三效催化轉換器性能研究

侯躍龍

摘 要：汽車排放的尾氣已成為我國城市的主要污染源。三效催化轉換器是安裝于汽車尾氣后處理系統中的機外凈化裝置，通過負載在其載體孔道表面的貴金屬催化劑的催化作用，將尾氣中的CO、HC和NOx氧化和還原成無害的CO2、H2O和N2。本文以三效催化轉化器的發展情況及研究的現實狀況為出發點展開研究，通過明確三效催化轉化器的相關概念并分析三效催化轉化器的作用機理之后，提出了更好利用三效催化轉化器的具體措施。旨在研究三效催化轉化器的性能同時，更加合理的、有效的應用好三效催化轉化器。

關鍵詞：三效催化轉換器；性能

自50年代以來，汽車工業的迅速發展促進了社會進步與經濟繁榮。但汽車排出的CO，HC和NOx等有毒氣體，也給人類賴以生存的大氣帶來嚴重污染。為了保護環境，限制和治理汽車排氣污染成為十分緊迫的任務。當用盡各種機內凈化措施還是達不到凈化要求時，人們將目光轉向機外凈化，汽車尾氣催化轉化器應運而生。由于它能把三種有害物質HC，CO和NOx轉化為無害的H2O，CO2和N2，稱之為三效催化轉化器或三元催化轉化器。現如今，隨著汽車尾氣排放標準的日益嚴格，三效催化器的研究也取得了較大的進展。

1.三效催化轉化器的發展及研究現狀

1.1三效催化轉化器的發展

在20世紀70年代以來，絕大多數汽車采用汽油機作為動力，因此最先研究開發的汽車凈化技術是汽油機的排氣凈化技術。汽油機的主要排放物為CO、HC與NOx，在排放控制初期法規主要限定CO和HC的排放限值，因此首先研制的是促進CO和HC后期氧化的熱反應器和氧化性催化轉化器OC（Oxidation Catalytic Converter）。隨著排放法規逐步加緊對NOx的控制，研究逐漸集中于能同時凈化CO、HC以及NOx的三效催化轉化器TWC。

1.2三效催化轉化器的研究現狀

國內外學者對三效催化轉換器結構的開發設計、與發動機的優化匹配等開展了廣泛的研究工作。隨著計算機的高速發展，與計算流體力學，傳熱學，空氣動力學等學科相結合，大型商業軟件 CFD 仿真得以廣泛應用，如 FLUENT，STAR-CD，ANSYS，奧地利 AVL 公司的 FIRE 等軟件。建立的三效催化轉換器的傳質、傳熱、化學反應模型，通過仿真研究能得到很多由于實驗條件的限制而使得實驗無法獲得的數據，結合流體力學和多相化學反應動力學建模可深入了解其內部結構對其工作特性的影響。

三效催化轉換器結構的開發設計對排氣的壓降有重要影響，排氣流經三效催化轉換器的壓力損失占排氣系統 30-40%，不均勻的排氣流速會導致三效催化轉換器局部老化。改善排氣流動性，優化與發動機的匹配可提高其經濟性、動力性。在結構設計方面的研究，帥石金等試驗研究了擴張管角、載體形狀和位置對流速的影響，及排氣均勻性對三效催化轉換器溫度場、起燃特性的影響；并對不同結構擴張管的雙載體催化轉換器的流場進行了三維穩態流動數值模擬。上海交通大學陳曉玲等利用CFD 仿真研究了不同造型的載體前端結構對流體分布的均勻性和壓力降的影響；

2.三效催化轉化器的構造及作用機理

2.1三效催化轉換器的構造

三效催化轉換器由芯子和外殼兩部分構成。外殼主要包括襯墊層和殼體，芯子是將多孔的陶瓷載體用浸漬法浸漬在某一比例的含有催化劑的鹽溶液中，通過干燥、焙燒、活化處理制成。而載體的材質為膨脹系數較小的堇青石，其主要成分為 2MgO2.2Al2O3.5SiO2，載體的結構多為整體式蜂窩狀，即載體內部均勻分布方形細孔。為了提高相同體積下載體的微觀比表面的催化劑含量，通過浸漬法在蜂窩式孔道表面覆蓋 γ-Al2O3 活性層，從而增加了在多孔性的活性層上可提供吸附催化劑的比表面，催化劑含量變多。

