34となったところにある。断面積比が0.34となるとき、内側基材部21の断面積S2と、上流側配管31の流路断面積S1とがほぼ同一の面積となる。つまり、内側基材部21の断面積S2と、上流側配管31の流路断面積S1とがS1≦S2の関係を有することで流速のばらつきが低減される。
つまり、S1≦S2≦S3(−0.2242(d12/d22)2+0.1141(d12/d22)+0.617)の関係式を満たすよう設計した触媒基材2においては、流通する排気ガスG1の流速分布を均一化することができる。
本確認試験は、確認試験1の触媒装置1における構成を一部変更したものである。
本確認試験においては、触媒基材2の断面積をS3=13070mm2とした。その他の構成は確認試験1の触媒装置1と同様である。
図6は、触媒装置1における排気ガスG1の流速のばらつきと、触媒基材2の断面積S3に対する内側基材部21の断面積S2の断面積比(S2/S3)との関係を示すグラフである。実線L6〜実線L10は、内側セル孔211の水力直径d1及び外側セル孔231の水力直径d2を変化させた触媒基材2に関するものである。尚、実線L6〜実線L10において、水力直径二乗比(d12/d22)は、実線L6が0.82、実線L7が0.67、実線L8が0.49、実線L9が0.35、実線L10が0.24である。
実線L6〜実線L10の第1変局点P61〜P101は、いずれも断面積比が0.22となったところにある。断面積比が0.22となるとき、内側基材部21の断面積S2と、上流側配管31の流路断面積S1とがほぼ同一の面積となる。つまり、内側基材部21の断面積S2を、上流側配管31の流路断面積S1以上とすることで流速のばらつきが低減される。
したがって、本確認試験においては、形状の異なる触媒装置1においても、関係式S1≦S2≦S3(−0.2242(d12/d22)2+0.1141(d12/d22)+0.617)を満たすように設計することで流速の均一化効果を得られる。また、これに伴って、触媒装置1における温度分布の均一化及び浄化性能の向上が可能となる。
2 触媒基材
21 内側基材部
211 内側セル孔
23 外側基材部
231 外側セル孔
3 排気管
31 上流側配管
32 触媒配置管
33 下流側配管
Claims (3)
- 排気ガスを流通させる内側セル孔(211)が形成された内側基材部(21)と、該内側基材部(21)の外側に形成されると共に内側セル孔(211)よりも水力直径の大きい外側セル孔(231)が形成された外側基材部(23)と、該外側基材部(23)と上記内側基材部(21)との間に形成された円筒状の隔壁(22)とを有する触媒基材(2)と、
内燃機関において発生した排気ガスを流通する上流側配管(31)と、該上流側配管(31)と連通すると共に該上流側配管(31)よりも直径が大きく上記触媒基材(2)を内包する触媒配置管(32)と、該触媒配置管(32)の下流側に配設され上記触媒基材(2)によって浄化された浄化排気ガスを流通する下流側配管(33)とを有する排気管(3)とを備えた触媒装置(1)の設計方法であって、
上記上流側配管(31)の流路断面積をS1、上記内側基材部(21)の断面積をS2、上記触媒基材(2)の断面積をS3、上記内側セル孔(211)の水力直径をd1、上記外側セル孔(231)の水力直径をd2としたとき、S1≦S2≦S3(−0.2242(d12/d22)2+0.1141(d12/d22)+0.617)の関係を満たすよう、上記S1、上記S2、上記S3、上記d1及び上記d2を決定することを特徴とする触媒装置(1)の設計方法。 - 排気ガスを流通させる内側セル孔(211)が形成された内側基材部(21)と、該内側基材部(21)の外側に形成されると共に内側セル孔(211)よりも水力直径の大きい外側セル孔(231)が形成された外側基材部(23)と、該外側基材部(23)と上記内側基材部(21)との間に形成された円筒状の隔壁(22)とを有する触媒基材(2)と、
内燃機関において発生した排気ガスを流通する上流側配管(31)と、該上流側配管(31)と連通すると共に該上流側配管(31)よりも直径が大きく上記触媒基材(2)を内包する触媒配置管(32)と、該触媒配置管(32)の下流側に配設され上記触媒基材(2)によって浄化された浄化排気ガスを流通する下流側配管(33)とを有する排気管(3)とを備えており、
上記上流側配管(31)の流路断面積をS1、上記内側基材部(21)の断面積をS2、上記触媒基材(2)の断面積をS3、上記内側セル孔(211)の水力直径をd1、上記外側セル孔(231)の水力直径をd2としたとき、S1≦S2≦S3(−0.2242(d12/d22)2+0.1141(d12/d22)+0.617)の関係を満たすことを特徴とする触媒装置(1)。 - 上記内側基材部(21)の上記内側セル孔(211)を形成する内側セル壁(212)の厚さをt1とし、上記外側基材部(23)の上記外側セル孔(231)を形成する外側セル壁(232)の厚さをt2としたとき、t1≦t2の関係を満たすことを特徴とする請求項2に記載の触媒装置(1)。
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