三元催化转换器功能、构造及工作原理，转换效率与影响因素详解

一、任务分析

三元催化转换器(TWC)的功用是利用转换器中的三元催化剂，将发动机排出废气中的有害气体转变为无害气体。本任务主要学习三元催化转换器的功能、构造及工作原理，三元催化转换器转换效率及影响因素等内容。通过任务的学习，掌握三元催化转换器(TWC)系统的检修方法。

二、相关知识

(一)三元催化转换器的功能

三元催化转换器(TWC)安装在排气管中部，其功能是通过金属(铂、铑、钯)催化剂的作用，使汽车尾气中有害物质:碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)，经化学反应转化为无害的二氧化碳(CO2)、水(H2O)及氮气(N2)。

(二)三元催化转换器的构造及工作原理

三元催化转换器(TWC)一般由壳体、减振层、载体和催化剂涂层部分组成，如图6-11所示。催化器壳体由不锈钢材料制成，以防氧化皮脱落造成载体堵塞。减振层一般采用膨胀垫片或钢丝网垫，起密封、保温和固定载体的作用，防止催化器壳体受热变形等对载体造成损害。三元催化转换器一般为整体不可拆卸式，按催化剂载体的结构不同，TWC可分为颗粒型和蜂巢型两种类型，前者将催化剂沉积在颗粒状氧化铝载体表面，后者将催化剂沉积在蜂巢状氧化铝载体表面，氧化铝表面有形状复杂的表层，可增大催化剂与废气的实际接触面积。当废气经过净化器时，铂催化剂就会促使HC与CO氧化生成水蒸气和二氧化碳;铑催化剂会促使NOx还原为氮气和氧气。

图6-11 三元催化转换器

1—催化剂;2—内筒;3—外筒;4—壳体;5—排气温度传感器;6—消声器;7—排泄口塞;8—排气管

(三)三元催化转换器转换效率及影响因素

TWC转换效率是指废气经过净化器后，催化剂使HC、CO和NOx氧化还原成水蒸气、二氧化碳和氮气的程度。TWC将有害气体转变成无害气体的效率受诸多因素的影响，其中影响最大的是混合气的浓度和排气温度。另外，铅和硫等元素对催化转换器会造成负面的影响，因为铅和硫等会与催化活性物质作用形成新的结晶体结构或沉积在催化物质上面，从而破坏催化物质的表面活性，这就是所谓的催化器中毒，是影响催化器寿命的最为严重的物理现象。因此，使用催化转换器的前提是汽油的无铅化。硫主要对稀土类催化器的寿命有较大影响。

TWC的转换效率与混合气浓度的关系如图6-12所示，只有在标准的理论空燃比14.7附近时，对废气中三种有害气体(HC、CO、NOx)的转换效率均比较高。混合气过浓或过稀时，都将使TWC的转换效率降低。在发动机工作中，为将实际空燃比精确控制在标准的理论空燃比附近，在装用三元催化转换装置的汽车上，一般都装有氧传感器来检测废气中的氧浓度，氧传感器信号输送给ECU后，用来对空燃比进行反馈控制，即电控燃油喷射系统的闭环控制。

氧传感器安装在TWC与发动机之间的排气管或排气歧管上，将检测到的废气中氧浓度信号输送给ECU，ECU根据此信号对喷油器的喷油量进行修正，使实际的空燃比更接近理论空燃比。

当发动机的排气温度过高(800℃以上)时，TWC的转换效率将明显下降。所以，有些发动机装有排气温度传感器及报警装置，当电脑受到排气温度传感器高温信号后，会使发动机熄火并发出报警信号。

图6-12 TWC的转换效率与混合气浓度的关系

三、任务实施(www.xing528.com)

(一)教学设备

(1)电控发动机实验台架;

(2)万用表;

(3)常用工具。

(二)三元催化转换器检修

1. 故障现象

三元催化转换器性能恶化;三元催化转换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。

2. 检查方法及步骤

(1)检查TWC是否堵塞，方法有两种。第一种方法是真空度法，将废气再循环(EGR)阀上的真空管取下，将管口塞住，将真空管接到进气歧管上，让发动机加速到2500r/min。若真空表读数瞬间又回到原有水平(47.5～74.5k Pa)并能维持15s，则说明TWC没有堵塞。否则应该怀疑是TWC或排气管堵塞。第二种方法是排气背压法，从二次空气喷射管路上拔下空气泵止回阀的接头，接一个压力表，使发动机转速为2500r/min时，观察压力表的读数，应小于17.24k Pa，否则表明排气系统堵塞。

(2)让发动机怠速运转，使用尾气分析仪测量此时的CO值。当发动机正常工作时(空燃比为14.7∶1)，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损坏。

(3)测量TWC出口管道温度应比进口管道温度至少高出38℃，在怠速时，其温度也相差10%。若不符合要求，且检查二次空气喷射泵也完好时，说明TWC已经损坏。

(4)对安装两个氧传感器的电喷发动机，可测量两个氧传感器的电压波形，后氧传感器电压波动要比前氧传感器电压波动少得多，如果前、后氧传感器电压波形和波动范围均趋于一致，说明TWC损坏。

四、检查与评估

本次课程主要依据表6-4考核学生对任务的完成情况。

表6-4 三元催化转换器考核卡