碩士學位論文 摘要 汽車尾氣污染給人類的生存環(huán)境造成了嚴重的威脅 車用三效催化轉(zhuǎn)化器是 一種有效的汽車排放污染控制設備 新三效催化轉(zhuǎn)化器的廢氣轉(zhuǎn)化效率可以達到 9 5 以上 但長期在惡劣環(huán)境下工作 導致三效催化轉(zhuǎn)化器老化 廢氣轉(zhuǎn)化效率下 降 因此研究三效催化轉(zhuǎn)化器的老化特性 對于確保三效催化轉(zhuǎn)化器長期高效穩(wěn) 定工作有著重要意義 本文研究了三效催化轉(zhuǎn)化器的老化機理包括催化劑的失活機理 著重分析了 高溫熱老化和化學中毒 從燒結(jié)速率以及反應速率兩方面對老化進行研究 考慮 到老化過程中催化反應活性的降低以及催化劑顆粒長大等因素 將老化特性參數(shù) 的變化規(guī)律與新三效催化轉(zhuǎn)化器反應模型相結(jié)合 建立了包含老化過程的三效催 化轉(zhuǎn)化器的老化特性模型 從而彌補了以往反應模型忽略老化因素的缺陷 在老化特性模型的基礎上 運用f l u e n t 軟件對三效催化轉(zhuǎn)化器的溫度場以及 氧濃度場進行了數(shù)值仿真 并運用m a t l a b 軟件對老化過程中三效催化轉(zhuǎn)化器老化 特性參數(shù)的變化情況進行計算 老化過程中 p t 顆粒平均直徑不斷增大 載體前 部受毒物中毒作用 p t 顆粒長大受抑制 載體中后部因高溫熱老化使p t 顆粒迅速 長大 化學反應活性降低 反應失活因子減小 且載體前部的反應失活因子最小 老化后廢氣轉(zhuǎn)化效率顯著下降 表明催化劑燒結(jié)和中毒是導致催化器失效的重要 因素 同時分析了擴張角 入口溫度和行駛里程對老化特性的影響 為催化轉(zhuǎn)化 器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改進提供了一定的依據(jù) 最后從油品 催化劑及其分布等方面提出了三效催化轉(zhuǎn)化器的抗老化措施 對開發(fā)滿足日益嚴格的耐久性要求的三效催化轉(zhuǎn)化器具有一定的借鑒作用 關(guān)鍵詞 三效催化轉(zhuǎn)化器 老化特性 數(shù)值仿真 影響因素 優(yōu)化 三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性數(shù)值仿真及優(yōu)化研究 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ee x h a u s tp o l l u t i o np o s e sag r a v et h r e a tt oh u m a ne n v i r o n m e n t a u t o m o t i v et h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e n e ri sa ne f k c t i v ed e v i c eo fc o n t r o l l i n ge x h a u s t p o u u t i o n f r e s hc a t a l y t i cc o n v e r t e r sc o n v e r s i o ne f n c i e n c yc a nr e a c hn i n e t y f i v e p e r c e n t t h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e ro f t e na g e sb e c a u s eo ft h el o n g t e r mw o r k i n gi n as e v e r ec o n d i t i o na n di t sc o n v e r s i o ne m c i e n c yd r o p sa tt h es a m et i m e t h e r e f o r e i ti s a b s o l u t e l yi m p o r t a n tt os t u d yt h ea g i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e r t oe n s u r el o n g t e r ms t e a d ya n de f f e c t i v eo p e r a t i o no ft h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e r a g i n gm e c h a n i s mo ft h r e e w a yc a t a l y t i c c o n v e r t e r i n c l u d i n g t h e c a t a l y s t d e a c t i v a t i o nm e c h a n i s mi ss t u d i e d t h e r m a la g i n ga n dp o i s o n i n ga r ee m p h a s i z e d a g i n gi ss t u d i e df r o ma s p e c t so fs i n t e rr a t ea n dr e a c t i o nr a t e c o n s i d e r i n gd r o p p i n go f c a t a l y t i cr e a c t i o na c t i v a t i o na n dg r o w i n go fp tp a r t i c l e s t h ea g i n gc h a r a c t e r i s t i cm o d e l i n c l u d i n ga g i n gp r o c e s so fc a t a l y t i cc o n v e r t e r i sc r e a t e db yc o m b i n i n g a g i n g c h a r a c t e