汽油车三效催化转化器内废气转化率的数值模拟

,
( F7 + F8 + F9 - 2) 2
rRR ≤ 1 rRR > 1
(110
+β2 ·CM ILL·CO2 )ex(18)
K25
CH2
Cex (17) NO
/ (F10 F11 F12 ),
R9 =
rRR ≤ 1
K25
CH
2
Cex ( NO
17)
/ ( F10 F11 F12 ) ,
rRR > 1
F8 = ( 1 + K9 CH2 ) ex ( 8) ;
F9
=
(1
+ K e C ) EA ( 10) /R Ts
ex ( 23)
34
C3H 6
;
F10 = 1 + K27 | Ts - K28 | ex ( 26) ;
F11
= 1 + K24 CCO
+ K18 CH2; F12
=
1
e + K C EA (11) /RTs
仅仅着重于催化转化器扩张区的流场模式 ,没有考 虑整个转化器尺寸范围内的流动和动力学过程 。为 此 ,作者在考虑汽油车三效催化转化器内的传热 、传 质以及催化转化特性的化学反应的基础上建立废气 转化率数学模型 ,并进行数值模拟 。
1 废气转化率数学模型建立
111 基本假设 将三效催化转化器的单个孔道看成一个管式转
形式 ,各反应速率 Ri ( i = 1, 2, …, 13)为
K e C C - EA ( 1) R Ts
ex ( 1)
1
CO O 2
R1
= ( 1 + K4 CCO ) 2 ( 1 + K5 CC3H6 )
R2 = X1 X2
β e R3
=
K X - EA ( 3) /R Ts
13
2
K e C C - EA ( 4) /R Ts
Keywords: Three2way ca ta lytic converter; Conversion ra te; Chem ica l reaction m echan ism s; Num er i2 ca l sim ula tion
前言
对汽油车 三 效 催 化 转 化 器 催 化 动 力 学 进 行 研 究 ,可为催化反应提供能在较宽广范围内反映温度 和分压 (包括反应混合物的组成和总压 )对反应速 率影响的规律 ,获得一个良好的催化反应系统的数 学模型 [ 1 ] 。近 30年的研究表明 :对催化转化器数学 模型的研究或者通过修正转化器的尺寸 、材料以及 绝热性能得到一个物理模型 ,从而建立一个瞬态传 热模型来预测排气系统内的温度分布和定义催化器 入口处的气体状态 [ 2 - 4 ] ,但这些模型没有考虑转化 器内复杂的传热过程和化学反应机理 ;或者通过建 立流场分布模型去预测催化器入口的气流不均匀性 以及整个排气系统的压力损失 [ 5 - 8 ] 。然而这些研究
Hunan U n iversity, S ta te Key L aboratory of A dvanced D esign and M anufacture for V ehicle B ody, Changsha 410082
[ Abstract] A m athematics model for conversion rates of exhaust gas in the three2way catalytic converter of a gasoline vehicle is established based on reaction speed equations derived from thirteen chem ical reaction mechanism s and mass and energy equilibrium p rincip les for gas phase and solid phase. The numerical simulation indicates that the conversion rates change w ith the variation of the ratio between oxidation and deoxidization. A good agreement is achieved between simulated results and experim ental data.
0125α) ; M 3 = ( 2 + 015α) 。 HCF 表示速燃碳氢化合
物 ( fast2burning hydrocarbons) , HCS 表示缓燃碳氢化
合物 ( slow2burning hydrocarbons) ,在目前的研究中 ,
一般用 丙 烯 ( C3 H6 ) 代 表 HCF , 丙 烷 ( C3 H8 ) 代 表
215CO +NO + 115H2O →NH3 + 215CO2 + 015N2
H2 +NO →H2 O + 015N2
215H2 +NO →NH2 + H2 O
CHα +M 1 ·O2 →CO2 + 015α·H2 O (HCS )
1 CHα
2M 2
+NO → 1 CO 2M 2
α + 4M 2 H2 O
F3
=
(1
+ K e C ) EA ( 10) /R Ts
ex ( 23)
34
C3H 6
;
F4 = 1 + K19 | Ts - K20 | ex (12) ; F5 = 1 + K30 CC3H6 ;
F6 = 1 + K13 CCO + K33 CH2 ; F7 = ( 1 + K8 CCO ) ex (7) ;
rRR > 1
β1
K17
CCO
Cex ( 13) NO
(1
+ CM ILL ·CO2 ) ex ( 14)
R7 =
F4 F5 F6
R8 =
β 1(
-
) K C C ex ( 16) ex ( 15)
2
22 H2
NO
( 1 + K44 CO2 ) 2
,
K21
CH
2
Cex ( NO
9
)
(1
+ K23 CO2 ) 2 ·β2
化器 ,在未考虑载体表面气流的不均匀分布以及辐 射的影响下对该管式转化器废气转化率建立数学模 型 。为了简化数学模型和计算 ,作如下假设 : ( 1)由 于三效催化转化器中的流场为层流 ,故传递系数取 决于流体组分和温度 ; ( 2 )由于三效催化转化器内
3 985工程二期 ———汽车先进设计制造技术科技创新平台基金项目资助 。 原稿收到日期为 2005年 12月 7日 ,修改稿收到日期为 2006年 3月 27日 。
HCS。定义氧化还原比 (Redox Ratio) 为 rRR [ 9 ]
α
CCO + CH2 + 6
1+ 4
CHC
rRR =
CNO + 2CO2
(1)
rRR > 1为浓混合气状态 ; rRR < 1为稀混合气状态 ; rRR
= 1为化学计量比 。相应的反应速率表达式是典型
的兰格缪尔 - 欣谢尔伍德 (Langmuir - H inshelwood)
+
(1
-
e ) K ; - EA ( H6 O 2
(1
+ K31 CC3H6 CCO )
X2
=
(1
+ K35 CC3H6 ) 2 ( 1
e + K32
C ) - EA ( 7) /R Ts CO
;
F1 = ( 1 + CM ILL·CCO ) ex (7) ; F2 = ( 1 + K14 CH2 ) ex (8) ;
1 β 9 e R = ( - ) K C C - EA ( 9) /R Ts ex ( 22) ex ( 25)
12
1
42
NO
C3H 6
β 1
·214
K38
Cex ( NO
20)
CC3H 6
(1
+ CM ILL ·CO2 ) ex (21)
R13 =
F13 F14 F15
其中 X1
β e = K - EA ( 6) /R Ts 2
· 122 ·
汽 车 工 程
2007年 (第 29卷 )第 2期
压力低并且气体在催化器内的滞留时间短 ,因此化
学反应机理忽略气相间的化学反应 ,只考虑气体与
载体间的对流传热 、对流传质 。
112 催化反应机理
十三反应机理由 13个独立的正向反应组成 [ 9 ] ,
以 O2 和 NO 为氧化剂的 CO、H2 、C3 H6 、NH3 的氧化 反应 ,这 13个反应如下所示 :
1 15 CO
NO
( 91 + K16 CO2 ) ex (11) ( 1 + K50 CCO ) 2 ,
rRR ≤ 1
β · R6 =
1
e 1 K C C ( - EA ( 5) /R Ts
ex ( 5)
11
CO NO
+ K12 CO2 ) ex ( 6)
,
( F1 + F2 + F3 - 2) 2
率的经验常数
;
浓混合函数
β 1
和稀混合函数
β 2
按
2007 (Vol. 29) No. 2