JP-2026077140-A - 排気浄化装置

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Abstract

【課題】境膜による影響を低減して浄化効率を向上させることのできる排気浄化装置を提供する。【解決手段】燃焼によって生じた排気を触媒に接触させることにより、排気中の物質を酸化もしくは還元する排気浄化装置であって、触媒が少なくとも内面に設けられた、排気が流通するガス流路１１を有し、ガス流路１１は、排気Ｇが流れる流線方向に沿って連続する内壁面を有し、内壁面の流線方向での長さである流路長さが、下記の式で決まる長さＬｅを上限とした所定の長さである。Ｌｅ＝｛ｄH／９．２８×√（ρ・ｕ／μ）｝２ｄH：水力直径（ｍ）、ρ：ガス密度（ｋｇ／ｍ３）、ｕ：ガス流速（ｍ／ｓ）、μ：ガス粘度（Ｐaｓ）。【選択図】図８

Inventors

佐々木浩允
植田啓仁
羽原輝晃

Assignees

トヨタ自動車株式会社

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20241025

Claims (8)

燃焼によって生じた排気を触媒に接触させることにより、前記排気中の物質を酸化もしくは還元する排気浄化装置であって、前記触媒が少なくとも内面に設けられた、前記排気が流通するガス流路を有し、前記ガス流路は、前記排気が流れる流線方向に沿って連続する内壁面を有し、前記内壁面の前記流線方向での長さである流路長さが、下記の式で決まる長さＬｅを上限とした所定の長さであることを特徴とする排気浄化装置。Ｌｅ＝｛ｄH／９．２８×√（ρ・ｕ／μ）｝２ｄH：水力直径（ｍ）、ρ：ガス密度（ｋｇ／ｍ３）、ｕ：ガス流速（ｍ／ｓ）、μ：ガス粘度（Ｐaｓ）。
請求項１に記載の排気浄化装置であって、前記流路長さの下限が、下記の式で決まる長さＬ1であることを特徴とする排気浄化装置。Ｌ1＝ｄH／λ×{（１／Ｃc）－１} ２Ｃc＝０．５８２＋０．０４１８／（１．１－Ｄ２／Ｄ１）ｄH：水力直径（ｍ）、λ：管摩擦係数、Ｃc：収縮係数、Ｄ１：収縮前の管径（ｍ）、Ｄ２：収縮後の管径（ｍ）。
請求項１または２に記載の排気浄化装置であって、前記ガス流路は、前記流線方向に垂直な平面上での全周の少なくとも一部に、前記流線方向に連続した開口部を有していることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１または２に記載の排気浄化装置であって、前記ガス流路が互いに平行でかつ隣接するとともに厚さ方向に貫通して設けられた平板状の触媒体が、前記ガス流路の方向に複数積層され、所定の前記触媒体における前記ガス流路と、前記所定の触媒体に隣接する他の触媒体における前記ガス流路とが、前記流線方向に対して直交する方向にずれていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１または２に記載の排気浄化装置であって、多数の前記ガス流路が網目状に形成されたメッシュ体が、前記ガス流路の方向に複数積層され、所定の前記メッシュ体における前記ガス流路と、前記所定のメッシュ体に隣接する他のメッシュ体における前記ガス流路とが、前記流線方向に対して直交する方向にずれていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１または２に記載の排気浄化装置であって、積層された複数の波板材を有し、前記波板材同士の間に、前記排気が流れる空隙部が多数形成され、前記空隙部を横切る方向に切欠き部が設けられ、前記空隙部のうち前記切欠き部同士の間の部分が前記ガス流路を形成していることを特徴とする排気浄化装置。
請求項６に記載の排気浄化装置であって、前記波板材同士の間に、平坦な仕切り板が、更に設けられていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１または２に記載の排気浄化装置であって、凹部と凸部とが隣接して交互に形成されている波板材と、貫通孔が一定間隔で多数形成された仕切り板とが、交互に積層され、前記貫通孔同士の間の部分で前記流線方向に沿う部分が、前記式で決まる長さＬｅを上限とした長さ以下に設定された流路壁部を構成し、前記ガス流路は、前記凹部もしくは凸部と前記流路壁部とによって区画して形成されていることを特徴とする排気浄化装置。

