浅谈三元催化转化器的使用和检测+

浅谈三元催化转化器的使用和检测摘要全球的环境越来越严峻，汽车排放污染成为主要污染源之一。汽车排放污染物主要来源于内燃机，其中有害成分包括CO、HC、NOx、微粒及硫化物等，其中汽油车的主要污染物包括CO、HC和NOx。各国都出台了法律严格控制汽车的排放，实践证明仅靠汽车发动机前处理和机内净化已不能满足法规要求，对于汽油机，催化转化技术作为降低其排气污染的后处理最为有效的措施，已越来越受到各国重视，其中三元催化转化器广泛应用于各类汽车上。在了解三种有害气体产生原因及汽车排放对人类和环境的主要影响后，重点介绍了三元催化转化器的结构、原理作用及使用注意。还重点介绍了三元催化器是如何检测的。关键词：三元催化转化器的作用；三元催化转化器的影响因素；三元催化转化器使用；三元催化转化器的检测1三元催化转化器的简介三元催化转化器(Three-wayCatalyticConverter)简称TWC，也称三效催化转化器。催化转化器是对发动机排气管排出的废气进行净化的装置，是一种机外净化技术。汽油机中有害气体的产生与燃料燃烧过程是密不可分的，其中对人类最有影响的主要有CO、HC和NOx三种污染物，而三元催化转化器主要作用是将尾气中的3种有害气体经过氧化反应和还原反应变成为无害气体。三元催化转化器的催化剂本身并不发生化学反应，它的作用是加快有害物质的化学反应速度。在我国汽油车用三元催化转化器得到很好的应用。三元催化器与电控发动机良好匹配的催化器的稳态转化效率在90%以上实际装车的运行寿命在8万km以上，作为降低废气排放的有效措施。但从现在使用来看三元催化转化器存在着转化效率低和使用不稳定及耐久性差。这主要是没有重视三元催化器的使用与检测。为了是三元催化转化器得到更可靠更有效的工作状态，必须首先重视它的使用检测。2三元催化转化器的结构、作用和原里及使用条件2.1催化转化器排气系统的简介2-1汽车排气系统如图2-1排气系统由排气管、催化转化器、消音器和排气尾管等部分组成。有些发动机除主催化转化器外，还有一个小催化转化器，它安装在紧靠排气歧管的地方。目的是让小催化转化器迅速加热，从而减少暖车期间HC和CO的排放。2-2催化转化器的结构1-壳体2、6-垫层3-载体4-温度传感器5-支撑环2-2-1催化转化器结构示意图整体式蜂窝状主要由壳体、载体、涂层和垫层等四部分组成（如图2-2-1）。其中整体式蜂窝状陶瓷载体型的催化剂通常是指催化活性组份和水洗涂层合称，它是整个催化转化器的核心部分，决定着催化转化器的主要性能指标。催化转换器有氧化、还原和三元三种，应用最多的是三元催化转换器．内有铂、铑合金等稀有金属元素。三元催化剂沉积在颗粒状多孔性载体上．制作成蜂窝状．串联安装在排气系统中。2-3三元催化器的原理三元催化转换器主要由催化剂，载体，垫层和壳体等几部分组成，其核心部分是催化剂，发挥着净化汽车尾气的作用。尾气净化用催化剂附着在多孔的催化剂载体上，它可以加速尾气中COHC的氧化反应和NOx的还原反应，使三种有害气体化为无害的CO2H2O和N2，所以被称为三元催化剂。催化剂在氧化和还原反应中仅起催化作用，其催化作用是靠废气本身的热量激发的，当催化反应开始后，因氧化反应放热，催化剂便自动保持较高的温度，使CO和HC的氧化过程能够正常进行。在催化剂的作用下，利用排气中的CO和HC作为还原剂，使NOx还原为N2o。2-4三元催化器的作用三元催化转化器是对发动机排气管排出的废气进行净化的装置，是汽车应用最多的和最为有效的一种机外净化技术装置。它利用安装在发动机排气管中的三效催化器．即以铂、钯、铑三种贵金属为催化剂的催化转换器．通过氧化还原反应．将汽车排气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物同时转化成无害的二氧化碳、氮气、水的技术。在一定条件下．对污染物转化效率可达95％以上。但只有当空/燃混合比在14.7：1的狭窄范围内时，才能进行完全催化反应。