2.2三效催化轉換器的作用機理

三效催化轉換器的反應是氣-固多相催化反應，發動機尾氣中的各組分物質流入催化轉換器，穿過蜂窩式載體上的各細小通道。在遠離壁面的主氣流區，對于流入某一通道的氣體無論是層流流動還是湍流流動，由于粘性力的作用，在近壁面處都會存在邊界層。由催化轉換器的構造及催化劑分布特點決定，用于催化作用的貴金屬等催化劑分布在各個通道的活性材料的孔道內。排氣中的有害組分因為分子濃度梯度的存在，氣體通過擴散運動越過邊界層，到達壁面后，進入活性層孔隙中催化劑的表面，在催化劑作用下發生反應。

三效催化轉換器內氣體的擴散運動可分為外擴散和內擴散兩種。外擴散為反應物分子在通道內主氣流區和活性層外表面之間的濃度梯度引起的擴散運動。在近壁面處，活性層外表面的邊界層對氣體分子的外擴散運動起阻礙作用。當反應物分子穿過邊界層后，在活性層外表面與微孔內表面的貴金屬催化劑上存在濃度梯度，分子在該濃度梯度的作用下到達貴金屬、Ce 等催化劑表面的過程，即為內擴散運動。通過內外擴散運動，各組分吸附在催化劑表面發生催化化學反應。反應結束后，反應產物的分子在催化劑表面脫附，化學反應的產物從活性層的內孔向外表面內擴散，由活性層的外表面向混合氣的主氣流區外擴散。擴散過程均屬于傳質過程，與載體上活性層的宏觀結構和流體流型有關；在催化劑表面催化反應過程，與催化劑的表面結構、性質和反應條件有關。

氣固多相反應中，吸附可分為物理吸附與化學吸附。物理吸附是被吸附的流體分子與固體表面分子間的作用力為分子間吸引力，即所謂的范德華力，物理吸附是一種可逆過程。反應物在物理吸附過程中，選擇性很弱，吸附覆蓋層可以是多分子層?；瘜W吸附是固體表面與被吸附物間的化學鍵力相互作用的結果，化學吸附需要一定的活化能，故又稱“活化吸附”。化學吸附的反應物分子與固體催化劑之間發生了電子的轉移和重排，吸附物在催化劑表面屬單分子層覆蓋，反應物吸附絡合物的反應中間物與相鄰反應物絡合物反應生成產物。

3.更好利用三效催化轉換器的具體措施

3.1合理降低冷起動排放

在發動機冷起動過程初始階段時，排氣溫度低于起燃溫度，三效催化轉化器不能正常運行，此時催化轉化器內排氣幾乎沒有得到處理。而裝載了三效催化轉化器的年輛，其在冷起動階段所排放的CO和HC占總排放量的60～80%。因此，研究催化轉化器的冷起動段特性，提高冷起動階段催化轉化器的轉化效率， 降低冷起動排放成為當今低排放催化轉化器研究的一個重點。

3.2明確三效催化轉化器內催化劑的失活原因及影響因素

三效催化轉化器是一種被動的控制排放措施，有一定的使用壽命。超過有效壽命的三效催化轉化器，其凈化尾氣的功能會成倍減弱甚至失效。由于催化劑失活是三效催化轉化器失效的主要原因，直接影響到催化轉化器的性能和壽命，且三效催化轉化器價格不菲，盡量延長使用壽命可降低養車成本，因此研究三效催化轉化器內催化劑的失活原因及影響因素，以此為基礎來研制長壽催化轉化器顯得極為重要。

4.結論

隨著世界汽車工業和交通運輸事業的發展，汽車排氣污染已成為當今大氣污染的主要原因之一，引起世界各國的普巡重視。隨著汽車排放法規的提高，尾氣凈化處理越來越重要，三效催化轉化器是治理尾氣污染的主流技術，對它的研究和設計也顯得越來越重要。相信通過世界各國的努力，一定能研制出更加有效的尾氣凈化催化劑，為人類大氣環境的凈化發揮更大的作用。