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第6章 汽油机后处理净化
本章主要内容：介绍了车用汽油机后处理净化装置特别是三效催化转化器的基本结构和工作原理，并对三效催化转化器的催化反应机理、性能指标和催化剂及其劣化机理进行了较为详细的描述，给出了三效催化转化器工作过程的数学模型，并在此基础上讨论了转化器与发动机以及汽车的匹配问题。
6.1 概述
机内净化技术以改善发动机燃烧过程为主要内容，对降低排气污染起到了较大作用，但其效果有限，且不同程度地给汽车的动力性和经济性带来负面影响。随着对发动机排放要求的日趋严格，改善发动机工作过程的难度越来越大，能统筹兼顾动力性、经济性和排放性能的发动机将越来越复杂，成本也急剧上升。因此，世界各国都先后开发废气后处理净化技术，在不影响或少影响发动机其它性能的同时，在排气系统中安装各种净化装置，采用物理的和化学的方法降低排气中的污染物最终向大气环境的排放。
专门对发动机排气进行后处理的方法是将净化装置串接在发动机的排气系统中，在废气排入大气前，利用净化装置在排气系统中对其进行处理，以减少排入大气的有害成分。在发达国家，车用汽油机采用后处理装置较多。这些装置主要有三效催化转化器、热反应器和空气喷射器等。目前，在发达国家生产的汽油车几乎都装备了三效催化转化器，并已有二十多年的商业化应用历史。随着我国经济的高速发展，城市机动车辆日益增多，其废气已严重污染了大气环境，对三效催化转化器的需求将更为迫切。
6.2 三效催化转化器

图6-1 催化转化器的基本构造
1-壳体；2-垫层；3-催化剂

三效催化转化器是目前应用最多的废气后处理净化技术。当发动机工作时，废气经排气管进入催化器，其中氮氧化物与废气中的一氧化碳、氢气等还原性气体在催化作用下分解成氮气和氧气；而碳氢化合物和一氧化碳在催化作用下充分氧化，生成二氧化碳和水蒸气。三效催化转化器的载体一般采用蜂窝结构，蜂窝表面有涂层和活性组分，与废气的接触表面积非常大，所以其净化效率高，当发动机的空燃比在理论空燃比附近时，三效催化剂可将90%的碳氢化合物和一氧化碳及70%的氮氧化物同时净化，因此这种催化器被称为三效催化转化器。目前，电子控制汽油喷射加三效催化转化器已成为国内外汽油车排放控制技术的主流。
6.2.1 三效催化转化器的基本结构
三效催化转化器的基本结构如图6-1所示，它由壳体、垫层和催化剂组成。其中，催化剂包括载体、涂层和活性组分，将在后面的章节中详细介绍。下面主要介绍三效催化转化器的壳体和垫层部分。
1. 壳体
壳体是整个三效催化转化器的支承体。壳体的材料和形状是影响催化转化器转化效率和使用寿命的重要因素。目前用得最多的壳体材料是含铬、镍等金属的不锈钢，这种材料具有热膨胀系数小、耐腐蚀性强等特点，适用于催化转化器恶劣的工作环境。壳体的形状设计，要求尽可能减少流经催化转化器气流的涡流和气流分离现象，防止气流阻力的增大；要特别注意进气端形状设计，保证进气流的均匀性，使废气尽可能均匀分布在载体的端面上，使附着在载体上的活性涂层尽可能承担相同的废气注入量，让所有的活性涂层都能对废气产生加速反应的作用，以提高催化转化器的转化效率和使用寿命。
三效催化转化器壳体通常做成双层结构，并用奥氏体或铁素体镍铬耐热不锈钢板制造，以防因氧化皮脱落造成催化剂的堵塞。壳体的内外壁之间填有隔热材料。这种隔热设计防止发动机全负荷运行时由于热辐射使催化器外表面温度过高，并加速发动机冷起动时催化剂的起燃。为减少催化器对汽车底板的热辐射，防止进入加油站时因催化器炽热的表面引起火灾，避免路面积水飞溅对催化器的激冷损坏以及路面飞石造成的撞击损坏，在催化器壳体外面还设有半周或全周的防护隔热罩。
