三元催化转化器应用与检测

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1、摘要社会发展，汽车保有量迅速增加，随之而来汽车尾气造成的环境污染问题也日趋严重。三元催化转化技术是目前应用最广泛，效果也最显著的发动机尾气机外净化技术。三元催化转化器可以使发动机尾气中的有害排放物如COHGNOx同时降低90%以上，使汽车尾气污染得到有效控制。许多车辆在实际使用过程中，由于使用不当造成三元催化转化器早期失效、损坏，致使它失去了减排的作用并造成发动机故障。本文分析三元催化转化器的结构、性能的特点，研究车辆使用特性对三元催化转化器性能的影响。研究表明，要使三元催化转化器正常使用，应使用规定级别或以上的润滑油、高品质的无铅汽油，保持发动机机械方面良好的工作状态，发动机电控系统也必须正

2、常，还有车辆不宜长时间怠速等。在使用特性研究的基础上，分析了三元催化转化器的故障形式，研究了不同故障的检测方法。三元催化转化器的故障可分为三类，机械损伤、堵塞和转化性能变差或失效。机械损伤可以通过简单的人工观察来检查。三元催化转化器堵塞的测试方法有真空测量法、排气背压检测法和进气管碳氢化合物浓度测量法等。对于三元催化转化器转化性能变差或失效的检测则有转化器出入口温差法、双氧传感器信号电压波形分析法和怠速试验法与快怠速试验法相结合等手段。关键词：三元催化转化器，结构性能，使用，检测Three-WayCatalyticConverterApplicationandTestingABSTRACTLi

3、vingstandardsdevelopmentmakeslifebetterandbetter.Moreandmorepeopletendtohavetheirownvehiclestomeettransportationneedsindailylife,whichalsobringsupadeterioratingenvironmentalpollutionproblem.3-waycatalyticconverteristhemostpopularandefficientengineemissionclean-uptechnology.3-waycatalyticconvertercan

4、reduceharmfulCO,HCandNOxemissionsbymorethan90%,thuseffectivelycurbthepollutionbroughtupbyemissions.Many3-waycatalyticconvertersinvehiclesmaysufferanearlyfailureandgetbrokenduetoimproperuse,andthuslosethefunctionofemissionreductionandcauseenginedamage.Wemustbecarefulaboutthefollowingitemsinthedailyus

5、eofthevehicle,primarilyusingqualifiedorhigh-gradedlubricantsandlead-freegasolineinengine,keepingengineworkinginasoundstatusbothmechanicallyandelectronically,andavoidIong-timeidlingspeed.3kinds,mechanicaldamage,obstructionandweakeningordisabledconvertingability.Mechanicaldamagecanbeinspectedbysimpleo

6、bservation.ObstructionissuecanbeinspectedbySnapThrottleTest,CrankingTestandInvasivetestingetc.WeakeningordisabledconvertingabilitycanbeidentifiedbyMisfireTest,on-boarddiagnosticsystems(OBDII)monitoringandLight-offTest.Keywords:3-waycatalyticconverter,componentsandperformanee,use,test三元催化转化器应用与检测0引言汽

7、车排放有害成分主要是COHC和NOx汽车尾气是城市大气污染的主要污染源，对人类健康和社会发展构成巨大威胁。据研究大气中21.7%的HG38.5%的CO87.6%的NOx11.7%的CO和6.2%的SO以及32%勺微粒来自汽车，因此解决汽车排放对环境污染的公害问题成为迫切需要。1943年美国洛杉矶出现光化学烟雾主要由汽车排放的NOx和HC形成二次污染，一天之内致死400人。1955年洛杉矶事件，由于汽车排气造成大气中臭氧严重超标，造成大批森林枯黄死亡，成千上万人得红眼病，呼吸系统疾病迅速上升，65岁以上老人几天之内死亡4000多人。1971年东京光化学烟雾中毒4800多人，这一类型的污染后来相继

8、出现在世界上许多其它大型城。60年代美国加州领先而联邦政府随后对汽车的CO及HC排放加以限制，而且要求逐步加严。1970年联邦政府通过环境保护法案加严对CO及HC的限制并且增加对NOx的限制。美国汽车排放问题方面的措施使其它汽车生产国也对排放加以重视起来。我国汽车工业起步较晚，但近几年飞速发展。由于技术相对落后，缺乏保护大气环境的意识各种法规不能严格执行，汽车对环境造成的污染日益严重。必须重视起来，不能重蹈覆辙在车辆使用和维护过程中，加强对控制尾气排放技术如三元催化转化技术的认识，充分发挥它最大的效用。在车辆使用中从车况、发动机工况、具体操作、实际使用过程等多方面多角度，保证三元催化转化器的使

9、用寿命，避免早期损坏，并且在三元催化转化器应有使用周期内保持较高的转化率，减少汽车有害气体的排放。在发动机故障检测中注意三元催化转化器的因素，可以因地制宜采用多种不同的检测手段，快速准确判断三元催化转化器的故障。1催化转化器的结构和原理1.1汽车尾气污染及危害汽车作为现代社会的交通工具，给人们的工作和生活都带来了极大的便利，但同时也对大气环境造成了严重污染。近年来，我国汽车保有量迅速增加，平均年增长率在13%以上，2007年全国汽车保有量为5000万辆，主要集中在大城市，如北京288万辆（2006年底），上海213万辆（2006年底），广州180万辆（12006年底），天津116万辆（2006

10、年9月），济南83万辆（2006年1月）。由于汽车保有量的急剧增加，且我国的汽车检查和维修系统不完善，在用车车况质量差，单车排污量大。表1.1七个城市汽车污染物分担率（%城市上海北京沈阳济南杭州天津广州CO86885347727189HC48493846NOx56515379目前汽车尾气污染控制水平低等原因，致使汽车尾气污染日益严重。大量汽车尾气污染物集中在城市，造成城市中汽车污染源的污染分担率明显增加。表1.1列出了2006年七个城市中汽车污染物的分担率，说明汽车尾气污染已经成为我国城市空气污染的主要来源。汽车排出的污染物主要有碳氢化合物（HC、一氧化碳（CO、氮氧化合物（NOX，此外还有铅

