车用催化转化器起燃特性的数值模拟

高伟，孙希

（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北 十堰 442002）

车用催化转化器起燃特性的数值模拟

高伟，孙希

（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北 十堰 442002）

利用ANSYS Workbench软件建立某催化转化器载体单孔道二维几何模型及有限元模型，在FLUENT软件中，采用层流有限速率湍流模型，对其起燃特性进行了数值模拟，分析了载体内温度、流速、压力及尾气各气体组分的变化过程，基本上反映了催化转化器起燃过程的实际情况，所得到的速度场、温度场、压力场和各组分质量分数分布图趋势均正确合理。在此基础上，分析了载体参数对催化转化器起燃特性和转化效率的影响，并对载体入口速度和温度进行了优化设计。结果表明，尾气各气体转化率随着入口温度的增加而增加，当入口速度增加时，尾气各气体转化率先增加后减小。

催化转化器；起燃特性；数值模拟

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.033

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-97-05

引言

随着汽车产业的不断发展，全球汽车保有量逐年递增，汽车在给人类带来交通便利和社会繁荣的同时，也给环境带来了很大的危害，汽车尾气对大气的污染已经成为一个全球性的问题。据统计，汽车排气污染占大气污染的50%左右。在汽车排气管路上安装催化转化器是降低汽车排气污染浓度的最有效的措施之一[1]。在新的欧洲测试循环和美国的FTP-75测试循环中，汽车冷启动期间（200秒左右）的废气排放占整个测试循环的60%～80%[2]。因此，如何减少冷启动排放是满足将来排放法规的关键，改善起燃特性至关重要。

催化转化器内部流动非常复杂（包括传热、传质和化学反应等现象），由于催化转化器内部结构复杂和工作环境恶劣，故对催化转化器性能进行设计和优化比较困难。此外，依靠试验的方法来设计和优化催化转化器要耗费大量的时间、人力和物力。随着计算机技术的迅猛发展，通过计算流体动力学（CFD）方法对催化转化器性能进行数值模拟，因其成本低、计算精度接近试验、周期短等优点，CFD分析正被越来越多地应用到催化转化器的性能研究中。

1、载体单孔道传热传质数学模型

1.1模型假设条件

汽车尾气在催化转化器中的流动，实际上是通过载体蜂窝孔道的流动，载体内所发生的传热传质现象可用管道的传热传质方程来描述，模型的建立基于以下假设条件[3]：

1）载体孔道中的雷诺数一般在<1000范围内变化，因而假设催化转化器载体孔道中的气体流动为层流；

2）假设载体各孔道内流动状态相同，即忽略气流在载体前端面的不均匀分布，并假设载体各孔道之间没有质量和热量传递， 各孔道几何形状相同，又因为催化化学反应只发生在有催化剂涂覆的载体区域，所以采用载体单孔道几何模型来代替整个催化转化器进行起燃特性数值仿真；

3）忽略载体单孔道入口处各物理量随时间的变化，即入口物理量为常数；

4）假设催化化学反应只发生在孔道壁面上，忽略发生在排气气流中的体积化学反应，即采用壁面表面化学反应模型进行数值仿真。

1.2载体单孔道传热传质模型控制方程

基于上述假设条件，载体单孔道传热传质模型控制方程如下[4]：

1）气相质量守恒方程

2）气相能量守恒方程

式中，k 代表各参与反应的气体组份；t 为时间，s；x为轴向坐标，m；ρg为排气密度，kg /m3；ug为排气沿轴向的速度分量，m /s；Cp,g为排气定压比热，J /( kg·K)；ε为载体开口率；Tg为排气温度，K；Ts为载体壁面温度，K；h为排气与载体壁面间的传热系数， W /( m2·K)；S为载体几何表面积，m2/m3；Cg,k为排气中k组份浓度，mol /m3；Cs,k为孔

