2023年TWC老化特性数值仿真及优化研究.doc

TWC老化特性数值仿真及优化研究 目前，汽车已经成为人们生活中重要的交通工具。为了控制汽车的尾气排放污染，保护人类赖以生存的大气环境，世界各国纷纷采取严格的汽车排放标准，针对汽车污染研发了各种技术措施和控制对策，其中汽油机三效催化转化技术是目前应用最多的净化技术。本文对三效催化转化器的根本结构及其工作原理进行了简要介绍，并分三效催化转化器的老化机理，对三效催化剂的失活机理做了进一步的阐述。运用采用 FLUENT 软件，按照快速老化条件进行求解，通过数值模拟，得出三效催化转化器的温度场以及氧浓度场的分布情况，结果说明老化时间对老化具有较大影响，三效催化转化器特征转化效率随着老化时间的增加而降低，并且在老化初期下降急剧，随着老化时间的增加特征转化效率的下降变缓。三效催化转化器起燃温度相比老化前要高出 60℃左右，起燃特性恶化，引起低速运转时排放量的大量增加。 关键词：三效催化转化器；老化；反响机理；数值仿真 Abstract At present, the car has become an important traffic tool in people's lives. In order to control automobile exhaust pollution, protect human survival environment, countries around the world have taken stringent vehicle emission standards, developed for the automobile pollution of technical measures and control measures, the gasoline engine three-way catalytic conversion technology is currently the largest application of purification technology. The basic structure of the three-way catalytic converter and its working principle were briefly introduced, the aging mechanism of and three-way catalytic converter, of three-way catalyst deactivation mechanism further elaboration. Using FLUENT software, according to rapid aging conditions is solved, through numerical simulation, the three-way catalytic converter temperature field and oxygen concentration field distribution is obtained, and the results show that aging time on aging has a greater impact, characteristics of three-way catalytic converter conversion efficiency rate decreased with the increasing of aging time and during the early aging decreased sharply, with the aging time increased feature conversion efficiency decreased slowly. The three-way catalytic converter ignition temperature compared before aging to about 60 DEG C, ignition performance deterioration, caused by low speed when emissions of a substantial increase in. Keywords：The three way catalytic converter; aging; reaction mechanism; numerical simulation 目录 I Abstract II 1 前言 1 2 TWC老化机理研究 2 2.1 TWC的结构及工作原理 2 2.1.1 三效催化转化器的结构 2 2.1.2 三效催化转化器工作原理 3 2.2 TWC的老化机理 4 2.2.1 高温热失活 4 2.2.2 化学中毒 6 2.2.3 结焦 9 2.2.4 机械损伤 9 2.3 催化剂的失活机理 10 2.3.1 非选择性失活 10 2.3.2 选择性失活 10 3 TWC快速老化过程数值模拟与仿真 12 3.1 快速老化过程数值仿真的整体步骤 12 3.2 TWC快速老化数值仿真 14 3.2.1 几何模型 14 3.2.2 模型求解 15 3.3 仿真结果及分析 17 3.3.1 温度及氧浓度 17 3.3.2 催化剂相对活性 19 3.3.3 老化前后性能指标 20 4 结语 24 参考文献 25 致谢 26 1 前言 三效催化转化器〔TWC〕是在Pt，Rh，Pd等催化剂的作用下，将发动机排气污染物中的碳氢化合物〔HC〕和一氧化碳〔CO〕氧化成水蒸气和氧气，将氮氧化物〔NOx〕复原成氮气和氧气的净化装置，是满足汽油车国IV排放法规必备技术措施之一。 