汽車發(fā)動機(jī)三元催化轉(zhuǎn)換器的正確維修與使用

彭高宏

摘要：簡要介紹了TWC（TWC）的組成、功用和工作原理，簡要分析了TWC早期失效的原因，提出了TWC正確維修與使用的一般方法。

關(guān)鍵詞： 汽車;發(fā)動機(jī);TWC;早期失效;維修與使用

中圖分類號：U472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0166-02

0? 引言

20世紀(jì)70年代以后，隨著世界汽車保有量的迅猛增長和人們對環(huán)保的高度重視，由汽車排放污染引發(fā)的環(huán)保問題開始備受關(guān)注，至今已發(fā)展成為人類所面臨的三大基本問題（人口、能源、環(huán)保）之一。

汽車污染主要是發(fā)動機(jī)的排放污染。發(fā)動機(jī)燃燒作功后，排出的污染物主要包括CO（一氧化碳）、HC（碳?xì)浠衔铮?、NOX（氮氧化合物）、PM（微粒）等。汽車發(fā)動機(jī)污染物直接在地面排放，對人類健康具有更大更直接的危害。

為了有效控制汽車排放污染，達(dá)到相應(yīng)的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)（如歐Ⅵ、國Ⅵ），發(fā)動機(jī)除了采取EFI（電控燃油噴射系統(tǒng)）、EDIS（電子無分電器點(diǎn)火系統(tǒng)）、GDI（直接噴射稀燃系統(tǒng)）等發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化裝置之外，還必須裝配廢氣再循環(huán)（EGR）、活性碳罐（EVAP）、三元催化轉(zhuǎn)換器（TWC，下稱TWC）等機(jī)外凈化裝置。其中TWC是安裝在車底發(fā)動機(jī)排氣管道中最重要的機(jī)外凈化裝置。

TWC（three-way catalyst）的組成是：主要包括外殼（不銹鋼雙層結(jié)構(gòu)）、減振器（膨脹墊片和鋼絲網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)）、載體（陶瓷蜂窩狀載體+金屬載體結(jié)構(gòu)）、催化劑（鉑/Pt、鐒/Rh、鈀/Pd等）等四大部分。TWC的功用是：將汽車發(fā)動機(jī)排出的CO、HC和NOX等有害氣體，轉(zhuǎn)化成無害的CO2（二氧化碳）、H2O（水）、N2（氮?dú)猓┖蚈2（氧氣）。TWC的工作原理是比較復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。簡而言之，就是當(dāng)發(fā)動機(jī)起動暖機(jī)后，高溫排氣使TWC達(dá)到工作起燃溫度，在催化劑作用下進(jìn)行相應(yīng)的“氧化-還原”反應(yīng)，使CO、HC、NOX等有害氣體催化轉(zhuǎn)換成CO2、H2O、N2、O2等無害氣體排出機(jī)外。其中，CO在高溫下氧化成為CO2;HC化合物在高溫下氧化成H2O和CO2;NOX還原成N2和O2。發(fā)動機(jī)工作產(chǎn)生的這三種有害氣體轉(zhuǎn)變成無害氣體排出，使發(fā)動機(jī)排放污染物得到凈化。但是，由于TWC是安裝在車底的排氣管道上，其工作的環(huán)境條件很差，而TWC的工作要求又比較“苛刻”，不正確的維修和使用，都會導(dǎo)致TWC早期失效而失去凈化作用。

1? TWC早期失效的原因

1.1 TWC高溫?zé)岷?/p>

在常溫下，TWC是不工作的，只有當(dāng)催化劑被加熱到一定的起燃溫度時，TWC才起“氧化-還原”作用。TWC工作的起燃溫度一般在250-350℃之間，正常工作溫度一般在400-800℃之間。TWC工作起燃溫度是靠發(fā)動機(jī)的排氣熱提升的，在TWC工作時也會產(chǎn)生大量的熱量，滿足自身正常工作的需要。但當(dāng)溫度超過816℃時（極限1000℃），TWC催化劑的氧化鋁載體的比表面積會急劇減小、貴金屬催化劑會燒結(jié)聚集而壞死。所以，在維修和使用中，必須注重控制導(dǎo)致發(fā)動機(jī)過熱、排氣溫度過高的各種原因。如點(diǎn)火時間過遲、點(diǎn)火順序錯亂、混合氣過稀或過濃等，這都會使未燃燒的混合氣進(jìn)入TWC再燃燒，導(dǎo)致TWC的溫度過高，影響TWC的催化轉(zhuǎn)換效率，甚至使TWC失效。

1.2 TWC化學(xué)中毒

TWC的催化劑對硫、鉛、磷、鋅等元素非常敏感，硫和鉛元素來源于燃油，磷和鋅元素來源于機(jī)油，這四種元素及其在發(fā)動機(jī)中燃燒過程中生成的氧化物顆粒極易被吸附在催化劑表面而形成阻隔層，使催化劑不能與CO、HC和NOX等有害氣體接觸，從而使其失去催化轉(zhuǎn)換作用，即TWC“中毒”。