道壁面k组份浓度，mol /m3；km,k为k组份传质系数，m /s。3）固相质量守恒方程

4）固相能量守恒方程

式中，k 代表处于吸附态的参与反应的各气体组份；ρs为载体密度，kg、m3；Cp,s为载体定压比热，J/( kg·K)；λx为载体轴向导热系数，W/( m·K)；α（x）为单位体积载体的催化剂内表面积，m2/m3；(-ΔH)k为第k个反应的反应热，J/mol；Rk为 k 组份的反应速率，mol /m3；n为发生化学反应的总数目。

2、化学反应数学模型

表1

由于汽油车冷启动时排放的氮氧化合物较少，故本文中不考虑。本文表面化学反应模型共考虑了 CO、CH4、H2、O2、H2O、CO2六种气体组分在催化转化器载体内发生的化学反应，模型中用CH4代替所有碳氢化合物，忽略其它碳氢化合物。该催化反应为多相催化反应，包括吸附、反应、脱附三个步骤，所以应包含大量的基元反应。本文采用的详细化学反应机理，考虑了六种气相物质、十一种表面组分（Pt(s)、O(s)、H(s)、H2O(s)、CO2(s)、CO(s)、CH2(s)、CH3(s)、OH(s)、CH(s)、C(s)，共31个基元反应，包括O2的离解吸附，CH、CO的非离解吸附，CO2、H2O的生成以及所有成分的脱附。表面反应主要考虑的是Pt/A12O3上的CH、CO的氧化反应，详细反应及其动力学参数见表1。

3、催化转化器起燃特性数值模拟

3.1数值求解方法

运用计算流体动力学Fluent软件求解上述控制方程。运用有限体积差分方法离散控制方程，对于稳态不可压缩流动，采用SIMPLE算法迭代运算，空间离散格式均选择二阶迎风格式。

3.2网格划分

催化转化器载体单个孔道的二维网格示意图如图1所示（由于模型长度过于狭长，该模型只取入口部分），由于结构的轴对称性，所以只需建立一半几何模型，该几何模型为矩形（1mm×156mm）。在进行网格的划分时，采用四边形结构化网格，为了更好地计算流场分布以及由化学反应引起的气体组分的浓度变化，在孔道入口和出口及壁面处进行了网格加密。

3.3边界条件

（1）进口边界条件

汽车的冷启动过程是一个复杂的非稳态过程，往往需要行驶很长一段距离后，发动机才处于一个比较稳定的状态，所以若要在数值模拟中完全真实模拟汽车发动机启动时催化转化器入口处的边界条件，目前还十分困难。本文将启动过程简化为定尾气流量、尾气各反应组分的浓度为常数。

表2 边界处组分质量分数设置

入口气体流速设为1.2m/s，温度为500K，排气组分如下表2所示。

（2）壁面边界条件

壁面为催化剂表面，固定无滑移，由于催化反应发生在壁面，壁面温度设为1290K。

3.4数值模拟结果分析

汽油车在冷启动阶段催化转化器载体的温升特性直接影响催化转化器的起燃特性，通过载体内的温度分布可以直观的了解载体的温升过程。由图2温度分布云图和图3温度轴向分布云图可知，在发动机冷起动过程中，由于壁面加热，壁面温度最高，当排气进入载体后，在向孔道出口流动的过程中不断与载体壁面发生热交换，导致气体温度升高，孔道上游壁面上的催化剂最先达到其起燃温度，先进行少量化学反应，反应放出大量的热，热量随排气向载体中心区域扩散，使得载体中心区域温升加快，这样又会加大径向上的温度梯度。随着载体中心区域温度的升高大量化学反应进行，当排气转化率达到50%时，说明达到了起燃温度。随后反应流向下游，由于化学反应放热和对流换热综合作用使高温区逐渐移向载体中后部，载体前端由于气体冷却，温度下降。当进气温度达到壁面温度时已经稳定，催化转化器开始稳态工作，此时载体上游的温度基本稳定，中部和下游温度的上升速度也减缓。排气在沿着孔道轴向流动的过程中，不断受到高温壁面的加热，大量的化学反应放热随气流输运到孔道下游并累积起来，使载体下游为高温区。