2. 垫层
为了使载体在壳体内位置牢固，防止它因振动而损坏，为了补偿陶瓷与金属之间热膨胀性的差别，保证载体周围的气密性，在载体与壳体之间加有一块由软质耐热材料构成的垫层。垫层具有特殊的热膨胀性能，可以避免载体在壳体内部发生窜动而导致载体破碎。另外，为了减小载体内部的温度梯度，以减小载体承受的热应力和壳体的热变形，垫层还应具有隔热性。常见的垫层有金属网和陶瓷密封垫层两种形式，陶瓷密封垫层在隔热性、抗冲击性、密封性和高低温下对载体的固定力等方面比金属网要优越，是主要的应用垫层；而金属网垫层由于具有较好的弹性，能够适应载体几何结构和尺寸的差异，在一定的范围内也得到了应用。
陶瓷密封垫层一般由陶瓷纤维（硅酸铝）、蛭石和有机粘合剂组成。陶瓷纤维具有良好的抗高温能力，使垫层能承受催化转化器中较为恶劣的高温环境，并在此条件下充分发挥垫层的作用。蛭石在受热时会发生膨胀，从而使催化转化器的壳体和载体连接更为紧密，还能隔热以防止过高的温度传给壳体，保证催化转化器使用的安全性。
6.2.2 催化反应机理
催化作用的核心是催化剂。催化剂是一种能够改变化学反应达到平衡的速率而本身的质量和组成在化学反应前后保持不变的物质。有催化剂参与的化学反应就称为催化反应。催化反应一般都是多阶段或多步骤的，从反应物到产物都经过多种中间物，催化剂参与中间物的形成，但最终不进入产物。根据催化剂与反应物所处状态的不同，催化作用可以分为均相催化和多相催化。固体催化剂对气态或液态反应物所起的催化作用属于多相催化，车用催化剂就是此类型的催化。多相催化反应过程一般包括以下步骤：①反应物分子从流体主体通过滞流层向催化剂外表面扩散（外扩散）；②反应物分子从催化剂外表面向孔内扩散（内扩散）；③反应物分子在催化剂内表面上吸附；④吸附态的反应物分子在催化剂表面上相互作用或与气相分子作用的化学反应；⑤反应产物从催化剂内表面脱附；⑥脱附的反应产物自内孔向催化剂外表面扩散（内扩散）；⑦产物分子从催化剂外表面经滞流层向流体主体扩散（外扩散）。其中，①②⑥⑦为传质过程，③④⑤为表面反应过程，或称化学动力学过程。
化学动力学过程三个步骤的机理如下：
1. 吸附过程
吸附作用是一种或数种物质的原子、分子或离子附着在另一种物质表面上的过程。具有吸附作用的物质称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。吸附质在表面吸附以后的状态称为吸附态。吸附发生在吸附剂表面上的局部位置，该位置叫做吸附中心。吸附中心与吸附态共同构成表面吸附络合物。
在三效催化剂上发生化学吸附的一般吸附方程式如下：
假定：A为吸附质分子（CO、HC或NOX）
s为活性中心（或催化中心）
A(s)为在吸附表面上形成的表面络合物
H(s)和O(s)分别为氢原子和氧原子吸附在活性中心形成的表面络合物
则：
A + s → A(s) (6-1)
H2 + s + s → H(s) + H(s) (6-2)
O2 + s + s → O(s) + O(s) (6-3)
2. 表面反应过程
反应物分子吸附在催化剂表面的活性中心后，它们就分别开始与同样吸附在活性中心的氧化剂分子或还原剂分子发生氧化还原反应。在三效催化转化器中主要发生CO氧化反应、HC氧化反应和NO还原反应，它们的反应机理如下：
1）CO氧化反应
当排气中有自由氧时，氧化催化剂促进如下的总量反应：
CO + 0.5O2 → CO2 (6-4)
