一种三元催化器选型的设计方法
【专利摘要】一种三元催化器选型的设计方法，包括：建立计算模型、优化载体涂层量、调整载体结构、确定催化器选型；首先，建立三元催化器的计算模型，对计算模型的参数进行设置；然后，根据计算模型输出的计算结果，优化载体涂层量，提高转化效率及缩短催化剂起燃时间；调整载体结构，提高有害气体的转化效率直至达到规定的转化效率标准；最后，确定催化器的选型。本发明是在建立软件计算模型的基础上，对载体直径、长度、壁厚、贵金属及CeO2含量等参数进行精确计算，确定最佳的三元催化器选型方案，实现对催化器选型的高精度设计。该方法能够提高三元催化器的设计精度、减少试验费用及产品开发成本，而且能够准确计算载体起燃时间及有害气体转化效率。
【专利说明】
一种三元催化器选型的设计方法
技术领域
[0001]本发明涉及汽油发动机排气系统领域，特别涉及一种三元催化器选型的设计方 法。
【背景技术】
[0002] 作为发动机的重要部件之一，三元催化器(简称催化器)能够将汽油发动机工作时 从气缸内排出的CH、C0及NOx等有害气体净化为〇) 2、出0、仏。催化器处理有害气体的过程是 在催化剂(贵金属)Pt、Pd、Rh作用下发生的一系列氧化还原反应，但催化剂必须起燃后才能 充分发挥作用，实现较高的转化效率，尤其是发动机冷启动阶段，催化剂未起燃，进而转化 效率较低，有害气体的排放量易出现不达标的情况。另外，催化器的选型主要包括载体直 径、长度、目数、壁厚、贵金属质量等参数的确定，这些参数对催化剂起燃及载体升温速度、 转化效率有着重要影响。目前主机厂及供应商多采用经验型或者整车试验的方式，进行催 化器的选型，造成产品开发成本的增加、人力及物力资源的浪费，降低产品的市场竞争力。
[0003] 随着日益恶化的环境、愈加严格的排放法规，国家对汽车尾气排放提出更高的标 准，大多数主机厂采取盲目地增大载体体积或者增加贵金属质量等策略，虽然一定程度地 提高了转化效率，满足排放标准，但造成产品开发成本的增加及资源的严重浪费。因此，主 机厂迫切需要一种科学而准确的设计方法，提升载体选型的设计精度，保证高效的有害气 体净化，严格控制有害气体排放，才可应对即将执行的国VI排放标准，有效地避免了粗糙的 催化器选型，所带来的产品开发成本增加、市场竞争力度不足、社会资源浪费等问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种三元催化器选型的设计方法，不仅能够提升三元催化 器设计精度，减少试验费用，控制产品开发成本，还可计算有害气体各组分的转化效率，控 制污染物的排放，应对严格的排放标准。
[0005] -种三元催化器选型设计方法，包括:建立计算模型、优化载体涂层量、调整载体 结构、确定催化器选型。首先，建立三元催化器的计算模型，对计算模型的参数进行设置。然 后，根据计算模型输出的计算结果，优化载体涂层量，提高转化效率及缩短催化剂起燃时 间。调整载体结构，提高有害气体的转化效率直至达到规定的转化效率标准。最后，确定催 化器的选型。
[0000]具体地，所述的载体涂层量包括贵金属比例及质量、CeO2的质量。
[0007] 具体地，所述的载体结构包括载体的直径、长度、目数、壁厚。
[0008] 具体地，所述起燃时间为有害气体的转化效率为50%时所需的时间。
[0009]具体地，所述的贵金属为Pt、Pd、Rh;载体涂层中的Ce〇2具有储存与释放氧气的功 能。
[0010]具体地，所述的计算模型包括:入口气体参数设置模块、催化器参数设置模块、出 口气体参数设置模块、数据输出模块;首先，通过入口气体参数设置模块对入口气体流量、 温度、组分参数进行设置;然后，催化器参数设置模块中对催化器的金属外壳、衬垫、载体的 热物性参数、载体初始体积、表面化学反应方程及反应动力学参数、载体涂层量的初始参数 进行设置;再然后，通过出口气体参数设置模块设置出口压力参数;最后，数据输出模块输 出有害气体转化效率、载体温度分布、出口气体温度;所述的热物性参数包括导热系数及比 热容。
[0011]具体地，所述的表面化学反应方程包括CH、C0、N0x的反应方程，氧储存与释放氧的 反应方程;化学反应动力学参数包括指前因子K及活化能E。
[0012I具体地，CH、C0、N0x的化学反应动力学参数标定方法如下：
[0013] 步骤一、合成气体试验台取一个催化器载体的样件；
[0014] 步骤二、按照偏浓、偏稀和理论空燃比三种方式进行混合气配比，分别进行燃烧试 验，燃烧产物中各物质的组分比例为催化器入口气体的参数输入；
[0015] 步骤三、催化转化效率测试的过程中，温度从低温逐渐升高到反应完全完成，得到 不同温度下CH、CO、NOx的转化效率曲线：
[0016] 步骤四、根I
得到不同温度下的E值，取E的平 均值为活化能；其中，R表示理想气体常数8.414J/mol · k;Tl与T2表示不同的反应温度;rl 与r2表示Tl、T2不同温度下的反应速率;r表示某温度下化学反应速率;cl与c2表示某组分 反应前后的摩尔浓度;tl与t2表示反应起始与结束时间；