Description

この発明は、燃焼によって生じた排気から汚染物質を除去して排気を浄化する装置に関し、特に触媒を用いて汚染物質を酸化もしくは還元することにより排気を浄化する装置に関する。触媒を使用して排気を浄化する場合、触媒が高価であるなどのことによって、浄化効率を可及的に向上させることが望まれる。触媒に対する排気の接触もしくは触媒に向けた拡散を促進することにより浄化効率が向上する。一方、排気が流れる流路の表面では、層流状態が保たれる領域である境膜（boundary film）が生じることが知られている。境膜は、触媒に対する排気あるいは汚染物質の拡散を阻害もしくは抑制するように作用するので、浄化効率を向上させるためには、境膜拡散抵抗を低減することが望ましい。特許文献１には、境膜拡散抵抗が小さくなるように構成したハニカム触媒が開示されている。特許文献１に記載されたハニカム触媒体は、複数の平行なガス流路を有している。また、ハニカム触媒体には、そのガス流路を横切るように、相互の間隔が３００ｍｍ以下の多数の切り込み部が設けられている。特開平１１－２９０６９９号公報図１は、排気浄化装置の一例を模式的に示す一部破断した斜視図である。図２は、その触媒体の積層状態を示す模式図である。図３は、基材であるメッシュ材の一部を示す斜視図である。図４は、メッシュ材を製造する上型と下型との一部を示す斜視図である。図５は、図３のV-V線に沿う断面図である。図６は、触媒を表面に付着させてある基材の一部を示す拡大断面図である。図７は、排気が流れる方向に並んでいるガス流路が互いにずれて位置していることを示す模式的な部分正面図である。図８は、助走距離を示すためのガス流路をモデル化したモデル図である。図９は、急縮区間を示すためのガス流路をモデル化したモデル図である。図１０は、接触性と圧力損失（圧損）との比率と、流路長さとの関係を測定した結果を示す線図である。図１１は、開口部を設けたガス流路をモデル化して示すモデル図である。図１２は、波板材を積層した状態を示す部分的な斜視図である。図１３は、積層した波板材を断面円形に丸めてケーシングに充填した状態を示す正面断面図である。図１４は、波板材と仕切り板とを積層した状態を示す部分的な斜視図である。図１５は、貫通孔を形成した仕切り板を波板材に重ねた状態を示す部分的な平面図である。つぎに、この発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態はこの発明を実施する場合の一例に過ぎないのであって、この発明を限定するものではない。この発明の実施形態における排気浄化装置は、燃焼に伴って生じる各種の排気を対象とする装置として使用でき、その一例は、車両のエンジンから生じる排気を浄化する装置である。排気の浄化は、排気に含まれる一酸化炭素や炭化水素あるいは窒素酸化物を、触媒を用いて酸化もしくは還元することにより無害化することである。したがって、排気浄化装置は、触媒を備えている。図１に排気浄化装置１の一例を模式的に示してある。ケーシング２の内部に触媒体３が収容されている。ケーシング２は、円形や楕円形もしくは矩形などの適宜の断面形状の筒状体であり、軸線方向の一方の端部側に流入口４が設けられ、他方の端部側に流出口５が設けられている。流入口４から導き入れた排気Ｇが触媒体３を通過することにより、排気Ｇに含まれる一酸化炭素などの汚染物質が酸化もしくは還元されて無害化される。触媒体３は、排気Ｇを通過させる多数の通路を有している。その触媒体３は、その一例を図２に示すように、薄い平板状をなし、多数枚が積層されてケーシング２の内部に収容されている。なお、触媒体３同士は密着していてもよく、あるいは触媒体３同士の間に所定の隙間が空いていてもよい。触媒体３は、排気Ｇが通過する多数の流路すなわちガス流路６が設けられている。