1.3 TWC積碳污染

當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)混合氣過濃燃燒不充分時，或長時間發(fā)動機(jī)過冷而TWC無法起燃工作時，發(fā)動機(jī)會生成大量的碳煙，碳煙會附著在TWC催化劑的表面，形成積碳層，積碳層的阻隔使催化劑不能與CO、HC和NOX等有害氣體接觸，同時積碳還會堵塞TWC載體孔隙，從而使TWC失去催化轉(zhuǎn)換作用。

1.4 發(fā)動機(jī)排氣惡化

TWC對污染物的轉(zhuǎn)化能力是有一定限度的。如果發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化裝置發(fā)生故障，不能將廢氣凈化到最低水平排出，排氣污染物的濃度、總量過大，TWC就會“過載”，從而影響TWC的催化轉(zhuǎn)換功能的發(fā)揮，其催化轉(zhuǎn)換效率降低。同時，發(fā)動機(jī)排氣中較多的HC和CO進(jìn)入TWC后，會使氧化反應(yīng)過度，從而產(chǎn)生大量熱量，使TWC溫度過高而損壞。

1.5 閉環(huán)控制失常

為了使TWC對CO、HC和NOX等有害氣體的催化轉(zhuǎn)換率達(dá)到最佳水平（90%以上），必須在發(fā)動機(jī)排氣管道中安裝氧傳感器，并參與發(fā)動機(jī)混合氣空燃比閉環(huán)控制，將發(fā)動機(jī)混合氣空燃比控制理想空燃比附近。閉環(huán)控制的工作原理是：發(fā)動機(jī)工作時，氧傳感器將查測到的發(fā)動機(jī)排氣中氧的濃度轉(zhuǎn)換成電信號后發(fā)送給EFI-ECU（電控燃油噴射電控單元），通過反饋控制，使發(fā)動機(jī)的空燃比控制在接近理想空燃比的區(qū)間之內(nèi)（A/F=14.7左右）。因此，閉環(huán)控制工作不良或不工作，就會降低TWC的催化轉(zhuǎn)換效率，過濃或過稀的混合氣還會損壞TWC。

若要實(shí)現(xiàn)TWC高效工作的最佳空燃比控制，關(guān)鍵在于保證氧傳感器正常工作。如果燃油、機(jī)油中含鉛、硅元素，就會導(dǎo)致氧傳感器中毒，或混合氣過濃會導(dǎo)致氧傳感器積碳，或發(fā)生氧傳感器陶瓷破裂、加熱器電阻絲燒斷、內(nèi)部線路斷脫等故障，氧傳感器就會失效，從而導(dǎo)致空燃比失準(zhǔn)，排氣狀況惡化，進(jìn)而使TWC催化轉(zhuǎn)換效率降低或使TWC失效。此外，發(fā)動機(jī)的不正確維修和汽車的不正確使用也是導(dǎo)致TWC早期失效的一個重要原因。

2? TWC的檢修

2.1 TWC外觀檢查

①檢查TWC外表有無明顯的凹陷和刮傷，如有則說明TWC的載體可能被損壞。檢查TWC外表是否有明顯的褪色斑點(diǎn)或略有成青色和紫色的痕跡，在TWC防護(hù)罩的中央是否有明顯的暗灰斑點(diǎn)，如有則表明TWC曾經(jīng)處于過熱狀態(tài)而產(chǎn)生熱害或熱失活。②用拳頭輕輕敲擊并晃動TWC，如果能聽到內(nèi)部有物體移動的異常響聲，則表明TWC的催化劑載體已經(jīng)破碎，應(yīng)更換TWC。③檢查TWC外表是否有裂紋或孔眼，前后連接頭是否有松動，排氣管出口處是否有催化劑顆粒泄出，否則應(yīng)修理或更換。

2.2 TWC堵塞檢查

①背壓測試：在TWC前端排氣管的適當(dāng)位置上打一個小孔（工完注意修復(fù)），接上氣壓表（注意連接處的密封），啟動發(fā)動機(jī)，暖機(jī)后在怠速（參照原廠標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速）和2500r/min時，分別測量排氣背壓，如果排氣背壓不超過發(fā)動機(jī)原廠標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，則表明催化劑載體無堵塞。如果排氣背壓超過了發(fā)動機(jī)原廠標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，有可能是TWC堵塞，也有可能是TWC下游的排氣管道堵塞，這時需要將TWC后端的排氣管拆下，重復(fù)測量排氣背壓，如果是TWC堵塞，重復(fù)測量值與第一次的測量值相同或接近。如果重復(fù)測量的排氣背壓值下降，則說明TWC下游的消聲器或排氣管有堵塞。所以在背壓檢測之前，應(yīng)做好TWC外觀檢查，確認(rèn)催化劑載體完好度是非常必要的。②真空測試：將真空表接到發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管上，啟動發(fā)動機(jī)暖機(jī)后，將轉(zhuǎn)速從怠速逐漸加速至2500r/min，同時觀察真空表的變化情況，如果真空度下降，則保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2500r/min不變，如果真空度有明顯的下降，則表明TWC有堵塞。進(jìn)行TWC堵塞前后的對比檢查，如果進(jìn)氣歧管真空度會發(fā)生明顯下降，則表明TWC有堵塞。