[0017] 步骤五、根捐
，得到不同温度下的K值，取K的平均值为指前因子； 其中，T表示化学反应温度。
[0018] 具体地，氧储存与释放反应过程中Ce〇2参与反应的化学动力学参数标定方法如 下：
[0019] 步骤一、合成气体试验台取一个催化器载体的样件；
[0020] 步骤二、交替进行偏浓、偏稀混合气体燃烧产物的氧储存与释放试验；
[0021] 步骤三、测试得到催化器入口及出口的氧气含量、温度；
[0022] 步骤四、根_
得到不同温度下的E值，取E的平 均值为活化能；
[0023] 步骤五、根i
M导到不同温度下的K值，取K的平均值为指前因子。
[0024] 具体地，所述载体涂层量的初始参数设置包括贵金属的质量及浓度、Ce〇2的质量 及浓度;载体初始体积是根据发动机排量A与载体体积B的比值进行选择的，选取范围A: B为 0.8~1.2,其中优选比值为1。
[0025] 具体地，所述的调整载体结构是在当载体结构不变时，已无法继续通过调整载体 涂层量的方式使得有害气体的转化效率提高，于是通过适当调整载体结构，进而继续优化 载体涂层量，最终达到规定的转化效率标准。
[0026]本发明是一种三元催化器选型的设计方法是在建立软件计算模型的基础上，对载 体直径、长度、壁厚、贵金属及Ce02质量等参数进行精确计算，确定最佳的催化器选型方案， 实现对催化器选型的高精度设计。该方法能够提高催化器的设计精度、减少试验费用及产 品开发成本，而且能够准确计算催化剂起燃时间及有害气体转化效率，对控制有害气体排 放、应对严格的排放标准，起到至关重要的作用。
【附图说明】
[0027] 图1为三元催化器选型的设计方法的流程示意图；
[0028] 图2为建立计算模型的流程示意图；
[0029]图3为计算模型的组成模块。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
[0031 ]如图1，催化器选型的设计方法的流程为:首先，建立催化器的计算模型，对计算模 型的参数进行设置。然后，根据计算模型输出的计算结果，优化载体涂层量，提高转化效率 及缩短催化剂起燃时间。调整载体结构，提高有害气体的转化效率直至达到规定的转化效 率标准。最后，确定催化器的选型。
[0032] 其中，所述的载体涂层量包括贵金属比例及质量、Ce02的质量。载体结构包括载体 的直径、长度、目数、壁厚等。起燃时间为有害气体的转化效率为50 %时所需时间。
[0033] 如图2、图3,建立计算模型的流程为：首先，通过入口气体参数设置模块对入口气 体流量、温度、组分参数进行设置。然后，在催化器参数设置模块中对催化器的金属外壳、衬 垫、载体的热物性参数、载体初始体积、表面化学反应方程及反应动力学参数、贵金属质量 及浓度、CeO 2质量及浓度进行设置。然后通过出口气体参数设置模块设置出口压力参数。最 后，数据输出模块输出有害气体转化效率、载体温度分布、出口气体温度。其中，催化器材料 的热物性参数包括催化器的金属外壳、衬垫、载体的导热系数、比热容。载体涂层量包括贵 金属比例及质量、Ce02的质量。载体初始体积根据发动机排量A与载体体积B的比值完成配 比选择，选取范围A:B为0.8~1.2,其中优选比值1。
[0034]建立计算模型核心在于表面化学反应动力学参数标定，即化学反应动力学参数的 指前因子及活化能标定。表面化学反应方程包括22个化学反应方程，其中17个CH、C0、N0X的 反应方程、5个氧储存与释放氧的反应方程。
[0035] CH、C0、N0X反应过程的指前因子K与活化能E的标定方法如下：
[0036]步骤一、取一个催化转化器的样件；
[0037]步骤二、按照偏浓、偏稀和理论空燃比三种方式进行混合气配比，分别进行燃烧试 验，燃烧产物中各物质的组分比例为催化器入口气体的参数输入；
[0038]步骤三、催化转化效率测试的过程中，温度从低温（反应还没有发生)逐渐升高到 反应完全完成，得到不同温度下CH、C0、N0X的转化效率曲线；
[0039]步骤四、根据S = r = 得到不同温度下的E值，取E的平均值为 活化能；其中，R表示理想气体常数8.414J/mol · k;Tl与T2表示不同的反应温度;rl与r2表 示T1、T2不同温度下的反应速率;r表示某温度下化学反应速率;cl与c2表示某组分反应前 后的摩尔浓度;tl与t2表示反应起始与结束时间；
[0040]步骤五、根据
得到不同温度下的K值，取K的平均值为指前因子；其 中，T表示化学反应温度。
[0041 ]氧储存与释放反应过程中Ce02参与反应的指前因子K与活化能E的标定方法如下： [0042]步骤一、取一个催化转化器的样件；
[0043] 步骤二、交替进行偏浓、偏稀混合气体燃烧产物的氧储存与释放试验；
[0044] 步骤三、测试得到催化器入口及出口氧气含量、温度；
[0045] 步骤四、根_
得到不同温度下的E值，取E的平均值为 活
[0046] 步骤五、根_
