汽油车三效催化转化器内废气转化率的数值模拟

1 15 CO
NO
( 91 + K16 CO2 ) ex (11) ( 1 + K50 CCO ) 2 ,
rRR ≤ 1
β · R6 =
1
e 1 K C C ( - EA ( 5) /R Ts
ex ( 5)
11
CO NO
+ K12 CO2 ) ex ( 6)
,
( F1 + F2 + F3 - 2) 2
仅仅着重于催化转化器扩张区的流场模式 ,没有考 虑整个转化器尺寸范围内的流动和动力学过程 。为 此 ,作者在考虑汽油车三效催化转化器内的传热 、传 质以及催化转化特性的化学反应的基础上建立废气 转化率数学模型 ,并进行数值模拟 。
1 废气转化率数学模型建立
111 基本假设 将三效催化转化器的单个孔道看成一个管式转
化器 ,在未考虑载体表面气流的不均匀分布以及辐 射的影响下对该管式转化器废气转化率建立数学模 型 。为了简化数学模型和计算 ,作如下假设 : ( 1)由 于三效催化转化器中的流场为层流 ,故传递系数取 决于流体组分和温度 ; ( 2 )由于三效催化转化器内
3 985工程二期 ———汽车先进设计制造技术科技创新平台基金项目资助 。 原稿收到日期为 2005年 12月 7日 ,修改稿收到日期为 2006年 3月 27日 。
2007年 (第 29卷 )第 2期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2007 (Vol. 29) No. 2
2007027
汽油车三效催化转化器内废气转化率的数值模拟 3
刘孟祥 ,钟志华 ,龚金科 ,刘湘玲
(湖南大学 ,汽车车身先进设计制造国家重点实验室 ,长沙 410082)
0125α) ; M 3 = ( 2 + 015α) 。 HCF 表示速燃碳氢化合
物 ( fast2burning hydrocarbons) , HCS 表示缓燃碳氢化
合物 ( slow2burning hydrocarbons) ,在目前的研究中 ,
一般用 丙 烯 ( C3 H6 ) 代 表 HCF , 丙 烷 ( C3 H8 ) 代 表
率的经验常数
;
浓混合函数
β 1
和稀混合函数
β 2
按
2007 (Vol. 29) No. 2
刘孟祥 ,等 :汽油车三效催化转化器内废气转化率的数值模拟
· 123 ·
以下条件取值 ( i = 1, 2) :
( 1) 0≤βi ≤1时 ,βi = 2 500 rRRi + 015;
(2)
β i
< 0时
,βi
[摘要 ] 基于三效催化转化器内十三反应机理的反应速率方程以及气相和固相的质量平衡和能量平衡原理 , 建立了三效催化转化器的废气转化率数学模型 ,通过对其进行数值模拟 ,得到转化率随氧化还原比的变化情况 ,计 算值与实验值吻合良好 。研究对提高三效催化转化器转化率具有重要的参考价值 。
关键词 :三效催化转化器 ;转化率 ;化学反应机理 ;数值模拟
= 0;
(3)
β i
> 1时
,βi
= 1。
其中 rRR1 = CCO + 9CC3H6 + 115CNH3 - CNO - 2CO2 -
Rflip ; rRR2 = CCO + 9CC3H6 + 115CNH3 - CNO - 2CO2 - Lflip + CH2 ; Rflip为浓混合气不完全反应速率常数 ; Lflip为 稀混合气不完全反应速率常数 。
形式 ,各反应速率 Ri ( i = 1, 2, …, 13)为
K e C C - EA ( 1) R Ts
ex ( 1)
1
CO O 2
R1
= ( 1 + K4 CCO ) 2 ( 1 + K5 CC3H6 )
R2 = X1 X2
β e R3
=
K X - EA ( 3) /R Ts
13
2
K e C C - EA ( 4) /R Ts
F3
=
(1
+ K e C ) EA ( 10) /R Ts
ex ( 23)
34
C3H 6
;
F4 = 1 + K19 | Ts - K20 | ex (12) ; F5 = 1 + K30 CC3H6 ;
F6 = 1 + K13 CCO + K33 CH2 ; F7 = ( 1 + K8 CCO ) ex (7) ;
+
(1
-
e ) K ; - EA ( 3) /R Ts
13
3C Cex ( 2) C3H6 O 2
(1
+ K31 CC3H6 CCO )
X2
=
(1
+ K35 CC3H6 ) 2 ( 1
e + K32
C ) - EA ( 7) /R Ts CO
;
F1 = ( 1 + CM ILL·CCO ) ex (7) ; F2 = ( 1 + K14 CH2 ) ex (8) ;
Keywords: Three2way ca ta lytic converter; Conversion ra te; Chem ica l reaction m echan ism s; Num er i2 ca l sim ula tion
前言
对汽油车 三 效 催 化 转 化 器 催 化 动 力 学 进 行 研 究 ,可为催化反应提供能在较宽广范围内反映温度 和分压 (包括反应混合物的组成和总压 )对反应速 率影响的规律 ,获得一个良好的催化反应系统的数 学模型 [ 1 ] 。近 30年的研究表明 :对催化转化器数学 模型的研究或者通过修正转化器的尺寸 、材料以及 绝热性能得到一个物理模型 ,从而建立一个瞬态传 热模型来预测排气系统内的温度分布和定义催化器 入口处的气体状态 [ 2 - 4 ] ,但这些模型没有考虑转化 器内复杂的传热过程和化学反应机理 ;或者通过建 立流场分布模型去预测催化器入口的气流不均匀性 以及整个排气系统的压力损失 [ 5 - 8 ] 。然而这些研究
3 K e C C - EA ( 8) /R Ts
ex ( 26)
10
O 2 C3H8
R10 =
( 1 + K51 CO2 ) ex (27)
β · 1
6K C Cex (24) 36 C3H 6 NO
(1
+ K37 CO 2 ) ex ( 3)
R11 = ( 1 + K39 CNO ) ( F1 + F2 + F3 - 2) 2
· 122 ·
汽 车 工 程
2007年 (第 29卷 )第 2期
压力低并且气体在催化器内的滞留时间短 ,因此化
学反应机理忽略气相间的化学反应 ,只考虑气体与