CO被O2氧化一般认为包括下列四个基本步骤（式中(g)表示气相，(a)表示吸附相）：
CO(g) → CO(a) (6-5)
O2(g) → 2O(a) (6-6)
O(a) + CO(a) → CO2(g) (6-7)
O(a) + CO(g) → CO2(g) (6-8)
式(6-7)和式(6-8)导致生成CO2。在混合气的排气中，大量具有高度极性的CO吸附在贵金属催化剂上将妨碍它被O2氧化。为使CO开始解吸以让出催化剂的活性位给氧，催化剂必须达到足够高的温度（100～200℃）。氧离解，开始式(6-7)和式(6-8)的反应。反应式(6-7)和式(6-8)空出新的活性位，使CO的催化氧化加速。HC和NO对CO的氧化有抑制作用，而对CO2和H2O没有任何影响。
部分CO可通过水煤气反应
CO + H2O → CO2 + H2 (6-9)
而清除，而铂Pt可促进此反应。H2很容易被氧化成水，即
2H2 + O2 → 2H2O (6-10)
2）HC氧化反应
有多余的氧和氧化催化剂时，会发生如下的总量氧化反应：
CmHn + (m+0.25n)O2 → mCO2 + 0.5nH2O (6-11)
NO和CO对碳氢化合物的氧化反应起抑制作用，式中m和n分别表示碳和氢的原子数。
3）NO还原反应
除非在很高的温度下，NO分子是不稳定的，因此在理论上NO会按如下的反应分解成分子氮和分子氧：
NO → 0.5N2 + 0.5O2 (6-12)
但是，这种放热反应很难进行。存在催化剂时，较高的温度和具备化学还原剂是NO得以还原的必要条件。伴随NO存在于排气中的CO、未燃HC和H2可以成为这样的还原剂，其中H2可能来自水煤气反应式(6-9)或水蒸气重整反应：
CmHn + mH2O → mCO + (m+0.5n)H2 (6-13)
而导致NO消失的总量反应如下：
NO+CO→0.5N2+CO2 (6-14)
NO + H2 → 0.5N2 + H2O (6-15)
(2m+0.5n)NO + CmHn → (m+0.25n)N2 + 0.5nH2O + mCO2 (6-16)
具体基本步骤有：
CO(g) → CO(a) (6-17)
NO(g) → NO(a) (6-18)
NO(a) → N(a) + O(a) (6-19)
N(a)+ N(a) → N2(g) (6-20)
O(g) + CO(a) → CO2(g) (6-21)
2NO(a) → N2O (g) + O(a) (6-22)
2NO(a) → N2(g) + 2O(a) (6-23)
N2O(g) → N2O(a) (6-24)
N2O(a) → N2(g) + O(a) (6-25)
如果排气中分子氧的分压明显高于NO的分压，NO消失的速率会明显下降。这就是为什么用目前已有的催化剂不能完全消除供给过量空气的发动机（稀燃点燃式发动机和压燃式发动机）排气中NO的原因。
反之，当发动机以浓混合气运转时，排气中会出现大量化学还原剂，从NO离解产生的原子态氮可进行更彻底的还原。主要反应可通过下列某一途径生成氨：
NO + 2.5H2 → NH3 + H2O (6-26)
2NO +5CO + 3H2O → 2NH3 + 5CO2 (6-27)
3. 脱附过程
当表面反应过程完成后，生成的反应产物分子就会从催化剂表面的活性中心脱离出来，为表面反应的继续进行空出活性位，这个过程称为脱附。
在三效催化剂表面发生的一般脱附方程式如下：
假定：B为反应产物分子
s为活性中心（或催化中心）
B(s)为在吸附在催化剂上形成的表面络合物
B(s) → B + s (6-28)
