汽车电喷发动机催化转化器工作条件与故障诊断

1.三元催化转化器工作条件对转化效果的影响

尾气温度达到1000℃时CO、HC、NO_x能够自动完成无害的转化，但正常情况下尾气温度只有200多℃，不可能达到1000℃。三元催化转化器（TWC）通过催化转化作用，降低了转化的温度，可以在300～900℃时完成转化。TWC催化剂转化效率受工作面积、工作温度（350～600℃为最佳工作温度）和空燃比的影响（混合气较稀时大部分CO和HC可以在燃烧室燃烧掉，剩下的少量CO和HC可在三元催化转化器含氧的条件下，经催化剂的作用，经过氧化反应成无害的二氧化碳和水），如三个方面都处在良好的状态，TWC可将CO、HC、NO_x的95%以上转化成无害物质。CO转化成无害的二氧化碳（CO₂），HC转化成无害的水和二氧化碳，NO_x还原成无害的氮气和氧气。为了满足更高的排放要求，在OBDⅡ的车型上通常至少装两个三元催化转化器。而且三元催化转化器的装配位置越接近排气管，越方便三元催化转化器的快速预热。

三元催化转化器见图4-8。

三元催化转化器最害怕使用含硫高、含磷高的汽油和机油，及尾气中的一氧化碳过高。汽油和机油标号过低，三元催化转化器更易中毒。曲轴箱串气（机油里含硫和磷）和混合气过浓（一氧化碳过高），会造成硫化物、磷化物、积炭覆盖催化剂；混合气在TWC内燃烧，造成TWC温度过高，甚至被烧红，会使催化剂的多孔陶瓷载体或金属网烧熔；燃油含铅、冷却液进入燃烧室都会造成三元催化转化器中毒。

图4-8 三元催化转化器

为了保护氧传感器和三元催化转化器，欧洲Ⅱ号标准的汽车最好使用SJ类汽油机机油；欧洲Ⅲ号标准的汽车最好使用SL类汽油机机油；欧洲Ⅳ号标准的汽车最好使用SM类汽油机机油。

国产汽油含硫量高，机油含硫和磷均高，经常低速行驶（一氧化碳高），所以通常还不足100000km三元催化转化器就被积炭污染，造成堵塞。特别是活塞环密封不良，烧机油时，三元催化转化器很快就会被污染。

如喷油脉宽过大、喷油压力过大、喷油器滴油均会造成混合气过浓，易于生成积炭。另外汽车长期低速长距离行驶也会造成TWC内部积炭过多。积炭覆盖了多孔陶瓷上的催化剂，会使三元催化转化器的工作面积明显减小。点火错乱、燃油压力过高、混合气过浓、个别缸断火、窜机油，以及点火能量不足，均可能造成混合气在TWC内燃烧，有时TWC甚至被烧红，TWC内部温度高于1000℃时就会被烧坏。上述情况都会使TWC的工作寿命明显降低。

某些汽车的三元催化转化器有一个热敏电阻的温度传感器，如三元催化转化器温度过高，仪表板上的故障指示灯将点亮。

使用含铅汽油，汽油中的铅和积炭覆盖在TWC上，会使之失效。

进气歧管垫或缸盖垫密封不良，会造成冷却液进入燃烧室，导致三元催化转化器损坏。

2.三元催化转化器工作状况的检测

（1）尾气排放测试 进行尾气排放检测时，怠速时CO的质量分数应小于1%，HC的质量分数应小于200×10^-6，NO_x的质量分数应小于100×10^-6。如CO、HC和NO_x的含量都高，说明三元催化转化器（TWC）很可能已经失效。

（2）上、下游氧传感器输出电压和波形的对比 某些发动机TWC上游和下游都装有氧传感器（HO2S），上游的氧传感器负责开闭环控制（COOP），下游的氧传感器负责监测TWC。路试中用诊断仪读数据流，正常情况下上游的氧传感器输出电压在0～1V之间交替快速变化（每10s应该有8次以上循环变化），由于TWC在净化尾气时消耗掉了废气中的氧气，使下游的氧传感器输出电压信号波形变化应很缓慢，接近于一条直线，如此则表明TWC工作良好，已将95%左右的废气转化为无害物质。如上游、下游两个氧传感器的输出电压完全一样，说明TWC已经失效，失去了对废气的净化作用，已不再消耗氧气，所以TWC上、下游的氧传感器波形一致时，必须更换TWC。

（3）用红外线测温仪检测TWC的前后温差 汽车行驶中TWC正常时，在正常工作温度下出气口温度至少比进气口温度高出38℃，在怠速时出气口温度比进气口温度也应高出10℃以上。在热车状态下，举升汽车，用红外线测温仪检测TWC进气口和出气口的温度，如果温差不足10℃，说明TWC内部堵塞严重，必须更换。

（4）根据车况分析TWC发生堵塞后，最初的不良反应是冷车起动困难，行驶无力，车速上不去以及废气返流。如一辆最高车速设计为200km/h的汽车，TWC内部堵塞后，最高车速通常只有130km/h左右。TWC堵塞后如不及时更换，最后会发展到冷车起动困难（排气不畅）。

（5）怠速时进气道内真空度过低 怠速时进气道内真空度以较高，从进气道上拔下任意一个真空软管，用手指封住，应感觉到明显的真空吸力，如真空度过低，感觉不到明显的真空吸力，而发动机怠速转速稳定，说明进气系统没有任何泄漏点（进气系统泄漏，怠速转速会出现向高怠速的漂移），最大的可能性是排气系统不畅通，可能是TWC内部被积炭堵塞。

