三元催化器的性能分析與故障檢修

劉雙源

(南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 南陽 473000)

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汽車機(jī)械

三元催化器的性能分析與故障檢修

劉雙源

(南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 南陽 473000)

為治理汽車尾氣帶來的大氣污染，各地的“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”不斷升級。三元催化轉(zhuǎn)化技術(shù)是目前機(jī)外凈化技術(shù)應(yīng)用最多最有效的方法。介紹了三元催化器的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理，重點(diǎn)對其性能和故障檢修進(jìn)行詳細(xì)闡述，提出常用的維修和保養(yǎng)方法。

三元催化器；結(jié)構(gòu)原理；性能分析；故障檢修

1 三元催化器的性能分析

1.1 影響轉(zhuǎn)換效率的因素

(1)空燃比特性

三元催化器轉(zhuǎn)換效率最主要的影響因素是氧氣濃度，即進(jìn)入氣缸的混合氣的空燃比。在理論空燃比附近，三元催化器對CO、HC和NOX的轉(zhuǎn)化效率同時(shí)達(dá)到最高。在實(shí)際的應(yīng)用中，常采用氧傳感器結(jié)合電控燃油噴射系統(tǒng)對空燃比進(jìn)行閉環(huán)控制。

(2)起燃溫度特性

催化劑的轉(zhuǎn)換效率與溫度有著必然聯(lián)系，催化器只有達(dá)到一定溫度時(shí)才開始工作的特性即起燃溫度特性，當(dāng)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到50%時(shí)的溫度就是起燃溫度。三元催化器在400～800 ℃時(shí)能達(dá)到最佳工作狀態(tài),溫度低于400 ℃時(shí)，催化效果急劇降低；超過800 ℃時(shí),三元催化器會(huì)因貴金屬與氧化鋁涂層熱損壞而失效。

(3)空速特性

每小時(shí)通過催化器的排氣體積流量和催化器容積之比即為空速特性。它表明氣體在催化器中的停留時(shí)間。

(4)燃油品質(zhì)

車用燃料中含有重金屬添加劑，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中重金屬添加劑無法燃燒而沉積在催化劑表面，會(huì)導(dǎo)致催化器中毒。

(5)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油品質(zhì)

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，若潤滑油霧化并進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)燃燒，將導(dǎo)致潤滑油中的添加劑不能轉(zhuǎn)化為無害氣體而沉積在催化劑表面，使催化劑失效。

1.2 三元催化器的失效原因

三元催化器的失效形式有高溫失活、化學(xué)中毒、表面積碳堵塞、機(jī)械損壞等。引起三元催化器失效的原因主要有：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)控制異常

由于電路連接不佳引起的點(diǎn)火控制故障會(huì)導(dǎo)致氣缸缺火，使混合氣在催化器內(nèi)二次燃燒；因噴油器泄露、噴油精度失準(zhǔn)等因素引起的燃油控制系統(tǒng)故障會(huì)引起混合氣不完全燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)高速大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)廢氣溫度過高，均會(huì)導(dǎo)致催化劑和襯墊燒傷，催化劑失活。

(2)高溫失活

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的排氣溫度一般為300～400 ℃，中低速工況時(shí)為400～600 ℃，高速全負(fù)荷行駛時(shí)為900 ℃，如果三元催化劑長期暴露在高溫條件下，鉑、鈀、銠等組分極易揮發(fā)，從而使催化劑的儲(chǔ)氧能力下降，降低其活性。

(3)化學(xué)中毒

化學(xué)中毒主要與燃油和潤滑油的品質(zhì)有關(guān)，燃料中的鉛會(huì)造成重金屬沉積，阻礙HC的轉(zhuǎn)化，磷和硅會(huì)阻塞催化劑載體的蜂窩結(jié)構(gòu)，硫以及潤滑油中的鋅燃燒后會(huì)形成氧化物，吸附在催化劑表面使其失活。

(4)表面積碳、堵塞

汽車于低溫狀態(tài)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的碳煙附著在催化劑表面，導(dǎo)致載體的孔隙堵塞。堵塞會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足甚至無法啟動(dòng)，這是許多車輛加速無力的主要原因。

(5)氧傳感器失效

燃油中的鉛、硅等元素在高溫下會(huì)引起氧傳感器中毒，因使用不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致氧傳感器積碳、加熱器電阻絲燒斷、內(nèi)部線路斷脫、陶瓷破裂等故障，進(jìn)而引起空燃比失準(zhǔn)，排氣狀況惡化，催化轉(zhuǎn)化器效率降低，降低催化轉(zhuǎn)化器的使用壽命。

(6)機(jī)械損傷

在日常維修中，受到裝卸不規(guī)范、長期在崎嶇山路行駛、底盤刮碰和長期振動(dòng)等因素的影響，加之汽車尾氣的高溫，三元催化轉(zhuǎn)換器在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的綜合作用下，極易疲勞裂紋甚至徹底斷裂。

2 三元催化器的故障檢修

2.1 故障案例

一輛寶馬X5，搭載六缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)獨(dú)立排氣管，行駛約10萬km，車主感覺加速不良，并且發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈點(diǎn)亮；一輛豐田2010款卡羅拉，5速手動(dòng)變速器，行駛約6萬km之后，當(dāng)車速低于10km/h時(shí)，加速熄火，并且熄火后不易啟動(dòng)；一輛豐田RAV4，行駛約1.5萬km，加速無力，且無法提升至100km/h，若強(qiáng)行加速則自動(dòng)降檔。

