ComputersandAppliedChemistryVol117,No15September,2000
车用尾气催化剂催化特性的模拟
龚惠娟
(南京大学现代分析中心 南京 210093)
陈泽智
(南京理工大学808教研室 南京 210094)
摘要:为研究车用尾气催化剂在实际使用中的工作性能,本文建立了用于模拟车用尾气催化剂的转化率-温度特性模型,以及空速对转化率影响的计算模型。利用上述模型,可根据不同车辆行驶工况下催化剂的入口温度以及空速情况,计算出相应工况下的催化转化率,这样还可为催化剂的设计提供指导。此外,本文还讨论了所建模型的限制之处。
关键词:催化剂;机动车尾气;模拟中图法分类号:O643文献标识码:A
文章编号:100124160(2000)0524462448
SimulationofVehicleExhaustCatalyst’sPerformance
GONGHui2juan
(CenterofMaterialsAnalysis,NanjingUniversity,Nanjing 210093)
CHENZe2zhi
(Teaching&ResearchSection808,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjng 210094)
Abstract:Inordertostudytheperformanceofvehicleexhaustcatalystunderdifferentdrivingconditions,amodelforvehicleex2haustcatalystisputforward,whichcouldsimulatethecatalyst’sperformanceofconversionefficiencyvs1temperaturecurve.For2mulaforcalculatingeffluenceofspacevelocityonconversionefficiencyisalsoprovided.Byusingabovemodel,theconversionef2ficiencycouldbecalculatedonthebasisofinlettemperatureandspacevelocityunderdifferentdrivingconditions.Furthermorethelimitationofthismodelisdiscussed.
Keywords:catalyst,vehicleexhaust,simulation
目前催化净化器已成为降低机动车尾气污染的主要技术措施之一,合理应用该技术的难点在于要同时
考虑催化剂和发动机两方面工作特性的相互匹配。人们已对催化剂性能的实验评价方法进行了系统的研究[1]-[4]
,在此基础上可根据实验数据对催化剂的工作特性进行理论建模,模拟计算催化剂在实际使用中
的工作性能[5][6]。此外还可在催化剂的设计阶段,为诸如活性成分涂敷量、催化剂结构等参数的确定,提供指导[7][8]。根据上述想法,本文提出了对催化剂的温度特性以及空速影响的模拟方法。
1 催化剂温度特性的模拟
催化剂温度特性以催化转化率与入口气流温度之间的关系来表示。当入口温度达到一定温度(称为起燃起点时的温度)以上时,催化剂才能起作用,随着温度的增加,转化率逐渐上升,温度高于某数值(称为起燃终点时的温度)后,转换率趋于稳定不再上升。通常将转化率达到50%时所对应的温度称为起燃温度T50,以此温度来表示催化剂正常工作所需温度的高低。
车用尾气催化剂所净化的有害气体为CO、HC、NOx,对于每一类气体,催化剂都具有相应的温度特
收稿日期:2000-01-06,收修改稿日期:2000-03-08
作者简介:龚惠娟,女,28岁,硕士,应用化学专业,导师:胡耿源
5期龚惠娟等:车用尾气催化剂催化特性的模拟447
性。如图1为所测的某轻便摩托车用催化剂对HC的催化转化温度特性曲线。由于催化剂温度特性曲线形状与数学中的sigmoid曲线相似,故可用下式描述[9]:
Conv=Cf(1-e
α((T-Tl)/(Th-Tl))
m
)(1)
式中 Conv:催化转化率(%),Cf:充分起燃后的转化率(%),a、m:常数,
T:催化剂入口温度(K),Tl:起燃起点时的温度(K),Th:起燃终点时的温度(K)
Conv为催化剂的实际催化转化率,Cf为催化剂所能达到的最高转化率。式(1)中Cf、Tl、Th可由实验测量数据确定,a、m可通过最小二乘法拟合得出,这样就能确定所模拟的计算模型。图2为测量与
),从中可见,模模拟计算的催化剂温度特性曲线(Cf=95,a=-018,m=610,Tl=260℃,Th=300℃
拟结果能较好地反应实测结果的变化过程。
图1 某催化剂对HC的温度特性曲线
