三效催化转化器结构与性能耦合仿真研究

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车用三元催化转换器的研究进展及发展趋势

介绍了近些年三元催化转换器的研究进展，转换对器的催化剂进行了详细介绍，出稀土催化剂的发指展潜力。同时介绍了稀薄燃烧的催化转换器以及老化的转换器再生技术的研究进展，对发展趋势进并
行了探讨。
收稿日期：０１７１２１一Ｏ一Ｏ
感，而且在高温下容易与Ｒｈ形成合金使催化剂活
基金项目；津市科学技术委员会基金项目（０９Ｊ０１）天２０ＧＡ１０８作者简介；同国（９４，（）山东，士贾１８一）男汉，硕主要研究汽车排放控制技术。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不可忽略的是钙钛矿催化剂作为高效型催化剂
在工业化生产中，还存在一些问题：首先稀土元素中的钴（ｏ虽然活性很好．却属于德国环境标准Ｃ）但
Ｎｏ的催化和对ＮＯ的生成作用，现当钼含量较发高时，以大大提高对Ｎｏ的吸附作用，可从而间接地提高了转化率。
环境的波动过程中时，原子会像钯阳离子进入格钯子框架一样进人钙钛催化剂表面，像钯微粒一样并
氛中供氧，氧化气氛中耗氧。因此，用稀土代替在应
部分贵金属制成催化剂，过渡金属氧化物相作用与能显著提高催化剂的活性和抗铅中毒性能，能提并

三效催化剂机理研究

综述专论引言汽车工业的发展在推动经济繁荣的同时也造成了严重的环境污染。

汽车排放的污染物包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、硫化物、颗粒（铅化合物、黑碳、油雾等）、臭气（甲醛、丙烯醛）等，其中CO、HC、NOx是造成环境污染的三种主要气态污染物，对人体的危害极大，在增加大气污染的同时，也破坏了生态平衡。

更重要的是，这些污染物在一定条件下会生成二次污染物——光化学烟雾，从而对环境造成更大的危害，因此，许多城市将控制机动车尾气作为改善空气质量的重要措施[1]。

而在众多的尾气排放控制手段中，催化净化已经成为控制汽油车尾气污染的重要手段之一[2]。

1.三效催化剂的结构与组成汽车尾气催化剂主要有两种类型：蜂窝型和颗粒型。

但是，由于颗粒型催化剂单位体积的重量为蜂窝型的23倍，且有加热时间长，易磨损等缺点，因此自80年代起，颗粒型催化剂逐渐为蜂窝型催化剂所取代。

汽车尾气催化剂从70年代中期在美国开发并使用三效催化剂机理及技术进展以来，按其特点可以分为以下几个阶段：（1）Pt，Pd氧化型催化剂为第一代产品，主要控制CO和HC的排放，70年代在美国曾得到广泛的应用。

（2）还原氧化双段催化剂为第二代产品，应用于80年代。

在催化剂的还原段，NOx被还原为NH 3，但是经过氧化段又被复原，所以它并未得到实质性的使用。

（3）三元催化剂为第三代产品，主要控制尾气排放中的CO、HC及NOx，其主要活性成分为Pt、Rh、Pd 等贵金属。

（4）单钯催化剂为第四代产品，虽然可耐更高的温度，但对空燃比和燃油的要求也更高，因此未得到工业应用。

现今最为常见的汽车尾气催化剂又被称为三效催化剂或三元催化剂(Three-Way Catalyst，简称TWC)，这是因为它能同时净化汽车尾气中的三种有害成分的缘故。