11、（Pb）、二氧化硫（SO）等有害物质。这些污染物危害人类健康，影响动植物的生长。另外氮氧化合物与碳氢化合物在强阳光的作用下，遇到不利于扩散的气候和地理环境时可形成光化学烟雾，造成严重的二次污染和生态环境的破坏。因此，限制和治理汽车排气污染已迫在眉睫。COHC（豹占巧骑）一排气（星气）汽油车扫E啟蒔染物微粒催化甑碳烟等）臭气燃油蒸发HC（约占25M）HC（轴占20%）图1.1汽车排放污染物分类1.2汽车尾气净化技术降低汽车尾气中有害气体的排放量在技术上主要是采用净化方式，即在发动机以及进排气系统上增加净化装置，有磁化式、补气式、三效催化式和前置燃烧催化式等技术。目前主要应用两种技术：前置式燃烧催

12、化净化技术与尾气催化净化技术。三效催化净化技术与前置式燃烧催化净化技术不同，尾气催化净化技术是在发动机之后尾气排气系统上安置净化装置，减少有害气体的排气量。它的基本净化原理是：将贵金属三效催化剂或稀土催化剂制成净化装置后装入汽车内，使催化剂与尾气中的COHC和N0）起氧化还原作用而生成无害物质排出。1.3三效催化剂的结构载体载体用于催化剂的制备上，最初的目的是节约贵金属材料（如铂、钯等），同时提高催化剂的机械强度。后来，由于使用不同载体而使催化剂活性产生差异，才对载体其他方面的作用进行了研究。载体具有下述几方面的作用：（1）增大有效表面积和提供合适的孔结构；（2）提高催化剂的机械强度；（3）提

13、高催化剂的热稳定性；（4）提供催化反应的活性中心；（5）和活性组分作用形成新的化合物；（6）增加催化剂的抗毒性能，降低对毒物的敏感性；（7）节省活性组分用量，降低成本。从催化转化器技术发展过程看，载体主要分为颗粒状载体及整装式载体：颗粒状载体在催化转化器早期被大量使用，对控制早期汽车尾气排放起过重要作用，采用的是在工业上应用很广泛的氧化铝颗粒（球状、片状或柱状），其主要成分是活性氧化铝（丫-AL2Q）,通常制成2040目的小球。由于颗粒状载体的热容量大，且是堆积式装填，气阻大，对发动机排气造成很大的影响，在高温腐蚀性气流的冲刷下磨损很快，以它为载体的催化剂使用寿命很短。而且，在高温情况下丫-A

14、L2Q载体会和Rh发生反应，使Rh慢慢向载体中渗入，最终导致活性下降，而Rh是还原NO最主要的催化剂。由于这些致命的缺陷，颗粒状载体目前已趋于淘汰。现在更广泛采用的是整装式蜂窝载体。根据载体材料的不同，整装式载体有陶瓷蜂窝载体、金属蜂窝载体、金属网、片状载体和玻璃纤维载体。这种陶瓷载体具有一组薄壁的平行通道，它减少了压力降，强度高，几何表面积大，适于在高温条件下使用。金属载体是Fe-5AI-20Cr合金组成，具有：（1）薄的孔壁，如：50卩m提供更大的几何表面积和更开放的集合结构；（2）由于热溶低而具有更好的导热性；（3）更高的抗热冲击的机械强度。与蜂窝陶瓷载体相比，金属载体除了价格高以外，具

15、有预热性能好和压降更低等优点。涂层通常选用活性丫-AL2O3作为三效催化剂的第二载体，涂层提供了贵金属活性组分及助剂所需的稳定的高比表面积。整个催化剂的稳定性在很大程度上依赖于涂层表面积大小和涂层在载体上的附着力。涂层通常包括涂层稳定剂和丫-AL2O3,丫-AL2O3通常超过90%所以丫-AL2O3的稳定是关键。汽车工作状态下排气温度高，要求AL2O涂层有较高的耐热性。800C以下AL2O以丫-AL2O3形式存在，温度升高发生相变，1100C时晶相转变为a-AL2O3，使比表面积降低。为了提高AL2O3的稳定性，可通过添加其他氧化物来改善，如碱土金属作为稳定剂可明显推迟丫-AL2O3的相变温度

16、和减少变面积损失。常用的助剂有Ce,少量的La、Y、NdSm以及碱土金属Ba、Sr、CaMg目前，国外涂层已将可忍耐的温度的上限提高到800C1050C,而国内还低于800C900Co提高抗高温能力通常是通过添加一些稀土氧化物、过渡族金属氧化物或碱土金属氧化物来实现的，尽管如此，在汽车发动机燃烧时，如有点火失误，就会引起燃油直接进入催化转化器中，从而在随后的催化放热中导致可能超过1000C1400C的高温，而对快速起燃性的要求需要涂层能抵抗更加急剧的冷热交变的服役条件。因此，提高涂层的高温稳定性，弄清涂层的稳定机理，获得规律性认识以及了解涂层与载体之间的界面关系仍是当今的一个研究热点。133活

17、性催化剂三效催化剂对废气中3种主要污染物（CONOx和HQ都有很好的净化效果，而且可简化净化装置，减少催化剂用量。根据催化剂化学成分和稀土用量的不同，三效催化剂主要有以下几种：（1）稀土-贱金属复合氧化物催化剂以镧、铈氧化物和CuONiO、Cr2Q等复合制成的催化剂成本较低，但使用结果表明，它的催化活性不够理想，起燃温度在450C以上，热稳定性较差，易中毒，寿命不长。（2）稀土-贱金属-微量贵金属催化剂70年代，国外学者首先提出了钻酸盐钛矿型催化剂和锰酸盐钙钛矿型催化剂，这两种催化剂也是研究较多的稀土复合氧化物催化剂。它们除具有三效催化能力外，还具有较好的抗硫、铅中毒能力，而且资源丰富，价格低

18、廉。这两种催化剂对HCCO勺转化率可达80呀口90%但对NOX勺转化率只有25注右，起燃温度较高。为了进一步提高其熔点、寿命和催化活性（尤其是对NOX勺转化率），在此材料的基础上加入微量的贵金属元素所制得的催化剂，具有很好的综合性能，是目前生产开发的重点。（3）贵金属-少量稀土催化剂贵金属催化剂催化活性高，使用寿命长，综合性能较好，基本上能够满足当前的排放标准，是目前汽车尾气净化催化剂的主流。在催化剂或载体中可添加CeO、La2Q、NiO等化合物，以提高催化剂的三效性能和热稳定性。但贵金属成本高，在800C以上会发生晶粒长大和烧结现象，使催化活性大大降低或完全丧失；在进气温度高于850C，发动

