三效催化轉(zhuǎn)化器長壽低排放機(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)的以下幾個問題：
　　 （1）由于在發(fā)動機(jī)冷起動階段所排放的CO和HC占固定時間段內(nèi)排放總量的60～80％，因此研究三效催化轉(zhuǎn)化器在發(fā)動機(jī)冷起動階段的排放特性，進(jìn)而改進(jìn)其冷起動階段的

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間也會“老化”，出現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率下降、尾氣超標(biāo)、排氣背壓增高、動力性下降以及油耗增加等一系列問題，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催化劑壽命是現(xiàn)今研究重點之一。
　　 （3）三效催化轉(zhuǎn)化器成本費用昂貴，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)在的研究重點是在滿足性能要求的同時，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比。
　　 針對上述問題，本文進(jìn)行的主要的研究工作及創(chuàng)新點如下所示：
　　 （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)化過程，并將其分解為化學(xué)反應(yīng)過程與傳遞過程。通過對反應(yīng)器局部和整體的質(zhì)量守恒以及能量守恒等計算，將反應(yīng)器

4、中的傳遞過程、反應(yīng)動力學(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，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)動力學(xué)軟件進(jìn)行了瞬態(tài)排放預(yù)測，并針對三效催化轉(zhuǎn)化器冷起動瞬態(tài)工況進(jìn)行了臺架實驗驗證，證實了模型對瞬態(tài)工況，特別是

5、冷起動工況的有效性。在此基礎(chǔ)上研究了發(fā)動機(jī)冷起動階段排氣流量脈動、環(huán)境溫度以及排氣溫度對排放的影響，并分析了各因素對各排氣組分的影響規(guī)律，對催化器的優(yōu)化設(shè)計、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)化器動力學(xué)模型，建立了高溫?zé)崾Щ顧C(jī)理。在考慮了失活過程中催化劑相對活性的降低的基礎(chǔ)上，對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