ガス流路６は、触媒体３をその厚さ方向に貫通した貫通孔であればよく、その数および触媒体３の表面の面積に対する面積の比率は可及的に大きいことが好ましい。したがって、触媒体３は例えばメッシュ材を基材として構成されている。メッシュ材からなる基材７の一部を図３に示してある。ここに示す例は、金属板を一定間隔で剪断し、その剪断を施した部分を金属板の厚さ方向に引き延ばした例であり、剪断箇所の間の部分すなわち剪断を施していない部分がいわゆる繋ぎ部３ａとなり、かつ剪断されている部分が上下に開き、その結果、矩形もしくは菱形の開口部を多数、上下左右に並べた構成になっている。このメッシュ状の基材７は、従来知られている装置ならびに方法で加工することができる。例えば、図４に示す上型８と下型９とによって金属板１０に剪断加工を施す。上型８および下型９とは、交互に並べた山部８ａ，９ａと谷部８ｂ，９ｂとを有したほぼ同一形状の剪断型であり、上型８は下型９に対して下向きに配置し、かつ下型９の谷部９ｂと上型８の山部８ａとが、金属板１０の送り方向にずれて対向するように配置する。これら上型８および下型９の間に金属板１０を挿入した状態で、例えば上型８を下降させると、上型８および下型９における斜辺の部分で金属板１０が剪断され、かつ下型９における山部９ａの頂部では、上型８の谷部８ｂの底面との間に金属板１０が挿入されている状態になるのみで、剪断が生じない。すなわち、この部分が繋ぎ部３ａとなる。繋ぎ部３ａに直交する平面で切断した場合の断面形状を図５に示してある。繋ぎ部３ａ同士の間の斜め部３ｂの幅Ｌｅが、１回の剪断加工毎の金属板１０の送り量である。この斜め部３ｂならびに繋ぎ部３ａの表裏両側の内壁面をその面方向（図５では左右方向）に沿って排気Ｇが流れる。したがって斜め部３ｂや繋ぎ部３ａによってガス流路１１が区画されて形成されている。すなわち、ガス流路１１は基材７の網目状の部分であって、基材７もしくは触媒体３をその厚さ方向に貫通している。また、１回の剪断加工毎の金属板１０の送り量が、斜め部３ｂならびに繋ぎ部３ａの表裏両側の内壁面によって区画されて形成されるガス流路１１の流路長さＬｅになっている。なお、図５で符号「ｔ」は金属板１０の板厚を示す。ガス流路１１の表面すなわち基材７の表面に触媒１２が付着している。その状態を図６に模式的に示してある。触媒１２は、車両用の排気浄化装置１においては、白金ＰｔやロジュウムＲｈなどの公知の触媒物質を含む。なお、図５には触媒体３をケーシング２の中心軸線もしくは排気Ｇの流線方向に対して垂直に立てて配置した状態を示しているが、メッシュ状の基材７は図５から知られるように、剪断加工時の金属板１０の送り方向にずれた形状になる。したがって、触媒体３は、ケーシング２の内部に斜めに並べて積層した状態に配置することとしてもよい。この場合、流路長さＬｅは、剪断加工時における金属板１０の送り量より僅かに長くなる。また、各触媒体３は、それぞれのガス流路１１が一直線上に繋がらずに、ずれていることが好ましい。図７にその一例を示してある。実線で示す所定の触媒体３Ａとこれに隣接する他の触媒体３Ｂとは、それぞれのガス流路１１が、触媒体３Ａ，３Ｂの半径方向に、あるいは排気Ｇの流線方向に対して垂直な方向にずれるように配置されている。言い換えれば、ガス流路１１の入り口もしくは出口に、隣接する触媒体３を構成しているメッシュ体における繋ぎ部３ａが位置している。したがって、所定のガス流路１１から流れ出る排気Ｇの流れは、そのガス流路１１に続く次のガス流路１１の入り口部分で乱される。この発明の実施形態におけるガス流路１１の長さ（流路長さ）Ｌｅは、境膜による拡散抵抗を考慮して以下に述べる長さに設定されている。図８は、矩形断面のガス流路Ｃｍの内部での排気Ｇの流れを説明するためのモデル図である。