19、机贫油运转，以及燃料中存在磷、硫、铅等都会导致催化活性下降，可用镧、铈等作催化助剂加以改善。因此，一般使用贵金属催化剂时要求汽车用无铅汽油。另外，贵金属催化剂对发动机的空燃比范围要求较为严格(发动机燃油供给系统一般为带有氧传感器的闭环多点喷射结构)。催化剂助剂铈(Ce)的引入大大改善了贵金属催化剂的性能，Ce的作用表现在：(1) 贮氧作用，Ce能在贫燃条件下储存NO分解出的氧气，因此可加强NOx还原为N2；在接下来的富燃条件下释放储存的氧，以供CO和HC氧化反应。(2) 提高了载体的热稳定性，促进贵金属的稳定分散。(3) 通过与贵金属的相互作用，改善催化剂的性能。La主要作用是通过提高相变温度

20、而改善载体丫-AL2O的热稳定性，起类似作用的还有Ba。La加入可增加Ce储氧能力，当La在Ce中的相对含量为25%寸，Ce储氧能力最大。Zr和Ba还是良好的稳定剂。1.4催化转化器的类型氧化型转化器。氧化型转化器中的贵金属是铂和钯，它将CO和HC氧化成CO和H2Oo在仅有氧化型转化器的汽车上，为了降低NOX非放，需要用EGR阀。为使氧化型转化器很好工作，需要16:1左右的稀空燃比。在某些汽车中，二次空气泵将空气泵入氧化型转化器，以使其很好工作。（2）三效转化器。三效转化器中的贵金属是铂和铑。钯也用于某些三效转化器中。为使三效转化器很好工作，空燃比必须保持在化学计量比窗口中。三效转化器氧化HC

21、和CO并且还原NOx.（3）双床式转化器。在双床式转化器中第一床含有还原型催化剂，它可以将NOx还原成N2，CO和N2化合成氨（NH）。氧化床位于转化器的后面。二次空气泵将空气泵入转化器两床之间。在氧化床中，CO和HC被氧化，同时NH被烧掉。双床式转化器需要稍浓的空燃比，一般比化学计量比值大0.1。1.5三元催化转化器的工作原理催化转化器温度必须达到300C左右，转化器内化学反应才开始加速。这个温度可以叫做转化器起燃温度，催化转化器正常工作温度为300C900C。如C和HC通过氧化反应转化成CO和HO,NOX!过还原反应转化成2,从而达到消除有害气体的目的。它们的化学反应式如下：氧化反应（氧化

22、催化剂）：2CO+2=2CO4HC+5O=4CO+2HO还原反应（还原催化剂）：CO4HC+10NO=4CQH2O+5N装有催化转化器的汽车必须保证其空燃比很接近化学计量比值（14.7:1）。当空燃比浓时，HC和CO排放量过高，转化器效率降低。如果空燃比比化学计量比值稀，NOx排放增加，转化效率也降低。如果空燃比保持在化学计量比值的士0.3%以内，催化转化器转化效率大约为90%但当空燃比在这个范围之外时，转化器效率将大幅度下降。催化转化器中的还原型催化剂将NOx还原成N2和Q。在氧化转化器床中，氢和氧化合成HO,个碳原子与二个氧原子化合成CO。分布在氧化铝中的非贵金属，当空燃比在化学计量比窗口

23、的较稀一侧时，很容易吸附Q。而当空燃比变到化学计量比窗口的较浓一侧时，非贵金属又释放所吸附的O。非贵金属有助于提高热稳定性、防止收缩，维持贵金属和氧化铝的多微孔性。催化剂主要有如下5个参数：(1) 主要成分即是贵金属还是过渡金属氧化物，另加微量稀土金属氧化物。起燃温度起燃温度是指能够使催化剂产生氧化还原反应的最低温度，一般来说起燃温度低对发动机的工况有利。但随着使用时间的延长，将发生老化现象，使起燃温度逐渐升高。一般的催化剂起燃温度为300C左右。净化(转化)率净化率是指催化剂将COHC和NO气体转化为CO、HC和2气体的比例，一般COHC转化的比例高一些，能达到70%-90%以上,NO则为4

24、0%-90%左右。净化率是催化剂的重要指标，除了本身因素外，与发动机的点火形式有关。对于电喷闭环控制的发动机，采用无铅汽油，则转化率较高，而采用化油器开环控制的发动机，则转化率较低，特别是NO只能在40%左右。同样净化率也存在老化问题，随着使用时间的延长净化率下降。(2) 上限温度上限温度是指催化剂能够正常工作所承受的最高温度,一般能够达到950C以上。起燃温度和上限温度确定了催化剂正常工作温度范围。温度范围越大，催化剂性能越好。(3) 空速特性空速特性是衡量催化剂转化气体量的能力，是催化剂的又一重要指标。其定义是：在单位小时、单位立方米的催化剂转化多少立方米气体，一般在47万立方米。2三元催

25、化转化器的应用2.1影响三元催化转化器的使用寿命和转化效能的主要因素燃油和润滑油质量的影响三元催化转化器在使用过程中，某些有毒物质吸附在催化剂表面或与活性组分发生化学反应引起催化剂活性下降的现象称为化学中毒。三元催化剂的化学中毒是三元催化转化器的重要失效方式，引起催化剂中毒的外来物质主要来自于燃油、润滑油及其添加剂。中毒类型主要包括磷中毒、铅中毒和硫中毒等。1. 磷中毒磷中毒是催化剂化学中毒的主要形式。通常磷在润滑油中的含量约为1.2g/L,是汽车尾气中磷的主要来源。据估算汽车运行80000km后,在催化剂上可沉积大约13g磷，其中的93淙源于润滑油，其余来源于燃油。因为磷的中毒过程为孔口中毒

