三效催化转换器是安装于汽车尾气后处理系统中的机外净化装置。它可将尾气中的CO、HC和NO通过加载在载体通道表面的贵金属催化剂的催化作用下，氧化和或还原成无害的CO2，H2O和N2。三元催化器是降低尾气有害排放的最有效手段之一。随着城市汽车保有量的增加，排放法规越来越严格，相应地对三效催化器的性能要求也随之提高。然而三效催化器在实际运行过程中存在两个突出的问题，流过三效催化器的尾气流速分布不均，降低了三效催化器的容积使用效率与催化转化效率；三效催化器在发动机冷起动阶段的前二百秒所排放的有害气体量占总量的60～70﹪。本文通过数值模拟和实验研究了三效催化器的流速分布及其结构优化、冷起动过程机理、和三效催化器的一些主要参数对催化器性能的影响；并研究了涂层形状及其对催化性能的影响。 本文在分析了三效催化器运行时所遇到的流动、传热传质和异相催化现象的基础上，建立了适用于轴对称三效催化器数值模拟的集成数理模型。通过数值模拟，首次研究了流动分布对催化器性能的影响。研究结果表明，速度分布越不均匀，即均匀度指数越小，CO、HC和NO的催化转化效率越低；催化剂冷起动的时间越长，冷起动期间的排放量越大。载体内流速分布不均，还影响催化器的温度分布及演变。数值模拟结果表明，流速分布越不均匀，轴向和径向的温度梯度越大，承受的温度应力越大，会降低催化器的使用寿命。因此需要进行结构优化。 针对三效催化器载体内流动分布的不均匀性，本文提出了两种结构优化方案：载体孔径从载体中心区到周边区域逐渐增大与在催化器的圆锥扩张段加装蜂窝球弧。本文的研究表明，从轴心线沿径向方向逐渐降低通道直径比通道直径固定不变的载体的速度均匀度有很大提高，而且流过催化器的压降也与其平均直径相等的载体几乎一样；试验研究表明，加装蜂窝球弧后，载体内流速分布的均匀性大幅提高，而且几乎不随流量或雷诺数的变化而变化。需要注意的是，在设计蜂窝球弧时，蜂窝球弧的流通面积必须大于进口尾管的横截面积，才能使流过催化器系统的阻力不致过大，球弧厚度也必须大于蜂窝球弧的小孔直径，才能保证流过蜂窝球弧的尾气流动方向垂直于球弧表面。 对典型的冷起动过程的模拟研究结果表明，入口温度斜率对载体温度分布和演变有较大的影响。入口温度上升速率越大，在尚未发生催化反应之前，载体温度沿轴向的下降速度越大，沿径向的下降速度也越大。催化反应发生前后的温度变化剧烈。由于催化反应产生大量的热量，该热量被尾气部分带向下游。因此在整个冷起动过程中，载体温度沿轴向方向由反应发生前的逐渐降低，到反应起动过程中的沿轴向逐渐增加到一个最高温度后，沿轴向又逐渐降低，最后到反应趋向稳定时，载体温度沿轴向逐渐升高到接近后端面，冷起动过程中承受的温度应力是很大的。CO、HC和NO的起动时间是不一样的，NO起动得最早，HC起动得最迟，整个冷起动过程至少需要180s的时间才能稳定下来。同时本文研究了流量脉动、催化器位置、尾管类型、尾管材料及环境温度对催化器入口温度、尾气排放的影响。研究表明流量脉动对催化器转换效率的脉动有很大影响，催化器位置前移及采用双层管壁的尾气管道都可大幅降低排放，但考虑到催化器位置的前移会产生额外的问题，拟优先考虑采用双层管壁。环境温度对排放也有较大的影响。从排放的角度，在设计催化器时应保证催化器可能运行的最低温度时的排放要求。 本文对载体壁厚、开孔密度、空间速度和空燃比对催化器性能的影响进行了研究。结果表明，载体壁厚对冷起动性能的影响较大。在其它参数保持不变的情况下，壁厚薄的载体由于其热容量较小，在冷起动过程中的载体温度的上升速度较快，因此可以大幅度地缩短冷起动时间，提高冷起动性能。但当趋于稳态时，对温度分布没有影响，也不提高载体温度，因此对催化器的稳态性能，即催化转换效率没有影响。载体的开孔密度会影响催化器稳态时的催化性能。载体开孔密度的增加对催化器的冷起动性能几乎没有影响，但提高载体的开孔密度增加了催化器的几何表面积(GSA)，因此提高了催化器稳态时的催化转换效率。提高空间速度，降低了尾气在催化器内的停留时间，会大大降低尾气在催化器上的催化转换效率。 最后，本文利用流体静力学薄膜理论，研究载体正方形通道在多种加载量下的涂层形状，以及涂层形状对催化器性能的影响。研究表明采用该理论的模拟结果与电子显微镜下的图像符合很好；与理想的均匀涂层相比，涂层在通道壁面上的实际非均匀涂敷大大降低了催化剂被利用的程度。 从三效催化器的数值模拟中可看到，催化器内的尾气速度、载体和尾气的温度以及催化效率等参数都沿径向是变化的；尾气的入口温度、空间速度和载体的特性参数，如载体的壁厚、开孔密度和长度等都对催化器的性能产生重要影响，这些参数又会相互影响，在设计催化器系统时无公式可供使用，光凭经验进行设计必然会大大降低催化器的性能。为此，必须用数值模拟方法对催化器系统进行系统和性能的优化设计。本文所开发出的三效催化器数值模拟软件集流动、传热传质和异相催化反应于一体，经过了多种参数变化等条件的考验。该软件可用来对三效催化器进行辅助设计，应该会产生很好的社会效益和较大的经济效益。