三效催化转换器性能研究

侯跃龙

摘 要：汽车排放的尾气已成为我国城市的主要污染源。三效催化转换器是安装于汽车尾气后处理系统中的机外净化装置，通过负载在其载体孔道表面的贵金属催化剂的催化作用，将尾气中的CO、HC和NOx氧化和还原成无害的CO2、H2O和N2。本文以三效催化转化器的发展情况及研究的现实状况为出发点展开研究，通过明确三效催化转化器的相关概念并分析三效催化转化器的作用机理之后，提出了更好利用三效催化转化器的具体措施。旨在研究三效催化转化器的性能同时，更加合理的、有效的应用好三效催化转化器。

关键词：三效催化转换器；性能

自50年代以来，汽车工业的迅速发展促进了社会进步与经济繁荣。但汽车排出的CO，HC和NOx等有毒气体，也给人类赖以生存的大气带来严重污染。为了保护环境，限制和治理汽车排气污染成为十分紧迫的任务。当用尽各种机内净化措施还是达不到净化要求时，人们将目光转向机外净化，汽车尾气催化转化器应运而生。由于它能把三种有害物质HC，CO和NOx转化为无害的H2O，CO2和N2，称之为三效催化转化器或三元催化转化器。现如今，随着汽车尾气排放标准的日益严格，三效催化器的研究也取得了较大的进展。

1.三效催化转化器的发展及研究现状

1.1三效催化转化器的发展

在20世纪70年代以来，绝大多数汽车采用汽油机作为动力，因此最先研究开发的汽车净化技术是汽油机的排气净化技术。汽油机的主要排放物为CO、HC与NOx，在排放控制初期法规主要限定CO和HC的排放限值，因此首先研制的是促进CO和HC后期氧化的热反应器和氧化性催化转化器OC（Oxidation Catalytic Converter）。随着排放法规逐步加紧对NOx的控制，研究逐渐集中于能同时净化CO、HC以及NOx的三效催化转化器TWC。

1.2三效催化转化器的研究现状

国内外学者对三效催化转换器结构的开发设计、与发动机的优化匹配等开展了广泛的研究工作。随着计算机的高速发展，与计算流体力学，传热学，空气动力学等学科相结合，大型商业软件 CFD 仿真得以广泛应用，如 FLUENT，STAR-CD，ANSYS，奥地利 AVL 公司的 FIRE 等软件。建立的三效催化转换器的传质、传热、化学反应模型，通过仿真研究能得到很多由于实验条件的限制而使得实验无法获得的数据，结合流体力学和多相化学反应动力学建模可深入了解其内部结构对其工作特性的影响。

三效催化转换器结构的开发设计对排气的压降有重要影响，排气流经三效催化转换器的压力损失占排气系统 30-40%，不均匀的排气流速会导致三效催化转换器局部老化。改善排气流动性，优化与发动机的匹配可提高其经济性、动力性。在结构设计方面的研究，帅石金等试验研究了扩张管角、载体形状和位置对流速的影响，及排气均匀性对三效催化转换器温度场、起燃特性的影响；并对不同结构扩张管的双载体催化转换器的流场进行了三维稳态流动数值模拟。上海交通大学陈晓玲等利用CFD 仿真研究了不同造型的载体前端结构对流体分布的均匀性和压力降的影响；

2.三效催化转化器的构造及作用机理

2.1三效催化转换器的构造

三效催化转换器由芯子和外壳两部分构成。外壳主要包括衬垫层和壳体，芯子是将多孔的陶瓷载体用浸渍法浸渍在某一比例的含有催化剂的盐溶液中，通过干燥、焙烧、活化处理制成。而载体的材質为膨胀系数较小的堇青石，其主要成分为 2MgO2.2Al2O3.5SiO2，载体的结构多为整体式蜂窝状，即载体内部均匀分布方形细孔。为了提高相同体积下载体的微观比表面的催化剂含量，通过浸渍法在蜂窝式孔道表面覆盖 γ-Al2O3 活性层，从而增加了在多孔性的活性层上可提供吸附催化剂的比表面，催化剂含量变多。