26、，所以当其毒物前驱物如P2C5、HbPQ等通过孔扩散及其与催化剂活性位、载体等发生化学反应后，形成沉积物易黏附在催化剂微孔入口处，引起活性位的覆盖和堵塞，从而导致催化剂的起燃时间延长，污染物排放量大大增加。润滑油中的磷会在活性氧化铝涂层上形成一种非晶体状或玻璃状的磷锌类物质，覆盖在包含催化剂活性组分的涂层微孔上，阻碍废气中反应物分子的扩散，当催化剂中含0.4%（质量分数）的磷时，催化剂活性就会大大下降。2. 铅中毒为增强汽油的抗爆性，在汽油中加入了四乙基铅，铅可形成致密的铅化物，附着在催化剂表面，阻止气体进入催化剂微孔进行催化反应，导致催化剂无法发挥其应有的性能，汽车排放量增加。无铅汽油的使用

27、使铅中毒的危害有所降低。但在标准无铅汽油中其实仍含有微量的铅，它以氧化铅、氯化铅或硫化铅等形式存在。05010015025（*JW图2.1铅对Pt/AL2O3催化剂活性的影响1铅在催化剂中的滞留量可高达13%-30%含0.4g/L的铅对Pt/AI2Q催化剂HC专化活性的影响如上图所示。从图中可知，铅引起催化剂的HC专化效率下降与温度和作用时间有关。在750C,50小时后HC勺转化率已降到65%550C,在100小时内基本上保持在90噓右，250小时后才降到65%在450C，在150小时内HC专化率在95注右。铅在最初的50小时内在催化剂上的积累速度较快为2.2g/h，而在150h内积累速度有所

28、下降为0.6g/h。据研究汽车尾气三元催化转化器的铅中毒均为均匀中毒。铅中毒严重影响了催化剂的性能。3. 硫中毒汽油馏分中的硫化物包括硫醇、硫醚等，燃油中的硫一般是难以避免的。硫化物燃烧后变成二氧化硫，二氧化硫与金属氧化物（例如Ce反应变成硫酸盐，使CeO丧失储存氧、释放氧的功能，空燃比大幅度偏离理论空燃比，转化效率降低。在富氧条件下，二氧化硫变成硫化物，吸附在催化剂表面，阻碍HGCC和NOX勺吸附和反应，导致催化剂起燃温度升高，以及在稳定工况下性能变差。二氧化硫还能抑制三元催化剂活性的发挥，在Pt、Pd和Rh等贵金属催化剂中，Rh能更好地抵抗二氧化硫对N（还原的影响，而Pt受二氧化硫影响最大

29、。表2.1燃油含硫量对新三元催化转化器（8000km转化效率的影响燃油含硫质量分数（%HC专化效率（%CO专化效率（%NOX专化效率（%0.0183.364.572.40.0383.961.871.40.0981.456.267.6表2.2燃油含硫量对旧三元催化转化器（80000km转化效率的影响燃油含硫质量分数（%HC专化效率（%CO专化效率（%NOX专化效率（%0.0180.351.066.60.0379.744.064.60.0976.944.062.8由表2.1和22可知，三元催化转化器对HGC刑NOX勺平均转化效率随着燃料中的含硫量的增加而下降，所以燃油含硫量对车用三元催化转化器的性

30、能有着很大的影响，工作温度的影响工作温度是影响三元催化转化器使用寿命的主要因素之一，转化器的最佳工作温度在350C700C。三元催化转化器长期在过高温度环境下工作，导致三元催化剂或载体发生高温老化，转化效率降低。高温条件下催化剂表面活性组分晶粒聚集长大、表面积减少而导致催化剂活性下降的现象，催化剂热烧结是催化剂内部晶粒物理的热运动过程。当排气温度超过850C时，催化剂长期暴露在这种高温环境中，催化剂的活性组分铂、钯和铑等贵金属易挥发，其涂层易剥落，其晶粒及助剂氧化铈的晶粒明显增大。另外，当毒物吸附在贵金属催化剂表面时，由于化学吸附时的热效应，也会促进贵金属晶粒长大，引起贵金属催化剂的烧结。载体

31、氧化铝长期处在高温环境下也会发生相变，从表面积较大的yAI20转变为表面积较小的aAl20，从而加剧了贵金属活性组分和助剂氧化饰晶粒的长大、烧结和聚集，使催化剂的比表面积急剧下降，催化剂丧失催化活性。高温还会引起助剂氧化饰储氧能力的降低。图2.2描述了催化剂02吸附量随温度的变化情况，从图中可以看出，随着温度的升高，储氧量不断下降，对有害污染物的净化反应造成不利影响Tt*300no9M转化器温度C图2.2催化剂02吸附量随温度变化情况发动机的温度过高和尾气成分浓度过浓，是造成三元催化转化器转化温度过高的主要原因。而环境温度太低又会影响催化反应效率。空然比对转化效率的影响图2.3所示为排放中有害

32、气体浓度随空燃比变化的关系。有害气体浓度与燃烧时空燃比有密切关系。图中可以看出排气中CO勺浓度大致上取决于空燃比，当混合气较稀空燃比在16以上时，空燃比的变化对CO勺影响不大。而当空燃比小于16时，随着空燃比的减小C0勺浓度便急剧增加。HC排放主要取决与燃烧过程中未燃混合气的多少，HC非放在空燃比为17时具有最佳值，空燃比偏离17时HCI*放加大。发动机排出的氮氧化物除少量NOx外大量是NQ其生成条件是高温富氧，当混合气空燃比为15.5时N0浓度最高，空燃比增大或减小，NO浓度会逐渐降低。图2.3空然比与有害气体浓度的关系1由以上分析可以看出COH（和NOX勺排放随空然比变化的规律也是不一致的

33、有时是截然相反的。理想空然比的选择还要考虑转化器的转化特性。由图2.4可知，根据三元催化转化器特性，只有在空燃比达到14.7（入=1士0.03%）时，也就是图中的窗口区，废气才能以最高的转化率转换为无害的气体，过浓或过稀都会影响转化效果。图2.4三元催化转化器的空然比特性曲线点火正时对转化效率的影响对于现代汽车而言，最佳点火提前角不仅要保证发动机的动力性和燃油经济性都达到最佳，还必须保持废气排放污染最小。最佳点火提前角时发动机的动力性和燃油经济性都达到最佳，而且尾气排放浓度也符合催化转换器工作要求。11-=KXJ-d一IS3O20T5105Q51l，丸賢IT#C图2.5点火正时对尾气排放影响的