2.2 解決方案

這三個(gè)故障案例的共同特點(diǎn)是加速不良，啟動(dòng)困難，當(dāng)三元催化器出現(xiàn)故障時(shí)，車輛油耗增加，排放超標(biāo)，所以應(yīng)立即進(jìn)行檢修。

(1)通過望聞問切進(jìn)行外觀檢查是快速檢查機(jī)械故障的方法。首先觀察三元催化器表面是否有凹陷和刮痕，如果有說明載體可能受到損傷；檢查接頭及催化劑更換螺塞是否松動(dòng)，若有則應(yīng)及時(shí)加以處理；排氣歧管到三元催化器之間有明顯的燒紅現(xiàn)象，在冷車時(shí)三元催化器前部有無泛藍(lán)和鐵屑，說明三元催化器曾處于過熱狀態(tài)；如果聽到異響，排氣管有催化劑顆粒排出，應(yīng)更換三元催化器。若三元催化器出現(xiàn)故障，在怠速和加速時(shí)可聞到刺鼻的氣味，進(jìn)行尾氣分析會(huì)發(fā)現(xiàn)NOX嚴(yán)重超標(biāo)。

(2)測量溫度和真空度。正常情況下，大多數(shù)三元催化器前部的溫度要比后部低20%～25%，若溫差低于此范圍，應(yīng)更換三元催化器，若超此范圍，說明尾氣中含有較高濃度的CO和HC；將真空表接入進(jìn)氣歧管，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速逐漸提高至2 500r/min，真空度讀數(shù)不應(yīng)有明顯下降，若下降有可能是阻塞造成的，但也可能是供油量減少引起的，所以排氣背壓更能反映三元催化器的狀況。

(3)檢測排氣背壓。檢測排氣背壓要在排氣管前的適當(dāng)位置接入壓力表，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和2 500r/min時(shí)檢測的排氣背壓不應(yīng)超過發(fā)動(dòng)機(jī)限值，若超過，需將三元催化器后面的排氣系統(tǒng)拆下，再次檢驗(yàn)背壓，若仍超過限值，說明催化器堵塞，若背壓下降，則說明破碎的催化器載體停留在下游的排氣系統(tǒng)中。

3 三元催化器的維護(hù)保養(yǎng)

3.1 正確選用汽油和潤滑油

配備三元催化器的車輛，不能使用含鉛汽油，因高溫使含鉛汽油還原出金屬鉛，導(dǎo)致催化器中毒。有研究表明，在汽油中加入10%的水或30%～40%的甲醇，可減少甚至消除CO、HC、NOX的排放，采用乙醇汽油可降低尾氣中大約1/3的CO排放量；在機(jī)油中加入適當(dāng)?shù)墓腆w添加劑，可以提高氣缸密封性，降低油耗，改善尾氣排放。

3.2 避免未燃燒的混合氣進(jìn)入催化器

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)出現(xiàn)故障，點(diǎn)火延遲等因素的影響會(huì)導(dǎo)致混合氣不完全燃燒，廢氣中的HC和CO發(fā)生過度的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量超過催化器的正常工作溫度，就會(huì)導(dǎo)致催化劑失效。

3.3 避免碰撞和“托底”

在崎嶇山路行駛時(shí)，碰撞有可能導(dǎo)致載體破碎，陶瓷碎片會(huì)引起催化器和配氣系統(tǒng)堵塞，增大排氣阻力，當(dāng)急減速時(shí)，一旦陶瓷粉末被吸入氣缸，將導(dǎo)致氣缸嚴(yán)重磨損甚至報(bào)廢。

3.4 熄火前應(yīng)進(jìn)入怠速狀態(tài)

發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度很高，熄火前進(jìn)入怠速狀態(tài)，可使溫度平滑下降，減少熱沖擊。此外，車輛處于怠速工況的時(shí)間不允許超過20min，因?yàn)榈∷贂r(shí)廢氣中的氧含量不足，會(huì)因高溫而損壞三元催化器。

3.5 不要涉水行駛

雨天行車，切勿在積水路段行駛，因?yàn)槿呋鞯墓ぷ鳒囟群芨?，涉水行駛時(shí)，陶瓷載體會(huì)因溫度驟然降低而損壞。

3.6 定期保養(yǎng)車輛

定期保養(yǎng)有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，比如采用調(diào)整噴油量、減小噴油提前角等措施使燃料充分燃燒，可延長三元催化器的使用壽命。

4 結(jié) 語

隨著人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，對汽車尾氣排放的要求也越來越嚴(yán)格，國產(chǎn)轎車普遍都加裝了催化轉(zhuǎn)化器，借助催化劑的作用，使尾氣中的HC、CO、NOX發(fā)生氧化還原反應(yīng)，不僅操作方便而且避免了二次環(huán)境污染,達(dá)到了降低污染的目的。在我們享受汽車為我們生活帶來便利的同時(shí)，只要掌握維修保養(yǎng)和故障檢修的方法，才能真正享受舒適的車生活。

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2016-03-07

劉雙源(1987-)，男，河南西峽人，研究生，研究方向：汽車檢測與維修。

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