由图4流速分布云图可知，从载体径向观察，载体中心部分流速最高，且流速朝着壁面的方向逐渐减小，说明载体端面流速分布存在不均匀特性；流速轴向分布云图如图5所示，从载体轴向观察，随着化学反应的进行，温度升高，化学反应速率增加，从而使得载体内气体流速逐渐增加，随着化学反应趋于稳定后，流速下降直到达到稳定值。

由下图6压力分布云图可知：压力在催化转化器载体内层层递减，这是由于气体流经载体时，受到载体阻力造成的压力损失，从而压力逐渐下降。

由图7-10各气体组分的质量分数分布云图可知，冷起动开始阶段，催化剂处于未激活状态，孔道内几乎没有氧化还原反应发生，入口处各组份质量分数变化很小，转化效率也趋近于0；由于本文采用的是电加热催化剂，壁面温度最高，则靠近壁面的少量排气开始反应。随着载体内温度不断升高，达到催化剂的活化温度，使得化学反应得以发生，进出口处组份质量分数有显著的下降，转化效率不断升高，当转化效率基本均达到50%，约在0.04m，此时催化器开始起燃，化学反应剧烈进行，转化速率明显增加。由图11CH4质量分数的轴向分布图及图12CO的质量分数轴向分布图可以明显看出，沿着孔道轴向方向上排气组分的浓度呈下降趋势，在靠近孔道中部位置的组分浓度变化最大，可知催化转化器在稳态工作时，大部分的排气组分都是在载体孔道的中前部发生转化，之后就几乎没有进行转化了，逐渐趋于稳定状态，出口处各组份质量分数达到最小，即转化效率达到最高，其中CO与CH4最终稳定转化效率均约为95%。

催化转化器起燃过程的数值模拟分析了载体内温度流速压力及各组分的变化过程，基本上反映了催化转化器起燃过程的实际情况，所得到的速度场、温度场、浓度场和压力分布趋势均正确合理。

4、催化转化器起燃特性影响因素研究

催化转化器的起燃特性和转化效率一方面与排气的流动性质如流速、温度、气体组分组成以及流场分布有关；另一方面，载体的结构参数如载体长度、孔密度、孔道壁厚以及催化剂的分布对催化转化器的起燃特性和转化效率也有较大的影响。本文在载体结构参数及气体组分组成不变的情况下主要分析排气流速和排气温度对起燃特性和转化效率的影响。本文运用FLUENT软件对排气温度和排气速度进行了化优设计。

4.1排气温度对转化率的影响

催化转化器的活性表面作用是利用排气本身的热量激发的，其使用温度范围，以活化温度为下限。一般排气中有害成分的开始转化温度需要达到活化开始温度以上，一旦活化开始，催化床便因反应放热而自己保持高温。在冷启动阶段，冷启动的瞬态特性严重依赖于尾气流通过热传递加热转化器的初始加热过程，气流温度决定了传热速率，因此催化转化器入口排气温度是影响催化转化器起燃特性的一个决定性因素。由于化学反应速率是温度的非线性函数，而在载体内发生的氧化还原反应与温度密切相关，因此载体内温度的分布直接影响到催化转化器的转化效率。

由图13和14可以明确的看出，当入口温度大约为360K时，CH4和CO大约达到50%的转化率，说明催化转化器起燃温度为360K。因为入口温度越大，排气越快达到起燃温度，因而转化率越高，所以当入口温度增加时，无论是CH4还是CO的转化率均随着入口温度增加而呈非线性增加趋势。

4.2排气速度对转化率的影响

对于有效容积一定的催化转化器来说，排气速度的变化就代表了排气流量的变化，而排气流量的大小影响流体的Re 数，从而影响气固之间的对流换热，排气流量较大时，气固之间的对流换热系数亦加大，因而排气速度也是表征催化转化器起燃特性的重要参数之一。

在开始阶段，载体的温度尚未达到起燃温度，化学反应的作用很小，排气通过与载体之间的对流换热来加热载体。此时，较大的对流换热系数可使载体较快的达到起燃温度。另一方面，当催化转化器完全起燃之后，载体温度己高于气体温度时，排气对载体起到冷却的作用。此时，对流换热系数越大，载体的温度越低，其转化率也降低。所以不能为了加快起燃而一味地增大气体流量，流量越大，排气与催化剂接触的时间就越短，气体的转化效率就越低，且当气体流量大于某值时，起燃时间不再随流量的增加而缩短，而是趋于平稳。