34、关系推迟点火时刻HC的排放将减少，但需要指出的是，采用推迟点火的结果，虽然使排放污染物HC有所下降，但这是靠牺牲燃油经济性换来的。点火提前角对CO勺排放浓度影响不大，但点火过迟将引起CC排放量的增加。无论在任何转速和负荷下。加大点火提前角，燃烧温度升高NOx的排放浓度随之增加。点火正提前角误差越大对尾气排放影响越大，也就对三元催化转化器转化效率造成的影响越大。2.2三元催化转化器的选择催化转化器须与发动机匹配，就是将催化转化器与发动机的工况和性能进行合理的搭配。根据催化剂工作的原理，要想得到理想的净化效果，必须要有合适的温度和适当浓度的氧气。温度过低，达不到起燃温度，催化剂不能进行正常的氧化还

35、原反应，净化效果不好。而长时间在上限或接近上限温度下工作，不但会使净化效果下降，而且大大影响净化器的寿命。发动机混合气体太浓，虽对发动机的起动和功率有好处，但尾气中的氧浓度偏低，使催化剂氧化反应不足，转化COHC效果不好。混合气体太稀，虽尾气中的氧量增加，有利于净化，但要影响发动机的功率。1. 发动机结构和排量不同，所选择的三元催化转化器由差别。涡轮增压和发动机排量都对发动机最大尾气排气气流有很大影响，基于催化转化器的空速特性带涡轮增压发动机和排量大的发动机，应该使用空速特性符合要求的催化转化器。2. 对于没有安装废气再循环（EGR系统的发动机要特别注意。废气再循环系统的作用是在发动机某些工况

36、时，使一部分尾气再进入气缸中燃烧，以降低气缸燃烧温度，从而减少氮氧化物的产生。所以没有废气再循环系统的发动机就需要三元催化转化器对氮氧化物有更高的还原效率。3. 车载诊断系统（OBDII）可以监测催化转化器转化性能。OBDII系统没有能力来测量一氧化碳，碳氢化合物和氮氧化物。系统使用氧传感器来测量催化转化之前和之后的氧气含量。一个正常工作的催化转化器在氧化CO和HC的同时将消耗大量氧气。OBDII系统监测前后氧传感器测出氧含量差异值来检测催化转化器是否正常工作。铈可以吸收并释放氧气，铈的氧储藏对通过OBDII对催化转化器性能监测是非常重要的。所以装在有OBDII系统的车辆必须安装专门为这种车辆

37、设计的并含有铈的三元催化转化器是非常重要的。带有二次空气注入技术的车辆更需要特别注意。如果被注入的空气重新向上进入三元催化转化器的前部，这将会大大地降低NOx的还原效率。三元催化转化器内的空气注入喷嘴一眼看过去是看不到的，它必须被专门设计以减少空气重新进入催化转化器的前部。三元催化转化器的结构也必须保证尾气的流量来避免这个影响。2.3三元催化转化器的正确使用在现代汽车上三元催化转化器属于比较重要的部件，而且价格也不便宜。如果使用得当，三元催化转化器有十多万公里的使用寿命，导致转化器不能正常使用或早期损坏，与驾驶员的操作、日常维护保养有很大关系。所以我们在车辆使用和维护过程中应注意一些问题，保持

38、转化器良好的工作性能，避免催化转化器早期失效损坏，尽量延长其使用寿命。正确使用润滑油首先，必须按规定选用合适的机油，一般使用手册都有厂家规定的应使用机油的级别，高于规定级别的机油都可以用，低于规定级别的机油千万不能使用，并且不同的机油不能混加。对各种添加剂的使用一定要慎重，因为有些机油和添加剂中的硫、锌、磷等元素，易与催化剂活性材料产生化学反应使其发生质变，或覆盖在催化剂表面，造成催化剂转化效率下降甚至完全失效，即所谓三元催化转化器中毒。其次，要经常注意机油的消耗量，防止气缸窜机油。因为机油上窜燃烧将导致催化剂表面被结焦覆盖，甚至通孔被堵塞，使三元催化转化器丧失工作能力，导致发动机的动力性和经

39、济性明显降低。232使用高品质的无铅汽油装有催化转化器的汽油车对汽油品质要求比较高，必须使用高标号无铅汽油。因为废气中铅、硫化物会沉积在催化剂表面上，造成催化剂中毒失效，同时铅还会导致氧传感器的中毒和损坏。试验表明：当每升汽油中的含铅量超过5mg时就会导致催化剂的“铅中毒”，而且这种中毒是不可逆的。经验表明，只要一箱含铅汽油就会使一个新的三元催化转化器完全失效。表2.3国3排放法规对汽油品质的要求参数国2国3主要影响蒸气压（夏季）kPa70max60max蒸发排放硫含量mg/kg500max150max排放控制系统失效苯含量%V/V5.0max1.0max空气质量，公众健康芳烃含量%V/Vn/

40、a42燃烧室沉积物，苯排烯烃含量%v/vn/a18沉积物的生成MMTmg/kg无无排放控制系统失效虽然几年前我国已开始全面使用无铅汽油，并禁止销售含铅汽油，但边远地区难免有死角，因此车辆远离城市加油时尤其要注意。使用乙醇汽油的地区的车辆比使用普通汽油的车辆更容易发生三元催化转化器中毒失效、堵塞的问题。车辆使用乙醇汽油一段时间后容易出现汽车油耗增加、怠速不良、发动机加速无力提速困难、动力下降，甚至起动困难的故障。导致上述故障的原因基本相同，最主要的就是三元催化转化器脏堵。通常经过清洗或疏通三元催化器即可排除故障，恢复正常的油耗、动力。保持发动机良好的工作状态发动机工作状态必须保持良好，特别是供油

