汽車發動機三元催化轉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。

關鍵詞： 汽車;發動機;TWC;早期失效;維修與使用

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

0? 引言

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

汽車污染主要是發動機的排放污染。發動機燃燒作功后，排出的污染物主要包括CO（一氧化碳）、HC（碳氫化合物）、NOX（氮氧化合物）、PM（微粒）等。汽車發動機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，達到相應的汽車排放標準（如歐Ⅵ、國Ⅵ），發動機除了采取EFI（電控燃油噴射系統）、EDIS（電子無分電器點火系統）、GDI（直接噴射稀燃系統）等發動機機內凈化裝置之外，還必須裝配廢氣再循環（EGR）、活性碳罐（EVAP）、三元催化轉換器（TWC，下稱TWC）等機外凈化裝置。其中TWC是安裝在車底發動機排氣管道中最重要的機外凈化裝置。

TWC（three-way catalyst）的組成是：主要包括外殼（不銹鋼雙層結構）、減振器（膨脹墊片和鋼絲網墊結構）、載體（陶瓷蜂窩狀載體+金屬載體結構）、催化劑（鉑/Pt、鐒/Rh、鈀/Pd等）等四大部分。TWC的功用是：將汽車發動機排出的CO、HC和NOX等有害氣體，轉化成無害的CO2（二氧化碳）、H2O（水）、N2（氮氣）和O2（氧氣）。TWC的工作原理是比較復雜的化學反應過程。簡而言之，就是當發動機起動暖機后，高溫排氣使TWC達到工作起燃溫度，在催化劑作用下進行相應的“氧化-還原”反應，使CO、HC、NOX等有害氣體催化轉換成CO2、H2O、N2、O2等無害氣體排出機外。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。發動機工作產生的這三種有害氣體轉變成無害氣體排出，使發動機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高溫熱害

在常溫下，TWC是不工作的，只有當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動機的排氣熱提升的，在TWC工作時也會產生大量的熱量，滿足自身正常工作的需要。但當溫度超過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聚集而壞死。所以，在維修和使用中，必須注重控制導致發動機過熱、排氣溫度過高的各種原因。如點火時間過遲、點火順序錯亂、混合氣過稀或過濃等，這都會使未燃燒的混合氣進入TWC再燃燒，導致TWC的溫度過高，影響TWC的催化轉換效率，甚至使TWC失效。

1.2 TWC化學中毒

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油，這四種元素及其在發動機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換作用，即TWC“中毒”。

1.3 TWC積碳污染

當汽車發動機混合氣過濃燃燒不充分時，或長時間發動機過冷而TWC無法起燃工作時，發動機會生成大量的碳煙，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失去催化轉換作用。

1.4 發動機排氣惡化

TWC對污染物的轉化能力是有一定限度的。如果發動機機內凈化裝置發生故障，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的催化轉換功能的發揮，其催化轉換效率降低。同時，發動機排氣中較多的HC和CO進入TWC后，會使氧化反應過度，從而產生大量熱量，使TWC溫度過高而損壞。

1.5 閉環控制失常

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

若要實現TWC高效工作的最佳空燃比控制，關鍵在于保證氧傳感器正常工作。如果燃油、機油中含鉛、硅元素，就會導致氧傳感器中毒，或混合氣過濃會導致氧傳感器積碳，或發生氧傳感器陶瓷破裂、加熱器電阻絲燒斷、內部線路斷脫等故障，氧傳感器就會失效，從而導致空燃比失準，排氣狀況惡化，進而使TWC催化轉換效率降低或使TWC失效。此外，發動機的不正確維修和汽車的不正確使用也是導致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或略有成青色和紫色的痕跡，在TWC防護罩的中央是否有明顯的暗灰斑點，如有則表明TWC曾經處于過熱狀態而產生熱害或熱失活。②用拳頭輕輕敲擊并晃動TWC，如果能聽到內部有物體移動的異常響聲，則表明TWC的催化劑載體已經破碎，應更換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前端排氣管的適當位置上打一個小孔（工完注意修復），接上氣壓表（注意連接處的密封），啟動發動機，暖機后在怠速（參照原廠標準轉速）和2500r/min時，分別測量排氣背壓，如果排氣背壓不超過發動機原廠標準規定的限值，則表明催化劑載體無堵塞。如果排氣背壓超過了發動機原廠標準規定的限值，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，重復測量排氣背壓，如果是TWC堵塞，重復測量值與第一次的測量值相同或接近。如果重復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，應做好TWC外觀檢查，確認催化劑載體完好度是非常必要的。②真空測試：將真空表接到發動機的進氣歧管上，啟動發動機暖機后，將轉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，則保持發動機轉速2500r/min不變，如果真空度有明顯的下降，則表明TWC有堵塞。進行TWC堵塞前后的對比檢查，如果進氣歧管真空度會發生明顯下降，則表明TWC有堵塞。

2.3 TWC催化檢查

①加熱催化：TWC在正常工作狀態下，因為氧化反應產生了大量的反應熱，所以可通過對比TWC進、出口溫差來判斷TWC性能的好壞。啟動發動機，暖機后將發動機轉速維持在2500r/min，將車輛安全舉升，用紅外線數字式溫度計測量TWC進口和出口的溫度。TWC出口溫度至少應高于進口溫度10-15%。TWC正常工作時，其出口溫度高于進口溫度20-25%。如果車輛在主TWC之前還安裝了副TWC，主TWC出口溫度應高于進口溫度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，則說明發動機排氣中的CO和HC濃度過高，應檢查發動機機內凈化裝置的工作狀況。②雙氧檢查：目前，凡裝有TWC的發動機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，參與發動機混合氣空燃比閉環控制，將發動機的實際空燃比控制在接近理論空燃比（A/F=14.7）的水平，使TWC的催化轉換效率接近最佳。后氧傳感器主要是用來檢測發動機排氣經過TWC以后的氧含量，從而檢查TWC的催化轉換效果。

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的催化轉換效率。當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

鑒于TWC早期失效的原因，在維修和使用時應該特別注意如下事項：

3.1 維修方面

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

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盡量避免發動機長時間怠速和高速運行，盡量減少發動機急加速、忽快忽慢的操作，從操作上盡量縮短發動機混合加濃和TWC不工作的工況或時間。③發現發動機工作不正常時，例如連續3-5次不能起動、怠速發抖、重復性失速、排氣管放炮、排氣管冒黑煙或藍煙等故障現象，應及時報修，停車修理，不能讓發動機“帶病工作”。④在不平整的道路行駛時，應特別注意不要出現劇烈磕碰和拖底，避免TWC受碰撞而損壞。

4? 結語

TWC在發動機機外凈化方面起著不可替代的重要作用。除了進一步完善TWC的結構和功能之外，在TWC現有技術狀況下，不論是汽車使用者，還是汽車維修工，都應該熟悉TWC的外形結構、安裝位置、失效原因，以利于充分發揮和有效維持TWC的凈化作用。

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