项目45 三元催化装置的检修.docx

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项目45三元催化装置的检修

课程名称

汽车电控系统检修

教学主题

三元催化装置的检修

授课班级

12级汽车

授课时间

4学时

授课地点

一体化教室

教学目标：

能力目标：

能通过学习认识三元催化装置元件；

能分析三元催化装置的原理或工作过程

知识目标：

掌握三元催化装置的作用、组成及工作原理；

素质目标：

团队协作能力；语言表达能力；

重点：

三元催化装置的结构原理；

难点：

三元催化装置的故障诊断与排除

教学方法：

动画演示、案例分析、讲授法、操作演示。

教学器材：

ppt、台架、图片和实物、维修手册或电路图。

教　　学　　步　　骤

教学步骤与过程

备注

步骤一：

任务提出

任务：

三元催化转化装置的作用？

步骤二：

三元催化装置的原理和检修

三元催化装置的作用是把一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物经过氧化还原反应，催化反应成二氧化碳、水和氮气等无污染的气体，本节重点学习三元催化装置的原理及氧传感器的电路检修方法。

1、教学内容

（1）三元催化装置的作用；

（2）三元催化装置的工作原理；

（3）氧传感器及控制电路检修。

2、教师活动

（1）教师用PPT讲解相关三元催化装置的名称和图片

（2）教师用用PPT，结合黑板上板书三元催化装置的工作原理，结合图片进行结构和原理认识。

课前将学生分成6-8个人/小组。

10分钟

3、学生活动

听讲并回答教师的问题

附：

主要知识

一、三元催化转化器（TWC）作用与结构

三元催化转化器是安装于汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。

由于这种催化器可同时将废气中的三种主要有害物质转化为无害物质。

三元催化器类似消声器，它的外面用双层不锈薄钢板制成筒形。

在双层薄板夹层中装有绝热材料—石棉纤维毡。

内部在网状隔板中间装有净化剂。

净化剂包括载体和催化剂两部分。

载体一般由三氧化二铝制成，其形状有球形、多棱体形和网状隔等。

净化剂实际上是起催化作用的，也称为催化剂，使用的材料为金属铂、铑、钯等一些贵金属以及稀土材料，将其中一种喷涂在载体上，就构成了催化剂。

将上述贵金属和稀土材料按一定比例制成的催化剂，其催化效果更佳。

网状型三元催化转化器的结构如图4-81所示。

二、三元催化转化器（TWC）的工作原理

三元催化转化器内部装有催化床，催化床内附着铂（或钯）和铑的混合物。

铂能促使CO、HC氧化；而铑则能加速NOx的还原。

当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化还原反应。

其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水（H2O）和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。