三效催化剂主要由四部分组成：载体、氧化铝涂层、活性组分和助剂。

1.1载体载体是担载主催化剂和助催化剂组分的组分[3]，从汽车尾气排放标准要求及催化技术发展来看，载体形式主要有颗粒状和整装两类。

三效催化

19
γ-Al O 涂层
2 3

涂层（第二载体、多孔活性水洗涂层）：扩大催化剂载体的比表面积（扩表）。 γ -Al 2 O 3 （不溶于水，但吸水性很强，有强吸附能力与催化活性）：三效催化技术的第二载体，高比表面积，高温水热稳定性。长期运行，会产生烧结（粉状物料转变为致密体）现象和转晶（晶型转变）现象，使三效催化剂比表面积和活性降低。 600 ℃时，按照γ - β - α顺序进行晶型转变， 1000 ℃时完全转变成α -Al 2O 3（熔点高，硬度高，不溶于酸碱耐腐蚀，绝缘性好）。
14
CO 与 NO 反应
（1）吸附步骤：
（2）解离步骤： M-NO+M→M-N+M-O （3）表面重组和表面反应： M-N+M-N→N2(g)+2M M-N+M-NO→N2O(g)+2M M-N+NO(g)→N2O(g)+M M-O+CO(g)→CO2(g)+M M-N+CO(g)→M-NCO
CO+M→M-CO NO+M→M-NO

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CeO -ZrO 固溶体
2 2

加入少量的Ce（0.1%～1.3%）到Al2O3中，可以增加CO在催化剂上的活性。但加入过多或温度过高时效果则相反。在 1000℃左右的高温下，CeO2的热稳定性不如涂层中的氧化铝，很容易发生高温烧结，加入ZrO2可显著提高其热稳定性，又提高了其储氧能力。
变氧的吸附量，这种储氧能力随着升温至 1173K（约900℃）而逐渐降低。
24
CeO 的特性
2

提高贵金属分散度：Pt与CeO2表面的作用强于Al2O3。

基于OBD的三效催化转化器失效的诊断研究

关键词：ＯＤ三效催化转化器Ｂ
失效
１ＯＤＢ诊断系统在我国的应用福尼亚州引入了ＯＢＩ１９年ＳＥ面积减少及贵金属的烧结聚集，从Ｄ，９４Ａ
ＢＩＢＩ在汽油车上采用空燃比闭环电在ＯＤ的基础上制定了ＯＤＩ，而引起催化剂活性降低，即热失效经ＥＰ认可并要求自１９Ａ９６年起所所致。另外，为了满足低温排放要子控制燃油喷射（Ｆ）三效催化ＥＩ加Ｂ欧洲则求，紧耦合性催化转化器的运用也转化器，以下简称催化转化器的排有车辆都配置ＯＤⅡ系统。００放控制手段是目前国内外机外净化是在２０年实施欧Ⅲ法规后增加了必然要求催化剂具备更高的热负荷ＯＢＤ功能性检查，即通常所说的性与稳定性，催化剂与催化转化器的主流技术，当采用闭环控制系统，ＯＤ，依靠闭环控制电路保持进入发动机ＥＢ从监测项目及限制上比较，应具备很高的对应性。高温还可同ＯＩ严时使氧化铈等助催化剂的活性以及的空气一燃油混合气始终保持在最ＥＢＤ要求没有美国的ＯＢＤＩ格，差异在于，美国目的是在它成储氧能力降低，从而引起催化器工佳的范围内，即通常所说的催化窗
该类失效主要由２种原因造成，器转化效率。种原因为发动机工作不正常导致２２其他部件损坏．该类失效主要由催化转化器壳
其他零部件，从而在车辆排放出现催化转化器内温度过高造成。当点
定恶化时向驾驶员报警提示，并火系统或燃油系统工作不良时，过体破裂和催化转化器载体碎裂构成。对相应的故障代码以及冻结帧数据多ＨＣ和Ｃ未燃气体在一定条件下壳体破裂主要由于热冲击、磨损以Ｏ

汽车三效催化转化器劣化机理分析与仿真研究

排气温度场、浓度场及表征劣化性能的Ｐｔ颗粒直径、失活因子及转化效率等参数进行了仿真与分析。研究表明可为预测
ＴＷＣ劣化特性的变化，提高ＴＷＣ抗劣化性能与制定ＴＷＣ抗劣化对策提供依据，具有很大的实际应用价值。
关键词：三效催化转化器；劣化；机理；失活因子；仿真建模中图分类号：ＴＫ４１文献标识码：Ｂ
第３Ｏ卷第６期
文章编号：１００６—９３４８（２０１３）Ｏ６— ０１９４—０４
计

