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本论文主要研究了三元催化转化器的温度特性和浓度特性。通过对汽车尾气系统的尾气管段和催化转化器建立数学模型,对模型进行数值求解,系统的考察了转化器内温度变化趋势和浓度变化,研究了空速、进气温度、进气浓度、氢气、催化器性质以及催化剂负载量及负载模式对催化器起燃温度特性和尾气转化率的影响。另外,根据汽车尾气中的三种主要污染物的反应机理,对汽车尾气催化反应动力学进行了一定的探讨。 本论文介绍了汽车尾气的产生及对环境所造成的严重危害,发达国家和我国目前的汽车排放法规,催化转化器的结构和工作原理,以及三元催化转化器数学模型的发展历程与研究现状。对国外目前汽车尾气的建模作了简单的分类与比较,总结出本论文研究的出发点和创新点。 在对汽车尾气系统进行建模时,把尾气系统分为尾气管段和催化转化器两部分。对尾气管段建立了能量平衡方程式,考虑到初始阶段尾气中含有水汽,在冷壁面上产生一层水膜,因此用由Gnielinski提出的Nusselt数来求解传热系数。然后对催化转化器进行物料衡算和能量衡算,采用Voltz提出的、Oh和Cavendish修正的动力学速率表达式,传热系数用Baba等提出的传热系数关联式求解。 采用差分法和迭代法对模型进行数值求解后,得出了催化转化器内的温度场和浓度场的分布,考察了空速、进气温度、进气浓度、氢气、催化器性质以及催化剂负载量及负载模式对催化器起燃温度特性利尾气转化率的影响。研究结果表明,为了加快催化剂起燃和提高转化率,空速不宜过大,尽量提高进口气流的温度,整体式载体不能过长,增加载体表面的开孔率,减少壁厚,在载体上负载催化剂时,应在载体前端负载高量贵金属,在尾部负载少量贵金属,这样即可以缩短起燃时间,又可增加转化率。 根据尾气中三种主要污染物的反应机理,推导了催化反应动力学模型,对催化转化器内的氧气储存的子模型作了初步的探讨,并提供了求解方法。