2.2三效催化转换器的作用机理

三效催化转换器的反应是气-固多相催化反应，发动机尾气中的各组分物质流入催化转换器，穿过蜂窝式载体上的各细小通道。在远离壁面的主气流区，对于流入某一通道的气体无论是层流流动还是湍流流动，由于粘性力的作用，在近壁面处都会存在边界层。由催化转换器的构造及催化剂分布特点决定，用于催化作用的贵金属等催化剂分布在各个通道的活性材料的孔道内。排气中的有害组分因为分子浓度梯度的存在，气体通过扩散运动越过边界层，到达壁面后，进入活性层孔隙中催化剂的表面，在催化剂作用下发生反应。

三效催化转换器内气体的扩散运动可分为外扩散和内扩散两种。外扩散为反应物分子在通道内主气流区和活性层外表面之间的浓度梯度引起的扩散运动。在近壁面处，活性层外表面的边界层对气体分子的外扩散运动起阻碍作用。当反应物分子穿过边界层后，在活性层外表面与微孔内表面的贵金属催化剂上存在浓度梯度，分子在该浓度梯度的作用下到达贵金属、Ce 等催化剂表面的过程，即为内扩散运动。通过内外扩散运动，各组分吸附在催化剂表面发生催化化学反应。反应结束后，反应产物的分子在催化剂表面脱附，化学反应的产物从活性层的内孔向外表面内扩散，由活性层的外表面向混合气的主气流区外扩散。扩散过程均属于传质过程，与载体上活性层的宏观结构和流体流型有关；在催化剂表面催化反应过程，与催化剂的表面结构、性质和反应条件有关。

气固多相反应中，吸附可分为物理吸附与化学吸附。物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力，即所谓的范德华力，物理吸附是一种可逆过程。反应物在物理吸附过程中，选择性很弱，吸附覆盖层可以是多分子层。化学吸附是固体表面与被吸附物间的化学键力相互作用的结果，化学吸附需要一定的活化能，故又称“活化吸附”。化学吸附的反应物分子与固体催化剂之间发生了电子的转移和重排，吸附物在催化剂表面属单分子层覆盖，反应物吸附络合物的反应中间物与相邻反应物络合物反应生成产物。

3.更好利用三效催化转换器的具体措施

3.1合理降低冷起动排放

在发动机冷起动过程初始阶段时，排气温度低于起燃温度，三效催化转化器不能正常运行，此时催化转化器内排气几乎没有得到处理。而装载了三效催化转化器的年辆，其在冷起动阶段所排放的CO和HC占总排放量的60～80%。因此，研究催化转化器的冷起动段特性，提高冷起动阶段催化转化器的转化效率， 降低冷起动排放成为当今低排放催化转化器研究的一个重点。

3.2明确三效催化转化器内催化剂的失活原因及影响因素

三效催化转化器是一种被动的控制排放措施，有一定的使用寿命。超过有效寿命的三效催化转化器，其净化尾气的功能会成倍减弱甚至失效。由于催化剂失活是三效催化转化器失效的主要原因，直接影响到催化转化器的性能和寿命，且三效催化转化器价格不菲，尽量延长使用寿命可降低养车成本，因此研究三效催化转化器内催化剂的失活原因及影响因素，以此为基础来研制长寿催化转化器显得极为重要。

4.结论

随着世界汽车工业和交通运输事业的发展，汽车排气污染已成为当今大气污染的主要原因之一，引起世界各国的普巡重视。随着汽车排放法规的提高，尾气净化处理越来越重要，三效催化转化器是治理尾气污染的主流技术，对它的研究和设计也显得越来越重要。相信通过世界各国的努力，一定能研制出更加有效的尾气净化催化剂，为人类大气环境的净化发挥更大的作用。