算
机
仿
真
２０１３年６月
汽车三效催化转化器劣化机理分析与仿真研究
刘孟祥，周乃君
（１．湖南涉外经济学院机械工程学院，湖南长沙４１０２０５；２．中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙４１００８３）摘要：在三效催化转化器特性的研究中，为解决发动机台架实验的断油劣化、周期长、成本高等缺点，并为开发高效长寿低排
ＤｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＴｈｒｅｅ— －ＷａｙＣａｔａｌｙｔｉｃＣｏｎｖｅｒｔｅｒ
放的汽车ＴＷＣ，缩短开发周期，节省开发费用，提出在分析ＴＷＣ劣化机理的基础上，运用数值仿真技术，建立了包含劣化过程化学反应、储放氧反应、催化剂颗粒直径、反应速率、烧结速率及转化率的ＴＷＣ劣化特性数学模型，对影响ＴＷＣ的劣化的

汽车尾气三效催化剂

反应的进行，能快速发生氧活化和烃类的吸附。而由过及其他非贵金属在催化剂中的作用有以下几个方面：
渡元素等非贵金属为活性组分的催化剂，则可以通过金
①存储及释放氧，拓宽了空燃比工作窗口
属离子变价，利用晶格氧来达到催化氧化的目的，而气
贵金属三效催化剂对三种污染物的转化效率只有
相中的氧不能吸附补充进来，需要较高的温度才能加速在空燃比在化学计量比的附近时，才一能保持良好的效
种助剂，提高热稳定性。ＮａｏｔｏＭｙｏｓｈｉ等提出半径为
０．ｎ一０．１５ｎｍ的金属离子对氧化铝载体的热稳定性提
０「＿
１３．５１４．０１４．５１５．０１５．５
高很大，认为这样的离子占据丫一Ａ１２０３的表面空位，能
空燃比（Ａ／Ｆ）．有效地阻止铝离子和氧离子的表面迁移，稳定晶格结
三２６０一
。
厂
标准状；扩、岁｝．
４０６０８０１００（Ｐｔ）
（１００％Ｒｈ）Ｐｔ原子的百分含量％
图４Ｐｔ一Ｒｈ的协同作用
上，４５％的铂和８５％的锗用于汽车催化。由于铂和锗的
当空燃比在理论空燃比附近时，３种活性组分的单
朱振忠 ’，田群２，陈宏德２
（１．中国矿业大学，北京１０００８３；２．中国科学院生态环境研究中心，北京１００８５）
摘要：本文介绍了汽车尾气三效催化剂的基本工作原理、结构和性能，概述了汽车尾气催化剂的发展历程和
和氧化铝的相互作用，可以显著提高其热稳定性。另外，面元素的价态。Ｔｏｍｃｒｏｎａ等研究表明，经过预还原处理
加人ｚｒＯＺ能提高Ｃｅ０２的储氧能力。研究表明，在向新鲜后，含Ｃｏ、Ｃｅ的催化剂的ＣＯ、ＨＣ起燃温度有显著的下

汽车排放控制技术论文

汽车排放与控制技术学院：汽车与交通学院班级：车辆121学号： 201200205001姓名：刘泽辉汽油机后处理技术净化技术摘要：介绍车用汽油机后处理净化装置特别是三效催化转化器。