s t i cp a r a m e t e r sa n df r e s hc o n v e r t e rr e a c t i o nm o d e l t h i sm o d e lc o m p e n s a t e s f o rt h ed e f i c i e n c yo fo l dr e a c t i o nm o d e lw h i c hn e g l e c t sa g i n ge f f e c t s b a s e do nt h em o d e l n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ea n do x y g e nf i e l d si s s i m u l a t e du s i n gf l u e n t a g i n gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e db ym a t l a b i na g i n gp r o c e s s p tp a r r t i c l e s m e a nd i a m e t e ri se n l a r g e d b u tp tp a r t i c l e s g r o w i n gi s i m p r e s s e di nt h ef r o n to fm o n o l i t hb e c a u s eo fp o i s o n i n ge f f e c t w h i l ei nt h em i d d l e a n db a c ko fm o n o l i t h p tp a r t i c l e sa r eg r o w i n gf o rt h e r m a ls i n t e r r e a c t i o na c t i v a t i o n d r o p sa f t e ra g i n g r e a c t i o nd e a c t i v a t i o nf a c t o rd e c r e a s e sa n di sm i n i m a li nt h ef r o n to f m o n o l i t h a l s oe x h a u s tc o n v e r s i o ne f h c i e n c yd r o p so b s e r v a b l y i ts h o w st h a tt h es i n t e r a n dp o i s o n i n go fc a t a l y s ta r et h em a j o rf h c t o r so fc o n v e r t e r sa g i n g t h ei m p a c t so f i n l e td i f f u s e r i n l e tt e m p e r a t u r ea n da g i n gm i l e a g eo n a g i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e n e ra r es t u d i e d t h i ss u p p l i e sc e r t a i nf b u n d a t i o nf b rt h e s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n dp e r f o m a n c ei m p r o v e m e n to ft h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e n e r a tl a s t a n t i a g i n gm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r df r o mt h ea s p e c t so fp e t r o l e u mq u a l i t y c o m p o s i t i o na n dd i s t r i b u t i o no fc a t a l y s t t h e s em e a s u r e sp r o v i d es o m er e f e r a b l ew a y s f o rt h ed e v e l o p m e n to ft h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e n e rw h i c hc a nm e e ti n c r e a s i n g l y s t r i n g e n td u r a b i l i t yr e q u i r e m e n t k e yw o r d s t h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e r a g i n gc h a r a c t e r i s t i c u m e r i c a i s i m u l a t i o n i m p a c tf a c t o r o p t i m i z a t i o n i i 碩十學位論文 插圖索引 圖2 1 三效催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)圖 9 圖2 2 催化劑與載體關(guān)系示意圖 1 0 圖2 3p t p d c e 催化劑0 2 吸附量隨老化溫度的變化情況 1 2 圖2 4 催化器的高溫失活形式 一1 2 圖2 5 鉛對p t 腳2 0 3 催化劑活性的影響 1 4 圖3 1 催化劑顆粒直徑分布示意圖 2 4 圖4 1 三效催化轉(zhuǎn)化器老化仿真步驟 2 9 圖4 2 三效催化轉(zhuǎn)化器網(wǎng)格模型 3 0 圖4 3 催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)溫度分布 