三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。

图三元催化转化器转化效率与空燃比的关系

三元催化器可将三种有害物质转换成无害物质，NO与O2发生氧化反应，CO和HC发生还原反应，化学反应方程式如下：

NOx+CO→N2+CO2

NOx+HC→N2+CO2+H2O

O2+CO→CO2

O2+HC→H2O+CO2

由化学方程式看出，三种有害物质要全部转化，空燃比必须非常接近理论比值，如能做到这一点，三种污染物都能达到很高的转换。

如图1-3所示，如若空燃比高于理论空燃比，废气中含氧量高，则NOx转换率很低。

如若空燃比低于理论比值，废气中不含氧，CO和HC转换率很低。

由此可见，三元催化器必须要与电控燃油喷射系统配套使用。

三元催化器只能适用于无铅汽油做燃料的汽车，因为使用含铅汽油，废气中的铅就会复盖住催化剂，使净化器停止工作而不起任何作用，俗称“中毒”。

因此，汽车使用三元催化器的前提条件有二个：

一是要用无铅汽油，二是发动机要使用电控燃油喷射装置。

三元催化转化器检测前的准备工作

三元催化转换器（TWC）的任务是降低排放中的CO、HC和NOX，但如果车辆的状况很差，例如排出的CO值高于1%，再有效的TWC也无能为力。

所以在检查TWC性能之前，必须首先用尾气分析仪测量汽车尾气中的CO、HC和O2的含量，以判断混合气的浓度是否合适，如果合适才能进行TWC的性能检测。

在测量尾气时候，先脱开TWC进气口，使发动机运转至正常温度，将测量管插入排气管中至少400mm，按照怠速法进行测量。

（注意：

该项测试应该在3min内完成）。

若测量值不正常应该先检修发动机工作性能，直至数值在规定范围之内。

待数值正常后，装复TWC进气口，在发动机温度正常时检测TWC的工作性能。

TWC常见故障及原因

三元催化转化器的常见故障有：

三元催化转化器性能恶化；三元催化转化器芯子堵塞后排气不畅，产生过高的排气背压，使废气倒流到发动机内。

包括如下现象：

（1）炭灰积聚、污染。

含铅汽油燃烧后会使三元催化转化器很快受到损害；机油窜入汽缸燃烧后机油中的磷和锌等物质也会污染三元催化转化器。

（2）陶瓷芯子破损。

热循环的长期作用、外部碰撞和挤压，都有可能使陶瓷芯子破损。

（3）陶瓷芯子熔化。

三元催化转化器正常工作时，三元催化转化器内的温度一般可达500～800℃，出口处温度比进口处温度约高30～100℃。

但是，混合气浓或燃烧不完全时会使排气中的CO、HC浓度过高，这将加重三元催化转化器的负担，使温度升高过多，时间长后，会使三元催化转化器的性能恶化，甚至熔化载体。

（4）三元催化转化器上一般还装有排气温度传感器，当温度不定期高时，电控单元会切断二次空气供给，中断催化转化反应。

典型轿车三元催化转化器性能的检测

本田轿车三元催化转化器检测过程如下：

1.目测检查

（1）检查转换器的外观。

如发现外壳被压扁、锈蚀或出现凹痕，则应更换转换器。

（2）从汽车上拆除转换器时，用电筒照转换器的排气口处，看是否被积炭或铅污染物堵塞。

（3）轻轻摇动催化转换器，听听内部元件有无松动的迹象。

如果发生元件堵塞、熔化或者其它形式的损坏，都应更换转换器。

2.功能测试

1-排气歧管；2-氧传感器；3-背压表

图处检测受阻排气系统

（1）以2500r/min的转速运转发动机约2min，将催化转换器加热至工作温度。

（2）在催化转换器的废气入口处和出口处分别接一支表面温度探头，测量温度。

（3）出口处温度至少应比进口处温度高38℃。

（4）如果温差低于规定值，则应更换催化转换器。

3.排气受阻检测

在氧传感器或一氧化碳（CO）测试管处检测排气压力的方法：

（1）在氧传感器（或一氧化碳测试管）处安装排气压力表，如图所示。

（2）在正常工作温度下发动机怠速时，压力表读数不应超过8.6kPa；

（3）把发动机转速提高至2000r/min。

比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，那么表明排气系统受阻；

（5）检查排气系统有无压扁的管路；系统是否发生热变形或者内部消声器是否出现故障；

（6）如果没有找到排气系统背压过高的明显原因，那么可能是催化转换器受阻；

（7）完成检测后，在重新安装前用防粘剂涂敷氧传感器的螺纹。

四、空燃比反馈控制

1.氧传感器的功用与类型

排气中的氧传感器浓度可以反映空燃比的大小，所以在电子控制燃油喷射系统中广泛使用了氧传感器。

氧传感器将检测到的氧气浓度反馈给ECU，ECU根据此信号判断空燃比是否偏离理论值，若偏离则调节喷油量，使空燃比控制在理论允许的范围之内。

常见的氧传感器有二氧化锆和二氧化钛型氧传感器两种类型。

2.二氧化锆氧传感器

（1）结构

二氧化锆型氧传感器由二氧化锆管、起电极作用的衬套，以及防止二氧化锆管损坏和导入汽车的带孔护罩等构成，如图所示。

图二氧化锆氧传感器

1-锆管；2-电极；3-弹簧；4-电机座；5-导线；6-排气管；7-气孔

（2）工作原理

此氧传感器安装于排气管上。

二氧化锆的管内、外表面均涂有薄薄的一层铂，铂既起到电极作用，又具有催化作用。

二氧化锆管内侧通大气，并且保持氧浓度不变，外侧直接与氧浓度较低的排气相抵触。

工作时，在排气高温作用下，氧气发生分离，由于锆管内侧氧离子浓度较高，外侧氧在两个表面电极有氧浓度差，氧离子就从浓度高的一侧向低的一侧流动，从而产生电动势，所以二氧化锆传感器实际为一种容量较小的化学电池，也称氧浓度差电池。

