详解匹配三元型催化式净化装置与闭环电控系统

汽修学徒

三元型催化式净化装置（TWC）是一种降低汽车有害污染物排放的有效装置，在一定的工作条件下，它可以同时净化三种发动机主要排放污染物：一氧化碳（CO）、氮氧化合物(NOx)、碳氢化合物（HC），若与发动机匹配合理，使用方法正确，其转化率可达 90%。

一、TWC 的结构
TWC 的外形类似排气消声器，实际也起到消声器的作用，器壳体用耐高温的不锈钢制成，内部的蜂窝巢式通道上涂有催化剂，催化剂的成份有铂钯和铑等贵金属，以及作为助催化剂成分的铈、钡和镧等稀土或贱金属材料。在载体与壳体之间有隔热减振作用的垫层。

二、TWC 的工作原理
当废气通过 TWC 的通道时，CO和 HC 就会在催化剂铂与钯的作用下，与 O2发生反应产生无害的 H2O和 CO2而 NOx 则在催化剂铑的作用下被还原为无害的 O2和 N2。当其工作在空燃比为理论空燃比附近时能同时使 CO、HC 和 NOx 都有较高的转化效率。

三、 TWC 与电控燃油喷射系统的匹配

尾气在 TWC 中净化时如果燃比大于理论空燃比 14.7:1，那么过剩的氧气会抑制 NOx 的还原反应，使其转化效率下降，而当空燃比小于14.7:1 时，缺乏氧气又会抑制 CO 和HC 氧化反应，使其转化率下降，所以TWC 只有在空燃比为理论空燃比附近时，三种有害气体才能被排除。为了保证空燃比的精确控制，必须采用由氧传感器作为反馈元件的闭环电控系统。即利用安装在排气管(TWC之前)的氧传感器来检测尾气中的氧的含量进而判断实际空燃比偏离理论空燃比的程度，并向 ECU 反馈相应的电压信号，从而保证使空燃比在14.7:1 附近的窄小范围内进行修正。

四、故障及原因的分析
合理的空燃比 TWC 转化效率及寿命的主要因素，与 TWC 的故障有着密切的关系。

TWC 的故障主要有：机械损坏、内部堵塞、化学中毒、热失活等几方面。
（一） 机械损坏
我国多数地区路面条件较差，轿车行驶时颠簸剧烈。较低的汽车底盘常常会发生剐磨凹凸路面的现象，这些都会造成催化剂载体破损、垫层脱落、壳体裂纹等机械损伤。

（二） 内部堵塞
TWC 堵塞使排气背压明显升高，导致汽车没有高速，最高车速只有 110～130km/h 左右，自动变速器也无法升到超速档。
（三）常见的造成 TWC 堵塞的原因

1.混合气过浓会造成 TWC 堵塞。
2.严重烧机油的发动机容易造成TWC 堵塞。
3.由于气缸垫或涡轮增压发动机的进气歧管垫密封不良，使冷却液进入燃烧室，不仅会造成 TWC 硅污染，失去转化能力，而且也会造成 TWC堵塞。

（四）化学中毒
冷却液、汽油和润滑油及其添加剂中含有的硫、锌、磷、硅等元素易与催化剂活性材料发生反应使其发生相变或覆盖在催化剂活性表面造成催化器中毒失效。有试验表明:仅一箱含铅汽油就会使一个新装三元型催化式净化装置完全失效。故使用中应选用高标号的无铅汽油或润滑油。

1.常见的造成 TWC 化学中毒的原因
① 气门油封不密封。
② 活塞环与缸壁间密封不良。
③ 冷车启动困难、缺缸和排气门密封不严。
④ 冷却液窜入排气系统。

（五） 热失活
热失活是指催化剂长期暴露在860℃以上的高温环境中，导致催化剂、载体表面积的减小，从而引起催化剂功能性降低，助剂的活性及储氧能力下降。而且由于热失活造成催化剂晶粒变大会还会对排气流动性产生影响，所以测定催化器排气的压力可以判断是否为热失活。

1.常见的造成 TWC 热失活的原因
①发动机失火、②喷油器故障、③火花塞故障、④传感器故障等，都会导致催化剂的温度大幅度升高，从而引起热老化。


五、排除故障的措施和方法
（一）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。

1.观察 TWC 壳体表面是否有凹
陷和伤痕，如有则其内部可能受损。
2. 观察 TWC 外壳上是否有严重的褪色斑点或略有青色、紫色的痕迹，如有则说明 TWC 曾处于过热状态，需要对 TWC 及发动机做进一步检查。
3.用橡皮槌轻轻敲打 TWC，听有无物体移动的声音，如果有此异响，则说明 TWC 内部催化物质剥落或载体破碎，必须更换整个转换器。

（二）检查 TWC 是否堵塞
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。

1.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，将管口用手指封住，应感觉到明显的真空吸力。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。

2.检测排气背压法。拆下氧传感器，在氧传感器装配孔上连接背压表，发动机工作时排气管压力应小于0.025MPa 表明排气系统堵塞, 观察TWC、消声器及排气管没有外伤，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。

（三）尾气排放的测试
尾气排放的测试分三种：怠速试验法检查、快怠速试验法测、量稳定工况试验法即在怠速、高怠速、高车速的情况下使用尾气分析仪进行尾气排放的测试。

（四）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。

（五） 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。

shangjing

很好，值得我学习