3 3 圖4 4 進口截面及中間截面溫度分布 3 3 圖4 5 催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)氧濃度分布 3 4 圖4 6 進口截面及中間截面氧濃度分布 3 4 圖4 7 老化過程中p t 平均直徑分布圖 一3 7 圖4 8 老化過程失活因子分布圖 3 9 圖4 9 老化前后h c 轉(zhuǎn)化效率變化 4 0 圖4 1 0 老化前后c o 轉(zhuǎn)化效率變化 一4 0 圖4 1 1 化前后n 0 轉(zhuǎn)化效率變化 4 1 圖4 1 2 擴張角對p t 顆粒直徑的影響 4 2 圖4 1 3 溫度對p t 顆粒直徑的影響 一4 4 圖4 1 4 載體中部p t 顆粒平均直徑隨行駛里程的變化 4 4 圖4 1 5 失活因子隨行駛里程的變化 4 5 圖5 1 三效催化轉(zhuǎn)化器的空燃比特性 4 8 圖5 2 孔口毒化時最優(yōu)催化劑分布 5 2 三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性數(shù)值仿真及優(yōu)化研究 附表索引 表1 1 型試驗排放限值 2 表1 2 每循環(huán)的最高車速 5 表2 1 三效催化轉(zhuǎn)化器的老化機理 1 1 表2 2 燃油含硫量對三效催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率的影響 一1 5 表2 3 含氯量對催化劑性能的影響 1 5 表4 1 入口氣體成分 3 2 表5 1 稀土的加入對 2 0 3 表面積的影響 5 0 湖南大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取 得的研究成果 除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其 他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品 對本文的研究做出重要貢獻的個 人和集體 均已在文中以明確方式標明 本人完全意識到本聲明的法律后果 由本人承擔 作者簽名 搭甬日期 啊年 月舅日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留 使用學位論文的規(guī)定 同意學 校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版 允許論文被查 閱和借閱 本人授權(quán)湖南大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位 論文 本學位論文屬于 1 保密口 在年解密后適用本授權(quán)書 2 不保密團 請在以上相應方框內(nèi)打 作者簽 導師簽 日期 矽萬年弓月驢日 日期 出諺年3 月p 日 碩十學位論文 1 1 引言 第1 章緒論 自1 8 8 6 年誕生第一輛汽車以來 汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展 世界汽車保有量的增加 速度驚人 預計2 0 1 0 年之前 全世界機動車的數(shù)量可達到8 1 6 億輛 到2 0 5 0 年 全球?qū)碛? 0 億輛汽車 l 隨著全球汽車數(shù)量的劇增 我國汽車保有量也飛速增 長 2 0 0 1 年我國汽車保有量為1 8 0 2 萬輛 2 0 0 2 年汽車保有量增長至2 0 5 3 萬輛 2 0 0 6 年我國汽車保有量增長至3 8 5 0 萬輛 同比增長2 1 1 5 截至2 0 0 7 年6 月 我國機動車保有量已經(jīng)達到1 5 2 8 億輛 在未來幾年 隨著居民收入的提高 汽車 價格的下降和消費環(huán)境的改善 我國汽車保有量將繼續(xù)保持快速增長勢頭 年均 增長率將超過10 然而 汽車給社會帶來便利的同時也帶來了一個沉重的問題 汽車尾氣排放污染 人類的生存環(huán)境因此遭到了極大的危害 并日益加劇 汽車尾氣污染物主要包括 燃料不完全燃燒產(chǎn)生的一氧化碳 c o 未燃燒的 碳氫化合物 h c 氮氧化物 n 0 x 此外還有硫的氧化物 鉛的化合物 黑色微粒 煙霧和油霧 其中c 0 h c 和n 0 x 是汽車污染中主要的大氣污染成分 2 這些污染 物具有極大的危害 c o 是一種窒息性無色無臭有毒氣體 能迅速與血液中的血紅 素蛋白 h b 結(jié)合生成碳氧血紅蛋白 c o h b 使血液的輸氧能力大大降低 高 濃度的c o 能引起人體生理和病理上的變化 使心臟 頭腦等重要器官嚴重缺氧 引起頭暈 惡心 頭疼等癥狀 嚴重時會使心血管工作困難 直至死亡 h c 包括 未燃的和未完全燃燒的燃油 潤滑油及其裂解產(chǎn)物和部分氧化物 包括苯 烯等 2 0 0 多種復雜成分 除了會對植物造成傷害外 還會引起人體血液 呼吸道 皮膚 眼等疾病 其中某些有機成分更被證明是強致癌物質(zhì) 此外h c 還是引起光化學煙 霧的重要物質(zhì) n o x 是n o 及n 0 2 的總稱 n o 可造成中樞神經(jīng)的輕度故障 且與血 液中的血紅素的結(jié)合能力比c o 更強 n 0 2 對呼吸道有強烈的刺激作用 被吸入人 體血液中能與血紅素蛋白結(jié)合 損害心臟 肝 腎等器官 同時n 0 2 還會導致酸雨 和光化學煙霧 在水系中沉降會造成富營養(yǎng)化 3 隨著汽車使用增多 汽車排放己 經(jīng)成為大氣污染的主要根源 解決汽車排放對環(huán)境污染的危害 已成為世界各國 多年來研究的重要課題之一 為了控制汽車排放污染 保護人類賴以生存的自然環(huán)境 世界各國相繼頒布 了汽車排放標準體系 美國加州首先頒布了機動車排氣標準 隨即美聯(lián)邦也頒布 了聯(lián)邦標準 加州的標準相比聯(lián)邦標準更為嚴格 而且要早1 2 年 歐洲經(jīng)濟委員 會 e c e 從1 9 7 0 年開始對汽油車排氣污染物進行法規(guī)控制 1 9 8 2 年開始對柴油車的 