排気Ｇがガス流路Ｃｍに流れ込むと、排気Ｇは流動する領域がガス流路Ｃｍに制限されるために、排気Ｇの流動状態が変化する。すなわち、排気Ｇの流動する領域がガス流路Ｃｍに絞られる。そのため、ガス流路Ｃｍの入り口付近では、排気Ｇの流動状態の変化による乱流が生じる。その乱流状態は、排気Ｇがガス流路Ｃｍの内部を流れていくうちに次第に収まり、層流状態になる。ガス流路Ｃｍの入り口すなわち始端部から層流状態が始まる箇所までの間の部分がいわゆる急縮区間Ｌ１であり、この急縮区間Ｌ１では、排気Ｇがガス流路Ｃｍの内面を形成している触媒に対して繰り返し接触し、また離隔する。すなわち、触媒に対する排気Ｇの拡散が積極的に生じる。急縮区間Ｌ１を過ぎると排気Ｇの流れが安定してくるので、層流状態になり、境膜Ｆｂが次第に成長する。境膜Ｆｂの厚さδが次第に増大し、ついにはガス流路Ｃｍの内部が境膜Ｆｂによって満たされる。境膜Ｆｂが生じ始めてからガス流路Ｃｍの内部を境膜Ｆｂが満たす箇所までの部分がいわゆる境膜成長区間Ｌ２であり、この境膜成長区間Ｌ２を過ぎた後では、ガス流路Ｃｍの内面を形成している触媒１２に対する排気Ｇもしくは汚染物質の拡散が殆ど生じなくなり、あるいは低調になり、排気Ｇの浄化が進行しにくくなる。境膜Ｆｂの厚さδは、式（１）によって推定することができる。ここで、ρはガス密度（ｋｇ／ｍ３）、ｕはガス流速（ｍ／ｓ）、μはガス粘度（Ｐaｓ）、Ｌはガスが流れる流路の長さである。境膜Ｆｂがガス流路Ｃｍの内部を満たす状態は、境膜Ｆｂの厚さδがガス流路Ｃｍの水力直径ｄHの半分（ｄH／２）になった状態であるから、式（１）における厚さδを（ｄH／２）と置く。また、上記の急縮区間Ｌ１と境膜成長区間Ｌ２とを合算した距離を助走距離Ｌ０とすると、式（１）は式（２）のように書き換えられる。式（２）で水力直径ｄHは、触媒体３におけるガス流路１１の形状に基づいて幾何学的に求めることができる。例えば、流路断面積Ａｃと流路の全周の長さすなわち周長ＬｒとからｄH＝４×Ａｃ×Ｌｒとして算出できる。したがって、ガス密度ρならびにガス流速ｕおよびガス粘度μを計測しておくことにより、助走距離Ｌ０を算出することができる。ガス流路１１の内部が境膜Ｆｂによって満たされた状態では、触媒１２による排気Ｇの浄化率の向上を期待できないので、この発明の実施形態では、式（２）で算出される助走距離Ｌ０を流路長さＬｅの上限値とする。ガス流路１１の入り口側では上述した急縮区間Ｌ１が生じる。この部分では、排気Ｇの拡散が促進されるが、その反面、圧力損失が生じやすい。助走距離Ｌ０として求められる流路長さＬｅは、急縮区間Ｌ１を含む長さであるから、圧力損失と排気Ｇの拡散性もしくは排気Ｇのガス流路１１の内面に対する接触性とを考慮した流路長さＬｅとすることが好ましい。急縮区間Ｌ１の長さは、一般的に、式（３）で表すことができる。ここで、λはガス流路を構成している管の摩擦係数（＝６４／Ｒｅ、Ｒｅはレイノルズ数）、Ｃｃは収縮係数である。収縮係数Ｃｃは、収縮前の管径をＤ１、収縮後の管径をＤ２とすると、式（４）で求められる。なお、急縮区間Ｌ１および収縮前の管径Ｄ１ならびに収縮後の管径Ｄ２を図９にモデル図で示してある。この発明の実施形態における流路長さＬｅは、急縮区間Ｌ１を含む長さであり、その急縮区間Ｌ１は、ガス流路１１の構造や排気Ｇの組成などの特性によって決まる。そのため、流路長さＬｅを上記の助走距離Ｌ０以下の範囲で短くすると、境膜成長区間Ｌ２が短くなる。すなわち、排気Ｇの触媒１２に対する接触性が低下する。ここで、「接触性」とは、排気Ｇに含まれる汚染物質が触媒１２の表面に対して単位時間あたりに接触する回数（頻度）である。圧力損失の低減と接触性の向上とを両立させて浄化効率を最大にする流路長さＬｅは、急縮区間Ｌ１から助走距離Ｌ０の上限までの範囲に存在する。図１０は、接触性と圧力損失（圧損）との比率と、