如图(a、b）（a）通过催化前（b）通过催化后3影响三元催化转换器正常工作的因素催化转化器的使用条件相当严格。首先，如果汽油或润滑油添加剂选用不当，使用了含铅的燃油添加剂或硫、磷、锌含量超标的机油添加剂，就会使磷、铅等物质覆盖于三元催化转换器的催化层表面，阻止废气中的有害成分与之接触而失去催化作用，这就是人们常说的三元催化器“中毒”。其次，仅当温度在400-800℃时，催化转化器才起催化反应。温度较低时，转化器的转化效率急剧下降。汽车长时间在短距离低温下行驶，会造成燃油不完全燃烧，使催化转换器污染和堵塞，造成排气受阻，排放污染增加，发动机功率降低及油耗增加。因此，催化转化器都装安装在温度较高的排气歧管后面。第三，空燃比只有等于1时，转化效率才是最高。所以必须将装有三元催化转化器的发动机供给理论混合比的混合气，才能保证三元催化转化器才有较好的效果。如果混合气成分不是理论混合比，那么CO和HC的氧化反应或NOx的还原反应不可能进行得很完全。另外，发动机调节不当，如混合气过浓或气缸缺火，都将引起转化器严重过热。4三元催化转化器使用的注意事项如果使用得当，从新车到报废．三元催化转换器很少需要更换。导致催化器不能正常使用或早期损坏等，这与驾车人的操作、日常维护保养有很大关系。在使用中如何尽量延长三元催化器的使用寿命呢?主要有以下几个方面。4-1不能使用含铅汽油使用含铅汽油在燃烧后的铅颗粒随废气经过三元催化反应器时，覆盖了活性催化剂的表面．使铅化物堵塞蜂窝状载体．导致催化剂作用减少，从而大大降低催化剂的转换效率。废气中的残留燃油也能毒害催化剂。一般来说使用含铅汽油．行驶1万公里．三元催化反应器即失效。一旦“铅中毒”，则车辆尾气检测显示不合格，需更换催化器。因此．必须使用无铅汽油。4-2避免未燃烧的混合气体进入催化转换器有人习惯在起动发动机时，先“加”几脚油。不易起动时还要多“加油”．这样做很容易造成催化器失效。若混合气燃烧不完全，会有少量未燃烧的混合气体附在催化器上，加速催化器失效。现代电控燃油喷射发电机，其可燃混合气的空燃比和点火时间都是由电脑控制的，起动发动机时不需要“加油”。4-3避免排气温度过高正常情况下排气管废气温度在400～800℃。当未燃尽的可燃混合气在排气管继续燃烧时．排气管内发出突突声或放炮现象．严重时还会使排气管烧红．温度达到1400℃以上。产生这种现象的主要原因有①点火时间过迟．使大部分混合气的燃烧延长到膨胀过程中进行，部分混合气来不及燃烧就从排气门排出．在排气管中燃烧，从而产生放炮现象。②由于混合气过浓．燃烧不完全．混合气在排气管中被高温废气引燃发生突突声或放炮现象。③火花塞火花太弱或个别缸工作不良，使混合气不能充分燃烧而进入排气管中．再次燃烧而发生放炮声。发动机温度过高或过低都不利于催化器发挥最有效的作用，保持发动机最佳工作温度是保证催化器最佳工作温度的有效措施。另外，节温器不能拆去，有节温器，发动机升温快，因暖机而产生的一氧化碳、碳氢化合物相对较少。4-4避免发动机长时间怠速运转发动机怠速运转时，混合气较浓且燃烧不完全，含有少量未燃烧的混合气附在催化器上，加速催化失效。另外，个别缸失火不工作及混合气过浓等故障都可能使三元催化器早期损坏，应及时进行检修、调整。4-5定期检查发动机发动机状况要定期检查，尤其是要保证点火系统工作的可靠性，定期检查火花塞，如捷达、宝来轿车每隔15000公里须检查或更换火花塞。要用专用诊断仪诊断发动机有无故障，如有故障，应及时排除，保证发动机处于良好的技术状态。4-6定期检查氧传感器为了保证三元催化转换器正常工作．把污染物(CO、HC、NO)减少到最小程度，在现代电控燃油喷射系统汽车的三元催化转换器附近加装了氧传感器，以检测尾气中氧的含量。当排气中出现氧时，传感器输出数值传回电脑(ECU)，自动修正混合气成分，以此控制空燃比。也就是说电脑对发动机进气、进油和排放实施整个过程的监控，形象地说就是“闭环控制”，从而保证了三元催化转换器处于最佳工作状态。