41、系统和点火系统必须正常工作。要定期检查、清洗喷油嘴消除结碳，以防喷油嘴滴油、雾化不良、喷油不均、混合气过浓；点火正时必须精确不宜过早或过迟，如点火时间过迟易造成燃烧不良和咼温等。保证各缸火花塞工作良好，并避免点火顺序错乱、断火等，以免造成排气温度过高。如果发动机存在混合气燃烧不完全、爆燃及失火等现象，会造成大量未燃混合气和碳氢化合物进入三元催化转化器中燃烧，在持续高温（超过1000C）下，催化剂的涂层组织会发生由&丫或B相ALO3向a相AL2O的转变，造成转化效率明显降低直至失效。发动机电控系统必须正常对于电喷发动机，只有确保电控系统各部分元件正常工作，才能实现发动机控制单元实施精确控制。以氧

42、传感器为例，它用于监测发动机废气中的含氧量，产生一个与其相关联的电信号送到控制单元，控制单元则根据该信号实施闭环控制，确定喷油量，将空然比尽可能控制在化学计量比值（14.7:1）附近，此时三元催化转化器的转化效率从能最高。所以在实际工作中，应经常检查电控系统各部分元件的性能，一旦发现问题应及时修复或更换。保持发动机最佳工作温度三元催化转化器降低COH（和NO这三种有害气体，是通过催化使其氧化和还原实现的。三元催化器开始起作用的温度大约在300C左右，最佳工作温度为400C800C,而超过1000C后作为催化剂中贵重金属自身也会产生化学变化，从而使催化器内的有效催化剂成分降低，使催化作用减弱。发

43、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。影响发动机工作温度的因素很多，除本身工况外还有冷却液水位、节温器、空调、电子风扇、冷却水箱以及自动变速器等。所以在车辆使用中要经常观察发动机的水温表，发现异常时应及时查找原因。236怠速时间不宜过长汽车发动机怠速时，为了在一个相对较低的转速下平稳运转，会增加喷油量。而此时总的喷油量多于发动机此转速下理论上所需要的油量，所以发动机一直在偏浓的状态下工作。并且此时混合气燃烧也不充分，增加了催化转化器转化的负担。237车辆行驶中防止底盘碰擦由于三元催化转化器大多数内部都是蜂窝状陶器形成的催化剂

44、载体，碰撞后容易破碎，使催化转化器失效和排气系统堵塞。在不平路面时先要观察可否通过，即使能通过也应缓慢行驶。238三元催化转化器的安装应良好首先，要经常检查三元催化转化器的安装是否牢靠。因为三元催化转化器中的陶瓷载体耐机械冲击和热冲击的能力较差，如果安装不牢固造成振动，陶瓷载体易破碎，不仅不能发挥转化的作用，而且会使发动机性能变坏。其次，应确保三元催化转化器与排气管之间的密封。对于三元催化转化器而言，如果壳体漏气，使转化效率明显降低。同时由于部分废气未经三元催化转化器净化而直接泄露，对大气环境造成严重污染。3三元催化转化器的检测三元催化转化器的故障主要有转换效率降低、失效及阻塞等，有的故障现象

45、和发动机其他故障相比并不太明显，但造成的后果却非常严重，尤其是对大气环境的破坏，所以在实际使用操作中必须经常或定期进行检查。对于不同的故障可以采用不同的检测方法。表3.1三元催化转化器检测方法三元催化转化器故障检测方法仪器机械故障简单人工观察检杳转化器堵塞真空测量真空测量仪排气背压检测气压表转化效率转化器出入口温差检测红外测温计前后氧传感器信号波形分析车用示波器怠速试验法和高怠速试验法尾气分析仪上表列出了一些简单而又可靠的三元催化转化器检测方法，非常适合在汽车故障维修检测时使用。它们所有的仪器比较简单也比较常见，而且操作比较简单容易，检测结果准确性也比较高，是非常实用的一些方法。另外还有一些检

46、测方法，如进气管碳氢化合物含量分析检测法，可以用来检测催化转化器的堵塞，三元催化转化器前后废气成分含量比较法等可以用来判断催化转化器的转化性能。下面对几种检测方法作简要阐述，并通过描述几例汽车维修工作中的实例加以说明。3.1三元催化转化器机械损伤检查通过简单人工观察检查外部可以判断三效催化转化器是否受到过机械损伤和发生过过热状态。观察三效催化转化器表面有无损伤。如其表面有刮擦、凹痕或裂纹等，则说明三效催化转化器受到过损伤，还有各部位连接是否牢固，各类导管是否有泄露等。当排气系统的吊架损坏或吊挂不正确，三效催化转化器受到高强度的垂直振动时，其壳体或连接处会因过度的振动而破裂。如三效催化转化器外壳

47、上有严重的褪色斑点或有青色与紫色的斑痕，或在其防护罩的中央有明显的暗灰色斑点，则说明三效催化转化器曾因某种原因而发生过过热状态，需对它作进一步检查。另外，三效催化转化器壳体还存在由外到内的腐蚀对于使用时间较长的三效催化转化器，可采用听其发出噪声的方法进行故障诊断。（1）“喀喀”、“哗啦”声。这种类型的噪声产生的原因有：三元催化转化器附件（如隔热罩）的松动，三元催化转化器与车身部件的接触，三元催化转化器内部元件（如载体）损坏并在其内部移动。这类噪声通常随发动机转速而变化。用橡皮锤轻轻敲击三元催化转化器外壳，若听到“哗啦”、“哗啦”掉东西的声响，说明其内部催化器物质剥落或陶瓷蜂窝状载体破碎。（2）

48、“啸叫”声。外壳和隔热罩的啸叫声可由结构上的共振激励引起，不带孔的下隔热罩通常比带孔的更易发生噪声。（3）“乒乓”声。在冷却过程中，由于排气系统零部件的热胀冷缩，导致配合零部件间的相互运动。采用柔性的接口和在相互滑动表面间使用网格型衬垫，可减少因热胀冷缩而产生的噪声。一辆桑塔那时代超人轿车，在不平路面上行驶时其底盘突然受到碰擦，不久发动机便加速不良，且在缓慢熄火后，再也无法启动。检查表明，发动机在起动时有明显的着火征兆（有“突突”声），但就是不能起动。用解码器读取故障代码时未读得故障代码。检测燃油系统、点火系统、气缸压力、点火正时及电控系统的传感器和执行器均正常。考虑到底盘曾受到过碰擦，怀疑三