Fig11 CurveofHCconversionefficiencyvs1
temperatureforacatalyst
图2 催化剂温度特性曲线的测量与模拟结果对比
Fig12 Comparisonbetweensimulatedtemperature
performanceandtestresultforacatalyst
2 空速影响的模拟
空速为单位时间气流体积与催化床体积之比,该参数对催化剂的转化率影响较大。空速大,则反应组分在催化床中的停留时间短,会使转化率降低,反之易然。空速也会改变温度特性。图3为实测不同空速下催化剂对HC的温度特性,空速对催化剂最高转化率的影响,可由分子碰撞反应理论得到以下计算公式[10][11]:
Cf=(1-e
-kT/SV
n
)×100(2)
式中SV:空速(h-1),T:催化剂入口温度(K),k、n:常数。
对于式(2)中的常数k、n,可采用最小二乘法,由实验结果进行拟合,T只要比起燃终点时温度
Th高就可以。图4为实验测量与拟合后的模拟计算结果(T=350℃,k=0165,n=0142)。
图3 不同空速下的催化剂温度特性曲线
Fig13 Curvesofconversionefficiencyvs1temperature
underdifferentspacevelocities
图4 空速对最高转化率影响的模拟结果
Fig14 Simulatedmaximumconversionefficiency
underdifferentspacevelocities
448计算机与应用化学17卷
3 讨论
影响车用尾气催化剂转化率的因素除催化剂入口温度和空速外,另一个重要方面是反应物的浓度,体现为车辆尾气中的空燃比。空燃比高,则氧气含量高,有利于提高对CO、HC的催化转化率,而对NOx的转化不利,反之易然。需要说明的是,本文以上所提出的模拟计算公式是建立于反应(对CO、HC的氧化或对NOx的还原)充分进行的前提下,将空燃比的影响考虑进理论模型中应是下一步研究工作的方向。
参
考
文
献
1 李淑莲.汽车尾气净化用Pt/ZrO22CeO2催化剂的表征与性能.催化学报,1999,20(1):67-692 朱洪涛,等.车用催化剂的性能评价技术和实验方法.汽车工程,1999,21(1):81-86
3 王诗恩,等.SANTANA2000型轿车排气系统加装净化器对其性能影响的分析及试验研究.昆明:99国际汽车摩托车排放污染控制技术研讨会论文集,1999,10
4 王建昕,等.冷起动时车用催化器起燃特性的评价技术和实验方法.昆明:99国际汽车摩托车排放污染控制技术研讨会论文集,1999,105 范勋培.化学中的数值计算方法与CAD.上海:上海交通大学出版社,1996,5:25-466 BartleyGJ,etal.AdvancedThree2wayCatalystFormationsforHighTemperatureApplications.SAE:9300767 布亚诺夫PA.催化剂生产科学原理.北京:中国石油出版社,1991,8:358 赫格达斯,LL,主编催化剂设计.北京:烃加工出版社,1989,1:216-2439 RoyDouglas,etal.ModelingofOxidationCatalystsforTwo2strokeEngines.SAE:96180710 SimsS,JohriS.CatalystPerformanceStudyUsingTaguchiMethods.SAE:88158911 尼古拉斯J.化学动力学.北京:高等教育出版社,1987,10:88-129
新书介绍
《计算机化学化工丛书》
Internet上的化学化工资源
李晓霞 郭力编著
由于Internet化学化工资源具有分布广、数量巨大、高度动态的特点,如何充分利用Internet化学化工资源依然是一项具有挑战性的工作。本书面向对Internet化学化工资源感兴趣的广大读者,除介绍获取In2ternet化学化工资源的通用方法搜索引擎,重点介绍专门帮助获取Internet化学化工资源的资源导航系统以
及近来出现的集中提供综合性化学化工信息服务的虚拟社区。作为本书的主要内容,系统介绍了Internet上与化学化工有关的数据库、软件、期刊、图书、会议信息、讨论组和新闻组、新闻、专利、公司及网上贸易、学会及组织、教育等资源。
本书可作为科研、教育、工业等部门对Internet上的化学化工资源感兴趣的广大读者的参考书。本书定价:35100元
欲购者请汇款40100元(含邮资)汇款地址:北京市中关村北二条一号邮编:100080 收款人:王红E2mail:hwang@lcc1icm1ac1cn 电话:86-10-62558482
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容