汽车三元催化器的工作原理及其性能检测

　　买了汽车要懂得养护，时常清洗汽车三元催化器，有助于提高车辆发动机性能。说起三元催化器这个汽车部件经常驾车的朋友可能听的比较多了，不过三元催化器究竟是什么呢?有什么作用?原理是怎样的?却可能是很多人都不太清楚，今天本文就来普及一下三元催化器的一些相关知识。
 









　　三元催化器简单介绍
 



　　所谓的汽车三元催化器，其实就是安装在汽车排气系统中的最外部，并且充当着汽车最重要的机外净化装置，这种净化装置可以将废气中的有害的混合气体中主要的三种气体转化成无害的气体及水分，所以被称为三元。
 



　　三元催化器主要作用
 



　　当然三元催化器的主要作用是显而易见的，其起到的作用主要就是净化汽车尾部排出的空气。当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应。
 



　　其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体;HC化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳;NOx还原成氮气和氧气;这就达到了净化空气的目的，这就是三元催化器的一个主要作用。
 



　　三元催化器工作原理
 



　　三元催化器在双层薄板夹层中装有绝热材料石棉纤维毡，在外面用双层不锈薄钢板制成筒形，内部在网状隔板中间装有净化剂，通常净化剂都是由载体和催化剂组成。载体一般由三氧化二铝制成，其形状有球形、多棱体形和网状隔板等，净化剂实际上是起催化作用的，也称为催化剂。催化剂用的是金属铂、铑、钯，将其中一种喷涂在载体上，就构成了净化剂。
 



　　当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体;HC化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳;NOx还原成氮气和氧气，三种有害气体就变成无害气体。
 



　　三元催化转换器性能的检测方法
 








　　(1)简单人工检查
 



　　通过人工检查可以从一开始判断TWC是否有损坏。用橡皮槌轻轻敲打TWC。听有无"咔啦"声。并伴随有散碎物体落下。如果有此异响，则说明TWC内部催化物质剥落或蜂窝陶瓷载体破碎。那么必须更换整个转换器了。如果没有上述异响。应该检查TWC是否堵塞。TWC芯子堵塞是比较常见的故障。
 
可以用下面两种方法进行。第一种方法是检测进气歧管真空度法。将废气再循环(EGR)阀上的真空管取下。将管口塞住，避免产生虚假真空泄漏现象。将真空管接到进气歧管上，让发动机缓慢加速到2500r/min。若真空表读数瞬间又回到原有水平(47.5~74.5kPa)并能维持15s。则说明TWC没有堵塞。否则应该怀疑是TWC或排气管堵塞。第二种方法是检测排气背压法。从二次空气喷射管路上脱开空气泵止回阀的接头。再在二次空气喷射管路中接一个压力表。在发动机转速为2500r/min时观察压力表的读数。此时读数应该小于17.24kPa，如果排气背压大于或等于20.70kPa。则表明排气系统堵塞。若观察TWC、消声器及排气管没有外伤。则可将TWC出口和消声器脱开后观察压力表读数是否有变化。若压力表显示排气背压仍然较高。则为TWC损坏：若压力表显示排气背压陡然下降。则说明堵塞发生在TWC出气口后面的部件。
 



　　(2)怠速试验法检查
 



　　让发动机怠速运转，使用尾气分析仪测量此时的CO值。当发动机正常工作时候(空燃比为14.7：1)。这时的CO典型值为0.5~1%。当使用二次空气喷射和TWC技术可以使怠速时的CO值接近于0。最大不应超过0.3%，否则说明TWC损坏。另外。据经验分析，怠速时候的NOX的排放量也能给我们一些帮助。通常在怠速时候的NOX数值应不高于100ppm，而在稳定的工况下。NOX数值应该不高于1000ppm，在发动机一切正常的情况下，而NOX过高就可以怀疑是TWC故障了。
 