，得到不同温度下的K值，取K的平均值为指前因子。
[0047] 调整载体几何参数：当载体结构不变，已无法继续通过调整载体涂层量的方式，提 高有害气体的转化效率，则通过适当调整载体结构，即增大载体直径或者长度，进而可继续 优化涂层量，最终达到各组分转化效率不低于95 %的目标，从而确定载体的选型。
[0048]最后说明的是，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的设计方法进行 修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利 要求范围当中。
【主权项】
1. 一种三元催化器选型设计方法，其特征在于，方法包括:建立计算模型、优化载体涂 层量、调整载体结构、确定催化器选型；首先，建立三元催化器的计算模型，对计算模型的参 数进行设置;然后，根据计算模型输出的计算结果，优化载体涂层量，提高转化效率及缩短 催化剂起燃时间；调整载体结构，提高有害气体的转化效率直至达到规定的转化效率标准； 最后，确定催化器的选型； 所述的载体涂层量包括贵金属比例及质量、Ce〇2的质量； 所述的载体结构包括载体的直径、长度、目数、壁厚； 所述起燃时间为有害气体的转化效率为50 %时所需的时间。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的贵金属为Pt、Pd、Rh;载体涂层中的 Ce02具有储存与释放氧气的功能。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的计算模型包括:入口气体参数设置 模块、催化器参数设置模块、出口气体参数设置模块、数据输出模块;首先，通过入口气体参 数设置模块对入口气体流量、温度、组分参数进行设置;然后，催化器参数设置模块中对催 化器的金属外壳、衬垫、载体的热物性参数、载体初始体积、表面化学反应方程及反应动力 学参数、载体涂层量的初始参数进行设置;再然后，通过出口气体参数设置模块设置出口压 力参数;最后，数据输出模块输出有害气体转化效率、载体温度分布、出口气体温度;所述的 热物性参数包括导热系数及比热容。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于:所述的表面化学反应方程包括CH、CO、NOx的 反应方程，氧储存与释放氧的反应方程;化学反应动力学参数包括指前因子K及活化能E。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于:CH、CO、NOx的化学反应动力学参数标定方法 如下： 步骤一、合成气体试验台取一个催化器载体的样件； 步骤二、按照偏浓、偏稀和理论空燃比三种方式进行混合气配比，分别进行燃烧试验， 燃烧产物中各物质的组分比例为催化器入口气体的参数输入； 步骤三、催化转化效率测试的过程中，温度从低温逐渐升高到反应完全完成，得到不同 温度下CH、CO、NOx的转化效率曲线； 步骤四、得到不同温度下的E值，取E的平均值为 活化能；其中，R表示理想气体常数8.414J/mol ? k;Tl与T2表示不同的反应温度;rl与r2表 示T1、T2不同温度下的反应速率;r表示某温度下化学反应速率;cl与c2表示某组分反应前 后的摩尔浓度;tl与t2表示反应起始与结束时间； 步骤五、_，得到不同温度下的K值，取K的平均值为指前因子;其中， T表示化学反应温度。6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于:氧储存与释放反应过程中Ce02参与反应的 化学动力学参数标定方法如下： 步骤一、合成气体试验台取一个催化器载体的样件； 步骤二、交替进行偏浓、偏稀混合气体燃烧产物的氧储存与释放试验； 步骤三、测试得到催化器入口及出口的氧气含量、温度；得到不同温度下的E值，取E的平均值 为活化能；'，得到不同温度下的K值，取K的平均值为指前因子。7. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于:所述载体涂层量的初始参数设置包括贵金 属的质量及浓度、Ce02的质量及浓度;载体初始体积是根据发动机排量A与载体体积B的比 值进行选择的，选取范围A:B为0.8~1.2,其中优选比值为1。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的调整载体结构是在当载体结构不变 时，已无法继续通过调整载体涂层量的方式使得有害气体的转化效率提高，于是通过适当 调整载体结构，进而继续优化载体涂层量，最终达到规定的转化效率标准。
【文档编号】G06F17/50GK106055840SQ201610502995
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】陈小东, 叶建伟, 沈惠贤, 卿辉斌, 欧宗味, 蒋文萍, 杨鑫
【申请人】重庆长安汽车股份有限公司