由图15和图16可以看出，当排气速度小于1m/s时，转化率随着排气速度增加而增加，当排气速度大于1m/s时，气体与载体接触时间变短，从而使转化率下降。

图17给出了对应响应点附近的输入参数的每个输出参数的局部灵敏度。从图中可以看出CH4和CO对排气温度的依赖性比较大，而排气速度是负灵敏度，没有多大影响。说明当温度较高时，排气速度对转化率影响不大。

5、结论

（1）本文通过对催化转化器载体单个孔道内的气相、固相的传热、传质现象的分析，结合化学反应动力学，建立了催化转化器内部详细化学反应机理模型。

（2）应用FLUENT软件建立了催化转化器载体单孔道二维轴对称模型，通过与化学反应机理相耦合对其起燃特性进行了数值仿真，得到了载体单孔道内温度场温度场、压力场，流速变化及各气体组分质量分数分布。仿真结果较为准确地反映了载体孔道内所发生的物理化学变化过程，同时也体现了 CFD 技术在催化转化器设计领域的独特优势，为催化转化器的设计特别是催化剂性能测试研究提供有效辅助与参考。

（3）本文分析了催化转化器起燃特性影响因素，并着重对排气温度和排气速度进行参数优化设计，结果显示：排气温度越高，气体越快达到起燃温度，转化率越高，因而转化率随排气温度的增加呈非线性增长趋势；排气速度能加快起燃，缩短起燃时间，可是当排气速度继续增大时，使气体与载体接触面时间变短，缩短了反应时间，从而使气体转化率下降，当流速太大使会导致因气体与催化剂接触时间太短而使催化器无法起燃，所以合理选取参数很重要。

[1] Kim Woo-Seung. A Computational Approach to Modeling the Warm-up Behavior of Automotive Catalytic Converter for Reducing Cold-Start Emissions[C]. Proceedings of the 2nd International Conference on Computational Heat and Mass Transfer,2002.

[2] 黄莉莉,王继先,朱德泉.汽车催化转化器起燃过程的数值模拟[J].农业装备与车辆工程，2007（04）:27-29.

[3] 王春旋.催化转化器起燃特性与多结构流场仿真研究 [D].广州:华南理工大学,2010.

[4] 龚金科,康红艳，彭炜琳.三效催化转化器反应流的数值模拟[J].内燃机学报，2006，24 (01)：62-66.

Numerical Simulation of Catalytic Converter ignition Characteristics

Gao wei, Sun xi
( Dept. of Automotive Engineering, Hubei Automotive Industries Institute, Hubei Shiyan 442002 )

In this paper, the two-dimensional geometric model and finite element of carrier single channel of a catalytic converter was established by using ANSYS Workbench software. In FLUENT software by using laminar flow finite-rate turbulence model, the ignition characteristics of catalytic converter was numerical simulated. The temperature、flow rate、pressure and the changing process of exhaust gas components in carrier was analyzed.These results basically reflect the actual situation of catalytic converter ignition process.The trend of velocity field, temperature field, pressure field and gas components mass fraction distribution are correct and reasonable. On the basis, The impact of carrier parameters on the catalytic converter ignition characteristic and conversion efficiency were analyzed.The inlet velocity and temperature of carrier were optimized.The simulated results show that the exhaust gas conversion rate increases with the increasing temperature of the inlet. When the inlet speed increases, exhaust gas conversion rate increases first and then reduces.

catalytic converter; ignition characteristics; numerical simulation

U463.9

A

1671-7988（2015）09-97-05

高伟，讲师，就职于湖北汽车工业学院汽车工程学院，主要从事计算流体动力学、结构性能仿真，汽车被动安全等方面研究。基金项目：湖北省教育厅科学技术研究计划优秀中青年人才项目（Q20122301）。