三元催化器的性能分析与故障检修

刘双源

(南阳农业职业学院，河南 南阳 473000)



汽车机械

三元催化器的性能分析与故障检修

刘双源

(南阳农业职业学院，河南 南阳 473000)

为治理汽车尾气带来的大气污染，各地的“蓝天保卫战”不断升级。三元催化转化技术是目前机外净化技术应用最多最有效的方法。介绍了三元催化器的结构及工作机理，重点对其性能和故障检修进行详细阐述，提出常用的维修和保养方法。

三元催化器；结构原理；性能分析；故障检修

1 三元催化器的性能分析

1.1 影响转换效率的因素

(1)空燃比特性

三元催化器转换效率最主要的影响因素是氧气浓度，即进入气缸的混合气的空燃比。在理论空燃比附近，三元催化器对CO、HC和NOX的转化效率同时达到最高。在实际的应用中，常采用氧传感器结合电控燃油喷射系统对空燃比进行闭环控制。

(2)起燃温度特性

催化剂的转换效率与温度有着必然联系，催化器只有达到一定温度时才开始工作的特性即起燃温度特性，当转换效率达到50%时的温度就是起燃温度。三元催化器在400～800 ℃时能达到最佳工作状态,温度低于400 ℃时，催化效果急剧降低；超过800 ℃时,三元催化器会因贵金属与氧化铝涂层热损坏而失效。

(3)空速特性

每小时通过催化器的排气体积流量和催化器容积之比即为空速特性。它表明气体在催化器中的停留时间。

(4)燃油品质

车用燃料中含有重金属添加剂，在发动机工作过程中重金属添加剂无法燃烧而沉积在催化剂表面，会导致催化器中毒。

(5)发动机润滑油品质

在发动机工作过程中，若润滑油雾化并进入进气系统燃烧，将导致润滑油中的添加剂不能转化为无害气体而沉积在催化剂表面，使催化剂失效。

1.2 三元催化器的失效原因

三元催化器的失效形式有高温失活、化学中毒、表面积碳堵塞、机械损坏等。引起三元催化器失效的原因主要有：

(1)发动机管理系统控制异常

由于电路连接不佳引起的点火控制故障会导致气缸缺火，使混合气在催化器内二次燃烧；因喷油器泄露、喷油精度失准等因素引起的燃油控制系统故障会引起混合气不完全燃烧，发动机高速大负荷运转时废气温度过高，均会导致催化剂和衬垫烧伤，催化剂失活。

(2)高温失活

发动机怠速时的排气温度一般为300～400 ℃，中低速工况时为400～600 ℃，高速全负荷行驶时为900 ℃，如果三元催化剂长期暴露在高温条件下，铂、钯、铑等组分极易挥发，从而使催化剂的储氧能力下降，降低其活性。

(3)化学中毒

化学中毒主要与燃油和润滑油的品质有关，燃料中的铅会造成重金属沉积，阻碍HC的转化，磷和硅会阻塞催化剂载体的蜂窝结构，硫以及润滑油中的锌燃烧后会形成氧化物，吸附在催化剂表面使其失活。

(4)表面积碳、堵塞

汽车于低温状态工作时，发动机排出的碳烟附着在催化剂表面，导致载体的孔隙堵塞。堵塞会使发动机动力不足甚至无法启动，这是许多车辆加速无力的主要原因。

(5)氧传感器失效

燃油中的铅、硅等元素在高温下会引起氧传感器中毒，因使用不当还会导致氧传感器积碳、加热器电阻丝烧断、内部线路断脱、陶瓷破裂等故障，进而引起空燃比失准，排气状况恶化，催化转化器效率降低，降低催化转化器的使用寿命。

(6)机械损伤

在日常维修中，受到装卸不规范、长期在崎岖山路行驶、底盘刮碰和长期振动等因素的影响，加之汽车尾气的高温，三元催化转换器在热应力和机械应力的综合作用下，极易疲劳裂纹甚至彻底断裂。