正文：机内净化技术是通过对发动机进行调正或改进，达到控制燃烧、减少和抑制污染物生成的各种技术。

简单地说就是降低污染物生成量的技术，如改进发动机的燃烧室结构、改进点火系统、改进进气系统、采用电控汽油喷射和电控点火技术、采用废气再循环技术等。

这是一种通过改进发动机燃烧过程、减少污染物排放的方式。

这种技术对降低排气污染起到了较大作用，但其效果有限，且不同程度地给汽车的动力性和经济性带来负面影响。

随着对发动机排放要求的日趋严格，改善发动机工作过程的难度越来越大，能统筹兼顾动力性、经济性和排放性能的发动机将越来越复杂，成本也急剧上升。

因此，世界各国都先后开发废气后处理净化技术，在不影响或少影响发动机其它性能的同时，在排气系统中安装各种净化装置，采用物理的和化学的方法降低排气中的污染物最终向大气环境的排放。

专门对发动机排气进行后处理的方法是将净化装置串接在发动机的排气系统中，在废气排入大气前，利用净化装置在排气系统中对其进行处理，以减少排入大气的有害成分。

在发达国家，车用汽油机采用后处理装置较多。

这些装置主要有三效催化转化器、热反应器和空气喷射器等。

目前，在发达国家生产的汽油车几乎都装备了三效催化转化器，并已有二十多年的商业化应用历史。

随着我国经济的高速发展，城市机动车辆日益增多，其废气已严重污染了大气环境，对三效催化转化器的需求将更为迫切。

汽车三效催化器转化器研制的发展三效催化转化器的基本结构如图1.1所示，它由壳体、垫层和催化剂组成。

其中载体和催化剂是关键部分，对转化器性能起着决定性作用。

因此，近年来对催化器的研制方向主要在载体和催化剂。

其中催化剂的结构如图1.2所示。

1，载体的发展催化剂载体是催化剂的骨架，表面富有催化剂涂层，起催化作用的贵金属或浸渍或喷涂在涂层上，因此载体的选择直接影响催化剂的性能和效率。

三效催化转换器性能研究

三效催化转换器性能研究摘要：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氧化和还原成無害的CO2、H2O和N2。

本文以三效催化转化器的发展情况及研究的现实状况为出发点展开研究，通过明确三效催化转化器的相关概念并分析三效催化转化器的作用机理之后，提出了更好利用三效催化转化器的具体措施。

旨在研究三效催化转化器的性能同时，更加合理的、有效的应用好三效催化转化器。

关键词：三效催化转换器；性能自50年代以来，汽车工业的迅速发展促进了社会进步与经济繁荣。

但汽车排出的CO，HC和NOx等有毒气体，也给人类赖以生存的大气带来严重污染。

为了保护环境，限制和治理汽车排气污染成为十分紧迫的任务。

当用尽各种机内净化措施还是达不到净化要求时，人们将目光转向机外净化，汽车尾气催化转化器应运而生。

由于它能把三种有害物质HC，CO和NOx转化为无害的H2O，CO2和N2，称之为三效催化转化器或三元催化转化器。

现如今，随着汽车尾气排放标准的日益严格，三效催化器的研究也取得了较大的进展。

1.三效催化转化器的发展及研究现状1.1三效催化转化器的发展在20世纪70年代以来，绝大多数汽车采用汽油机作为动力，因此最先研究开发的汽车净化技术是汽油机的排气净化技术。

汽油机的主要排放物为CO、HC与NOx，在排放控制初期法规主要限定CO和HC的排放限值，因此首先研制的是促进CO和HC后期氧化的热反应器和氧化性催化转化器OC（OxidationCatalyticConverter）。

随着排放法规逐步加紧对NOx的控制，研究逐渐集中于能同时净化CO、HC以及NOx的三效催化转化器TWC。

1.2三效催化转化器的研究现状国内外学者对三效催化转换器结构的开发设计、与发动机的优化匹配等开展了广泛的研究。

随着计算机的高速发展，与计算流体力学，传热学，空气动力学等学科相结合，大型商业软件CFD仿真得以广泛，如FLUENT，STAR-CD，ANSYS，奥地利AVL公司的FIRE等软件。

