三元催化器建模與分析

賈傳德

（廣西理工職業技術學院，廣西 崇左 532200）

三元催化轉換器是汽油機控制CO、HC、NOx排放必不可少的裝置，安裝在排氣管中，隨著環保要求的日益嚴格，現代汽車都安裝了三元催化器。三元催化轉換器的結構見圖1，它是一個在瞬態環境下工作的反應器，載體多為蜂窩狀耐高溫陶瓷，在幾秒鐘之內流經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。目前燃油管理系統的閉環控制提出了更嚴格的要求，需要知道氣體成分在不到一秒鐘的瞬態變化。

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參加反應，而汽車尾氣中的CO、HC、NOx均為氣態，因此反應中是在固體催化劑表面發生反應，基本步驟有：反應物向催化劑表面的擴散→反應物在催化劑表面的吸附→被吸附的反應物在催化劑表面相互作用→產物由催化劑表面脫附→產物離開催化劑表面向周圍擴散。

針對三元催化器內部的化學反應及反應過程的機理，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生的主要反應［1］，基于的原理就是催化劑表面的反應過程。三元催化器的反應模型如下：

Daniel Chatterjee針對三元催化轉化器，提出了詳細的表面反應機理，機理中包含了8種氣體組分、23種表面物質和61個基元反應［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的轉化率情況，并與實驗結果相對照，有很高的吻合性。

2 模型建立與分析

目前計算機技術的迅速發展，仿真技術在汽車設計制造、發動機及后處理技術中都得到廣泛應用，通過與實驗數據的對比驗證，仿真技術的準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公司開發的三維CFD軟件，能求解復雜的內燃機缸內流動和燃燒等現象，并在求解瞬態復雜流動方面有著自己的優勢。后處理器三元催化器的三維仿真也可以在FIRE中實現，可得到從反應起始時刻到平衡狀態整個過程的反應參數，其中軟件所運用的反應模型就是來自上文中所說的表面反應機理。

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，通過子菜單設置反應的初始參數，包括流入三元催化器的尾氣質量流量、密度、溫度、氣體組分 （用質量分數來表示），再設置求解器的參數如收斂條件、差分計算方案、松弛因子、壓降模型等，在反應模型中選擇TWC，并選擇相應的反應方程，最后進行仿真計算，程序設置過程中的部分截圖見圖3。

圖2 三元催化器三維模型

仿真計算結束后，計算結果可以導出或直接在軟件中查看，圖4是部分計算結果：其中左圖為催化劑載體隨反應時間的溫度變化關系圖，右圖為CO的轉換率隨時間的變化關系圖。

圖3 三元催化器仿真設置圖

圖4 三元催化器仿真計算結果

3 總結

通過仿真計算得出的結果與實驗趨勢一致，本文可以為三元催化器建模提供基本的方法，為后續三元催化器仿真研究提供參考。