49、元催化转化器受损，所以用举升机举升起轿车进行观察，发现三元催化转化器表面有严重的刮擦凹痕；晃动三元催化转化器时能听到其内部有物体移动的声音，显然催化剂载体已破碎。对三效催化转化器的拆检证实了这一点。催化剂载体的碎屑堵塞了其气道，以致发动机排气不畅且发动机在缓慢熄火后无法起动。更换三元催化转化器后故障排除。另一辆宝来1.8轿车，驾驶员反映车辆加速时发出非常明显的异常响声，而怠速和高速时声音正常。经试车发现，发动机转速在1300r/min2500r/min左右时发出“轰轰”的噪音，其它转速时没有，但是发动机非常有力。仔细辨认，感觉像是底盘某个地方松动，在发动机加速时产生共振而发出的异响。用举升机架

50、起车辆仔细检查，没有发现异常松动。偶然晃动了一下排气管，听到了很闷的“当当”声，再认真辨认，上下推动排气管，确认是三元催化转化器里面发出的声音。拆下割开转化器后发现，催化剂蜂窝状载体很完整没有堵塞，但和壳体之间已经完全松脱，里面固定用的衬垫材料全部没有了。分析，由于一直处在高温和振动的情况下，里面的衬垫材料破碎后慢慢排到了消声器或大气中。发动机转速在1300r/min2500r/min左右时，排气压力推动催化剂载体撞击转化器出口，由于排气压力脉冲波动，于是就推动催化剂载体来回撞击转化器出口而发出声音。发动机转速低于1300r/min时，排气压力推不动催化剂载体，转速高于2500r/min时，排

51、气压力又把催化剂载体顶在了转化器出口，回不过来，都不发生撞击所以就没有声音了。装上新的三元催化转化器后试车声音消失。(1) 3.2三元催化转化器堵塞测试321三元催化转化器堵塞三元催化转化器堵塞引起发动机的一些故障现象发动机有油、有火，但是无法启动。(2) 加速不良，没有咼速。(3) 加速时进气管“回火”，急加速熄火。(4) 进气管向外冒白烟。(5) 没有超速挡(排气背压过高会造成发动机加速不良，好像没有超速挡，所以有时会误认为是自动变速器的故障)。(6) 用故障诊断仪检测电控系统，一般没有故障代码。若读取数流，往往有多项数据不正常。有的汽车低速行驶时耸车，减速后再加速耸车更加明显，更换点火线

52、圈高压线、火花塞、电控单元都不见好转，这就要考虑排气背压是否过高了。这种情况与加速不畅、车速提不起来、急加速时回火甚至熄火相比较，只是三元催化转化器堵塞的程度不同而已。总之，若三元催化转化器堵塞后排气背压过高，会造成发动机启动困难、怠速不良、加速无力、转速不稳定、点火调节失控等故障现象。三元催化转化器堵塞造成发动机诸多故障的机理由于发动机排气背压过高，汽缸内混合气燃烧后生成的废气难以排出，废气只能返流，导致真空管路堵塞，使热线热膜式空气流量传感器、进气压力传感器、怠速空气阀以及节气门等被污染和运动件卡滞，并使怠速时节气门的开启角度过大，引起混合气过稀。（2）由于废气排放不充分，废气回流到进气歧

53、管使进气管真空度降低，因而导致进气管“回火”。这还会使燃油压力调节器里的真空度不正常，造成燃油压力过高。（3）进气管真空度降低造成新鲜混合气不能被顺利吸入，影响汽缸的充气量。同时由于废气的稀释作用使混合气相对稀薄，造成发动机功率下降。（4）对于废气涡轮增压发动机，其工作原理是基于汽缸内的废气在排出前具有相当大的压力能，从排气门排出后再进入涡轮增压器，压力能转化为动能，驱动涡轮增压器高速旋转。废气的流速越快，其驱动能力就越强。如果废气在排气管内积聚，排气背压升高，汽缸内外的废气压力差减小，气流速度就会降低，涡轮增压能力必然下降。（5）三元催化转化器堵塞基本上属于机械性故障，所以电控系统不记录故障

54、代码。三元催化转化堵塞原因一般行驶了12万km以上的汽车，其三元催化转化器都会有不同程度的堵塞。引起三元催化转化器堵塞的原因是多方面的，其中一个重要原因是燃油和润滑油的质量不高。发达国家的无铅汽油不仅辛烷值高、抗爆性好，而且含硫和含磷量极低，还有行车途中很少出现长时间堵车，对氧传感器和三元催化转化器造成的污染较低。因此在发达国家很少听说汽车三元催化转化器堵塞的。催化剂载体的破碎剥落和油污的堆积都也会阻塞三效催化转化器中的气道，使排气阻力增大，造成较大的压力损失。表3.2三元催化转化器堵塞原因分析堵塞原因后果处理办法燃油和润滑油品质差不可逆转更换乙醇汽油可逆转清洗高温烧结不可逆转更换催化剂载体破

55、碎剥落不可逆转更换油污积碳可逆转清洗322真空测量法利用真空表测量进气歧管的真空压力检测进气歧管的真空度：在正常情况下，发动机怠速运转时，若拔下进气管上一根真空管，应该感觉吸力很大，若吸力很小，则排气系统可能有堵塞。这是因为，若排气管时通时堵，贝S排气时的反压力增大，会使进气管的真空度降低。为了准确测量，可以用真空表软管连接到进气歧管真空管接口上，启动发动机，待转速稳定后使发动机怠速运转，同时观察真空表读数的变化情况。表3.3发动机进气岐管真空度分析运转状态真空表读数(kPa)故障原因怠速5470正常怠速4045进气岐管或真空管漏气怠速比正常低323气门密封不良或正时错位怠速0左右摆动排气系统

56、堵塞2000r/min时迅速关闭节气门下降517活塞环漏气、缸内压力低2000r/min时迅速关闭节气门下降1030进排气岐管垫漏气怠速稳定在4353点火时间过晚怠速时快速开闭节气门882跟随变化发动机工作性能良好当三元催化转化器正常时（发动机排气通道均无故障），真空表读数应为如下情况：当发动机怠速运转时，真空表读数应为54kPa70kPa,并保持稳定；当把发动机转速快速提高时，真空表读数首先应很快下降（不到OkPa）,然后随着发动机转速的继续提高而逐渐降到OkPa,接着再缓慢上升；在发动机转速提高过程中突然关闭节气门时，真空表读数会猛然上升到发动机怠速时的值。（说明：供油量减少时真空表读数也