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Ｃｏｎｖｅｔｒｅｒ（ＴＷＣ），ａｎｄａｒｅｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈＴＷＣｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｕｃｈａｓｅｎｔｒａｎｃｅｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｇｌｅ，ｃａｒｒｉｅｒｌｅｎｇｔｈ，ｃａｒｉｅｒ
摘要：压力损失、废气转化率是三效催化转化器（ＴＷＣ）的重要性能指标，与结构（如入口扩张角、载体长度、载体截面形状
等）相互耦合。通过建立三效催化转化器物理模型与工作过程数学模型，提出了基于ＴＤＭＡ方法的流动与传热方程解法及基于速度与压力修正的动量方程解法，设计了仿真流程。三效催化转化器结构、流速、压力损失与转化率的耦合仿真表明：扩张角越大，在同一半径处，排气流速越大；同一截面，半径越大，流速越低；体积一定，相同的半径处，载体越长，流速越高；载体截面积不变，椭圆率ｅ越大，流速越高；人口流速越高，压力损失越大；体积一定时，小截面长载体比大截面短载体三效催化转化器的转化率高；减小椭圆率可提高三效催化转化器转化率。研究结论为三效催化转化器结构优化和性能改进提供
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｗａｓｔｅｇａｓｐｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓ，ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｒａｔｅａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘｅｓｏｆｔｈｅＴｈｒｅｅＷａｙＣａｔａｌｙｔｉｃ
ｓｅｃｔｉｏｎｓｈａｐｅ，ｅｔｃ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｐｒｏｃｅｓｓｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＴＷＣａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ＴｈｅｎｕｍｅｉｒｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｑｕａｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＴＤＭＡ，ｔｈｅｍｏｍｅｎｔｕｍｅｑｕａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｓｉｍ— ｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＴＷＣｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｌｆｏｗ，ｗａｓｔｅｇａｓｐｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓ，ｃｏｎｖｅｓｉｒｏｎｒａｔｅｓｈｏｗｓｔｈａｔ：ｔｈｅｌａｒｇｅｒｔｈｅｒａｄｉ — ＵＳｉｓ，ｔｈｅｌｏｗｅｒｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ；Ａｔｔｈｅｓａｍｅｒａｄｉｕｓ，ｔｈｅｃａｒｒｉｅｒｌｏｎｇｅｒｉｓ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｌｆｏｗｒａｔｅｉｓｗｈｅｎｔｈｅＴＷＣｖｏｌｕｍｅｉｓｃｏｎｓｔａｎｔ；Ｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｅｌｌｉｐｔｉｃｉｔｙｅｉｓ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｌｆｏｗｒａｔｅｉｓｗｈｅｎｔｈｅＴＷＣ
依据，具有重要的实际应用价值。关键词：三效催化转化器；湍流流动；控制容积；压力场；速度场；耦合仿真
中图分类号：ＴＫ４１１．５文献标识码：Ｂ
ＣｏｕｐｌｅｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｎＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ
第３０卷第７期
文章编号：１００６ — ９３４８（２０１３）０７ — ０１６４ — ０６
计
算
机ห้องสมุดไป่ตู้
仿
真
２０１３年７月
三效催化转化器结构与性能耦合仿真研究
刘孟祥，周乃君
（１．湖南涉外经济学院机械工程学院，湖南长沙４１０２０５；２．中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙４１００８３）
ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＴｈｒｅｅ－ＷａｙＣａｔａｌｙｔｉｃＣｏｎｖｅｒｔｅｒ
ＬＩＵＭｅｎｇ－ｘｉａｎｇ，ＺＨＯＵＮａｉ－ｊｕｎ
（１．ＣｏｌｌｅｄｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＨｕｎａｎＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎｌａＥｃｏｎｏｍｉｃｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＣｈａｎｇｓｈａＨｕｎａｎ４１０２０５，Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＣｈａｎｇｓｈａＨｕｎａｎ４１００８３，Ｃｈｉｎａ）