H(s) + H(s) → H2 + s + s (6-29)
O(s) + O(s) → O2 + s + s (6-30)
6.2.3 三效催化剂及其劣化机理
1. 三效催化剂
三效催化剂是三效催化转化器的核心部分，它决定了三效催化转化器的主要性能指标，其组成如图6-2所示。
1）载体
蜂窝状整体式载体具有排气阻力小、机械强度大、热稳定性好和耐冲击等优良性能，故能被广泛用作汽车催化剂的载体。目前市场上销售的汽车排气净化催化剂商品均采用蜂窝状整体式载体，其基质有两大类，即堇青石陶瓷和金属，前者约占90%，后者约占10%。
图6-2 三效催化剂的组成

汽车用蜂窝陶瓷载体一般用堇青石制造，它是一种铝镁硅酸盐陶瓷，其化学组成为2Al2O3·2MgO·5SiO2，熔点在1450℃左右，在1300℃左右仍能保持足够的弹性，以防止在发动机正常运转时发生永久变形。一般认为堇青石蜂窝载体的最高使用温度为1100℃左右。为增大蜂窝陶瓷载体的几何面积，并降低其热容量和气流阻力，载体采用的孔隙度已从早期的47孔/cm2到62孔/cm2再到93孔/cm2，孔壁厚也由0.3mm到0.15mm再到0.1mm。因此在不增加催化转化器体积的情况下，使单位体积的几何表面积由2.2m2/L增加到2.8m2/L再到3.4m2/L，从而大大提高了净化效率。
蜂窝金属载体的优点是起燃温度低、起燃速度快、机械强度高、比表面积大、传热快、比热容小、抗振性强和寿命长，可适应汽车冷起动排放的要求，并可采用电加热。在外部横断面相同的情况下，金属载体提供给排气流的通道面积较大，从而可降低排气阻力15%～25%，可使发动机功率提高2%～3%。相同直径的金属蜂窝整体式载体和陶瓷载体达到相同三效转化率时，金属载体的体积可比陶瓷载体的体积减小18%。但由于其价格比较昂贵，目前主要用于空间体积相对较小的摩托车以及少量汽车的前置催化转化器中，后者的主要目的是改善发动机的冷起动排放。
2）涂层
由于蜂窝陶瓷载体本身的比表面积很小，不足以保证贵金属催化剂充分分散，因此常在其壁上涂覆一层多孔性物质，以提高载体的比表面积，然后再涂上活性组分。多孔性的涂层物质常选用氧化铝Al2O3与SiO2、MgO、CeO2或ZrO2等氧化物构成的复合混合物。理想的涂层可使催化剂有合适的比表面积和孔结构，从而改善催化剂的活性和选择性，保证助催化剂和活性组分的分散度和均匀性，提高催化剂的热稳定性。同时还可节省贵金属活性组分的用量，降低催化剂生产成本。
对于蜂窝金属载体，涂底层的方法并不适用，而是通常采用刻蚀和氧化的方法在金属表面形成一层氧化物，然后在此氧化物表面上浸渍具有催化活性的物质。
3）活性组分
汽车尾气净化用催化剂以铑Rh、铂Pt、钯Pd三种贵金属为主要活性组分，此外还含有铈Ce、镧La等稀土元素作为助催化剂。催化剂各组分的作用如下：
（1）铑Rh
铑是三效催化剂中催化氮氧化物还原反应的主要成分。它在较低的温度下还原氮氧化物为氮气，同时产生少量的氨具有很高的活性。所用的还原剂可以是氢气也可以是一氧化碳，但在低温下氢气更易反应。氧气对此还原反应影响很大，在氧化型气氛下，氮气是唯一的还原产物；在无氧的条件下，低温时和高温时主要的还原产物分别是氨气和氮气。但当氧浓度超过一定计量时，氮氧化物就不能再被有效地还原。此外，铑对一氧化碳的氧化以及烃类的水蒸气重整反应也有重要的作用。铑可以改善一氧化碳的低温氧化性能。但其抗毒性较差，热稳定性不高。在汽车催化转化器中，铑的典型用量为0.1～0.3g。
（2）铂Pt