三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性數(shù)值仿真及優(yōu)化研究 排氣污染物進行控制 2 0 0 0 年開始實施歐i i i 排放控制標準 2 0 0 5 年實施歐 排放 標準 2 0 0 9 年將實施歐v 排放標準 日本控制汽車排放的法規(guī)是從1 9 6 6 年起步的 基本上是效仿美國的控制歷程 但現(xiàn)在某些限值 如n o x 的控制比美國還要嚴格 我國從19 8 3 年開始 對機動車排放進行嚴格控制 相繼頒布了一系列排放法 規(guī) 1 9 9 9 年3 月1 日 原國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒布了國家標準g b1 4 7 6 1 19 9 9 汽車 排放污染物限值及測試方法 并于2 0 0 0 年1 月1 日開始實施 2 0 0 1 年4 月16 日 國 家環(huán)境保護總局和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布國家標準g b l 8 3 5 2 1 2 0 0 l 輕型汽車污染物排放限值及測量方法 i g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 輕型汽車污染物 排放限值及測量方法 i i 分別于2 0 0 1 年4 月1 6 日和2 0 0 4 年7 月1 日實施 相當于 歐i 歐i i 標準 2 0 0 5 年4 月 國家環(huán)保總局頒布了5 項機動車排放新標準 其中包 括g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 輕型汽車污染物排放限值及測量方法 中國i i i 階段 國i i i 標準從2 0 0 7 年7 月1 日實施 國 標準將于2 0 1 0 年7 月1 日實施 以上標準是參 照歐i i i 歐 標準建立的 具體見表1 1 表1 1 i 型試驗排放限值 限值 g k m 基準質(zhì)量 一氧化碳 碳氫化合 氮氧化物 碳氫化合物顆粒 r m c o 物和氮氧化物物 k g h c n o h c n o p m l 1l 2l 3l 2 l 3 l 4 階段類別級別汽油柴油汽油柴油汽油柴油汽油柴油柴油 第一類車全部2 3 0 0 6 4 o 2 00 1 5 0 5 0o 5 6o 0 5 0 i i r m s l 3 0 52 3 00 6 4 o 2 0 0 1 5 o 5 0o 5 60 0 5 0 第二類車 i i1 3 0 5 r m s l 7 6 04 1 7 o 8 0 0 2 5 0 1 8 o 6 50 7 2 0 0 7 0 i i i 1 7 6 0 r m5 2 2 o 9 5 0 2 90 2 lo 7 80 8 6 0 1 0 0 第一類車 全部1 0 0o 5 0o 1 0 0 0 8 o 2 5o 3 0 0 0 2 5 i r m s l 3 0 5 1 0 0o 5 0 o 1 00 0 8 o 2 50 3 0 0 0 2 5 第二類車i i 1 3 0 5 r m 冬1 7 6 01 8 10 6 30 1 3o 1 0 o 3 3 0 3 90 0 4 0 i i i 1 7 6 0 崔純藕顆粒燒結(jié)速率戳及反疲速率是研究老純豹兩個主要方面 老純過 程中 p t 顆粒的平均直徑將隨著氧濃度 催化劑溫度和磷濃度變化而變化 反應 失活因子的變化劉與p t 顆粒謄徑和磷濃度有關(guān) 在新三效催純轉(zhuǎn)化器反應模型基 礎上 結(jié)合老化過程中豹主要特性參數(shù) 包括p 顙粒平均蹇徑 化學反應失活送 予以及儲放氧反應失活因子 的變化規(guī)律 建立了包含老化過程的三效催化轉(zhuǎn)化 器酶愛廒模型 完善了以往忽略三效麓純轉(zhuǎn)化器老化因素熬反纛模型 雋進一步 研究其老化特性提供了理論支持 碩士學位論文 第4 章三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性數(shù)值計算 基于老化機理所建立的老化特性模型 為研究三效催化轉(zhuǎn)化器在老化過程中 各主要特性參數(shù)的變化提供了合理的方法和依據(jù) 本章正是通過在第3 章中所建 立的老化特性模型進行數(shù)值計算 得出老化過程中p t 顆粒平均直徑的變化情況以 及反應失活因子的變化情況 并且對影響三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性的幾個主要因 素 擴張角 入口溫度以及行駛里程 展開了詳細的研究 為其性能優(yōu)化提供了 一定的借鑒 4 1 老化特性數(shù)值仿真的整體步驟 由三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性模型可以知道 需要先計算出三效催化轉(zhuǎn)化器的 溫度場及氧濃度場 然后在此基礎上進一步計算出老化特性參數(shù) 因此 整個數(shù) 值計算過程主要包括老化過程中溫度 氧濃度計算以及老化特性參數(shù)計算這兩個 部分 三效催化轉(zhuǎn)化器的老化特性數(shù)值仿真的整體過程如圖4 1 所示 首先以新三效 催化轉(zhuǎn)化器的貴金屬催化劑鉑 p t 顆粒平均直徑d o 反應速率r f r h 為初始條件 通過對包含老化過程的三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性模型進行第一次老化 1 0 0 0 0 k m 仿真計算 得到三效催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的溫度及氧濃度的分布 然后根據(jù)老化特性參 數(shù)計算公式計算第一次老化仿真的鉑 p t 顆粒平均直徑d l 反應速率r l 再以 第一次計算得出的仿真結(jié)果作為第二次仿真計算的初始值 從而得到第二次老化 仿真的鉑 p t 顆粒平均直徑d 2 反應速率r 2 以此類推 便可對整個老化過程 1 0 0 0 0 0 k m 