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1、汽车排气催化转化装置工作过程的研究-副本第20卷(2002)第6期 文章编号:1000-0909(2002)06-0501-04内 燃 机 学 报 Vol.20(2002)No.6TransactionsofCSICE200105汽车排气催化转化装置工作过程的研究刘 军,苏清祖(江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013) 摘要:通过对排气催化转化装置催化反应机理的研究,建立了催化反应模型。运用质量平衡、能量平衡建立了排气催化转化装置工作过程的理论模型。分析了催化反应过程中传质传热对催化反应的影响。开发了催化转化装置工作过程有限元模拟软件。设计了以发动机台架为基础的试验装置。对
2、某一催化转化装置的温升特性开展了数值模拟与试验验证。关键词:排放;催化转化装置;化学反应;数值模拟中图分类号:TK411.5文献标识码:A引言 目前,对温度场和气流场能很好模拟的较成熟的商业软件有StarCD,Fluent,Ansys/Flotran等,它们———————————————————————————————————————————————均可处理可压缩气体、多化学成分和固体介质热传导等问题,但无法考虑催化转化过程中化学反应产生的热量、气体和载体的热传递、气体成分的传质过程。有的研究人员在这些成熟的商业软件基础上,二次开发了相应的分析计算模块,如日本丰田汽车公司的Shigek
3、iSugiura等,在StarCD软件的基础上开发了Warmoc模块。如果采用三维立体建立整个排气和催化转化系统的计算模型,会花费相当多的计算时间,如1996年ShigekiSugiura等人在当时最先进的超级计算机上花了一个多星期时间,才完成了一次分析,在催化转化系统设计时费时太长,非常不便。为此,这里将排气催化转化系统简化成二维轴对称结构,节点的数量大大减少,缩短了计算时间,使开发出来的催化转化装置性能模拟软件更具实用化。[1]14%。由于排气中NO2的浓度较NO低得多,仅考虑NO的催化反应。排气三效催化转化装置工作时H2是NO还原反应的主要还原剂,必须加以考虑。因而,汽车排气催化转
4、化的化学反应可简化成CO、C3H6、CH4、NO、H2、O2等成分参与。因此将排气催化反应过程简化成如下5个化学反应:CO+0.5O2C3H6+4.5O2CH4+2O2CO+NOH2+0.5O2CO2 -2.832×105J/mol(1)3CO2+3H2O -1.928×10J/mol6(2)———————————————————————————————————————————————5CO2+3H2O -8.023×10J/mol(3)CO2+0.5N2 -3.733×105J/molH2O -2.420×105J/mol(4)(5)各式中后面的数值代表化学反应热。各化学反应的速
5、度是反应位置的载体壁面(催化剂)温度和气体浓度的函数:40.30.13 RCO=k1CW.COCW.O2/G+k4C1.W.COCW.OCW.NO/S2 RC3H6=k2CW.C3H6CW.O2/G RCH4=k3CW.CH4CW.O2/G.40.30.13 RNO=k4C1W.COCW.OGW.NO/S21 汽车排气催化反应模型[1～4] 汽车排气催化转化装置是现代汽车中不可缺少的装置,通过催化转化反应,可同时将排气中的3种主要污染物CO、HC和NOx进行氧化还原反应,生成无害的物质排出车外。 排气中碳氢化合物的成分相当复杂。为使数值计算简单,这里将碳氢化合物简化为两大类:
6、用C3H6代表快速氧化反应的碳氢化合物,所占比例为86%;用CH4代表慢速氧化反应的碳氢化合物,所占比例为收稿日期:2002-03-04;修订日期:2002-05-13。———————————————————————————————————————————————(6)(7)(8)(9)(10)(11) RH2=k5CW.H2CW.O2/G RO2=0.5RCO+4.5RC3H6+2.0RCH4+0.5RH2式中:ki代表反应速度常量,i=1,…,5,:),·502·11内 燃 机 学 报第20卷第6期 k1=6.0×10exp(-6500/TW) k2=1.392×10
7、exp(-12500/TW) k3=3.663×1012exp(-16000/TW) k4=2.2×1013exp(-10171/TW) k5=6.699×1013exp(-2000/TW) G和S代表吸附对化学反应的阻碍常量, G=TW(1+K1CW.CO+K2CW.C3H6)2(1+20.7K3C2W.COCW.CH)(1+K4CW.NO)3614(12)(13)图2 催化转化器的工作过程原理Fig.2 Theoryo