载体间的对流传热 、对流传质 。
112 催化反应机理
十三反应机理由 13个独立的正向反应组成 [ 9 ] ,
以 O2 和 NO 为氧化剂的 CO、H2 、C3 H6 、NH3 的氧化 反应 ,这 13个反应如下所示 :
6
H2O O 2
R4 = ( 1 + K7 CH2 ) 2 ( 1 + K4 CCO ) 2 ( 1 + K5 CC3H6 )
K Cex ( 4) 46 NH3
R5
= ( 1 + K47 CH2 + K48 CCO
+ K49 CC3H6 ) 2
β 1 e (
-
) K C C - EA ( 2) /R Ts ex ( 10)
F8 = ( 1 + K9 CH2 ) ex ( 8) ;
F9
=
(1
+ K e C ) EA ( 10) /R Ts
ex ( 23)
34
C3H 6
;
F10 = 1 + K27 | Ts - K28 | ex ( 26) ;
F11
= 1 + K24 CCO
+ K18 CH2; F12
=
1
e + K C EA (11) /RTs
+
1 2
N2
(
HCF
)
CHα +M3 ·NO→CO2 + 015αH2O +M3 015N2 (HCF )
215 CHα
2M 2
+NO
+
(
3 -α) 4M 2
H2
O
→NH3
+
215 2M 2
CO
(
HCF
)
式中 α为氢碳比 ; M 1 = ( 1 + 0125α) ; M 2 = ( 015 +
Hunan U n iversity, S ta te Key L aboratory of A dvanced D esign and M anufacture for V ehicle B ody, Changsha 410082
[ Abstract] A m athematics model for conversion rates of exhaust gas in the three2way catalytic converter of a gasoline vehicle is established based on reaction speed equations derived from thirteen chem ical reaction mechanism s and mass and energy equilibrium p rincip les for gas phase and solid phase. The numerical simulation indicates that the conversion rates change w ith the variation of the ratio between oxidation and deoxidization. A good agreement is achieved between simulated results and experim ental data.
CO + 015O2 →CO2 CHα +M 1 ·O2 →CO2 + 015α·H2 O (HCF ) CHα +M 2 ·O2 →CO + 015α·H2 O (HCF ) H2 + 015O2 →H2 O
NH3
+
3 4
O2
→115H2
O
+ 015N2
CO +NO →CO2 + 015N2
HCS。定义氧化还原比 (Redox Ratio) 为 rRR [ 9 ]
α
CCO + CH2 + 6
1+ 4
CHC
rRR =
CNO + 2CO2
(1)
rRR > 1为浓混合气状态 ; rRR < 1为稀混合气状态 ; rRR
= 1为化学计量比 。相应的反应速率表达式是典型
的兰格缪尔 - 欣谢尔伍德 (Langmuir - H inshelwood)
215CO +NO + 115H2O →NH3 + 215CO2 + 015N2
H2 +NO →H2 O + 015N2
215H2 +NO →NH2 + H2 O
CHα +M 1 ·O2 →CO2 + 015α·H2 O (HCS )
1 CHα
2M 2
+NO → 1 CO 2M 2
α + 4M 2 H2 O
Numerical Simulation on Conversion Rates of Exhaust Gas in the Three2way Catalytic Converter of Gasoline Vehicle
L iu M engx iang, Zhong Zh ihua, Gong J inke & L iu X iangling
26
C3H 6
;
F13 = 1 + K40 | Ts - K41 | ex (来自百度文库9) ; F14 = ( 1 + K29 CC3H6 ) 2 ;
F15 = 1 + K43 CCO + K45 CH2 。
式中 Ki ( i = 1, 2, …, 51) ; CM ILL 为反应速率常数 , 由
文献 [ 9 ]确定 ; EA 为活化能 (J / g·mol) ; ex为反应速
rRR > 1
β1
K17
CCO
Cex ( 13) NO
(1
+ CM ILL ·CO2 ) ex ( 14)
R7 =
F4 F5 F6
R8 =
β 1(
-
) K C C ex ( 16) ex ( 15)
2
22 H2
NO
( 1 + K44 CO2 ) 2
,
K21
CH
2
Cex ( NO
9
)
(1
+ K23 CO2 ) 2 ·β2
1 β 9 e R = ( - ) K C C - EA ( 9) /R Ts ex ( 22) ex ( 25)
12
1
42
NO
C3H 6
β 1
·214
K38
Cex ( NO
20)
CC3H 6
(1
+ CM ILL ·CO2 ) ex (21)
R13 =
F13 F14 F15
其中 X1
β e = K - EA ( 6) /R Ts 2
,
( F7 + F8 + F9 - 2) 2
rRR ≤ 1 rRR > 1
(110
+β2 ·CM ILL·CO2 )ex(18)
K25
CH2
Cex (17) NO
/ (F10 F11 F12 ),
R9 =
rRR ≤ 1
K25
CH
2
Cex ( NO
17)
/ ( F10 F11 F12 ) ,
rRR > 1