進行仿真 從而得出老化過程中鉑 p t 顆粒平均直徑以及反應速 廠 i 新三效催l l 化轉(zhuǎn)化器l i 一 一圈一圈一 一圜 新三效倦化轉(zhuǎn)化器 p t 顆粒直徑l l 反應速率l 仿真上 匿團圖 i 氧濃度 il 反應速率l l 二r l 圖三醫(yī)蜀 l 反應速率i l氧濃度i 圖4 1 三效催化轉(zhuǎn)化器老化仿真步驟 p t 顆粒直徑l l 反應速率l 仿真l 溫度 l l 氧濃度 i 三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性數(shù)值仿真及優(yōu)化研究 率的變化情況 根據(jù)所建老化特性模型 其中反應速率的變化可用反應失活因子 的變化來加以描述 4 2 三效催化轉(zhuǎn)化器溫度場及氧濃度場仿真計算 4 2 1 建立幾何模型 模擬計算時 結(jié)合已建立的傳熱傳質(zhì)模型和包含老化過程的反應模型 可以 得到三效催化轉(zhuǎn)化器溫度場及氧濃度場的分布情況 本文采用f l u e n t 軟件進行 求解計算 f l u e n t 軟件是用于模擬流體流動 傳熱傳質(zhì) 化學反應和其它復雜的物理 現(xiàn)象的一種c f d 軟件 它包括前處理器 求解器和后處理器三個部分 3 2 1 1 前處理器 g a m b i t 用于網(wǎng)格的生成 是f l u e n t 的專有c f d 前處理器 另外 t g r i d 和f i l t e r s 是獨立于f l u e n t 的前處理器 2 求解器 它是流體計算的核心 主要有f l u e n t 4 5 f l u e n t 5 6 f l u e n t 6 2 1 6 f i d a p 等類別 3 后處理器 f l u e n t 軟件本身就附帶有強大的后處理功能 另外 t e c p l o t 也是一款比較專業(yè)的后處理器 對于數(shù)據(jù)要求比較高的用戶是一個理想的選擇 本次仿真中 三效催化轉(zhuǎn)化器的基本參數(shù)為 入口管 出口管均為 5 0 2 0 的圓管 入口擴張管與出口收縮管的錐角均為4 5 0 載體為常用的圓柱形蜂窩陶瓷 載體 孔密度為4 0 0 c p i 長為1 5 0 m m 寬為1 1 0 m m 載體上涂覆的催化劑為p t 和r h 兩者的質(zhì)量比是5 1 由于三效催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)較為簡單 因此直接在f l u e n t 專有的前置處理 器g a m b i t 中建立三效催化轉(zhuǎn)化器的幾何模型 并進行網(wǎng)格的劃分以及邊界類型 的設置 如圖4 2 所示 圖4 2 三效催化轉(zhuǎn)化器網(wǎng)格模型 4 2 2 模型求解 在f l u e n t 5 6 中 讀入己建立的網(wǎng)格文件 并進行求解條件的設置 具體步 碩十學位論文 驟如下 1 檢查網(wǎng)格 點擊g r i d c h e c k 對網(wǎng)格文件進行檢查 看是否存在網(wǎng)格體積為負的單元 如果m i n i m u mv o l u m e 小于0 那么對應的網(wǎng)格就不能用于計算 此時就需要修復 網(wǎng)格 2 設置計算區(qū)域尺寸 打開g r i d s c a l e 對計算區(qū)域的尺寸進行設置 f l u e n t 默認的單位是m 由于本文在g a m b i t 建立幾何模型時采用的單位是m m 所以要通過設置比例因 子 進行單位縮放 3 選擇計算模型 打開菜單d e f i n e m o d e l s s o l v e r 設置求解方法 f l u e n t 提供分離解 隱 式耦合解 顯式耦合解三種求解方法 本文中 由于氣體在孔道中的流動速度很 慢 故可近似看作是不可壓流 對于不可壓縮流體流動 適用分離求解方法 此 外 三效催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)還存在有氣體組分和載體壁面間的傳熱傳質(zhì)以及化學反應 需要求解溫度場和濃度場 這就需用到其他的模型 包括傳熱模型和反應模型 所以應選擇以下的菜單項 d e f i n e m o d e l s e n e r g y 考慮傳熱 d e n n e m o d e l s s p e c i e s 反應及其傳質(zhì) 4 操作環(huán)境的設置 打開d e n n e 0 p e r a t i o nc o n d i t i o n s 對話框 設置操作環(huán)境 其中o p e r a t i n g p r e s s u r e 為周圍環(huán)境壓強 即工作環(huán)境壓強 設壓力值為1 0 1 3 2 5 p a 本模型中不 考慮重力影響 因此不需選擇g r a v i t y 5 定義材料的物理性質(zhì) 打開菜單d e 丘n e m a t e r i a l s 在材料面板中輸入各氣相組分和固相物質(zhì)的相關(guān) 物理參數(shù) 主要包括密度 粘性 比熱容 熱傳導系數(shù) 質(zhì)量擴散系數(shù) 標準狀 態(tài)焓等 可從f l u e n t 自帶的材料數(shù)據(jù)庫中調(diào)出相應物質(zhì)的物理參數(shù) 對于數(shù)據(jù) 庫中沒有的材料 需要創(chuàng)建新的材料類型 6 設置邊界條件 打開菜單d e n n e b o u n d a r y c o n d i t i o n 設定邊界條件 本文中 由于在 g a m b i t 建立幾何模型時已經(jīng)定義了模型的邊界條件類型 因此 此時只需要對 各個邊界設定邊界條件值 包括入口速度大小與方向 入口溫度 入口氣體的質(zhì) 量分數(shù) 出口的壓力和出口氣體的質(zhì)量分數(shù) 壁面溫度 壁厚 壓力 導熱系數(shù) 等 仿真初始 進入三效催化轉(zhuǎn)化器的氣體成分如表4 1 所示 3 1 