铂在三效催化剂中主要起催化一氧化碳和碳氢化合物的氧化反应的作用。铂对一氧化氮有一定的还原能力，但当汽车尾气中一氧化碳的浓度较高或有二氧化硫存在时，它没有铑有效。铂还原氮氧化物的能力比铑差，在还原性气氛中很容易将氮氧化物还原为氨气。铂还可促进水煤气反应，其抗毒性能较好。铂在三效催化剂中的典型用量为1.5～2.5g。
（3）钯Pd
钯在三效催化剂中主要用来催化一氧化碳和碳氢化合物的氧化反应。在高温下它会与铂或铑形成合金，由于钯在合金的外层，会抑制铑的活性的充分发挥。此外，钯的抗铅毒和硫毒的能力不如铂和铑，因此全钯催化剂对燃油中的铅和硫的含量控制要求更高。但钯的热稳定性较高，起燃活性好。
在汽车尾气净化用三效催化剂中，各个贵金属活性组分的作用是相互协同的，这种协同作用对催化剂的整体催化效果十分重要。
（4）助催化剂
助催化剂是加到催化剂中的少量物质，这种物质本身没有活性，或者活性很小，但能提高活性组分的性能——活性、选择性和稳定性。车用三效催化剂中常用的助催化剂有氧化镧和氧化铈，它们具有多种功能：①储存及释放氧，使催化剂在贫氧状态下更好地氧化一氧化碳和碳氢化合物，以及在过剩氧的情况下更好地还原氮氧化物；②稳定载体涂层，提高其热稳定性，稳定贵金属的高度分散状态；③促进水煤气反应和水蒸汽重整反应；④改变反应动力学，降低反应的活化能，从而降低反应温度。
2. 三效催化剂的劣化机理
三效催化剂的劣化机理是一个非常复杂的物理、化学变化过程，除了与催化转化器的设计、制造、安装位置有关外，还与发动机燃烧状况、汽油和润滑油的品质及汽车运行工况等使用过程有着非常密切的关系。影响催化剂寿命的因素主要有四类，即热失活、化学中毒、机械损伤以及催化剂结焦。在催化剂的正常使用条件下，催化剂的劣化主要是由热失活和化学中毒造成的。
1) 热失活
热失活是指催化剂由于长时间工作在850℃以上的高温环境中，涂层组织发生相变、载体烧熔塌陷、贵金属间发生反应、贵金属氧化及其氧化物与载体发生反应而导致催化剂中氧化铝载体的比表面积急剧减小、催化剂活性降低的现象。高温条件在引起主催化剂性能下降的同时，还会引起氧化铈等助催化剂的活性和储氧能力的降低。
引起热失活的原因主要有三种：①发动机失火，如突然刹车、点火系统不良、进行点火和压缩试验等，使未燃混合气在催化器中发生强烈的氧化反应，温度大幅度升高，从而引起严重的热失活；②汽车连续在高速大负荷工况下行驶、产生不正常燃烧等，导致催化剂的温度急剧升高；③催化器安装位置离发动机过近。催化剂的热失活可通过加入一些元素来减缓，如加入锆、镧、钕、钇等元素可以减缓高温时活性组分的长大和催化剂载体比表面积的减小，从而提高反应的活性。另外，装备了车载诊断系统（OBD）的现代发动机，也使催化剂热失活的可能性大为降低。
2）化学中毒
催化剂的化学中毒主要是指一些毒性化学物质吸附在催化剂表面的活性中心不易脱附，导致尾气中的有害气体不能接近催化剂进行化学反应，使催化转化器对有害排放物的转化效率降低的现象。常见的毒性化学物主要有燃料中的硫、铅以及润滑油中的锌、磷等。
（1）铅中毒
铅通常是以四乙基铅的形式加入到汽油中，以增强汽油的抗爆性。它在标准无铅汽油中的含量约为1mg/L，以氧化物、氯化物或硫化物的形式存在。一般认为铅中毒可能存在两种不同的机理：一是在700～800℃时，由氧化铅引起的；二是在550℃以下，由硫酸铅及铅的其它化合物抑制气体扩散引起的。
（2）硫中毒
燃油和润滑油中的硫在氧化环境中易被氧化成二氧化硫。二氧化硫的存在，会抑制三效催化剂的活性，其抑制程度与催化剂种类有关。硫对贵金属催化剂的活性影响较小，而对非贵重金属催化剂活性影响较大。而在常用的贵金属催化剂Rh、Pt、Pd中，Rh能更好地抵抗二氧化硫对NO还原的影响，Pt受二氧化硫影响最大。
