三元催化器的作用和故障表現(xiàn)

文：魯傳平

三元催化器安裝在汽車(chē)排氣系統(tǒng)中，作用是凈化汽車(chē)排放的尾氣。它可將汽車(chē)尾氣排出的CO、HC 和NOx等有害氣體，通過(guò)氧化和還原反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的CO2、H2O 和N2。為了適應(yīng)環(huán)保要求，越來(lái)越多的汽車(chē)安裝了三元催化器以及氧傳感器裝置。如圖1所示為三元催化器的外部結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示為三元催化器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

三元催化器的工作原理為，當(dāng)高溫的汽車(chē)尾氣通過(guò)凈化裝置時(shí)，三元催化器中的催化劑將增強(qiáng)CO、HC 和NOx三種氣體的活性，促使其進(jìn)行一定的氧化還原反應(yīng)。其中CO 在高溫下氧化成為無(wú)色、無(wú)毒的CO2氣體；HC 化合物在高溫下氧化生成H2O 和CO2氣體；NOx還原成N2和O2。所以，三元催化器的作用就是讓這些有害氣體變成無(wú)害氣體，使汽車(chē)尾氣得以凈化，最終減少汽車(chē)尾氣對(duì)大氣的污染。

圖1 三元催化器外部結(jié)構(gòu)圖

圖2 三元催化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

三元催化器在轎車(chē)上是個(gè)非常好的環(huán)保設(shè)備，合理保養(yǎng)能充分發(fā)揮它的作用。但使用不當(dāng)?shù)脑?，?huì)使它形同虛設(shè)，并使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，甚至?xí)蛊?chē)出現(xiàn)事故。

日常維修當(dāng)中，常見(jiàn)的三元催化器故障主要有損壞、堵塞及失效等。這些故障表現(xiàn)出的現(xiàn)象為：車(chē)輛加速能力下降，動(dòng)力不足；發(fā)動(dòng)機(jī)油耗升高；三元催化器過(guò)熱；三元催化器異響。造成三元催化器損壞、堵塞和失效的原因有以下幾種。

1.高溫失效

汽車(chē)連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷高速行駛，三元催化器長(zhǎng)期處于高溫條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)如果突然熄火，未燃燒的混合氣在催化器中燃燒，發(fā)生劇烈的氧化放熱反應(yīng)，很容易讓三元催化器出現(xiàn)過(guò)熱的情況。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的變化范圍很大，怠速工況時(shí)一般為300 ～400℃，低速和中速常用工況時(shí)為400 ～600℃，高速全負(fù)荷工況時(shí)可達(dá)900℃。而三元催化器正常的內(nèi)部工作溫度最高在800℃左右，超過(guò)800℃時(shí)，就會(huì)影響其使用壽命。如果三元催化器長(zhǎng)期在高于800℃的環(huán)境下工作，催化劑的活性將大大下降，那么必然會(huì)造成三元催化器的高溫失效，甚至?xí)?dǎo)致三元催化器芯體燒損的現(xiàn)象（圖3）。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常，進(jìn)入催化器的廢氣HC 化合物含量過(guò)高，就會(huì)發(fā)生高溫溶化。另外，即使發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，但不適當(dāng)?shù)氖褂靡矔?huì)產(chǎn)生過(guò)高的溫度。比如怠速時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生比正常道路速度下更多的熱量。因此，停車(chē)怠速時(shí)間最好不要超過(guò)10 min。

圖3 芯體燒損的三元催化器

如果發(fā)動(dòng)機(jī)油路正常，但長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法正常起動(dòng)汽車(chē)。這段時(shí)間所進(jìn)入氣缸內(nèi)的可燃混合氣，大部分會(huì)被排出氣缸，到達(dá)三元催化器、消聲器或者排入大氣當(dāng)中。而殘留在三元催化器中的可燃混合氣，會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，被高溫的排氣所點(diǎn)燃，這樣三元催化器中的溫度會(huì)突然增高，從而加重三元催化器的負(fù)擔(dān)。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，比如噴油器關(guān)閉不嚴(yán)、燃油壓力調(diào)節(jié)閥失效造成油壓過(guò)高、氧傳感器損壞或空氣流量傳感器損壞等。這些故障會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣過(guò)濃，部分未完全燃燒的混合氣在排氣歧管和三元催化器中二次燃燒，勢(shì)必會(huì)造成三元催化器的高溫以及積炭的沉積。更有甚者，能從排氣管排出濃濃的黑煙，造成發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗增大。