三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性數(shù)值仿真及優(yōu)化研究 表4 1 入口氣體成分 組分體積分數(shù) c o 1 6 0 2 4 3 c 3 h 6 o 2 5 c h 4 0 2 5 n o 0 1 h 2 o 2 3 c 0 2 1 0 n 2 8 3 2 7 7 求解方法設置 打開菜單s o l v e c o n t r o l s s o l u t i o n 為了保證求解收斂 在迭代過程中對各 化學反應組分的求解變量采用變化范圍為0 1 0 2 的弱欠松弛因子 對于其他方程 則保持中等偏大的欠松弛因子 4 3 溫度場及氧濃度場計算結(jié)果及分析 通過計算 得到三效催化轉(zhuǎn)化器老化后溫度場以及氧濃度場的分布 結(jié)果如 圖4 3 一圖4 6 所示 為了清楚地描述溫度在軸向的變化情況 又考慮到三效催化轉(zhuǎn)化器的軸對稱 性 這里選取垂直入口面的軸向中心截面作為分析平面 如圖4 3 所示 從圖上可 看出在9 0 0 0 0 k m l 0 0 0 0 0 k m 這個階段 載體溫度在軸向逐漸升高 并且在載體前 部 溫度上升很快 這是因為氣流從入口管流入載體前端 在處于載體壁面的催 化劑作用下即進行催化反應 同時放出的大量反應熱 使載體前端的溫度立即升 高 所以前端溫度明顯高出進口段溫度 載體中后部 催化反應繼續(xù)進行 反應 熱使載體溫度進一步升高 同時氣流把從上游帶來的熱量傳至下游 加上后部的 反應放熱 使得溫度繼續(xù)上升 但上升速度逐漸變得緩慢 為了更清楚地了解溫度在徑向的分布情況 選取了兩個特殊截面 一個是載 體前端面 另一個是載體中心截面 如圖4 4 所示 從圖中能夠看出 溫度在徑向 也存在一定變化 在載體入口端面上 溫度的徑向變化不十分明顯 只是在緊貼 壁面的一個薄層溫度有所下降 其余部分溫度比邊緣高 并且徑向的溫度變化很 小 這說明在載體前端面 化學反應速率的變化小 在載體徑向上的熱傳導較弱 相比載體入口端面 載體中心截面溫度的變化較為明顯 除中心區(qū)域溫度變化不 大外 在靠近壁面附近較大區(qū)域內(nèi)溫度下降很快 表明邊緣區(qū)域除了在徑向的熱 傳導加強外 化學反應速率也比中心區(qū)域小 反應放熱量減少 3 2 三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性數(shù)值仿真及優(yōu)化研究 區(qū)域外 其余部分氧濃度變化也不大 說明化學反應在邊緣處開始減弱 在其他 部分反應速率相近 這與溫度場變化情況比較吻合 圖4 5 催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)氧濃度分布 9 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 k m 圖4 6 進口截面及中間截面氧濃度分布 體積分數(shù) 4 4 老化特性參數(shù)計算結(jié)果及分析 4 4 1p t 顆粒直徑變化 由于本文重點研究三效催化轉(zhuǎn)化器的老化特性 因此 下面對老化特性參數(shù) 進行了詳細的研究 根據(jù)式 3 3 8 可以得到p t 顆粒平均直徑的變化情況 本文 采用m a t l a b 軟件對此進行了數(shù)值計算 計算結(jié)果如圖4 7 所示 從圖4 7a 可以看到 10 0 0 0 k m 老化里程后 由于 眩 會 會 吆窨 齜砌伽掀訛掀掀棚撒蝴撇毫 眥棚齜眥眥m掀眥掀弧協(xié)濰濰 妣紈咻咻 濰協(xié)瓣啡濰風 協(xié)挑協(xié) 4 4 4 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 t l 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 裟囂盎簍簍簍蘭墨篡蠹掀 溉協(xié)泓m m洳 孫 協(xié) 毫咻啪仇 協(xié) 亳協(xié) 4 4 4 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 磧士學位論文 中心部分的催化劑溫度比周圍其他部分催化劑溫度要高 受熱老化的影響也較大 因此 中心部分的p t 顆粒平均直徑相比周圍其他部位的稍有增大 而p t 顆粒直徑 在軸向基本沒有變化 說明此時三效催化轉(zhuǎn)化器的軸向老化程度變化不大 圖4 7b 中 三效催化轉(zhuǎn)化器在2 0 0 0 0 k m 后 老化有所加重 位于載體截面 各位置的p t 顆粒平均直徑相比1 0 0 0 0 k m 時均有增大 中心部分p t 顆粒直徑的仍 然比周圍部分的p t 顆粒直徑大 而且中心區(qū)域相比l 0 0 0 0 k m 時有所擴大 但是在 軸向上 前部p t 顆粒直徑比中后部p t 顆粒直徑小 這是由于前部的毒物沉積量增 加 使得此處的p t 顆粒直徑增大受到抑制作用 因而前部的p t 顆粒小于中后部的 p t 顆粒 隨著行駛里程繼續(xù)增大到3 0 0 0 0 l i n 5 0 0 0 0 虹后 p t 顆粒直徑繼續(xù)增大 如 圖4 7c 及圖4 7d 所示 但是前部的增大量明顯小于中后部的增大量 表明此 時前部催化劑顆粒受毒物中毒的影響更加嚴重了 p t 顆粒受抑制的作用也隨之進 一步加大 載體中部 由于反應劇烈 放出大量反應熱 溫度上升快 后部反應 雖然比中部弱 但由于受到排氣氣流從前部和中部帶來的熱量的加熱 繼續(xù)保持 較高溫度 隨著行駛里程繼續(xù)增加 老化程度進一步加深 p t 顆粒直徑繼續(xù)增大 但增大的速度降低了 尤其是載體前部 由于毒物沉積量的繼續(xù)增大 毒物中毒 對催化劑顆粒長大的抑制作用更加顯著 1 0 0 0 0 0 k m 后 載體前部的p t 顆粒直徑并沒有明顯的增大 如圖4 7e 所示 相比5 0 0 0 0 k m 只是大了1 0 一3 0 a 載體中后部的p t 顆粒直徑增大的速度也明顯 下降 從5 0 0 0 0 k m 到1 0 0 0 0 0 k m 最大的增加量也僅為1 4 0 a 左右 說明在 