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JP2017504763A - 触媒コンバータ断熱材の大きさ及び位置決め方法 - Google Patents

触媒コンバータ断熱材の大きさ及び位置決め方法 Download PDF

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JP2017504763A JP2016564358A JP2016564358A JP2017504763A JP 2017504763 A JP2017504763 A JP 2017504763A JP 2016564358 A JP2016564358 A JP 2016564358A JP 2016564358 A JP2016564358 A JP 2016564358A JP 2017504763 A JP2017504763 A JP 2017504763A
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Abstract

基体は、円筒状の吸気管がつながる触媒コンバータ缶に用いられ、内側の触媒ゾーン部分、外側の触媒ゾーン部分及び各部分を熱的に分離する断熱材を有する。前記断熱材は、前記基体を貫通して延び、２つの想定される円筒と前記基体の上流側の面との交わりによって実質的に定められる均一な断面を有し、各前記想定される円筒は、吸気管の直径の１．０８と１．２０の間の呼び径、１〜４ｍｍの肉厚及び、吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点におけるガス方向と一致する軸を有する。前記円筒の一つは、動作出力範囲の下限におけるガス流と関係し、もう一方の前記円筒は、動作出力範囲の上限におけるガス流と関係する。

Description

本発明は、排気ガス処理の分野に関する。
触媒コンバータの基体(substrate)の中の断熱層の介在によって、背圧が減ることが知られており、引用することによってここに一体化される、PCT／CA２０１３／０００６６３の内容を利用すれば、与えられた如何なるアプリケーションに対しても、当業者による所定の実験を通して適切な断熱材が設計されうる。
本発明の一つの態様は、動作出力(power)範囲に上限及び下限を有する燃焼機関のための触媒コンバータ基体の中の断熱層の設計を早めるための方法であり、前記基体は、使用時には、ディフューザコーンがなければ、円筒状の吸気管につながる触媒コンバータ缶の実質的に全体を占めるタイプのものである。その方法は、
１． エンジンが動作出力範囲の下限で稼働する際に、吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点におけるガス方向を決定し、
２． エンジンが動作出力範囲の上限で稼働する際に、吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点におけるガス方向を決定し、
３． ベンチマーク触媒コンバータ基体を定める(define)ステップからなる。
前記ベンチマーク触媒コンバータ基体においては、
・基体の外側の触媒ゾーン部分が基体の内側の触媒ゾーン部分を囲み、
・断熱材が前記内側と外側のゾーンを熱的に分離し、
・前記断熱材は前記基体を貫通して延び、前記基体の全長にわたって一様な断面を有し、
・前記一様な断面は、二つの想定される円筒と前記基体の上流側の面の交わりによって実質的に定められ、
・前記各想定される円筒は、吸気管の直径の１．０８から１．２０の間の呼び内径、０．８から４．０ｍｍの肉厚及び、吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点におけるガス方向と一致する軸を有し、
・前記想定される円筒のうちの一つは、動作出力範囲の下限におけるガス流と関係し、もう一方の想定される円筒は、動作出力範囲の上限におけるガス流と関係する。
本発明の別の態様は、改良された触媒コンバータ基体であり、基体は、動作出力範囲に上限及び下限を有する内燃機関で使用されるタイプのものであり、さらには、円筒状の吸気管に導かれる触媒コンバータで使用されるタイプのものである。
改良点には、前記基体の内側の触媒ゾーン部分と、前記内側の触媒ゾーンを囲む前記基体の外側の触媒ゾーン部分と、前記２つのゾーンを熱的に分離する断熱材が含まれる。
前記断熱材は、前記基体を貫通して延び、前記基体の全長にわたって一様な断面を有する。前記一様な断面は、二つの想定される円筒と前記基体の上流側の面との交わりによって実質的に定められ、各前記想定される円筒は、吸気管の直径の１．０８から１．２０の間の呼び内径と、０．８から４．０ｍｍの肉厚及び、吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点におけるガス方向と一致する軸を有する。前記想定される円筒のうち一つは、動作出力範囲の下限におけるガス流と関係し、もう一方の前記想定される円筒は、動作出力範囲の上限におけるガス流と関係する。
本発明の効果、機能及び特徴は、以下の詳細な説明及び添付図面を検討することにより、当業者に明らかとなるであろう。後者は下文に簡潔に記載されている。
軸対称触媒コンバータの概略図を示す。 角度付き吸気口を有する触媒コンバータの概略図を示す。 湾曲した吸気口を有する触媒コンバータの概略図を示す。 動作出力範囲の下限及び動作出力範囲の上限における吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点を示す図１に似た図である。 動作出力範囲の下限及び動作出力範囲の上限における吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点を示す図２に似た図である。 動作出力範囲の下限及び動作出力範囲の上限における吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点を示す図３に似た図である。 図１に似た触媒コンバータの概略図である。 図７の７A−７A断面に沿った図である。 図２に似た触媒コンバータの概略図である。 図８の８A−８A断面に沿った図である。 図３に似た触媒コンバータの概略図である。 図９の９A−９A断面に沿った図である。 図３に似た触媒コンバータの概略図である。 図１０の１０A−１０A断面に沿った図である。 吸気口の背圧を、図７に示されたタイプの種々の触媒コンバータの断熱材の位置の関数として示す。
図１乃至３を参照して、本発明が有用に展開されるために用いられる典型的な触媒コンバータシステムを示す。
・図１は、軸対称触媒コンバータシステム２２Ａの概略図を示す。
・図２は、角度付き吸気口を有する触媒コンバータシステム２２Ｂの概略図を示す。
