汽車三元催化器故障診斷與排除

黃科薪 黃金昌 張燕芳 何菊華 甘禮宜

摘要：三元催化器是汽車尾氣凈化的關(guān)鍵部件，主要通過三元貴金屬催化劑加速尾氣污染物轉(zhuǎn)化成非污染物，達(dá)到降低污染物含量的目標(biāo)，從而實現(xiàn)環(huán)保排放的效果。介紹了三元催化器的構(gòu)成、工作原理，詳細(xì)論述了失效、堵塞和破碎三類常見故障類型及其原因分析，針對故障原因提出了三元催化器使用和保養(yǎng)的注意事項。

關(guān)鍵詞：不完全燃燒；有害物質(zhì)；三元；空燃比；故障診斷

傳統(tǒng)汽油車?yán)冒l(fā)動機內(nèi)汽油和空氣燃燒的熱能轉(zhuǎn)化為發(fā)動機的動能做功，驅(qū)動汽車工作。理想狀態(tài)下，汽油和空氣的完全燃燒產(chǎn)物是CO2、水（理論空燃比14.7∶1）。然而實際汽車燃料燃燒并不完全充分，此時會產(chǎn)生一定量的CO和碳?xì)浠衔锏扔泻ξ镔|(zhì)，嚴(yán)重時還表現(xiàn)出冒黑煙現(xiàn)象。此外，在發(fā)動機內(nèi)高溫高壓情況下，還伴隨著氮氣和氧氣生成氮氧化合物（NOX）的副反應(yīng)。

為了滿足汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求，解決排氣的污染問題，汽油車設(shè)計了尾氣凈化裝置：三元催化器，用于對尾氣中主要的有害物質(zhì)CO、HC和NOX進(jìn)行無害化處理，變?yōu)镠2O、CO2、N2后排到大氣中[1]。

三元催化器的工作原理

三元催化器也稱催化轉(zhuǎn)換器（Catalytic Converter，縮寫為CAT），位于排氣歧管和消聲器之間，主要部件有殼體（構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)室）、減振襯墊、載體（蜂窩狀陶瓷材料）、催化劑等，如圖1[2]所示。實際起凈化尾氣作用的是催化劑，“三元”取自催化劑含有的三種主要元素，分別是鉑（Pt）、銠（Rh）、鈀（Pd）三種貴金屬元素[3]。在尾氣凈化過程中，Pt和Pd主要起催化CO、HC的作用，而Rh主要起催化NOX的作用。需特別說明的是，催化劑被涂布在蜂窩狀陶瓷載體上，用以增大催化反應(yīng)的接觸面積，促進(jìn)尾氣加速轉(zhuǎn)化的同時提高轉(zhuǎn)化量。

三元催化器前后安裝了氧傳感器，以安裝位置分別命名為前氧傳感器和后氧傳感器，如圖2所示。前、后氧傳感器的作用都是檢測尾氣中的氧含量。前氧傳感器數(shù)據(jù)反饋給汽車電子控制單元（ECU），ECU以此數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)發(fā)動機的空燃比，使混合氣空燃比近似14.7∶1（該比值是根據(jù)汽油完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式計算得到的理論值），此時，催化器工作效率最高，催化效果最好[4]。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空燃比在14.7∶1±0.3%的浮動時，三元催化器催化效果最好，效率均達(dá)到90%以上，如圖3所示。當(dāng)混合氣過濃或者過稀時，都會導(dǎo)致三元催化器轉(zhuǎn)換效率下降。后氧傳感器用于驗證三元催化器的催化效果，因三元催化器在凈化尾氣時需消耗排氣中的氧氣，若前、后氧傳感器反饋給ECU的數(shù)據(jù)一樣，說明排氣氧氣量不變，三元催化器未正常工作，此時汽車儀表盤上的故障燈會發(fā)出警示，提醒駕駛員三元催化器異常情況。

三元催化器的故障診斷方法

汽車儀表盤上的故障燈發(fā)出三元催化器異常警示后，可用故障診斷儀對三元催化器的故障進(jìn)行初步診斷，確定故障原因，從而開展針對性排故檢修。三元催化器的主要故障類型有三大類：失效、堵塞及破碎[5]。