5 0 0 0 0 k m 1 0 0 0 0 0 k m 老化過程中 催化劑老化速度相比1 0 0 0 0 k m 5 0 0 0 0 k m 有所下 降 矧a i 叭e c i i n fm n o 把h m m 叩 0 a mj 帥e c t i o n fm o n 口l i s hm m a 1 0 0 0 0 k m 老化p t 顆粒平均直徑分布圖 3 5 爨一 三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性數(shù)值仿真及優(yōu)化研究 1 5 0 1 印 f g u r 匝p fd i a m e l 盯 1 5 0 r a d 酬d i m c t i o no f m o n o i i s h m m 翹 0 a x i a id i r e c t i o no fm o n o i i s h m m 1 卯 0 0 b 2 0 0 0 0 k m 老化p t 顆粒平均直徑分布圖 f i g u mp td i a m e t e o 1 5 0 玨 7 0 6 5 兩 陽d f a i d 怕c t i o no f m o n o i i s h m m 0 a x i 利d l r e c t i o no f m o n a i i 8 hm m 1 卯 1 c 3 0 0 0 0 k m 老化p t 顆粒平均直徑分布圖 f 岣u r e p ld i a m e t e r 1 卯 陽d l a ld 舊c i l o no f m o n 枷s h m m 0 a x i a i 曲e c l i o no fm o n o i l 8 h m m d 5 0 0 0 0 k m 老化p t 顆粒平均直徑分布圖 碩士學位論文 e 1 0 0 0 0 0 k m 老化p t 顆粒平均直徑分布圖 圖4 7 老化過程中p t 平均直徑分布圖 單位 a 4 4 2 失活因子變化 催化劑的失活作為三效催化轉(zhuǎn)化器老化的一個重要原因 不但使催化反應活 性下降 廢氣轉(zhuǎn)化效率降低 而且還會縮短三效催化轉(zhuǎn)化器的使用壽命 因此 很有必要對催化劑失活進行一定的計算及分析 第3 章的老化特性模型表明 失 活因子可用來衡量催化劑的失活情況 進而可了解老化過程中化學反應的活性變 化情況 這也是分析三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性的重要途徑 對于新三效催化轉(zhuǎn)化 器 規(guī)定失活因子為1 老化后 失活因子 1 在已經(jīng)計算得出的p t 顆粒平均直徑的基礎上 按照式 3 4 0 計算 可得到 老化過程中失活因子的變化情況 結(jié)果如圖4 8 所示 圖4 8a 中 行駛里程1 0 0 0 0 k m 時 從徑向看 載體中部失活因子比周圍其 他部分的小 這主要因為載體中部的溫度比周邊區(qū)域的溫度高 化學反應較劇烈 所以熱老化程度稍深 從軸向看 失活因子在載體前部要小于載體中后部 這是 由于老化過程中 催化劑除受高溫熱老化的影響之外 還要受毒物中毒的影響 而載體前部 毒物沉積量大 中毒程度比中后部要深 失活因子減小很快 而載 體中后部 毒物的沉積量較小 失活因子在軸向的變化相比載體前部要小 圖4 8b d 中 隨行駛里程的增加 從2 0 0 0 0 k m 到5 0 0 0 0 k m 過程中 老 化程度繼續(xù)加重 失活因子很快減小 載體前部 失活因子仍然受到毒物中毒的 影響而變小 而載體中后部 失活因子則由于催化劑的高溫熱老化而減小 此外 還可以發(fā)現(xiàn) 隨著行駛里程的增加 失活因子沿軸向分布越來越平坦 這表示失 活因子在軸向減小的速度逐漸降低 即中毒以及熱失活速度逐漸下降 圖4 8e 中 1 0 0 0 0 0 k m 時 失活因子比5 0 0 0 0 k m 時減小了一個數(shù)量級 中 毒老化進一步加深 在載體后部的靠近壁面的區(qū)域失活因子最大 表明此處催化 三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性數(shù)值仿真及優(yōu)化研究 劑中毒老化程度較輕 化學活性的下降較小 三效催化轉(zhuǎn)化器老化的程度較輕 0 0 5 0 0 4 5 00 4 00 3 5 0 00 2 5 0 0 2 f i g u r e d f t w c 1 5 口 r a d 館id l r e c t i o no fm o n o l i s h m m 6 00 a x i a id i r e c t j o no fm o n o i i s hm m 0 0 4 0 0 3 s 0 0 3 0 0 2 5 0 0 2 0 0 1 5 0 0 1 a 1 0 0 0 0 k m 老化失活因子分布圖 f l g u r e d f t w c 1 5 0 r a 嘶a ld i r e c t i o no f m o n oj j 8 h m m 日10 ax j a id i r e c t i o no f m o n o l i s h m m 00 4 0 5 0 陽 0 0 2 5 0 0 2 00 1 5 0 0 1 印 b 2 0 0 0 0 k m 老化失活因子分布圖 f i 口u r ed f t w c 1 5 0 陽d ia ld i r e c t i o no fm o n o s h m m e 婦0 a x i a id i 悖c t i o n o fm o n o i i s hm m c 3 0 0 0 0 k m 老化失活因于分布圖 0 4 0 0 3 6 0 3 4 0 3 2 0 3 0 2 3 0 2 1 0 1 9 0 1 8 0 1 7 曬 啪 時 嚨 瞄 叫 啦 嘣 侖 碩士學位論文 d 5 0 0 0 0 k m 老化失活因子分布圖 一 e 1 0 0 0 0 0 k m 老化失活因子分布圖 圖4 8 老化過程失活因子分布圖 4 4 3 轉(zhuǎn)化效率的變化 h c c o n o x 