当混合气稀（空燃比大）时，排气中的氧含量高，传感器元件内、外侧氧浓度差很小，氧化锆元件内、外侧两电极之间产生的电压很低（接近于0V）；

当混合气浓（空燃比小）时，排气中几乎没有氧，传感器内、外侧氧浓度差较大，内、外侧电极之间产生的电压较高（约1V）。

在理论空燃比附近，氧传感器输出电压信号值有一突变，如图4-86所示。

二氧化锆管内外涂有的铂起到催化作用，能使排气中氧气与一氧化碳、碳化氢等发生反应，减少排气中氧含量，使外侧铂表面的氧几乎不存在，提高了传感器的灵敏度。

氧化锆在温度超过300℃后，才能够进行正常的工作，早期使用的氧传感器靠排气加热，这种传感器必须在发动机起动运转数分钟后才开始工作，它只有一根接线与ECU相连，现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器，这种传感器内有一个电加热元件，可在发动机起动后的20-30s内迅速将氧传感器加热至正常的工作温度。

它有三根接线，一根接ECU，另外两根分别接地和电源。

要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的，实际上的反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小的范围内波动，故氧传感器的输出电压在0.1-0.9V之间不断变化（通常每10s内变化8次以上）。

如果氧传感器输出电压变化过缓（每1Os少于8次）或者电压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则表明氧传感器有故障，需进一步检修。

3.二氧化钛氧传感器

图二氧化钛氧传感器结构

1-二氧化钛元件；2-金属外壳；3-陶瓷绝缘材料；4-接线头；5-陶瓷元件；6-导线；7-金属保护管

图二氧化钛氧传感器输出特性

二氧化钛氧传感器是利用半导体材料二氧化钛的电阻值，随排气中氧的含量变化而变化的特性制成

的，属于电阻型氧传感器。

在常态下此传感器具有较高的电阻值；二氧化钛在表面缺氧时，电阻值降低。

其结构图如图所示。

当混合气较稀时，排气中氧含量多，氧浓度高，二氧化钛呈高阻状态；当混合气较浓时，排气中氧含量低，二氧化钛的电阻大大降低。

其电阻值的变化在理论空然比附近发生突变，如图4-88所示。

二氧化钛的电阻受温度影响较大，所以在电路中一般接有热敏电阻Rt，起到温度补偿作用。

其输出特性见图所示。

五、三元催化转化器检测前的准备工作

三元催化转换器（TWC）的任务是降低排气中的CO、HC和NOx，但如果车辆的状况很差，排出的CO的值高于1%，那么再有效的TWC也无能为力。

所以在检查TWC性能之前，必须首先用汽车尾气分析仪测量汽车尾气中的CO、HC和O2的含量，以判断混合气的浓度是否合适，如果合适才能进行TWC性能的检测。

在测量尾气的时候，先脱开TWC进气口，使发动机运转至正常的温度，将测量管插入排气管中至少400mm，按照怠速法进行测量。

（注意：

该项测试应该在3min内完成）。

若测量值不正常应该先检修发动机的工作性能，直至数值在规定范围之内。

待数值正常后，装复TWC进气口，在发动机温度正常时检测TWC的工作性能。

六、三元催化转化器性能的检测方法

（1）简单人工检查

通过人工的检查可以从一开始判断TWC是否有损坏。

用橡皮槌轻轻敲打TWC，听有无“咔啦”声响，并伴随有散碎物体落下。

如果有此异响，则说明TWC内部催化物质剥落或蜂窝陶瓷载体可能破碎，那么就必须更换整个转换器了。

如果没有上述异响，应该检查TWC是否有堵塞。

TWC芯子堵塞是比较常见的故障，可以用下面两种方法进行。

一种方法是检测进气歧管的真空度法。

将废气再循环（EGR）阀上的真空管取下，将管口塞住，避免产生虚假的真空泄漏现象。

将真空管接到进气歧管上，让发动机缓慢加速到2500r/min。

若真空表读数瞬间又回到原有水平（47.5～74.5kPa）并能维持15s，说明TWC没有堵塞。

否则应该怀疑是TWC或排气管有堵塞。

另一种方法是检测排气背压法。

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中接上一个压力表。

在发动机转速为2500r/min时观察压力表读数，此时读数应该小于17.24kPa，如果排气背压大于或等于20.70kPa，则表明排气系统有堵塞。

若观察TWC、消声器及排气管没有外伤，可将TWC出口和消声器脱开后观察压力表读数是否有变化。

若压力表显示排气背压仍较高，则为TWC损坏：

若压力表显示排气背压陡然下降，则说明有堵塞发生在TWC出气口后面的部件。

（2）怠速试验法检查

让发动机怠速运转，使用尾气分析仪测量此时排气的CO值。

当发动机正常工作时候（空燃比为14.7:

