汽车发动机三元催化转换器的正确维修与使用

彭高宏

摘要：简要介绍了TWC（TWC）的组成、功用和工作原理，简要分析了TWC早期失效的原因，提出了TWC正确维修与使用的一般方法。

关键词： 汽车;发动机;TWC;早期失效;维修与使用

中图分类号：U472                                       文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）24-0166-02

0  引言

20世纪70年代以后，随着世界汽车保有量的迅猛增长和人们对环保的高度重视，由汽车排放污染引发的环保问题开始备受关注，至今已发展成为人类所面临的三大基本问题（人口、能源、环保）之一。

汽车污染主要是发动机的排放污染。发动机燃烧作功后，排出的污染物主要包括CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）、NOX（氮氧化合物）、PM（微粒）等。汽车发动机污染物直接在地面排放，对人类健康具有更大更直接的危害。

为了有效控制汽车排放污染，达到相应的汽车排放标准（如欧Ⅵ、国Ⅵ），发动机除了采取EFI（电控燃油喷射系统）、EDIS（电子无分电器点火系统）、GDI（直接喷射稀燃系统）等发动机机内净化装置之外，还必须装配废气再循环（EGR）、活性碳罐（EVAP）、三元催化转换器（TWC，下称TWC）等机外净化装置。其中TWC是安装在车底发动机排气管道中最重要的机外净化装置。

TWC（three-way catalyst）的组成是：主要包括外壳（不锈钢双层结构）、减振器（膨胀垫片和钢丝网垫结构）、载体（陶瓷蜂窝状载体+金属载体结构）、催化剂（铂/Pt、铹/Rh、钯/Pd等）等四大部分。TWC的功用是：将汽车发动机排出的CO、HC和NOX等有害气体，转化成无害的CO2（二氧化碳）、H2O（水）、N2（氮气）和O2（氧气）。TWC的工作原理是比较复杂的化学反应过程。简而言之，就是当发动机起动暖机后，高温排气使TWC达到工作起燃温度，在催化剂作用下进行相应的“氧化-还原”反应，使CO、HC、NOX等有害气体催化转换成CO2、H2O、N2、O2等无害气体排出机外。其中，CO在高温下氧化成为CO2;HC化合物在高温下氧化成H2O和CO2;NOX还原成N2和O2。发动机工作产生的这三种有害气体转变成无害气体排出，使发动机排放污染物得到净化。但是，由于TWC是安装在车底的排气管道上，其工作的环境条件很差，而TWC的工作要求又比较“苛刻”，不正确的维修和使用，都会导致TWC早期失效而失去净化作用。

1  TWC早期失效的原因

1.1 TWC高温热害

在常温下，TWC是不工作的，只有当催化剂被加热到一定的起燃温度时，TWC才起“氧化-还原”作用。TWC工作的起燃温度一般在250-350℃之间，正常工作温度一般在400-800℃之间。TWC工作起燃温度是靠发动机的排气热提升的，在TWC工作时也会产生大量的热量，满足自身正常工作的需要。但当温度超过816℃时（极限1000℃），TWC催化剂的氧化铝载体的比表面积会急剧减小、贵金属催化剂会烧结聚集而坏死。所以，在维修和使用中，必须注重控制导致发动机过热、排气温度过高的各种原因。如点火时间过迟、点火顺序错乱、混合气过稀或过浓等，这都会使未燃烧的混合气进入TWC再燃烧，导致TWC的温度过高，影响TWC的催化转换效率，甚至使TWC失效。

1.2 TWC化学中毒

TWC的催化剂对硫、铅、磷、锌等元素非常敏感，硫和铅元素来源于燃油，磷和锌元素来源于机油，这四种元素及其在发动机中燃烧过程中生成的氧化物颗粒极易被吸附在催化剂表面而形成阻隔层，使催化剂不能与CO、HC和NOX等有害气体接触，从而使其失去催化转换作用，即TWC“中毒”。

1.3 TWC积碳污染

当汽车发动机混合气过浓燃烧不充分时，或长时间发动机过冷而TWC无法起燃工作时，发动机会生成大量的碳烟，碳烟会附着在TWC催化剂的表面，形成积碳层，积碳层的阻隔使催化剂不能与CO、HC和NOX等有害气体接触，同时积碳还会堵塞TWC载体孔隙，从而使TWC失去催化转换作用。

1.4 发动机排气恶化

TWC对污染物的转化能力是有一定限度的。如果发动机机内净化装置发生故障，不能将废气净化到最低水平排出，排气污染物的浓度、总量过大，TWC就会“过载”，从而影响TWC的催化转换功能的发挥，其催化转换效率降低。同时，发动机排气中较多的HC和CO进入TWC后，会使氧化反应过度，从而产生大量热量，使TWC温度过高而损坏。

1.5 闭环控制失常

为了使TWC对CO、HC和NOX等有害气体的催化转换率达到最佳水平（90%以上），必须在发动机排气管道中安装氧传感器，并参与发动机混合气空燃比闭环控制，将发动机混合气空燃比控制理想空燃比附近。闭环控制的工作原理是：发动机工作时，氧传感器将查测到的發动机排气中氧的浓度转换成电信号后发送给EFI-ECU（电控燃油喷射电控单元），通过反馈控制，使发动机的空燃比控制在接近理想空燃比的区间之内（A/F=14.7左右）。因此，闭环控制工作不良或不工作，就会降低TWC的催化转换效率，过浓或过稀的混合气还会损坏TWC。

若要实现TWC高效工作的最佳空燃比控制，关键在于保证氧传感器正常工作。如果燃油、机油中含铅、硅元素，就会导致氧传感器中毒，或混合气过浓会导致氧传感器积碳，或发生氧传感器陶瓷破裂、加热器电阻丝烧断、内部线路断脱等故障，氧传感器就会失效，从而导致空燃比失准，排气状况恶化，进而使TWC催化转换效率降低或使TWC失效。此外，发动机的不正确维修和汽车的不正确使用也是导致TWC早期失效的一个重要原因。