的轉(zhuǎn)化效率是三效催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的主要性能指標之一 轉(zhuǎn) 化效率的高低直接決定了整個系統(tǒng)性能的好壞 一般來說 三效催化轉(zhuǎn)化器對三 種氣體的轉(zhuǎn)化效率應不低于7 0 8 0 一般新的或性能較好的后處理系統(tǒng) 廢氣 的轉(zhuǎn)化效率往往可以達到9 5 以上 根據(jù)對三效催化轉(zhuǎn)化器老化過程的分析 進 一步進行數(shù)值計算 得到老化前后三效催化轉(zhuǎn)化器起燃特性的變化 圖4 9 圖4 1 1 為三效催化轉(zhuǎn)化器老化前與老化后 1 0 0 0 0 0 k m 的h c c o n o x 三種氣體轉(zhuǎn)化效率的對比 并與文獻 3 0 中的實驗數(shù)據(jù)進行比較 從圖中可以 看到 轉(zhuǎn)化效率仿真值與實驗值基本相符 老化前 h c c o n o x 三種氣體均 三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性數(shù)值仿真及優(yōu)化研究 在3 0 s 左右達到起燃 老化后 則在8 0 s 左右起燃 可見 起燃時間明顯變長 另 外一方面 轉(zhuǎn)化效率也發(fā)生了明顯變化 老化后三種氣體的轉(zhuǎn)化效率低于7 0 比新三效催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率下降了2 0 以上 根據(jù)前兩條中得到的p t 顆粒平 均直徑及失活因子的變化趨勢 可以大致估計1 0 0 0 0 0 k m 時p t 顆粒的平均直徑在 3 0 0a 左右 而失活因子約為0 0 1 5 左右 此時三效催化轉(zhuǎn)化器的廢氣凈化能力已 經(jīng)不能達到排放法規(guī)的規(guī)定要求 需要進行更換 由此可見 化學反應速率的減 小 催化劑的中毒 催化劑顆粒的增大等因素 對三效催化轉(zhuǎn)化器的老化特性有 著顯著的影響 寥 v 得 樓 睪 霉 o 02 0 08 08 010 01 2 0 圖4 9 老化前后h c 轉(zhuǎn)化效率變化 02 0 o6 0日010 0 2 0 時問 s 圖4 1 0 老化前后c 0 轉(zhuǎn)化效率變化 加 加 如 如 伯 0 參v哥櫻暈睪睪q工 碩士學位論文 6 08 01 0 0 2 0 圖4 1 1 老化前后n o 轉(zhuǎn)化效率變化 4 5 三效催化轉(zhuǎn)化器老化影響因素研究 影響三效催化轉(zhuǎn)化器的老化特性的因素有很多 總的來說可以分為兩類 一 類是外因 主要是指三效催化轉(zhuǎn)化器的工作環(huán)境 包括溫度 氧濃度 氣流速度 等因素 另一類是內(nèi)因 主要包括催化劑本身的性能 三效催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu) 載體的結(jié)構(gòu)等等 本節(jié)從擴張角 入口溫度 老化里程對三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性的影響進行 討論 研究老化特性參數(shù) p t 顆粒平均直徑或反應失活因子 隨上述影響因素的 變化情況 4 5 1 擴張角對老化的影響 三效催化轉(zhuǎn)化器的擴張角是三效催化轉(zhuǎn)化器設計中的一個重要的參數(shù) 研究 表明 隨著擴張角從小角度增大時 將對流速分布 壓力損失和發(fā)動機性能產(chǎn)生 很大的影響 弓4 1 較小的擴張角 有利于流速的均勻分布 本文對相同入口溫度而擴張角分別為4 5 0 和6 0 0 兩種情況下的三效催化轉(zhuǎn)化器 老化特性參數(shù)進行比較 如圖4 1 2 所示 從圖中可以看到 擴張角不同 p t 顆粒 的平均直徑的變化大體上差別不十分明顯 p t 顆粒直徑大小變化范圍相近 沿載 體軸向 兩者變化基本一致 只有在徑向 4 5 0 擴張角時 除了靠近邊緣部分載體 的p t 顆粒直徑有較大的變化外 中間大部分區(qū)域的p t 顆粒直徑基本不變 6 0 0 擴 張角時 載體中間部分p t 微粒直徑也存在從兩側(cè)向中心逐漸增大的趨勢 這種差 異是由于隨著擴張角的增大 流速分布不均勻性增大 徑向速度梯度增大 溫度 梯度也隨之增大的原因造成的 所以 減小擴張角 改善三效催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)流速 分布均勻的同時 也可使載體徑向上催化劑的利用率盡量相近 老化受損情況盡 可能保持均勻 從而在一定程度上減輕三效催化轉(zhuǎn)化器的老化程度 4 1 陽 加 0 冰v瓣 暈 毒oz 三效催化轉(zhuǎn)化器老化特性數(shù)值仿真及優(yōu)化研究 a d 情id 怕c t t o no fm d n o i i 毒l h 嗍 0零 a x j 耐d 打 c t i o no f m o n 酬t h m n a 4 5 擴張角時p t 顆粒直徑分布 卜q 3 蕾 b 6 0 0 擴張角時p t 顆粒直徑分布 圖4 1 2 擴張角對p t 顆粒直徑的影響 單位 a 4 5 2 溫度對老化的影響 高溫熱老化是三效催化轉(zhuǎn)化器的主要老化方式之一 溫度的高低直接影響了 催化劑的使用壽命 長期處于高溫環(huán)境下工作的催化劑易產(chǎn)生失活 系統(tǒng)的廢氣 轉(zhuǎn)化效率下降 所以考察溫度對三效催化轉(zhuǎn)化器老化的影響是很有必要的 本文 分別對三效催化轉(zhuǎn)化器入口溫度為8 0 0 k 9 0 0 k 1 0 0 0 k 進行數(shù)值計算 得出p t 顆粒直徑的分布情況 圖4 1 3 為擴張角一定時 入口溫度為8 0 0 k 9 0 0 k 1 0 0 0 k 的p t 顆粒直徑的分布 比較 從圖中可以看出 同一擴張角的三效催化轉(zhuǎn)化器 隨著入口溫度的升高 p t 顆粒直徑增大 位于相同載體位置的p t 顆粒 入口溫度9 0 0 k 比8 0 0 k 時的平均直 徑約大5 0 a 左右