2 三元催化器的故障检修

2.1 故障案例

一辆宝马X5，搭载六缸直列发动机，两个独立排气管，行驶约10万km，车主感觉加速不良，并且发动机故障灯点亮；一辆丰田2010款卡罗拉，5速手动变速器，行驶约6万km之后，当车速低于10km/h时，加速熄火，并且熄火后不易启动；一辆丰田RAV4，行驶约1.5万km，加速无力，且无法提升至100km/h，若强行加速则自动降档。

2.2 解决方案

这三个故障案例的共同特点是加速不良，启动困难，当三元催化器出现故障时，车辆油耗增加，排放超标，所以应立即进行检修。

(1)通过望闻问切进行外观检查是快速检查机械故障的方法。首先观察三元催化器表面是否有凹陷和刮痕，如果有说明载体可能受到损伤；检查接头及催化剂更换螺塞是否松动，若有则应及时加以处理；排气歧管到三元催化器之间有明显的烧红现象，在冷车时三元催化器前部有无泛蓝和铁屑，说明三元催化器曾处于过热状态；如果听到异响，排气管有催化剂颗粒排出，应更换三元催化器。若三元催化器出现故障，在怠速和加速时可闻到刺鼻的气味，进行尾气分析会发现NOX严重超标。

(2)测量温度和真空度。正常情况下，大多数三元催化器前部的温度要比后部低20%～25%，若温差低于此范围，应更换三元催化器，若超此范围，说明尾气中含有较高浓度的CO和HC；将真空表接入进气歧管，使发动机转速从怠速逐渐提高至2 500r/min，真空度读数不应有明显下降，若下降有可能是阻塞造成的，但也可能是供油量减少引起的，所以排气背压更能反映三元催化器的状况。

(3)检测排气背压。检测排气背压要在排气管前的适当位置接入压力表，在发动机怠速和2 500r/min时检测的排气背压不应超过发动机限值，若超过，需将三元催化器后面的排气系统拆下，再次检验背压，若仍超过限值，说明催化器堵塞，若背压下降，则说明破碎的催化器载体停留在下游的排气系统中。

3 三元催化器的维护保养

3.1 正确选用汽油和润滑油

配备三元催化器的车辆，不能使用含铅汽油，因高温使含铅汽油还原出金属铅，导致催化器中毒。有研究表明，在汽油中加入10%的水或30%～40%的甲醇，可减少甚至消除CO、HC、NOX的排放，采用乙醇汽油可降低尾气中大约1/3的CO排放量；在机油中加入适当的固体添加剂，可以提高气缸密封性，降低油耗，改善尾气排放。

3.2 避免未燃烧的混合气进入催化器

当发动机燃油系统出现故障，点火延迟等因素的影响会导致混合气不完全燃烧，废气中的HC和CO发生过度的氧化反应，产生的热量超过催化器的正常工作温度，就会导致催化剂失效。

3.3 避免碰撞和“托底”

在崎岖山路行驶时，碰撞有可能导致载体破碎，陶瓷碎片会引起催化器和配气系统堵塞，增大排气阻力，当急减速时，一旦陶瓷粉末被吸入气缸，将导致气缸严重磨损甚至报废。

3.4 熄火前应进入怠速状态

发动机工作温度很高，熄火前进入怠速状态，可使温度平滑下降，减少热冲击。此外，车辆处于怠速工况的时间不允许超过20min，因为怠速时废气中的氧含量不足，会因高温而损坏三元催化器。

3.5 不要涉水行驶

雨天行车，切勿在积水路段行驶，因为三元催化器的工作温度很高，涉水行驶时，陶瓷载体会因温度骤然降低而损坏。

3.6 定期保养车辆

定期保养有利于及时发现故障，比如采用调整喷油量、减小喷油提前角等措施使燃料充分燃烧，可延长三元催化器的使用寿命。

4 结 语

随着人们环保意识的不断增强，对汽车尾气排放的要求也越来越严格，国产轿车普遍都加装了催化转化器，借助催化剂的作用，使尾气中的HC、CO、NOX发生氧化还原反应，不仅操作方便而且避免了二次环境污染,达到了降低污染的目的。在我们享受汽车为我们生活带来便利的同时，只要掌握维修保养和故障检修的方法，才能真正享受舒适的车生活。

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2016-03-07

刘双源(1987-)，男，河南西峡人，研究生，研究方向：汽车检测与维修。

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