（3）磷中毒
通常磷在润滑油中的含量约为12g/L，是尾气中磷的主要来源。据估计汽车运行8万千米大约可在催化剂上沉积13g磷，其中93%来源于润滑油，其余来源于燃油。磷中毒主要是磷在高温下可能以磷酸铝或焦磷酸锌的形式粘附在催化剂表面上，阻止尾气与催化剂接触所致，但向润滑油中加入碱土金属（Ca和Mg）后，碱土金属与磷形成的粉末状磷酸盐可随尾气排出，此时催化剂上沉积的磷较少，使HC的催化活性降低也较少。
3）机械损伤
机械损伤是指催化剂及其载体在受到外界激励负荷的冲击、振动乃至共振的作用下产生磨损甚至破碎的现象。催化剂载体有两大类：一类是球状、片状或柱状氧化铝；另一类是含氧化铝涂层的整体式多孔陶瓷体。它们与车上其它零件材料相比，耐热冲击、抗磨损及抗机械破坏的性能较差，遇到较大的冲击力时，容易破碎。
4）催化剂结焦
结焦是一种简单的物理遮盖现象，发动机不正常燃烧产生的碳烟都会沉积在催化剂上，从而导致催化剂被沉积物覆盖和堵塞，不能发挥其应有作用，但将沉积物烧掉后又可恢复催化剂的活性。
6.2.4 三效催化转化器的性能指标
车用汽油机三效催化转化器的性能指标很多，其中最主要的有污染物转化效率和排气流动阻力。
转化效率由下式定义：
(6-31)
式中：—排气污染物i在催化器中的转化效率；
—排气污染物i在催化器进口处的浓度或体积分数；
—排气污染物i在催化器出口处的浓度或体积分数。
催化转化器对某种污染物的转化效率，取决于污染物的组成、催化剂的活性、工作温度、空间速度及流速在催化空间中分布的均匀性等因素，它们分别可用催化器的空燃比特性、起燃特性和空速特性表征；而催化器中排气的流动阻力则由流动特性表征。
1. 空燃比特性
三效催化剂转化效率的高低与发动机可燃混合气的空燃比或过量空气系数有关，转化效率随或的变化称为催化器的空燃比特性。
当供给发动机的可燃混合气的空燃比严格保持为化学计量比时（过量空气系数＝1.0），三效催化剂几乎可以同时消除所有三种污染物。
如果发动机的可燃混合气浓度未保持在化学计量比时，三效催化剂的转化效率就将下降，如图6-3所示；对稀混合气（空气过量），NO净化效率下降；对浓混合气（燃油过量），CO和HC净化效率下降，不过一旦所有可用的O2和NO已经消耗完，CO和HC还可以分别通过与排气中的水蒸气发生如式(6-9)所示的水煤气反应和如式(6-13)所示的水蒸气重整反应加以消除。

图6-3 过量空气系数对三效催化转化器 图6-4 三效催化剂的起燃温度特性
转化效率的影响
三效催化剂能理想工作的过量空气系数“窗口”很窄，宽度只有0.01～0.02左右（对应空燃比窗口宽度0.15～0.3），且并不相对＝1.00对称，而是偏向浓的方向。在这个窗口工作，CO、HC和NOX的净化效率均可在80%以上。
2. 起燃特性
催化剂转化效率的高低与温度有密切关系，催化剂只有达到一定温度才能开始工作，称为起燃。起燃特性有两种评价方法：催化剂的起燃特性常用起燃温度评价，而整个催化转化器系统的起燃特性用起燃时间来评价。
图6-4表示某催化剂的转化效率随气体入口温度的变化。转化效率达到50%时所对应的温度称为起燃温度。起燃时间特性描述整个催化转化系统的起燃时间历程，将达到50%转化效率所需要的时间称为起燃时间。
起燃温度和起燃时间评价的内容不完全相同。主要取决于催化剂配方，它评价的是催化剂的低温活性。而除与催化剂配方有关外，在很大程度上取决于催化转化器系统的热容量、绝热程度以及流动传热传质过程，影响因素更复杂，但实用性更好。