TWC催化剂分布在微孔内，属微晶型，其活性主要取决于化学成分、比外表积、活性金属分散度、反响环境的温度与浓度。在恒定反响条件下催化反响转化率随时间增长而下降的现象，称催化剂失活〔劣化〕。 TWC劣化是非常复杂的物理化学过程，与催化剂配方与制备、发动机工况、TWC结构等因素有关，其中，高温烧结、活性中毒、表而结碳、排气恶化、振动和碰撞是TWC劣化的主要原因。 国内学者从2022年开始开展了TWC老化试验与劣化因素研究，普遍采用断油劣化法，建立了断油和ARL-102两种常用的劣化试验装置和方法，此方法开发周期长，本钱高。国外学者从20世纪90年代开始对TWC老化数值模拟进行研究。最早由Matsunaga等人研究了催化剂的化学中毒机理以及劣化性能。 本文运用计算流体力学软件 FLUENT 建立载体单孔道流动模型，并与化学反响软件 Chemkin 相耦合，结合快速老化试验条件，对三效催化转化器快速老化过程进行非稳态数值模拟。通过数值模拟，得出三效催化转化器的温度场以及氧浓度场的分布情况。 2 TWC老化机理研究 三效催化转化器的老化是一个复杂的物理、化学变化过程，其中包含了催化剂烧结、中毒，载体烧结、机械损伤等多种老化现象，这些现象直接影响到三效催化转化器的转化性能和使用寿命，因此，分析三效催化转化器老化机理是要对其老化特性建模仿真、优化以及抗老化等方面进行研究的前提。 2.1 TWC的结构及工作原理 2.1.1 三效催化转化器的结构 三效催化转化器是由壳体、垫层、载体及催化剂四局部构成的。其结构如下列图： 图 2.1 三效催化转化器结构图〔1-壳体 2-垫层 3-载体与催化剂〕 〔1〕壳体：壳体一般做成双层结构，并用奥氏体或铁素体镍铬耐热不锈钢板制成，以防因氧化皮脱落造成三效催化转化器堵塞。制备时一般先把钢板冲压成两半块，再沿分割面法兰焊接封装。 〔2〕垫层：垫层一般有陶瓷密封垫和金属网两种，起到减震、缓解热应力、保温和密封作用。 〔3〕载体：载体是承载催化剂及助剂的一种支撑体。具有孔壁薄、比外表积大、阻力小、耐热耐冲击性能好等特点。载体有颗粒载体、蜂窝多孔陶瓷载体和蜂窝金属载体三类。常用的有后两类。 〔4〕催化剂：催化剂通常是指催化活性组分和活性涂层的合称，催化剂决定着三效催化转化器的主要性能指标。贵金属具有很高的催化活性，起燃温度低，因而一般用贵金属作为催化活性组分，常用的有铂〔Pt〕、铑〔Rh〕、钯〔Pd〕等贵金属。其中，铂〔Pt〕对HC和CO的氧化有很高的活性，铑〔Rh〕对NOx复原有很高活性。通常Pt与Rh的比例为7/1～5/1，使用量为～〔载体有效容积〕。Pt/Rh催化剂在冷起动活性、高温活性、抗中毒及耐热稳定性等方面性能优良。在贵金属催化剂中添加适量的CeO2、La2O3等助剂，可以提高其热稳定性。活性涂层一般是含有Al2O3的水溶胶或者 γ-AL2O3的含水悬浊液。催化剂制备时，将含有活性成分〔贵金属〕的难熔无机氧化物浆料，涂覆在载体上，形成供催化剂起作用的区域。催化剂与载体之间的关系如图 2.2 所示： 图 2.2 催化剂与载体关系示意图 为节约贵金属用量，近年来进行了大量铂〔Pt〕、铑〔Rh〕替代材料方面的研究。最有希望的是用钯〔Pd〕替代铂〔Pt〕，钯〔Pd〕对一氧化碳和不饱和碳氢化合物的氧化活性优于铂〔Pt〕，对芳香烃的氧化能力二者相当，Pd对饱和碳氢化合物的氧化能力不如Pt，Pd/Rh催化剂的耐热稳定性很好，但对毒性成分较敏感。在Pd催化剂中参加WO3、MoO3，可提高氧化催化能力。此外，稀土也可以作为一种催化剂，替代局部贵金属。 三效催化转化器工作原理 在汽车尾气中既有复原性的气体 HC 和 CO，又有氧化性的气体 NOx。在催化剂的作用下，这些气体将发生如下反响： 〔1〕氧化反响 〔2〕复原反响 〔3〕水煤气重整反响 〔4〕水煤气转换反响 2.2 TWC的老化机理 三效催化转化器的老化是一个缓慢的物理、化学变化过程，随着时间、行驶里程的增加，各种老化形式对催化剂的破坏作用逐渐积累，最终导致三效催化转化器老化。由于三效催化转化器性能受到诸多因素的影响，如排气流速、组分、温度、贵金属含量和使用时间等，并且工作环境的不同决定了老化形式的不同。例如，汽油机火花塞或者点火控制电路发生故障，会引起发动机失火，可能使三效催化转化器的温度瞬间超过 1000℃，引起载体和催化剂涂层的烧结，导致催化剂活性丧失，甚至堵塞载体孔道。又如，燃烧系统出现异常，导致 HC， CO 排放浓度升高，超出三效催化转化器能力范围，使转化效率急剧下降，还可能造成CO 中毒。 三效催化转化器主要的老化形式有：高温热老化、化学中毒、结焦与机械损伤 4 类。其中化学中毒主要是指催化剂的失活，是由于热效应以及受尾气中铅、硫和磷等有毒物质的化学中毒引起的。表 2.1 简要概括了几种主要老化方式及相应的老化机理。 表 2.1 三效催化转化器的老化机理 化学中毒 高温热失活 结焦失活 机械损伤 中毒：不可逆吸附或发生外表反响 活性组分的烧结形成合金 碳沉积 热冲击 抑制：毒物的竞争可逆吸附 载体结构发生变化 磨损 毒物导致催化剂外表重构 贵金属一碱金属相互作用 机械破坏 发生载体孔结构的阻塞 贵金属外表重组 贵金属挥发 2.2.1 高温热失活 高温热失活是指三效催化转化器长期在高温环境下工作，导致三效催化剂或载体发生高温老化，转化效率降低。通常引起热失活的环境和原因有：1〕发动机失火，如突然刹车、点火系统不良、进行点火和压缩试验等，使未燃混合气在三效催化转化器中产生剧烈燃烧；2〕汽车连续高速大负荷运行而产生不正常燃烧；3〕安装位置离发动机过近；这些情况都会导致催化剂和载体温度大幅度升高，从而引发严重的热老化。 活性组分的烧结作为三效催化转化器主要的热失活方式，是指高温条件下