・図３は、湾曲した吸気口を有する触媒コンバータシステム２２Ｃの概略図を示す。
各システム２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃは、円筒状のハウジング２６、一対のディフューザコーン２８及び、缶２４を実質的に完全に占有しているハニカムセラミック基体３０を具える缶(can)２４を含む。システム２２Ａの缶２４は、缶２４の軸と一致する円筒状の吸気管３２Ａによって吸気され、システム２２Ｂにおいては、吸気管３２Ｂは円筒状ではあるが、缶の軸に対して角度αで配設され、システム２２Ｃでは、吸気管３２Ｃは湾曲している。
コンバータとともに使用される与えられた任意のエンジンについて、本方法の最初のステップは、
・エンジンが、関心のある動作出力範囲の下限にあるとき及び
・エンジンが、関心のある動作出力範囲の上限にあるときの、最大ガス速度地点におけるガス方向を決定することに関係する。
動作出力範囲は、アプリケーションによって異なり、時には、その範囲は単一の値によって定められうる。例えば、貨物輸送トラックは動作時間の大半が道路を走行する出力レベル（最大の２０〜３０％）で操作される一方で、発電機のような定置型エンジンは、単一の出力設定でよく用いられ、通常は設計出力の６０〜８０％で用いられる。一般的な乗用車の場合、使用される動作範囲は、標準的な動作出力範囲、すなわち、エンジンの最大出力の３０〜８０％の間で定められうる。ガス方向の決定は、計測によってなされてもよいが、通常は、計測装置の介在自体が流れを乱すので、数値流体力学（CFD＝computational fluid dynamics）モデリングによってされるであろう。
図３に示された触媒コンバータの場合、最大ガス速度Ｖmax1とVmax2の間には実質的な違いがある。ガス速度が遅いと、ガス分子がさらされる遠心力は、湾曲した管の中では小さく、排気ガス分布の最大値Vmax１は、管の中心に近い。ガス速度が速いと、遠心力は大きく、排気ガス分布の最大値Vmax２は、図６に示されるように、管壁に近い。
CFDシミュレーションは、直径が５８ｍｍの湾曲した吸気管では、低速流位置と高速流位置の違いが１１ｍｍであることを示す。
類似のシミュレーションを図１及び２の触媒コンバータに行ってもよく、いくつかの例外的な状況においてと同様、いくつかの相違が生じてもよいが、しかし、名目上は、最大ガス速度地点は、流れが速くても遅くても、図４及び５に示されるように、いずれの場合も、単純に吸気管の中心線と一直線になり、そこでは、Vmax１とVmax２は同じベクトルによって示される。
手持ちの情報に基づいて、ベンチマークが設計される。ベンチマークにおいては、
・基体の外側の管状の触媒ゾーン部分が、前記基体の内側の触媒ゾーン部分を覆い、
・断熱材が、前記内側の触媒ゾーンと前記外側の触媒ゾーンを熱的に分離し、
・前記断熱材は、前記基体を貫通して延び、前記基体の全長にわたって一様な断面を有する。
・前記一様な断面は、二つの想定される円筒と前記基体の上流側の面の交わりによって実質的に定められ、
・各前記想定される円筒は、吸気管の直径の１．０８から１．２０の間の呼び(nominal)内径、０．８から４．０ｍｍの肉厚及び、吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点におけるガス方向と一致する軸を有し、
・前記想定される円筒の1つのC１は、動作出力範囲の下限におけるガス流と関係し、もう一方の前記想定される円筒C2は、動作出力範囲の上限におけるガス流と関係する。
図４〜６の典型的なシステムのベンチマークが、図７〜９に示されており、各ベンチマークにおいて、外側ゾーンは、Z0によって示されており、内側ゾーンは、Z1によって示されており、断熱層は、Iによって示されている。
図１のコンバータにおいて、想定される円筒C1とC2は、図７Aに示されるように、同じ場所にあり、円筒状の断熱材を画定し、図２のコンバータでは、想定される円筒C1とC2は、図８Aに示されるように、同じ場所にあり、楕円を画定し、図６のコンバータでは、想定される円筒は、図９Aに示されるように、重なってはいるが同じ場所にはなく、断熱材が、両方の一部が重なる卵形線C1C2によって画定されることが明らかであろう。
図９を変化させたものが、図１０に示されており、吸気管が湾曲して、ハウジングの側壁に隣合って入っている。この配置は、想定される円筒C１とC２によって画定される卵形線C1+C２の一部を、ハウジング２６の外側に突き出させ、ハウジング２６の内側には弧だけが位置する。流れの面積のこの概念上の損失を調整するために、弧と缶の側壁の間で取り囲まれた面積が元の卵形線の面積と等しくなるまで、図１０の矢印Aに示されるように、弧の端点がお互いから引き離される。仮に、投影線(projection)が缶の外側に位置する場合、同様な調整が、図８に示されるタイプのコンバータにも適用される。
理論に束縛されるものではないが、当業者に求められる日常の実験を減らすため、ベンチマークが、断熱触媒コンバータ基体の設計を促進させるであろうと信じられる。
この結果をサポートする実験が行われた。例として、図１１A乃至１１Dは、吸気口の背圧を図７に示されるタイプの種々の触媒コンバータの断熱材の位置の関数として示す。図１１Aは、半径２６ｍｍの吸気管の結果を示す。１１Bは、半径２９ｍｍの吸気管の結果を示す。図１１Cは、半径３２ｍｍの吸気管の結果を示す。図１１Dは、半径３５ｍｍの吸気管の結果を示す。排気ガスの温度及び触媒コンバータを通る排気ガスの流速を含む他の全てのシミュレーションパラメータは等しい。
最適な断熱材の位置は、触媒コンバータ缶からおおよそ３０ｃｍの吸気管の中における最少の面積平均(area averaged)背圧ををもたらすものとして定義付けされた。いずれの場合においても、最適な断熱材の直径は、吸気管の１．０８〜１．２０の範囲内に収まる。
１つの方法の特定の実施例が示され、触媒コンバータ基体の種々の個別の実施例が示されたが、バリエーションが可能なのは明らかであろう。
例えば、実施例が円筒状の吸気管の有用性を意図するのに対して、方法論によれば、完全な円筒状から少しはずれた管も有用とするであろうから、発明の詳細な説明及び特許請求の範囲の「円筒」とは、断面が全体として円筒を示すどのような管でもよいと解されるべきである。
さらに、「内側」と「外側」といった用語が、明細書及び特許請求の範囲で使われているが、図１０によって考えられるバリエーションにおいては、「外側」ゾーンは、断熱材Iの上に位置するとして示された部分であり、「内側」ゾーンは、断熱材Iの下に位置するとして示された部分であるということが理解され、「内側」と「外側」は、吸気管の軸への近さに関係している。
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 (2)

