多孔質フィルター内の排気ガスの流れと微粒子の吸着・燃焼過程の解析

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ディーゼルエンジンは高い熱効率を持っているが、NOx、CO、HCとすすなどの粒子状物質(PMと略される)が有害成分として、ガソリンエンジンよりも多く排出されるという問題がある。PMはフィルター(ディーゼルパーティキュレートフィルター、DPF)を用いることで吸着・除去することが可能であるが、その大きさが数ミクロンからサブミクロンオーダにわたるため、効率的にPMを捕集することは容易ではない。また吸着した粒子を焼却するフィルターの再生過程が必要であるが、その最適化はできていない。現状では、多孔質のセラミックでできたDPF内のガス流動・反応を直接解析する方法がなく、主に試作したDPFに排気ガスを通してその特性を収集することで製品の開発が行われてきた。しかし試作品を作って試行錯誤により現象を分析し、製品の設計を行うことは効率的ではない。DPF内の排気ガスの流れと微粒子の吸着・燃焼過程が模擬できれば、より詳細な現象の理解ができ、また効率のよいフィルター開発も可能となる。本研究では、これまで数値的に解析が不可能であったDPF内の流れと燃焼反応を模擬する方法を提案する。解析手法には格子ボルツマン法を用いた。この方法は従来の解析方法とは異なり、現象をよりミクロな視点からモデル化している。そのため境界条件の設定が容易であり、複雑な境界面を持つ多孔質フィルター内の流れを解析するのに適している。本研究では、(1)さまざまな大きさの障害物を配置した流路内流れ(多孔質壁の簡略化したモデル)、(2)3次元CTにより実際の多孔体構造を考慮した内部流れ、(3)二相流の分離を利用した計算により再現した仮想の多孔体内流れ、の3ケースにおいて、複雑流路内の流れ解析を行った。これにより、得られた結果は理論と非常に近い関係となった。また壁面に吸着したすすの燃焼計算を行うことで、フィルターの再生過程が模擬できた。