此外还要保证水温传感器正常工作，它与氧传感器同时提供修正信号。如果氧传感器和水温传感器有损坏．就要及时更换。4-7定期检查三元催化转换器防止行驶中的“托低”由于三元催化转换器安装在排气管内，离地面很近，若排气管刮蹭地面或碰到石头等硬物其内部的蜂窝陶瓷质的催化剂载体，受到挤压，碰撞后很容易碎裂．堵塞排气管．影响发动机的动力。5三元催化转换器的检测在正常情况下．汽车行驶5万公里以后．就要定期检查三元催化转换器是否损坏。如果损坏就要更换。检测方法有以下几种5-1外观检查（1）将车辆升起,观察三元催化转化器壳体表面是否有凹陷,如有明显的凹痕和刮痕,说明其载体可能受到损伤，则应更换。（2）观察三元催化转化器外壳上是否有严重的褪色斑点或略有青色和紫色的痕迹,如有则说明其载体曾处于过热状态,需对发动机做进一步的检查。（3）检查外表面是否有裂纹,与排气管的连接是否牢固,各段管道是否有泄漏,如有上述情况应及时处理。外观检查简单有效,可以快速查出三元催化转化器的机械故障。（4）轻轻摇动催化转换器．如能听到物体移动的声音,说明其内部载体破碎,需要更换整个总成。（5）如有堵塞．熔化或其它形式的损坏．都应更换转换器。5-2功能测试（1)拆下三元催化转化器前端的氧传感器,在排气管上连接一个压力表,起动发动机,以2500r／min的转速运转发动机2分钟．将催化转换器加热至工作温度。测量排气背压,如果排气背压不超过规定的限值,表明排气系统没有被阻塞。如果排气背压超过规定的限值,可将三元催化转化器后端的排气系统拆掉,再重复以上的试验,如果三元催化转化器阻塞,排气背压仍将超过规定值;如果排气背压下降,则说明消声器或三元催化转化器下游的排气系统阻塞,可能是破碎的催化剂载体滞留在下游排气管道中。检查催化剂载体是否完整,逐段检查排气管、消声器是否有堵塞现象。（2）三元催化转化器在正常工作状态下,由于氧化反应产生大量的反应热,因此可以通过温差对比来判断三元催化转化器性能的好坏。将发动机转速维持在2500r/min左右,在催元转化器的废气入口处和出口处分别接一支表面温度接头，测量温度(测量时应尽量靠近三元催化转化器,距离在50mm以内)。出口温度应至少高于进口温度10%～15%,技术状态良好的发动机其温差可以达到20%～25%。如果车辆在主催化转化器之前还安装了副催化转化器,则主催化转化器的出口温度应高于进口温度15%～20%。如果温差低于上述范围,说明三元催化转化器工作不正常,需要更换;如果温差超过上述范围,则说明废气中含有异常高浓度的CO和HC,需要对发动机本身做进一步的检查。（3）出口温度应至少高于进口温度10%～15%（一般出口温度高于进口温度38℃）,技术状态良好的发动机其温差可以达到20%～25%。如果车辆在主催化转化器之前还安装了副催化转化器,则主催化转化器的出口温度应高于进口温度15%～20%。如果温差低于上述范围,说明三元催化转化器工作不正常,需要更换;如果温差超过上述范围,则说明废气中含有异常高浓度的CO和HC,需要对发动机本身做进一步的检查。5-3排气受阻检测（1）在氧传感器(或一氧化碳测试管)处安装排气压力表。（2）在正常工作温度下发动机怠速运转(650～850r／min)时，压力表读数不应超过86KPa。（3）把发动机转速提高到2000r／min时，压力表的读数不应超出20．7KPa。（4）如果在两种转速中的任何一种情况下背压超出规定值．都表明排气系统受阻。（5）如果没有找出排气系统背压过高的明显原因．那么可能是催化转换器损坏。（6）完成检测后．在氧传感螺纹上涂上防粘剂装回原处注释发动机电子控制是降低发动机尾气排放、提高燃油经济性、动力性个驾驶性的主要手段。目前国内汽车采用发动机电子控制已经成为明显趋势，很多资料表明采用电控的发动机要比原机械式发动机的各项性能均有不同幅度提高。尤其在排放方面，采用更为先进的氧反馈控制系统的电子控制系统配备更高效的三元催化转化器，可以使得整车的排放达到更为严格的排放法规。论文主要做了以下工作：（1）对三元催化转化技术及三