57、会下降。）三元催化转化器堵塞时，真空表读数应为如下情况（排气通道其他部门堵塞时相同）：当发动机怠速运转时，真空表读数开始为某一个值（有的可能为正常值），然后很快下降至OkPa（或很小的值）；当发动机转速快速提高到2000r/min以上后突然关闭节气门时，若真空表读数猛然上升到80kPa左右后迅速下降到7kPa以下，然后再回升到发动机怠速运转时的值，则三元催化转化器堵塞。当三元催化转化器严重堵塞时，真空表读数应为如下情况（排气通道其他部分严重堵塞时相同）：当发动机怠速运转时，真空表读数很小；当发动机转速从怠速转速逐渐提高到2500r/min后保持为2500r/min时，真空表读数继续快速下降。一

58、辆别克新世纪轿车，在停驶条件下将加速踏板踩到底时其发动机转速达不到规定值；在行驶条件下加速时其车速提不高，且发动机“发闷”。用解码器读取故障代码时未读得故障代码。读取数据流，燃油压力及点火系统的状况均正常。根据故障现象分析，剩下的可能原因只有进气不畅或排气通道堵塞。检查表明进气系统完全正常，于是用真空表测量节气门后进气支管的真空压力。在发动机怠速运转时，真空表读数在开始时为53kPa接近正常，但很快就下降到接近OkPa;将发动机转速迅速提高到2000r/min后突然关闭节气门时，真空表读数猛然升高后迅速下降到6kPa以下。显然，发动机排气不畅。对三元催化转化器的拆检表明，催化剂载体中的尾气通道

59、已被其碎屑堵塞。经分析后认为，故障原因是该车发动机未能按时维护，致使发动机长期工作不正常，汽油在气缸内不能燃烧完全，而在三元催化转化器内还继续燃烧，燃烧的高温导致催化剂载体剥落，并堵塞气道。更换三元催化转化器后，故障排除。说明：因为催化转化器的阻塞在真空试验中是一个渐变的过程，而此试验是一个稳态的过程（2000r/min），真空度读数下降缓慢不明显。如果是在试验室进行一个三元催化转化器阻塞前后的对比检查，催化转化器阻塞后，进气歧管真空度会发生明显下降。如果进气歧管真空度下降，并不能完全说明是由三元催化转化器阻塞造成的，发动机供油量减少时，进气歧管的真空度也会下降。因此与真空试验相比，排气背压试

60、验更能真实反映催化转化器的情况。排气背压测量法发动机排气系统由于线路比较长，而且系统中还有三元催化转化器和消声器等部件，运行时本来就存在一定的压力（排气背压），但是很小。若排气系统堵塞后，由于系统发动机排气压力大，排气系统压力也会增大，影响发动机运行。所以可以通过测量排气背压判断排气系统是否堵塞。在催化转化器前端排气管上接出一个压力表，有几种方法。有二次空气泵的可以从二次空气喷射管路上脱开空气泵止回阀的接头，再在二次空气喷射管路的排气管端接上压力表。也可以把前氧传感器拆下，在它的接口上接压力表。有的车在催化转化器前端排气管上预留有接口，把闷头拆下即可。压力表的量程为050kPa。启动发动机，并

61、使发动机温度达到85C以上，在发动机转速为2500r/min时读取压力表读数，此读数即为排气管的背压，其值应小于13.8kPa。如果排气背压不超过发动机所规定的限值，则表明催化剂载体没有被阻塞。如果排气背压超过发动机所规定的限值，则需将催化转化器后端的排气系统拆掉，重复以上的试验，如果三元催化转化器阻塞，排气背压仍将超过发动机所规定的限值。如果排气背压下降，则说明消声器或催化转化器下游的排气系统出现问题，破碎的催化剂载体滞留在下游的排气系统中，所以首先进行外观检查确认催化剂载体完整是非常必要的。对有问题的排气管、消声器也可通过测量其前后的压力损失来判断。一辆尼桑阳光2.0L轿车，行驶里程12万

62、多km该车出现发动机不易启动，启动后加速无力的故障。检查燃油压力为280kPa,正常。进行急加速试验，发动机转速上升缓慢，并且伴有“呜呜”的声音。拆开空气滤清器检查，发现这种“呜呜”声是由进气管发出的，怀疑排气管堵塞于是拆下氧传感器接上压力表测量排气背压。表3.4发动机2500r/min时排气背压值（kPa）比较被检车排气畅通排气不畅堵塞正常小于13.813.824大于24故障车31同型号车13.3检测结果如表3.4所示，发动机怠速与转速2500r/min的工况下，排气管的背压均高达31kPa,和同型号车比较数值大了很多。脱开后面排气管后再试数值没变化。将汽车举起，检查三元催化转化器，发现其内

63、部的蜂窝状催化物质大面积破损，阻碍了废气的排出，因而影响吸气效果，造成发动机加速无力。3.3三元催化转化器转化性能检测许多在用车辆虽然三元催化转化器没有发生堵塞，发动机没有出现明显的故障现象，但它的三元催化转化器可能已经失效或转化性能变差，使发动机尾气得不到有效净化，加重了对大气的污染。所以我们必须重视对三元催化转化器转化性能的检测。三元催化转化器性能检测简单有效的方法有转化器出入口温差法和双氧传感器信号电压波形分析法等。三元催化转化器出入口温差法通过测量经过崔化转化器后废气温度的升高值，可以判断三元催化转化器的转化性能，因为废气温度的升高是由于CC和HC勺氧化反应产生的热量而引起的。随着催化转化器的老化转化性能变差C（和HCR化的比例逐渐减少，这样氧化反应中放出的热量也就会逐渐减少。利用长安大学副教授王生昌等人所做的关于三元催化器工作效率的实验，来说明出入口温差法检测三元催化转化器转化性能。试验是在一辆排量为1.598L、装单点喷射型四缸发动机的SUZUKIVITARA气车上进行的，使用整体式催化转化器，在测试过程中，除了测量催化转化器进出口温度外，对车辆速度、尾气排放的成分也进行了监控。用带有可伸缩不锈钢保护套的特制的热力学温度计来测量温度。温度计的测量范围为01000C,精度为：0400C时，士3C;4