三效催化转化器长寿低排放机理及性能优化研究

摘要

汽车排放的尾气已成为我国城市的主要污染源。三效催化转换器是安装于汽车尾气后处理系统中的机外净化装置，通过负载在其载体孔道表面的贵金属催化剂的催化作用，将尾气中的CO、HC和Nox氧化和还原成无害的CO2、H2O和N2。本文主要研究解决与催化转化器有关的以下几个问题：
　　 （1）由于在发动机冷起动阶段所排放的CO和HC占固定时间段内排放总量的60～80％，因此研究三效催化转化器在发动机冷起动阶段的排放特性，进而改进其冷起动阶段的性能显得极为重要。
　　 （2）由于催化剂的活性成分与物理性能等随着时间也会“老化”，出现转化效率下降、尾气超标、排气背压增高、动力性下降以及油耗增加等一系列问题，因此研究催化转化器失活机理、改善催化剂抗失活能力并延长催化剂寿命是现今研究重点之一。
　　 （3）三效催化转化器成本费用昂贵，其催化剂大都含有Pt、Pd与Rh等贵金属或稀土元素。因此，现在的研究重点是在满足性能要求的同时，在载体上采用多种分布方式降低催化剂的用量，从而降低制造成本并最大限度地提高催化剂的性价比。
　　 针对上述问题，本文进行的主要的研究工作及创新点如下所示：
　　 （1）建立了包含质量传递、热量传递，以及具有详细基元反应的三效催化转化器反应器模型。采用PSR（Perfectly Stirred Reactor）反应器模型描述了三效催化转化器及其发生在其中的转化过程，并将其分解为化学反应过程与传递过程。通过对反应器局部和整体的质量守恒以及能量守恒等计算，将反应器中的传递过程、反应动力学、详细贵金属反应机理以及助催化剂反应机理结合起来，建立起三效催化转化器反应器模型。采用该模型模拟了稳态条件下多种工况的三效催化转化器的转化效率，验证了模型的有效性。
　　 （2）研究并分析了三效催化转化器冷起动瞬态工况性能与影响因素。在已经建立的三效催化转化器反应器模型的基础上，本文利用化学反应动力学软件进行了瞬态排放预测，并针对三效催化转化器冷起动瞬态工况进行了台架实验验证，证实了模型对瞬态工况，特别是冷起动工况的有效性。在此基础上研究了发动机冷起动阶段排气流量脉动、环境温度以及排气温度对排放的影响，并分析了各因素对各排气组分的影响规律，对催化器的优化设计、可靠性研究、催化转化器的诊断和排放控制有着重要的参考意义。
　　 （3)研究并建立了三效催化转化器的化学失活机理以及高温热失活机理。
　　 从烧结速率以及反应速率两方面对三效催化转化器的化学失活机理进行了分析，建立了硫中毒化学失活机理。对稳态工况下化学失活前后的催化转化器工作状况进行了数值模拟，得到了转化效率与空燃比窗口随排气中有毒物质浓度的变化规律。结合失活特性参数的变化规律与三效催化转化器动力学模型，建立了高温热失活机理。在考虑了失活过程中催化剂相对活性的降低的基础上，对高温失活后的催化转化器进行了稳态与瞬态排放模拟，分析并得到了瞬态工况下高温失活老化后的催化剂对复杂的瞬态工况适应性变化规律。
　　 （4)建立了包括反应动力学模型与详细化学表面反应机理的蜂窝载体（Honeycomb Monolith）反应器模型。模拟研究了催化剂轴向非均匀分布情况，得到了催化剂按阶跃型直线分布以及抛物线型分布时的起燃特性规律。综合起燃性能与抗老化抗中毒的要求，分析并得到了催化剂最优化分布情况。同时发明了一种具有变孔密度结构的催化剂径向非均匀分布的三效催化转化器，用于提高催化转化器中心部分的转化效率并改善载体内的流场分布。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

第2章三效催化转化器反应器模型及稳态研究

第3章三效催化转化器冷起动过程研究

第4章三效催化转化器失活研究

第5章三效催化转化器非均匀催化剂数值模拟

结论

参考文献

附录

致谢