2.積炭損壞

因發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的積炭覆蓋在三元催化器表面，造成三元催化器不能很好地進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。積炭失效是當(dāng)前導(dǎo)致三元催化器失效的主要原因之一。

由于汽油雜質(zhì)和膠質(zhì)所造成的積炭，加上利用藥水進(jìn)行燃燒室積炭的清洗，大部分積炭脫落后由排氣管排出。而三元催化器的芯體就像一個(gè)濾網(wǎng)一樣，當(dāng)脫落物流經(jīng)三元催化器時(shí)，芯體就會(huì)將積炭過(guò)濾，并留在三元催化器芯體的表面。久而久之，這些積炭就會(huì)由于高溫黏連在芯體表面，造成三元催化器的堵塞（圖4）。

圖4 被積炭所堵塞的三元催化器芯體

3.堵塞失效

三元催化器陶瓷芯體因燒熔或老化成粉末，導(dǎo)致堵塞，致使發(fā)動(dòng)機(jī)工作不正常。如果三元催化器堵塞嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力嚴(yán)重下降，出現(xiàn)經(jīng)常熄火，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使排氣歧管至三元催化器出現(xiàn)過(guò)熱的現(xiàn)象，甚至?xí)斐绍?chē)輛自燃。

以一輛上汽大眾帕薩特轎車(chē)為例。該車(chē)因?yàn)閯?dòng)力不足來(lái)廠檢修，此時(shí)已經(jīng)到了傍晚，光線比較暗。當(dāng)維修人員打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋時(shí)，發(fā)現(xiàn)三元催化器微紅，其周?chē)臏囟确浅８摺Ｔ斐扇呋靼l(fā)紅的原因就是三元催化器芯體由于高溫?zé)刍蚍e炭等原因發(fā)生堵塞（圖5），發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫廢氣無(wú)法通暢地排出，加上未完全燃燒的混合氣在此繼續(xù)燃燒，致使三元催化器被燒紅。

三元催化器芯體脫落，會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)產(chǎn)生異響。檢查時(shí)可以用橡膠錘敲擊三元催化器，能聽(tīng)到芯體在三元催化器中發(fā)出振動(dòng)的聲音。脫落的芯體由于長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)，或與殼體碰撞會(huì)出現(xiàn)大量的碎屑，這些碎屑會(huì)造成后面的消聲器堵塞（圖6）。

4.為什么要對(duì)三元催化器進(jìn)行清洗

汽車(chē)使用的汽油硫與磷的含量很高，它會(huì)在氧傳感器和三元催化器表面形成化合物并產(chǎn)生堆積。在交通擁擠的道路上，走走停停的狀況會(huì)使燃油的燃燒不充分，這些產(chǎn)物也會(huì)附著在三元催化器表面。車(chē)輛在清洗噴油器、節(jié)氣門(mén)和進(jìn)氣道養(yǎng)護(hù)時(shí)，清洗下來(lái)的積炭和顆粒物同樣會(huì)沉積在三元催化器表面。

以上這些因素都會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降，增大車(chē)輛的燃油消耗量，三元催化器的凈化功能降低甚至失效，尾氣排放不達(dá)標(biāo)，縮短三元催化器的使用壽命。因此要定期進(jìn)行三元催化器的清洗。清洗時(shí)，將三元催化器清洗劑通過(guò)專(zhuān)用工具，由進(jìn)氣真空管吸入到發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過(guò)燃燒室和排氣管到達(dá)三元催化器。在一定溫度下，清洗劑與三元催化器表面的覆蓋物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使三元催化器表面的覆蓋物軟化、分解和脫落，從而被排出，以達(dá)到清潔和恢復(fù)其功能的目的。

有的維修人員為了方便，在維修三元催化器堵塞故障時(shí)，建議車(chē)主將芯體掏空。這樣雖然能使發(fā)動(dòng)機(jī)狀況得到改善，但會(huì)造成該車(chē)尾氣不達(dá)標(biāo)，對(duì)大氣造成污染。為了更好地保護(hù)環(huán)境，維修人員不僅要對(duì)客戶負(fù)責(zé)，擔(dān)起應(yīng)有的責(zé)任，還要把好汽車(chē)尾氣排放質(zhì)量關(guān)，還自然一片蔚藍(lán)的天空，讓人們呼吸的空氣更加新鮮，使我們的家園更加美好。

圖5 堵塞的三元催化器芯體

圖6 芯體脫落破碎的三元催化器