2  TWC的检修

2.1 TWC外观检查

①检查TWC外表有无明显的凹陷和刮伤，如有则说明TWC的载体可能被损坏。检查TWC外表是否有明显的褪色斑点或略有成青色和紫色的痕迹，在TWC防护罩的中央是否有明显的暗灰斑点，如有则表明TWC曾经处于过热状态而产生热害或热失活。②用拳头轻轻敲击并晃动TWC，如果能听到内部有物体移动的异常响声，则表明TWC的催化剂载体已经破碎，应更换TWC。③检查TWC外表是否有裂纹或孔眼，前后连接头是否有松动，排气管出口处是否有催化剂颗粒泄出，否则应修理或更换。

2.2 TWC堵塞检查

①背压测试：在TWC前端排气管的适当位置上打一个小孔（工完注意修复），接上气压表（注意连接处的密封），启动发动机，暖机后在怠速（参照原厂标准转速）和2500r/min时，分别测量排气背压，如果排气背压不超过发动机原厂标准规定的限值，则表明催化剂载体无堵塞。如果排气背压超过了发动机原厂标准规定的限值，有可能是TWC堵塞，也有可能是TWC下游的排气管道堵塞，这时需要将TWC后端的排气管拆下，重复测量排气背压，如果是TWC堵塞，重复测量值与第一次的测量值相同或接近。如果重复测量的排气背压值下降，则说明TWC下游的消声器或排气管有堵塞。所以在背压检测之前，应做好TWC外观检查，确认催化剂载体完好度是非常必要的。②真空测试：将真空表接到发动机的进气歧管上，启动发动机暖机后，将转速从怠速逐渐加速至2500r/min，同时观察真空表的变化情况，如果真空度下降，则保持发动机转速2500r/min不变，如果真空度有明显的下降，则表明TWC有堵塞。进行TWC堵塞前后的对比检查，如果进气歧管真空度会发生明显下降，则表明TWC有堵塞。

2.3 TWC催化检查

①加热催化：TWC在正常工作状态下，因为氧化反应产生了大量的反应热，所以可通过对比TWC进、出口温差来判断TWC性能的好坏。启动发动机，暖机后将发动机转速维持在2500r/min，将车辆安全举升，用红外线数字式温度计测量TWC进口和出口的温度。TWC出口温度至少应高于进口温度10-15%。TWC正常工作时，其出口温度高于进口温度20-25%。如果车辆在主TWC之前还安装了副TWC，主TWC出口温度应高于进口温度15-20%，如果出口温度值低于以上参考值，则表明TWC工作不正常，需要更换;如果出口温度值超过以上参考值，则说明发动机排气中的CO和HC浓度过高，应检查发动机机内净化装置的工作状况。②双氧检查：目前，凡装有TWC的发动机大多采用双氧传感器，分别安装在TWC上游和下游，前氧传感器主要用来检测排气中的氧含量，参与发动机混合气空燃比闭环控制，将发动机的实际空燃比控制在接近理论空燃比（A/F=14.7）的水平，使TWC的催化转换效率接近最佳。后氧传感器主要是用来检测发动机排气经过TWC以后的氧含量，从而检查TWC的催化转换效果。

通过检测前、后氧传感器的输出信号的电压或示波，通过对前、后氧传感器信号电压高低或示波曲线振幅大小的对比，来评价TWC的催化转换效率。当TWC工作正常时，信号电压高低或示波曲线振幅大小相差较大，如果其信号电压高低或示波曲线振幅比较接近，则表明TWC催化转换效率下降或已失效。

2.4 TWC的维修

TWC一般可分为整体式和颗粒式两种。整体式TWC是不可维修的，损坏或失效必须更换。颗粒式TWC仅能进行催化剂颗粒更换，但一般以更换为主。

3  TWC维修和使用的注意事项

鉴于TWC早期失效的原因，在维修和使用时应该特别注意如下事项：

3.1 维修方面

①做跳火试验和缸压查测时，断油优先，尽量少用或不用断火，避免喷油器向气缸内喷油。②要重视点火系和燃油供给系维护和检修，特别是火花塞、喷油器、氧传感器和空气流量传感器的维护和检修，确保点火和供油正常。③TWC一般不需专门维护，不要随意拆卸，如需要更换，一定要按原配型号更换，确保TWC与发动机匹配。④不使用含铅、硅、磷的润滑油添加剂，正确使用发动机密封胶。

3.2 使用方面

①在加注燃油时，不要“贪便宜”而使用含铅燃油，也不要使用含铅、硅、磷的燃油添加剂（俗称抗磨剂），从用油上避免TWC“中毒”。②尽量避免发动机长时间怠速和高速运行，尽量减少发动机急加速、忽快忽慢的操作，从操作上尽量缩短发动机混合加浓和TWC不工作的工况或时间。③发现发动机工作不正常时，例如连续3-5次不能起动、怠速发抖、重复性失速、排气管放炮、排气管冒黑烟或蓝烟等故障现象，应及时报修，停车修理，不能让发动机“带病工作”。④在不平整的道路行驶时，应特别注意不要出现剧烈磕碰和拖底，避免TWC受碰撞而损坏。

4  结语

TWC在发动机机外净化方面起着不可替代的重要作用。除了进一步完善TWC的結构和功能之外，在TWC现有技术状况下，不论是汽车使用者，还是汽车维修工，都应该熟悉TWC的外形结构、安装位置、失效原因，以利于充分发挥和有效维持TWC的净化作用。

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