到目前为止，起燃温度是最常用的起燃特性指标，其试验测定也简便易行。但为了满足未来更加严格的排放法规，必须重视对催化转化器起燃时间的研究。排放试验表明，按国标GB18352-2001的Ⅰ型试验用测试循环的市区测试循环（1部）试验时，头120秒内排放了总循环（为时820秒）中90%的CO、80%的HC和60%的NOX，如图6-5所示。出现较大的初始排放量主要有两个原因：一是催化剂未达到足够高的温度，不能进行有效的催化反应；二是发动机起动时的混合气浓，CO和HC的催化氧化因缺氧而不能有效进行。因此，保证在发动机冷起动时使催化转化器快速起燃，是目前降低车用汽油机排放的研究重点。
传统催化转化器的起燃温度通常在250～300℃，在汽油机冷起动后2分钟左右的时间内催化转化器可以达到这个温度，而此时排出的废气已占循环总量的80%左右。面对更严格的汽车排放标准欧Ⅲ和欧Ⅳ，由于取消了试验循环中冷起动阶段的40秒怠速时间，考虑到汽油机在此阶段较差的排放性能和催化转化器的起燃温度要求，因此，改善冷起动时的净化性能和缩短催化转化器达到起燃温度的时间就成为研究开发的目标。为此，可采用诸如无级进排气凸轮轴调节系统、可控的进气系统、推迟点火、改善燃烧稳定性和二次空气系统及废气后处理系统等。
3. 空速特性
空速是空间速度的简称，其定义是：
(6-32)
式中：—空速，s-1或h-1；
—流过催化剂的排气体积流量（换算到标准状态），L/s或L/h；
—催化剂体积，L。
空速的大小实际上表示了反应气体在催化剂中的停留时间（单位为s），两者的关系为
(6-33)
式中：—催化床的空隙率，是由催化剂结构参数决定的常数。
空速越高，反应气体在催化剂中停留的时间越短，会使转化效率降低；但同时由于反应气体流速提高，湍流强度加大，有利于反应气体向催化剂表面的扩散以及反应产物的脱附。因此，在一定范围内，转化效率对空速的变化并不敏感。
发动机在不同工况运行时，催化器的空速在很大范围内变化。怠速时，＝1～2s-1，而在全速全负荷运行时，＝30～100s-1。性能好的三效催化剂至少在＝30s-1内保持高的转化效率；而性能差的催化剂尽管在低空速（如怠速）时可以有很高的转化效率，但随空速的提高转化效率很快下降。因而，仅用怠速工况评价催化剂的活性是不充分的。
在催化剂的实际应用中，人们总希望用较小体积的催化剂实现较高的转化效率，以降低催化剂和整个催化转化器的成本。这就要求催化剂有很好的空速特性。一般来说，催化剂体积与发动机总排量之比为0.5～1.0，即
=（0.5～1.0） (6-34)
式中：—发动机排量，L。
而贵金属用量与的数值关系为
=（1.0～2.0） (6-35)
式中：—贵金属用量，g。
4. 流动特性
催化器横截面上流速分布不均匀，不仅会使流动阻力增加，而且会使催化器转化效率下降和劣化加速。流速分布不均匀一般是中心区域流速高，外围区域流速低，这样一来中心部分的温度过高，使该区催化剂很容易劣化，缩短了使用寿命，而外围温度又过低，使该区催化剂得不到充分利用，造成总体转化效率的降低。另外，流速分布不均匀还会导致载体径向温度梯度增大，产生较大热应力，加大了载体热变形和损坏的可能性。影响催化转化器流动均匀性的因素是多方面的，扩张管的结构、催化转化器的空速以及载体阻力等都对流动均匀性有很大影响。减小扩张管的扩张锥角，可以减少气流在管壁的分离，既可减小气流的局部流动损失，又可改善气流在载体内的流动均匀性。对扩张管的形状、结构进行优化设计是改善催化转化器流动均匀性的一种有效方法。扩张管的扩张锥角不但影响气流沿横截面分布的均匀性，而且影响阻力。一般来说，90°锥角是较好的选择。非圆截面催化器组织均匀流动较困难，必要时要采用复杂渐变的进口过渡段形状。采用增强型入口扩张管可以改善流速分布，降低催化转化器压力损失。采用合适的圆滑过渡型线的增强型入口扩张管，可以明显提高流速分布均匀性，并且气流基本上不发生边界层分离，但是圆滑过渡型线的增强型入口扩张管制造困难，且工艺较复杂，使制造成本增加，因此在设计时应综合考虑。