　　(3)快怠速试验法测量
 



　　让发动机处于快怠速运转状态。并用转速表测量快怠速是否符合规定值。用尾气分析仪测量发动机处于快怠速状态下尾气中的CO和HC含量。如果发动机性能良好，则CO值应该在1.0%以下，HC应该在10ppm以下。若两种数值都超标，则可临时拔下空气泵的出气软管，此时若CO和HC值不变。则可以判定TWC已损坏，若读数上升。而重新接上软管后又下降。则说明燃油喷射系统故障或是点火系统故障。
 



　　(4)稳定工况试验法
 



　　在完成基本怠速试验后进行该项试验。按照厂家规定接好汽车专用数字式转速表，使发动机缓慢加速，同时应观察尾气分析仪上的CO和HC值。当转速加到2500r/min并稳定后。CO和HC数值应有缓慢下降。并且稳定在低于或接近于怠速时的排放水平。否则怀疑是TWC损坏。这种方法不但能够对TWC是否有故障做出判断。还能有效地综合分析TWC在车辆行驶中的实际效能。这时因为TWC性能评价指标中有一项"空速特性检验"，它表示了受反应气体在催化剂中的停留时间。性能差TWC尽管在低空速(如怠速)时表现出较高的转化效率。但是在高空速(如实际行驶)时的转化效率是很低的，因而不能仅凭借怠速工况评价催化剂的活性是否正常。此外，在具体检测中，还需要注意TWC的空燃比特性。TWC在过量空气系数为1的附近时。转换效率最高。实际使用中就需要闭环电子控制燃油供给系统和氧传感器的配合。开环时候由于无法给予精确的空燃比，转换效率仅仅有60%左右。而闭环时平均转换效率可达95%，因此。在对TWC进行怀疑的时候，也应该对电控系统和氧传感器进行相应检测。
 



　　(5)红外温度计测量法
 



　　这是一种比较简单的测量方法。TWC在实际使用过程中，其出口管道温度比进口管道温度至少高出38℃，在怠速时，其温度也相差10%。但是若出口与入口处的温度没有差别或出口温度低于入口温度，则说明TWC没有氧化反应。此时应该检查二次空气喷射泵是否有故障，若没有故障。就说明TWC已经损坏。
 



　　(6)利用双氧传感器信号电压波形分析
 



　　目前，许多发动机燃油反馈控制系统中。都安装两个氧传感器。分别装载TWC的反应前、后两端。这种结构在装有OBD-Ⅱ代系统的汽车上，可以有效地检测TWC的性能。OBD-Ⅱ诊断系统改进了TWC的随车监视系统，安装在TWC后端的氧传感器电压波动要比安装在TWC前端的氧传感器电压波动少得多。这是因为运行正常的TWC转化CO和HC时消耗氧气。当TWC损坏时。其转换效率基本丧失，使前、后端的氧气值接近，此时氧传感器信号的电压波形和波动范围均趋于一致，因此，需要更换TWC。
 



　　3.TWC常见故障及原因
 



　　三元催化转化器的常见故障有：三元催化转化器性能恶化;三元催化转化器芯子堵塞后排气不畅，产生过高的排气背压，使废气倒流到发动机内。包括如下现象： 




　　①炭灰积聚、污染。含铅汽油燃烧后会使三元催化转化器很快受到损害;机油窜入汽缸燃烧后机油中的磷和锌等物质也会污染三元催化转化器。 




　　②陶瓷芯子破损。热循环的长期作用、外部碰撞和挤压。都有可能使陶瓷芯子破损。 




　　③陶瓷芯子熔化。三元催化转化器正常工作时，三元催化转化器内的温度一般可达500~800℃。出口处温度比进口处温度约高30~100℃。但是。混合气浓或燃烧不完全时会使排气中的CO、HC浓度过高，这将加重三元催化转化器的负担。使温度升高过多，时间长后。会使三元催化转化器的性能恶化。甚至熔化载体。
 



　　④三元催化转化器上一般还装有排气温度传感器。当温度不定期高时，电控单元会切断二次空气供给，中断催化转化反应。