三元催化器建模與分析

賈傳德

（廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 崇左 532200）

三元催化轉(zhuǎn)換器是汽油機控制CO、HC、NOx排放必不可少的裝置，安裝在排氣管中，隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，現(xiàn)代汽車都安裝了三元催化器。三元催化轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)見圖1，它是一個在瞬態(tài)環(huán)境下工作的反應(yīng)器，載體多為蜂窩狀耐高溫陶瓷，在幾秒鐘之內(nèi)流經(jīng)催化器的汽車尾氣的溫度、流速和氣體成分都會隨著汽車工況的改變而變化。目前燃油管理系統(tǒng)的閉環(huán)控制提出了更嚴(yán)格的要求，需要知道氣體成分在不到一秒鐘的瞬態(tài)變化。

1 工作原理

常用的三元催化劑材料有促進NOx分解的銠以及具有促進CO、HC氧化功能的鈀與鉑。催化劑在工作時因催化劑是以固態(tài)參加反應(yīng)，而汽車尾氣中的CO、HC、NOx均為氣態(tài)，因此反應(yīng)中是在固體催化劑表面發(fā)生反應(yīng)，基本步驟有：反應(yīng)物向催化劑表面的擴散→反應(yīng)物在催化劑表面的吸附→被吸附的反應(yīng)物在催化劑表面相互作用→產(chǎn)物由催化劑表面脫附→產(chǎn)物離開催化劑表面向周圍擴散。

針對三元催化器內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)過程的機理，研究人員也做出了研究，Grigorios和Koltsakis建立了三元催化器的二維模型，提出了三元催化器發(fā)生的主要反應(yīng)［1］，基于的原理就是催化劑表面的反應(yīng)過程。三元催化器的反應(yīng)模型如下：

Daniel Chatterjee針對三元催化轉(zhuǎn)化器，提出了詳細(xì)的表面反應(yīng)機理，機理中包含了8種氣體組分、23種表面物質(zhì)和61個基元反應(yīng)［2］，用于模擬在包含鉑和銠貴金屬的三元催化器，可以查看CO、C3H6、O2、NO的轉(zhuǎn)化率情況，并與實驗結(jié)果相對照，有很高的吻合性。

2 模型建立與分析

目前計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，仿真技術(shù)在汽車設(shè)計制造、發(fā)動機及后處理技術(shù)中都得到廣泛應(yīng)用，通過與實驗數(shù)據(jù)的對比驗證，仿真技術(shù)的準(zhǔn)確性基本可以達到使用要求，大大縮短了研究周期，帶來極大方便。

FIRE是AVL公司開發(fā)的三維CFD軟件，能求解復(fù)雜的內(nèi)燃機缸內(nèi)流動和燃燒等現(xiàn)象，并在求解瞬態(tài)復(fù)雜流動方面有著自己的優(yōu)勢。后處理器三元催化器的三維仿真也可以在FIRE中實現(xiàn)，可得到從反應(yīng)起始時刻到平衡狀態(tài)整個過程的反應(yīng)參數(shù)，其中軟件所運用的反應(yīng)模型就是來自上文中所說的表面反應(yīng)機理。

首先在FIRE中建立三元催化器三維模型，見圖2，然后在FIRE主菜單中建立一個計算案例CaseTWC，通過子菜單設(shè)置反應(yīng)的初始參數(shù)，包括流入三元催化器的尾氣質(zhì)量流量、密度、溫度、氣體組分 （用質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示），再設(shè)置求解器的參數(shù)如收斂條件、差分計算方案、松弛因子、壓降模型等，在反應(yīng)模型中選擇TWC，并選擇相應(yīng)的反應(yīng)方程，最后進行仿真計算，程序設(shè)置過程中的部分截圖見圖3。

圖2 三元催化器三維模型

仿真計算結(jié)束后，計算結(jié)果可以導(dǎo)出或直接在軟件中查看，圖4是部分計算結(jié)果：其中左圖為催化劑載體隨反應(yīng)時間的溫度變化關(guān)系圖，右圖為CO的轉(zhuǎn)換率隨時間的變化關(guān)系圖。

圖3 三元催化器仿真設(shè)置圖

圖4 三元催化器仿真計算結(jié)果

3 總結(jié)

通過仿真計算得出的結(jié)果與實驗趨勢一致，本文可以為三元催化器建模提供基本的方法，為后續(xù)三元催化器仿真研究提供參考。