三效催化轉(zhuǎn)化器長(zhǎng)壽低排放機(jī)理及性能優(yōu)化研究.pdf

1、汽車排放的尾氣已成為我國(guó)城市的主要污染源。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，通過(guò)負(fù)載在其載體孔道表面的貴金屬催化劑的催化作用，將尾氣中的CO、HC和Nox氧化和還原成無(wú)害的CO2、H2O和N2。本文主要研究解決與催化轉(zhuǎn)化器有關(guān)的以下幾個(gè)問(wèn)題：
　　 （1）由于在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段所排放的CO和HC占固定時(shí)間段內(nèi)排放總量的60～80％，因此研究三效催化轉(zhuǎn)化器在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段的排放特性，進(jìn)而改進(jìn)其冷起動(dòng)階段的

2、性能顯得極為重要。
　　 （2）由于催化劑的活性成分與物理性能等隨著時(shí)間也會(huì)“老化”，出現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率下降、尾氣超標(biāo)、排氣背壓增高、動(dòng)力性下降以及油耗增加等一系列問(wèn)題，因此研究催化轉(zhuǎn)化器失活機(jī)理、改善催化劑抗失活能力并延長(zhǎng)催化劑壽命是現(xiàn)今研究重點(diǎn)之一。
　　 （3）三效催化轉(zhuǎn)化器成本費(fèi)用昂貴，其催化劑大都含有Pt、Pd與Rh等貴金屬或稀土元素。因此，現(xiàn)在的研究重點(diǎn)是在滿足性能要求的同時(shí)，在載體上采用多種分布方式降低催化劑的用

3、量，從而降低制造成本并最大限度地提高催化劑的性價(jià)比。
　　 針對(duì)上述問(wèn)題，本文進(jìn)行的主要的研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下所示：
　　 （1）建立了包含質(zhì)量傳遞、熱量傳遞，以及具有詳細(xì)基元反應(yīng)的三效催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)器模型。采用PSR（Perfectly Stirred Reactor）反應(yīng)器模型描述了三效催化轉(zhuǎn)化器及其發(fā)生在其中的轉(zhuǎn)化過(guò)程，并將其分解為化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與傳遞過(guò)程。通過(guò)對(duì)反應(yīng)器局部和整體的質(zhì)量守恒以及能量守恒等計(jì)算，將反應(yīng)器

4、中的傳遞過(guò)程、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、詳細(xì)貴金屬反應(yīng)機(jī)理以及助催化劑反應(yīng)機(jī)理結(jié)合起來(lái)，建立起三效催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)器模型。采用該模型模擬了穩(wěn)態(tài)條件下多種工況的三效催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率，驗(yàn)證了模型的有效性。
　　 （2）研究并分析了三效催化轉(zhuǎn)化器冷起動(dòng)瞬態(tài)工況性能與影響因素。在已經(jīng)建立的三效催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)器模型的基礎(chǔ)上，本文利用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行了瞬態(tài)排放預(yù)測(cè)，并針對(duì)三效催化轉(zhuǎn)化器冷起動(dòng)瞬態(tài)工況進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了模型對(duì)瞬態(tài)工況，特別是

5、冷起動(dòng)工況的有效性。在此基礎(chǔ)上研究了發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段排氣流量脈動(dòng)、環(huán)境溫度以及排氣溫度對(duì)排放的影響，并分析了各因素對(duì)各排氣組分的影響規(guī)律，對(duì)催化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性研究、催化轉(zhuǎn)化器的診斷和排放控制有著重要的參考意義。
　　 （3)研究并建立了三效催化轉(zhuǎn)化器的化學(xué)失活機(jī)理以及高溫?zé)崾Щ顧C(jī)理。
　　 從燒結(jié)速率以及反應(yīng)速率兩方面對(duì)三效催化轉(zhuǎn)化器的化學(xué)失活機(jī)理進(jìn)行了分析，建立了硫中毒化學(xué)失活機(jī)理。對(duì)穩(wěn)態(tài)工況下化學(xué)失活前后的催化

6、轉(zhuǎn)化器工作狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了轉(zhuǎn)化效率與空燃比窗口隨排氣中有毒物質(zhì)濃度的變化規(guī)律。結(jié)合失活特性參數(shù)的變化規(guī)律與三效催化轉(zhuǎn)化器動(dòng)力學(xué)模型，建立了高溫?zé)崾Щ顧C(jī)理。在考慮了失活過(guò)程中催化劑相對(duì)活性的降低的基礎(chǔ)上，對(duì)高溫失活后的催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)排放模擬，分析并得到了瞬態(tài)工況下高溫失活老化后的催化劑對(duì)復(fù)雜的瞬態(tài)工況適應(yīng)性變化規(guī)律。
　　 （4)建立了包括反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型與詳細(xì)化學(xué)表面反應(yīng)機(jī)理的蜂窩載體（Honeycomb M