2.3 TWC催化檢查

①加熱催化：TWC在正常工作狀態(tài)下，因?yàn)檠趸磻?yīng)產(chǎn)生了大量的反應(yīng)熱，所以可通過對比TWC進(jìn)、出口溫差來判斷TWC性能的好壞。啟動發(fā)動機(jī)，暖機(jī)后將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速維持在2500r/min，將車輛安全舉升，用紅外線數(shù)字式溫度計測量TWC進(jìn)口和出口的溫度。TWC出口溫度至少應(yīng)高于進(jìn)口溫度10-15%。TWC正常工作時，其出口溫度高于進(jìn)口溫度20-25%。如果車輛在主TWC之前還安裝了副TWC，主TWC出口溫度應(yīng)高于進(jìn)口溫度15-20%，如果出口溫度值低于以上參考值，則表明TWC工作不正常，需要更換;如果出口溫度值超過以上參考值，則說明發(fā)動機(jī)排氣中的CO和HC濃度過高，應(yīng)檢查發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化裝置的工作狀況。②雙氧檢查：目前，凡裝有TWC的發(fā)動機(jī)大多采用雙氧傳感器，分別安裝在TWC上游和下游，前氧傳感器主要用來檢測排氣中的氧含量，參與發(fā)動機(jī)混合氣空燃比閉環(huán)控制，將發(fā)動機(jī)的實(shí)際空燃比控制在接近理論空燃比（A/F=14.7）的水平，使TWC的催化轉(zhuǎn)換效率接近最佳。后氧傳感器主要是用來檢測發(fā)動機(jī)排氣經(jīng)過TWC以后的氧含量，從而檢查TWC的催化轉(zhuǎn)換效果。

通過檢測前、后氧傳感器的輸出信號的電壓或示波，通過對前、后氧傳感器信號電壓高低或示波曲線振幅大小的對比，來評價TWC的催化轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)TWC工作正常時，信號電壓高低或示波曲線振幅大小相差較大，如果其信號電壓高低或示波曲線振幅比較接近，則表明TWC催化轉(zhuǎn)換效率下降或已失效。

2.4 TWC的維修

TWC一般可分為整體式和顆粒式兩種。整體式TWC是不可維修的，損壞或失效必須更換。顆粒式TWC僅能進(jìn)行催化劑顆粒更換，但一般以更換為主。

3? TWC維修和使用的注意事項(xiàng)

鑒于TWC早期失效的原因，在維修和使用時應(yīng)該特別注意如下事項(xiàng)：

3.1 維修方面

①做跳火試驗(yàn)和缸壓查測時，斷油優(yōu)先，盡量少用或不用斷火，避免噴油器向氣缸內(nèi)噴油。②要重視點(diǎn)火系和燃油供給系維護(hù)和檢修，特別是火花塞、噴油器、氧傳感器和空氣流量傳感器的維護(hù)和檢修，確保點(diǎn)火和供油正常。③TWC一般不需專門維護(hù)，不要隨意拆卸，如需要更換，一定要按原配型號更換，確保TWC與發(fā)動機(jī)匹配。④不使用含鉛、硅、磷的潤滑油添加劑，正確使用發(fā)動機(jī)密封膠。

3.2 使用方面

①在加注燃油時，不要“貪便宜”而使用含鉛燃油，也不要使用含鉛、硅、磷的燃油添加劑（俗稱抗磨劑），從用油上避免TWC“中毒”。②盡量避免發(fā)動機(jī)長時間怠速和高速運(yùn)行，盡量減少發(fā)動機(jī)急加速、忽快忽慢的操作，從操作上盡量縮短發(fā)動機(jī)混合加濃和TWC不工作的工況或時間。③發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作不正常時，例如連續(xù)3-5次不能起動、怠速發(fā)抖、重復(fù)性失速、排氣管放炮、排氣管冒黑煙或藍(lán)煙等故障現(xiàn)象，應(yīng)及時報修，停車修理，不能讓發(fā)動機(jī)“帶病工作”。④在不平整的道路行駛時，應(yīng)特別注意不要出現(xiàn)劇烈磕碰和拖底，避免TWC受碰撞而損壞。

4? 結(jié)語

TWC在發(fā)動機(jī)機(jī)外凈化方面起著不可替代的重要作用。除了進(jìn)一步完善TWC的結(jié)構(gòu)和功能之外，在TWC現(xiàn)有技術(shù)狀況下，不論是汽車使用者，還是汽車維修工，都應(yīng)該熟悉TWC的外形結(jié)構(gòu)、安裝位置、失效原因，以利于充分發(fā)揮和有效維持TWC的凈化作用。

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