三元催化器建模与分析

2019-11-30贾传德

汽车电器 2019年11期

贾传德

（广西理工职业技术学院，广西崇左 532200）

三元催化转换器是汽油机控制CO、HC、NOx排放必不可少的装置，安装在排气管中，随着环保要求的日益严格，现代汽车都安装了三元催化器。三元催化转换器的结构见图1，它是一个在瞬态环境下工作的反应器，载体多为蜂窝状耐高温陶瓷，在几秒钟之内流经催化器的汽车尾气的温度、流速和气体成分都会随着汽车工况的改变而变化。目前燃油管理系统的闭环控制提出了更严格的要求，需要知道气体成分在不到一秒钟的瞬态变化。

1 工作原理

常用的三元催化剂材料有促进NOx分解的铑以及具有促进CO、HC氧化功能的钯与铂。催化剂在工作时因催化剂是以固态参加反应，而汽车尾气中的CO、HC、NOx均为气态，因此反应中是在固体催化剂表面发生反应，基本步骤有：反应物向催化剂表面的扩散→反应物在催化剂表面的吸附→被吸附的反应物在催化剂表面相互作用→产物由催化剂表面脱附→产物离开催化剂表面向周围扩散。

针对三元催化器内部的化学反应及反应过程的机理，研究人员也做出了研究，Grigorios和Koltsakis建立了三元催化器的二维模型，提出了三元催化器发生的主要反应［1］，基于的原理就是催化剂表面的反应过程。三元催化器的反应模型如下：

Daniel Chatterjee针对三元催化转化器，提出了详细的表面反应机理，机理中包含了8种气体组分、23种表面物质和61个基元反应［2］，用于模拟在包含铂和铑贵金属的三元催化器，可以查看CO、C3H6、O2、NO的转化率情况，并与实验结果相对照，有很高的吻合性。

2 模型建立与分析

目前计算机技术的迅速发展，仿真技术在汽车设计制造、发动机及后处理技术中都得到广泛应用，通过与实验数据的对比验证，仿真技术的准确性基本可以达到使用要求，大大缩短了研究周期，带来极大方便。

FIRE是AVL公司开发的三维CFD软件，能求解复杂的内燃机缸内流动和燃烧等现象，并在求解瞬态复杂流动方面有着自己的优势。后处理器三元催化器的三维仿真也可以在FIRE中实现，可得到从反应起始时刻到平衡状态整个过程的反应参数，其中软件所运用的反应模型就是来自上文中所说的表面反应机理。

首先在FIRE中建立三元催化器三维模型，见图2，然后在FIRE主菜单中建立一个计算案例CaseTWC，通过子菜单设置反应的初始参数，包括流入三元催化器的尾气质量流量、密度、温度、气体组分（用质量分数来表示），再设置求解器的参数如收敛条件、差分计算方案、松弛因子、压降模型等，在反应模型中选择TWC，并选择相应的反应方程，最后进行仿真计算，程序设置过程中的部分截图见图3。