将发动机加速到2000r/min，真空表数值应高于54kPa，如低于54kPa，说明排气系统不畅通。将发动机缓加速到2500r/min，若真空表数值瞬间又回到原有水平，并维持15s，说明排气系统畅通，否则则说明排气系统不畅通。其中最大的可能性是TWC内部被积炭堵塞。

若进气道内真空度过低，而进气系统又没有任何泄漏点（MAF、TPS和软管的连接点，所有的真空软管都没泄漏），进气道真空度过低就很可能是排气不畅造成的。(www.xing528.com)

（6）三元催化转化器（TWC）堵塞会造成废气返流 打开空气滤清器上盖，猛踩节气门，废气会从空气滤清器中冒出。发动机工作状态下用尾气分析仪检测空气滤清器气流入口处，可以测到HC。所以TWC堵塞后如不及时更换，会使空气流量传感器热丝或热膜上产生积垢，会造成混合气过稀的故障。TWC堵塞除了造成车速上不去，严重时起动不着车外，通常发动机热车时怠速还不如冷车时的快怠速时稳定，冷车怠速尚可以，热车怠速不稳，急加速时废气从空气滤清器进气口回流，尾气气味呛人。

（7）三元催化转化器（TWC）堵塞会造成发动机冷却液温度过高 三元催化转化器堵塞造成废气不能及时排出，使发动机温度过高，严重时会烧蚀活塞顶部，甚至将活塞烧熔在缸内。在北京地区已经发生多起这类故障。

（8）排气系统内背压过高 如分析TWC或消声器可能发生堵塞，可以用背压表检测三元催化转化器，拆下上游氧传感器，在氧传感器装配孔上连接背压表，发动机工作时排气管压力应小于0.025MPa，如超过该值则说明TWC或消声器发生堵塞，应及时更换。

发动机排气不畅的外在表现形式如下：

1）开始时突然没有高速，最高车速只有120km/h左右，没有超速档。急加速矬车，进气管有废气返流和回火，排气管冒白烟。用诊断仪检查没有故障码，但读取数据流，会发现有许多数据流不准确。

2）排气不畅严重后最高车速进一步降低，而且会发生起动困难、怠速不稳、点火调节失控、低速行驶中“闯车”，“闯车”出现后减速再重新加速，“闯车”故障更加明显，急加速时熄火。

3）使用废气再循环的发动机，还会因进入气缸的废气量明显增加，造成发动机动力进一步下降，同时会留下EGR阀的故障码。

4）使用涡轮增压的发动机，还会因背压高，废气流速快使涡轮增压器高速旋转，但随之而来的，由于排气不畅，使排气管内废气量大量积聚，又会导致进气受阻，充气系数不足，使发动机动力下降。

（9）三元催化转化器壳体或陶瓷载体破裂变形的危害 因碰撞、振动等使三元催化转化器壳体或陶瓷载体破裂变形也会降低催化反应作用。用橡胶锤敲击三元催化转化器外壳，如听到陶瓷载体有破裂声，则需更换。

（10）使用二次空气喷射时根据尾气含量分析 达到理想的空燃比时CO质量分数应为0.5%～1%，使用二次空气喷射时CO质量分数应接近0，如大于0.3%，则说明三元催化转化器损坏。

（11）读取故障码 排气系统堵塞会造成EGR阀排入的废气量加大，控制单元可以查到排入的废气量过大，认为EGR阀不工作，点亮故障指示灯，同时会留下EGR阀不工作的故障码。

（12）发动机的缸压检测 发动机各缸缸压都高，如发动机各缸的缸压都明显偏高，说明排气不畅。断开TWC和消声器之间的接口，如发动机的缸压仍不下降，说明TWC堵塞。

3.催化器清洗剂的作用和使用方法

长期低速短距离行驶，混合气过浓，点火能量不足，使用标号低、含硫高的劣质汽油或含铅汽油，这些都容易使氧传感器和三元催化转化器（TWC）内的钢丝网或陶瓷载体表面被硫、磷和积炭覆盖。要想延长氧传感器和TWC在这种使用条件下的工作寿命，使用MAF的汽车每隔4000km左右，可拔下进气管上一根较粗的真空软管（不要影响行车安全），使混合气变稀，中高速行驶0.5～1h，可减少氧传感器和TWC上的积炭。

更好的方法是每隔30000km将催化器清洗剂罐装在进气系统上任意一根真空管上，起动发动机，保持2000～2500r/min运转，利用发动机工作时进气系统内的真空度将催化器清洗剂逐渐吸入，每次清洗通常需要20～25min，直至罐内清洗剂用完为止。通过此种方法，可以有效清洗进气门、燃烧室、氧传感器、三元催化转化器，使其恢复到正常的工作状态。用此法就不会出现氧传感器和三元催化转化器因堵塞而报废的故障了。4缸发动机用一罐催化器清洗剂即可，6缸和8缸机用两罐即可。

在拆下TWC可以观察到积炭主要集中到TWC的进气口一侧，严重时积炭会将滤网塞满。

国Ⅱ和欧Ⅱ标准汽油中烯烃的质量分数为30%，国Ⅲ和欧Ⅲ标准中烯烃的质量分数减少到18%。烯烃含量的减少意味着汽油中轻质馏分的减少，重质馏分的增加。喷油器和三元催化转化器堵塞的概率加大了。所以使用清洁汽油后还需定期清洗喷油器，以保证发动机怠速稳定。

除了积炭会明显缩短TWC工作寿命外，如果发动机缺缸，造成大量燃油进入TWC内燃烧，TWC温度超过1000℃就会被烧坏，为了防止缺缸后喷油器继续喷油，某些发动机在排气歧管上装有温度传感器。

除积炭外，排气中的锌、磷、硫也会在载体表面沉积（慢性中毒）而使其慢慢失去催化反应作用。