1.失效

三元催化器失效的故障現(xiàn)象是尾氣排放超標(biāo)，如黑煙。三元催化器失效的主要診斷方法有：

（1）氧傳感器信號比較法 即利用故障診斷儀比較前、后氧傳感器的電壓信號，判斷三元催化器是否失效。根據(jù)上文工作原理部分所述，三元催化器需要消耗氧氣凈化尾氣，若前、后氧傳感器數(shù)據(jù)一致說明三元催化器前后氧含量一致，三元催化器未起作用，處于失效狀態(tài)。

（2）溫度比較法 在汽車工作條件下，采用測溫儀比較三元催化器的進(jìn)、出口溫度，三元催化器正常工作時，其出口溫度比進(jìn)口溫度高10%以上，低于10%說明三元催化器未正常工作，甚至是失效。

（3）尾氣分析儀診斷法 反復(fù)空擋加油測試，連續(xù)節(jié)氣門全開，尾氣分析儀讀取氧氣數(shù)據(jù)：氧氣濃度低于1.2%，說明三元催化器工作正常；等于1.2%時，三元催化器效率較低；大于1.2%，說明三元催化器失效。

2.堵塞

當(dāng)三元催化器堵塞時，故障現(xiàn)象主要有：加速乏力，發(fā)動機提速困難；嚴(yán)重堵塞時，發(fā)動機無法起動；油耗增多；自動擋汽車掉擋頻繁；發(fā)動機缺火時，尾氣平緩，沒有“突突”的聲響提示缺火等。

三元催化器堵塞故障的主要診斷方法有：

（1）經(jīng)驗法 關(guān)注和留意汽車是否存在上述三元催化器堵塞故障現(xiàn)象，如加速乏力、油耗增多等。

（2）真空試驗法 將真空表連接到發(fā)動機進(jìn)氣歧管；運行發(fā)動機，保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2000 r/min左右，若真空表讀數(shù)逐漸下降，表明排氣堵塞。

（3）排氣背壓法 拆下前氧傳感器，用壓力表替代前氧傳感器并保證密封良好；隨后運行發(fā)動機處于怠速范圍，排氣背壓應(yīng)低于10kPa；當(dāng)提速到2500 r/min時，排氣背壓應(yīng)低于15kPa。若排氣背壓高于指定值，說明排氣不暢，存在排氣堵塞。

3.破碎

當(dāng)三元催化器破碎時，故障現(xiàn)象主要有：敲打外殼或發(fā)動機變速時，三元催化器發(fā)出碎片撞擊的聲響；因為碎片撞擊，外殼發(fā)生了變形，并伴隨著堵塞類似的現(xiàn)象。三元催化器破碎的主要診斷方法有觀察和傾聽法，確認(rèn)外觀是否變形；敲打或運行時是否有異響。由于催化劑破損剝落，易阻塞通道，使排氣背壓增大，因此，也可通過排氣背壓法進(jìn)行排查。

故障原因分析

三元催化器主要故障原因包括：溫度過高、慢性中毒、表面積炭和排氣惡化，見表1。以下對各故障原因進(jìn)行展開分析。

1.溫度過高

溫度是三元催化器催化劑的活性決定性因素，其中在400～800℃時催化劑的活性最高，溫度過低催化劑的活性弱，轉(zhuǎn)換效率低；溫度過高（如超過1000℃時）會導(dǎo)致催化劑加速老化甚至燒結(jié)壞死，降低使用壽命，極端情況下會引發(fā)汽車自燃事故。因此，必須注意控制引發(fā)排氣溫度升高的影響因素，例如點火過遲、錯亂、斷火等排出未燃燒的混合氣在三元催化器燃燒，導(dǎo)致排氣溫度過高，引發(fā)三元催化器故障。