1），这时的CO典型值为0.5～1%，当使用二次空气喷射和TWC技术可以使怠速时的CO值接近于0，最大不应超过0.3%，否则说明TWC已经损坏。

另外，据经验分析，怠速时的NOx的排放量也能给我们一些帮助。

通常在怠速的时候NOx数值应不高于100ppm，而在稳定的工况下，NOX数值应该不高于1000ppm，在发动机正常的情况下，而NOx过高就可以怀疑是TWC故障了。

（3）快怠速试验法测量

使发动机处于快怠速运转状态，并用转速表测量快怠速是否符合规定值。

用尾气分析仪测量发动机处于快怠速状态下尾气中的CO和HC的含量。

如果发动机性能良好，则CO的值应该在1.0%以下，HC应该在10ppm以下。

若两个数值都超标，可临时拔下空气泵的出气软管，此时若CO和HC的值不变，则可以判定TWC已损坏，若读数上升，而重新接上软管后又下降，则说明是燃油喷射系统故障或是点火系统故障。

（4）稳定工况试验法

在完成基本的怠速试验后进行该项试验。

按照厂家的规定接好汽车专用数字式转速表，使发动机缓慢的加速，同时观察尾气分析仪上的CO和HC的值，当转速加到2500r/min并稳定后，CO和HC数值应有缓慢的下降，并且稳定在低于或接近于怠速时的排放水平，否则怀疑是TWC已经损坏。

这种方法不但能对TWC是否有故障做出判断，还能有效地综合分析TWC在汽车行驶中的实际效能。

这时因为TWC性能评价指标中有一项“空速特性检验”，它表示了受反应气体在催化剂中的停留时间。

如性能差，TWC尽管在低空速速（如怠速）时表现出较高的转化效率，但是在高空速（如实际行驶）时的转化效率却是很低的，因而不能仅凭借怠速工况评价催化剂的活性是否正常。

此外，在具体检测中，还需要注意TWC的空燃比特性。

TWC在过量空气系数为1的附近时，转换效率最高，实际使用中就需要闭环电子控制燃油供给系统和氧传感器的配合。

开环时候由于无法给予精确的空燃比，转换效率仅有60%左右，而闭环时平均转换效率可达95%，因此，在对TWC产生怀疑的时候，也应该对电控系统和氧传感器进行相应的检测。

（5）红外温度计测量法

这是一种比较简单的测量方法。

TWC在实际使用过程中，其出口管道的温度比进口管道的温度至少高出38℃，在怠速时，其温度也相差10%。

但是若出口与入口处的温度没有差别或出口温度低于入口温度，则说明TWC没有参加氧化反应，此时应该检查二次空气喷射泵是否有故障，若无故障，就说明TWC已损坏。

（6）利用双氧传感器信号电压波形分析

目前，许多发动机燃油反馈控制系统中，都安装了两个氧传感器。

分别装在TWC装置的前、后两端。

这种结构在装有OBD-Ⅱ代系统的汽车上，可以有效地检测TWC的转换性能。

OBD-Ⅱ诊断系统改进了TWC的随车监视系统，安装在TWC后端的氧传感器电压波动要比安装TWC前端的氧传感器电压波动少得多。

这是因为正常运行的TWC转化CO和HC时消耗了氧气。

当TWC损坏后，其转换效率基本丧失，使前、后端的氧气值接近，此时氧传感器信号的电压波形和波动范围均趋于一致这时需要更换TWC。

七、TWC常见故障及原因

三元催化转化器常见的故障有：

三元催化转化器性能恶化；三元催化转化器芯子堵塞后排气不畅，产生过高的排气背压，使废气倒流到发动机内。

包括如下现象：

（1）炭灰积聚、污染。

含铅汽油燃烧后会使三元催化转化器很快受到损害；机油窜入到汽缸燃烧后，机油中的磷和锌等物质也会污染三元催化转化器。

（2）陶瓷芯子破损。

热循环长期的作用、外部碰撞和挤压，都有可能使陶瓷芯子破损。

（3）陶瓷芯子熔化。

三元催化转化器正常工作时，三元催化转化器内的温度一般可500～800℃，出口处温度比进口处的温度约高30～100℃。

但是，混合气浓或燃烧不完全时会使排气中的CO、HC浓度过高，这将加重三元催化转化器负担，使温度升高过多，时间长后，会使三元催化转化器的性能恶化，甚至熔化载体。

（4）三元催化转化器上一般还装有排气温度传感器，当温度不定期高时，电控单元会切断二次空气供给，中断催化转化反应。

掌握三元催化装置的功能和原理

60分钟

重点

三元催化装置的工作原理、氧传感器的电路分析和检修

10分钟

PPT讲解

10分钟

教师点评

课后

小结

作业

布置

习题集P620

预习：

EGR的原理及检修