三效催化器的流動分布優(yōu)化與冷起動過程研究.pdf

1、三效催化轉(zhuǎn)換器是安裝于汽車尾氣后處理系統(tǒng)中的機(jī)外凈化裝置。它可將尾氣中的CO、HC和NO通過加載在載體通道表面的貴金屬催化劑的催化作用下，氧化和或還原成無害的CO2，H2O和N2。三元催化器是降低尾氣有害排放的最有效手段之一。隨著城市汽車保有量的增加，排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，相應(yīng)地對三效催化器的性能要求也隨之提高。然而三效催化器在實際運(yùn)行過程中存在兩個突出的問題，流過三效催化器的尾氣流速分布不均，降低了三效催化器的容積使用效率與催化轉(zhuǎn)化效率

2、；三效催化器在發(fā)動機(jī)冷起動階段的前二百秒所排放的有害氣體量占總量的60～70﹪。本文通過數(shù)值模擬和實驗研究了三效催化器的流速分布及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化、冷起動過程機(jī)理、和三效催化器的一些主要參數(shù)對催化器性能的影響；并研究了涂層形狀及其對催化性能的影響。 本文在分析了三效催化器運(yùn)行時所遇到的流動、傳熱傳質(zhì)和異相催化現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了適用于軸對稱三效催化器數(shù)值模擬的集成數(shù)理模型。通過數(shù)值模擬，首次研究了流動分布對催化器性能的影響。研究結(jié)果

3、表明，速度分布越不均勻，即均勻度指數(shù)越小，CO、HC和NO的催化轉(zhuǎn)化效率越低；催化劑冷起動的時間越長，冷起動期間的排放量越大。載體內(nèi)流速分布不均，還影響催化器的溫度分布及演變。數(shù)值模擬結(jié)果表明，流速分布越不均勻，軸向和徑向的溫度梯度越大，承受的溫度應(yīng)力越大，會降低催化器的使用壽命。因此需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 針對三效催化器載體內(nèi)流動分布的不均勻性，本文提出了兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：載體孔徑從載體中心區(qū)到周邊區(qū)域逐漸增大與在催化器的圓錐擴(kuò)

4、張段加裝蜂窩球弧。本文的研究表明，從軸心線沿徑向方向逐漸降低通道直徑比通道直徑固定不變的載體的速度均勻度有很大提高，而且流過催化器的壓降也與其平均直徑相等的載體幾乎一樣；試驗研究表明，加裝蜂窩球弧后，載體內(nèi)流速分布的均勻性大幅提高，而且?guī)缀醪浑S流量或雷諾數(shù)的變化而變化。需要注意的是，在設(shè)計蜂窩球弧時，蜂窩球弧的流通面積必須大于進(jìn)口尾管的橫截面積，才能使流過催化器系統(tǒng)的阻力不致過大，球弧厚度也必須大于蜂窩球弧的小孔直徑，才能保證流過蜂窩球

5、弧的尾氣流動方向垂直于球弧表面。 對典型的冷起動過程的模擬研究結(jié)果表明，入口溫度斜率對載體溫度分布和演變有較大的影響。入口溫度上升速率越大，在尚未發(fā)生催化反應(yīng)之前，載體溫度沿軸向的下降速度越大，沿徑向的下降速度也越大。催化反應(yīng)發(fā)生前后的溫度變化劇烈。由于催化反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，該熱量被尾氣部分帶向下游。因此在整個冷起動過程中，載體溫度沿軸向方向由反應(yīng)發(fā)生前的逐漸降低，到反應(yīng)起動過程中的沿軸向逐漸增加到一個最高溫度后，沿軸向又逐

6、漸降低，最后到反應(yīng)趨向穩(wěn)定時，載體溫度沿軸向逐漸升高到接近后端面，冷起動過程中承受的溫度應(yīng)力是很大的。CO、HC和NO的起動時間是不一樣的，NO起動得最早，HC起動得最遲，整個冷起動過程至少需要180s的時間才能穩(wěn)定下來。同時本文研究了流量脈動、催化器位置、尾管類型、尾管材料及環(huán)境溫度對催化器入口溫度、尾氣排放的影響。研究表明流量脈動對催化器轉(zhuǎn)換效率的脈動有很大影響，催化器位置前移及采用雙層管壁的尾氣管道都可大幅降低排放，但考慮到催化器

7、位置的前移會產(chǎn)生額外的問題，擬優(yōu)先考慮采用雙層管壁。環(huán)境溫度對排放也有較大的影響。從排放的角度，在設(shè)計催化器時應(yīng)保證催化器可能運(yùn)行的最低溫度時的排放要求。 本文對載體壁厚、開孔密度、空間速度和空燃比對催化器性能的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，載體壁厚對冷起動性能的影響較大。在其它參數(shù)保持不變的情況下，壁厚薄的載體由于其熱容量較小，在冷起動過程中的載體溫度的上升速度較快，因此可以大幅度地縮短冷起動時間，提高冷起動性能。但當(dāng)趨于穩(wěn)態(tài)時

8、，對溫度分布沒有影響，也不提高載體溫度，因此對催化器的穩(wěn)態(tài)性能，即催化轉(zhuǎn)換效率沒有影響。載體的開孔密度會影響催化器穩(wěn)態(tài)時的催化性能。載體開孔密度的增加對催化器的冷起動性能幾乎沒有影響，但提高載體的開孔密度增加了催化器的幾何表面積(GSA)，因此提高了催化器穩(wěn)態(tài)時的催化轉(zhuǎn)換效率。提高空間速度，降低了尾氣在催化器內(nèi)的停留時間，會大大降低尾氣在催化器上的催化轉(zhuǎn)換效率。 最后，本文利用流體靜力學(xué)薄膜理論，研究載體正方形通道在多種加載量

9、下的涂層形狀，以及涂層形狀對催化器性能的影響。研究表明采用該理論的模擬結(jié)果與電子顯微鏡下的圖像符合很好；與理想的均勻涂層相比，涂層在通道壁面上的實際非均勻涂敷大大降低了催化劑被利用的程度。 從三效催化器的數(shù)值模擬中可看到，催化器內(nèi)的尾氣速度、載體和尾氣的溫度以及催化效率等參數(shù)都沿徑向是變化的；尾氣的入口溫度、空間速度和載體的特性參數(shù)，如載體的壁厚、開孔密度和長度等都對催化器的性能產(chǎn)生重要影響，這些參數(shù)又會相互影響，在設(shè)計催化器