2.慢性中毒

三元催化器中貴金屬催化劑對汽油中的硫、鉛和潤滑油中的磷、鋅等雜質(zhì)較敏感，這些雜質(zhì)更易吸附在催化劑表面與催化劑作用，進(jìn)而隔絕了尾氣與催化劑的接觸，催化劑實際未發(fā)揮催化作用，這種情況稱為催化劑“中毒”。

3.表面積碳

如果汽車長期處于低溫工作狀態(tài)，三元催化器未正常工作，尾氣中的炭煙會覆蓋在催化劑的表面，長時間積累，導(dǎo)致催化劑被碳層覆蓋且載體孔隙漸漸被堵塞，引發(fā)三元催化器堵塞故障。

4.排氣惡化

三元催化器對污染物的轉(zhuǎn)化容量有限，當(dāng)排氣空燃比為14.7∶1時，效果最佳。排氣空燃比主要通過電子控制單元調(diào)節(jié)。但如果電子控制單元調(diào)節(jié)失當(dāng)，造成排氣污染物濃度、氣量過大，三元催化器則會處于超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，部分污染物未來得及處理就排到大氣環(huán)境在中。此外，排氣污染物濃度、氣量過大，在三元催化器二次燃燒也會使三元催化器溫度過高引發(fā)其他故障，加速三元催化器失效。

三元催化器使用注意事項

基于三元催化器故障原因分析，在使用三元催化器時，應(yīng)注意預(yù)防重視為主，日常維護(hù)相結(jié)合，具體使用的注意事項如下：

1）避免使用含鉛汽油，注意點火時間適中避免長時間啟動失敗。

2）避免長期急速運轉(zhuǎn)（開環(huán)控制狀態(tài)）和轉(zhuǎn)速忽快忽慢。

3）氣缸工作不良時，應(yīng)及時檢修排故，且測量氣缸壓力時，應(yīng)拔下燃油泵的控制接頭，使噴油器停止向氣缸噴油，避免長時間拔出高壓線試火。

4）避免混合氣偏濃的諸多因素，如確保噴油器關(guān)閉嚴(yán)實，燃油壓力調(diào)節(jié)器、氧傳感器、空氣流量傳感器等正常工作。

5）行駛過程中注意避免“托底”，防止碰撞后三元催化器破損、堵塞失效。如果因為故障需要更換時，應(yīng)與發(fā)動機適配。

6）在汽車保養(yǎng)時，對三元催化器的檢查項目包括：排氣顏色、氣量和音量是否正常；三元催化器和排氣管有無松動、異響，外觀是否變形、損壞；是否存在積碳現(xiàn)象；排氣管尾部有無催化劑顆粒等。如有，應(yīng)及時修復(fù)還原三元催化器。

7）還需要注意的是：當(dāng)汽車行駛80 000km后，三元催化器需進(jìn)行整體總成更換。更換時，應(yīng)與發(fā)動機適配，更換件最好是原車原廠配件。

結(jié)語

三元催化器作為汽車尾氣處理的最后一道防線，對尾氣凈化和環(huán)境保護(hù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過對三元催化器主要常見故障現(xiàn)象和原因分析，基于其工作原理，提出三元催化器的使用注意事項，維護(hù)保養(yǎng)的具體措施，從理論上和實踐上助力三元催化器發(fā)揮最佳功效，達(dá)到尾氣凈化效果最大化。

基金項目：廣西貴港市高技能人才培訓(xùn)基地建設(shè)項目資助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡建.三元催化器故障分析及實踐[J].內(nèi)燃機與配件，2020（24）：55-57.

[2] 魯傳平.三元催化器的作用和故障表現(xiàn)[J].汽車與駕駛維修（維修版），2019（5）：29-30.

[3] 甘飄迎.淺談排氣系統(tǒng)催化劑鉑銠鈀失效故障的診斷與排除[J].中國金屬通報，2018（2）：101.

[4] 曹石，劉楠楠，秦濤.三元催化器轉(zhuǎn)化效率診斷方法研究[J].機械制造，2021，59（9）：12-15.

[5] 周萬全，張熙，朱少秋.三元催化器故障模式分析及控制措施[J].時代汽車，2022（15）：154-156.