三效催化转化器老化特性数值仿真及优化研究

论文摘要

汽车尾气污染给人类的生存环境造成了严重的威胁,车用三效催化转化器是一种有效的汽车排放污染控制设备。新三效催化转化器的废气转化效率可以达到95%以上。但长期在恶劣环境下工作,导致三效催化转化器老化,废气转化效率下降,因此研究三效催化转化器的老化特性,对于确保三效催化转化器长期高效稳定工作有着重要意义。本文研究了三效催化转化器的老化机理包括催化剂的失活机理,着重分析了高温热老化和化学中毒。从烧结速率以及反应速率两方面对老化进行研究,考虑到老化过程中催化反应活性的降低以及催化剂颗粒长大等因素,将老化特性参数的变化规律与新三效催化转化器反应模型相结合,建立了包含老化过程的三效催化转化器的老化特性模型,从而弥补了以往反应模型忽略老化因素的缺陷。在老化特性模型的基础上,运用FLUENT软件对三效催化转化器的温度场以及氧浓度场进行了数值仿真,并运用MATLAB软件对老化过程中三效催化转化器老化特性参数的变化情况进行计算。老化过程中,Pt颗粒平均直径不断增大,载体前部受毒物中毒作用,Pt颗粒长大受抑制,载体中后部因高温热老化使Pt颗粒迅速长大;化学反应活性降低,反应失活因子减小,且载体前部的反应失活因子最小。老化后废气转化效率显著下降,表明催化剂烧结和中毒是导致催化器失效的重要因素。同时分析了扩张角、入口温度和行驶里程对老化特性的影响,为催化转化器结构优化和性能改进提供了一定的依据。最后从油品、催化剂及其分布等方面提出了三效催化转化器的抗老化措施,对开发满足日益严格的耐久性要求的三效催化转化器具有一定的借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 排放污染控制技术
• 1.2.1 机内净化措施
• 1.2.2 机外净化措施
• 1.3 三效催化转化器老化问题研究意义
• 1.4 老化试验
• 1.4.1 试车场实车老化试验
• 1.4.2 快速老化试验
• 1.5 三效催化转化器老化数值仿真研究
• 1.6 课题来源及论文研究方向
• 第2章 三效催化转化器老化机理研究
• 2.1 三效催化转化器的结构及工作原理
• 2.1.1 三效催化转化器的结构
• 2.1.2 三效催化转化器工作原理
• 2.2 三效催化转化器的老化机理
• 2.2.1 高温热失活
• 2.2.2 化学中毒
• 2.2.3 结焦
• 2.2.4 机械损伤
• 2.3 催化剂的失活机理
• 2.3.1 非选择性失活
• 2.3.2 选择性失活
• 2.4 本章小结
• 第3章 三效催化转化器老化特性仿真建模
• 3.1 传热传质模型
• 3.1.1 基本方程
• 3.1.2 传热传质系数
• 3.2 新三效催化转化器反应模型
• 3.3 三效催化转化器老化特性模型
• 3.3.1 催化剂颗粒直径
• 3.3.2 烧结速率
• 3.3.3 反应速率
• 3.3.4 包含老化过程的化学反应模型
• 3.3.5 储放氧反应
• 3.4 本章小结
• 第4章 三效催化转化器老化特性数值计算
• 4.1 老化特性数值仿真的整体步骤
• 4.2 三效催化转化器温度场及氧浓度场仿真计算
• 4.2.1 建立几何模型
• 4.2.2 模型求解
• 4.3 温度场及氧浓度场计算结果及分析
• 4.4 老化特性参数计算结果及分析
• 4.4.1 Pt颗粒直径变化
• 4.4.2 失活因子变化
• 4.4.3 转化效率的变化
• 4.5 三效催化转化器老化影响因素研究
• 4.5.1 扩张角对老化的影响
• 4.5.2 温度对老化的影响
• 4.5.3 行驶里程的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 三效催化转化器抗老化措施
• 5.1 油品改进
• 5.2 催化剂的改进
• 5.2.1 三效催化转化器的匹配
• 5.2.2 催化剂配方改进
• 5.3 催化剂分布优化设计
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 附录B 攻读硕士学位期间获得的科研成果
• 致谢