  1. 動作出力範囲に上限及び下限を有する燃焼機関、及び使用時に、ディフューザコーンがなければ、エンジンから円筒状の吸気管につながる触媒コンバータ缶の実質的に全体を占める基体とともに用いるための方法であって、
    エンジンが動作範囲の下限で稼働する際に、吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点におけるガス方向を決定するステップと、
    エンジンが動作範囲の上限で稼働する際に、吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点におけるガス方向を決定するステップと、
    前記基体の外側触媒ゾーン部分が前記基体の内側触媒ゾーンを定める部分を囲い、断熱材が熱的に前記ゾーンを分離し、前記断熱材が、前記基体を貫通して延び、前記基体の全長にわたって一様な断面を有し、前記一様な断面が２つの想定される円筒と前記基体の上流側の面との交わりによって実質的に定められるベンチマーク触媒コンバータ基体を定めるステップとからなり、
    前記ベンチマークにおいて各前記想定される円筒が、吸気管の直径の１．０８と１．２０の間の呼び径、１〜４ｍｍの肉厚、吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点におけるガス方向と一致する軸を有し、
    前記ベンチマークにおいて前記円筒の一つが、動作出力範囲の下限におけるガス流と関係し、もう一方の前記円筒が、動作出力範囲の上限におけるガス流と関係する、
    方法。
  2. 動作出力範囲に上限及び下限を有する燃焼機関とともに使用されるタイプの基体であり、さらに、円筒状の吸気管につながる触媒コンバータ缶の中で使用されるタイプの基体である、改良された触媒コンバータ基体であって、前記改良点が、
    前記基体の内側触媒ゾーン部分と、
    前記内側触媒ゾーンを囲む前記基体の外側触媒ゾーン部分と、
    前記内側及び外側ゾーンを熱的に分離する断熱材とからなり、
    前記断熱材において、前記断熱材が、前記基体を貫通して延び、前記基体の全長にわたって一様な断面を有し
    前記断熱材において、前記一様な断面は２つの想定される円筒と基体の上流側の面との交わりによって実質的に定められ、各前記想定される円筒は、吸気管の直径の１．０８と１．２０の間の呼び径、１〜４ｍｍの肉厚、吸気管と缶の交差部での最大ガス速度地点におけるガス方向と一致する軸を有し、
    前記断熱材において、前記円筒の一つが、動作出力範囲の下限におけるガス流と関係し、もう一方の前記円筒が、動作出力範囲の上限におけるガス流と関係する、
    改良された触媒コンバータ基体。
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