6.2.5 三效催化转化器工作过程模拟
催化转化器的转化效率是运行参数和设计参数的复杂函数。如果催化转化器的研究和设计仅依赖经验方法，这不仅费时费力，而且也很难设计出令人满意的产品。如果能建立一个通用的数学模型，可方便、快捷地了解催化转化器工作过程的各个细节以及各种参数之间的相互影响，从而有力地促进催化转化器的研究与设计。
这一模型的提出基于Voltz等人的研究成果。为了简化计算，对排气作了如下处理：因为NO2的浓度比NO低得多，所以仅考虑NO；H2是NO还原反应的主要还原剂，必须加以考虑；HC化合物的成分非常复杂，将它简化为两大类，用C3H6代表快速氧化反应的HC，所占比例为86%，用CH4代表慢速氧化反应的HC，所占比例为14%。因此，在模型中需要考虑六种物质，其中的反应如下：
CO + 0.5O2 → CO2 （6-36）
C3H6 + 4.5O2 → 3CO2 + 3H2O (6-37)
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (6-38)
CO + NO → CO2 + 0.5N2 (6-39)
H2 + 0.5O2 → H2O (6-40)
在上述反应中，每种物质的反应速率是反应位置的载体壁面（催化剂）温度和气体浓度的函数：
(6-41)
(6-42)
(6-43)
(6-44)
(6-45)
(6-46)
式中：，，，，—比例常数，其值由以下算式决定：
(6-47)
(6-48)
(6-49)
(6-50)
(6-51)
方程中的G和S表示吸附对化学反应的阻碍常量：
(6-52)
(6-53)
式中：

从以上方程中可以看出：在催化转化器起燃过程中，催化剂涂层的温度对转化效率有很大的影响，在一定范围内，温度越高，转化效率越高。因此，对催化剂涂层如何在尽可能短的时间内达到较高温度方面的研究有重大的实际意义。
这里将圆柱蜂窝载体简化成轴对称的二维模型，如图6-6所示。

图6-6 催化转化器工作过程的原理图
在图6-6中，Qr表示气体与载体间的径向传热量，Qz表示气体与载体间的轴向传热量，Qc表示总的化学反应热量，Qh表示气体与载体表面的对流传热量。
由气体的能量平衡可得：
(6-54)
式中：—载体的开口率；
—排气的定压比热，J/(kg·℃)；
—气体温度，℃；
—排气密度，kg/m3；
—单位载体体积的几何表面积，m2/m3；
—载体与排气间的轴向传热系数，J/( m2·s·℃)。
由气体的质量平衡可得：
(6-55)
式中：—排气的摩尔质量，kg/mol；
—排气中成分的浓度，mol/m3；
—载体反应表面的成分的浓度，mol/m3；
—气体成分的传质系数，m/s。
由载体的能量平衡可得：
(6-56)
式中：—载体材料的密度，kg/m3；
—载体温度，℃；
、—载体有限元模型的有效径向和轴向导热系数，J/( m·s·℃)；
—化学反应产生的热量，J/mol。
由载体的质量平衡可得：
(6-57)
式中：—单位载体体积的催化剂表面积，m2/m3；
—成分的反应速率，mol/m3·s。
其中，载体与排气间的轴向传热系数：
(6-58)
化学反应热：