三元催化转化器在汽车发动机电控系统中的作用及修复方法

催化转化系统是发动机排气后处理系统的组成部分，它利用安装在发动机排气系统中的催化转化装置将发动机排出的HC、CO、PM氧化或使NO_x还原，从而达到降低排放污染物的目的。

催化转化装置主要分为两类：氧化催化转化装置和还原催化转化装置。目前，汽车发动机上装用的催化转化装置主要有三元催化转化器（TWC）、氧化催化转化器（DOC）、选择性催化还原系统（SCR）和吸附催化还原系统（NAC）等。

1.三元催化转化器

（1）三元催化转化器的结构 三元催化转化器（Three Way Catalyst Converter，TWC）主要由金属壳体、陶瓷格栅底板及催化剂涂层组成，如图6-1所示。

图6-1 三元催化转化器

三元催化转化器在汽油机和柴油机上应用均比较广泛，它将氧化催化转化技术与还原催化转化技术集成一体，催化剂为贵金属铂和铑。当含有HC、CO和NO_x的废气进入转换器后，不仅可使废气中的HC和CO有害气体进一步氧化，生成无害气体CO₂和H₂O，并能促使废气中的NO_x与CO发生还原反应，生成无害的CO₂和N₂气体。

根据催化剂载体的结构特点，三元催化转化器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，后者有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。

（2）三元催化转化器的转化效率 催化转化器的转化效率是指试验车辆或发动机按照某种指定的工况运行时，催化转化器前、后某种污染物排放量的变化率，即

催化转化器将有害气体转变成无害气体的效率受诸多因素的影响，其中影响最大的是排气温度和混合气浓度。

排气温度的升高对排放污染物的氧化反应和还原反应均有利，催化转化器的转化效率必然提高，但排气温度过高会损坏催化转化器。催化转化器的最佳工作温度一般为400°～800℃。

图6-2 三元催化转化器的转化效率与汽油机混合气浓度的关系

三元催化转化器的转化效率与汽油机混合气浓度的关系如图6-2所示，只有在理论空燃比14.7附近，对废气中的三种有害气体（HC、CO、NO_x）的转化效率均比较高。对汽油机直接喷射发动机和柴油机，由于大部分工况下的混合气浓度较稀，且混合气浓度随发动机工况变化范围很大，如何在宽广工况范围保持转化器较高的转化效率，成为汽油直接喷射发动机和柴油机采用催化转化技术要解决的问题之一。

为保证催化转化器的转化效率，精确控制发动机工作时的混合气浓度，在装用催化转化器的汽车上一般都利用氧传感器检测废气中的氧浓度，并由ECU根据氧传感器信号对汽油机的喷油量进行闭环控制。

2.氧传感器

氧传感器安装在排气管上，将检测到的废气中的氧浓度信号输送给ECU，ECU除根据此信号对混合浓度（汽油机的喷油量或柴油机的进气量）进行控制外，还根据此信号对EGR量进行控制，以便使混合气浓度和EGR率满足降低排放污染的要求。氧传感器按性能特点的不同可分为普通型、热型和宽量程型三种，普通型氧传感器又分为氧化锆（ZrO₂）式和氧化钛（TiO₂）式。

（1）普通型氧化锆式氧传感器 该传感器的基本元件是氧化锆管，氧化锆管固定在带有安装螺纹的固定套内，在氧化锆管的内、外表面均覆盖着一层铂作为电极，传感器内侧通大气，外侧直接与排气管中的废气接触。在氧化锆管外表面的铂层上，还覆盖着一层多孔的陶瓷涂层，并加有带槽口的防护套管，用来防止废气对铂电极产生腐蚀；在传感器的线束插接器端有金属护套，其上设有小孔，以便使氧化锆管内侧通大气。氧化锆式氧传感器的结构及其输出特性如图6-3所示。

图6-3 氧化锆式氧传感器的结构及其输出特性

a）结构 b）信号波形(www.xing528.com)

1—法兰 2—铂电极 3—氧化锆管 4—铂电极 5—加热器 6—涂层 7—废气 8—套管 9—大气

氧化锆式氧传感器实质是一个化学电池，又称为氧浓度差电池。在400℃以上的高温时，若氧化锆管内、外表面接触处的气体中氧的浓度有很大差别，在氧化锆管内、外表面的两个铂电极之间将产生电动势。发动机工作时，由于氧化锆管内表面接触的大气中氧浓度是固定的，而与外表面接触的废气中氧浓度是随空燃比的变化而变化的，所以将氧化锆管内、外表面两个电极间产生的电动势输送给ECU，即可作为判断实际空燃比的依据。

当混合气过稀时，排出的废气中氧含量高，传感器内、外侧氧浓度差小，两电极间产生的电压很低（接近0V）；反之，当混合气过浓时，排出的废气中氧含量低，传感器内、外侧浓度差大，两电极间产生的电压高（接近1V）。在理论空燃比附近，氧传感器输出的电压信号有一个突变。

（2）普通型氧化钛式氧传感器 该传感器是利用化学反应强，对氧气敏感、易于还原的半导体材料氧化钛与氧气发生氧化还原反应，使晶格结构发生变化，从而导致电阻值变化的原理工作的。它是一种电阻型气敏传感器。

氧化钛式氧传感器主要由二氧化钛元件、导线、金属外壳和接线端子组成，其结构及输出特性如图6-4所示。当废气中的氧浓度高时，二氧化钛的电阻值将增大；反之，当废气中的氧浓度较低时，二氧化钛的电阻值将减小。将氧化钛式氧传感器与一个标准电阻R串联组成测量电路，由ECU提供标准电压V_c，即可获得电压信号V_s，ECU根据此信号确定实际的空燃比。与氧化锆式氧传感器相同，在理论空燃比附近，输出的电压信号有一个突变。

图6-4 氧化钛式氧传感器及其输出特性

a）结构 b）电阻特性 c）测量电路 d）信号波形

1—二氧化钛元件 2—金属外壳 3—陶瓷绝缘体 4—接线端子 5—陶瓷元件 6—导线 7—金属保护套

（3）加热型氧传感器 由于氧化锆只能在400℃以上的高温时才能正常工作，为保证氧传感器在发动机排气温度较低时也能正常工作，有的氧传感器内装有加热器，如图6-5所示。加热型氧传感器的加热器由发动机ECU控制，当排气温度较低时，加热器通电对氧化锆管进行加热。

（4）宽量程氧传感器 宽量程氧传感器能够在宽广的空燃比范围内检测排气管中的氧浓度，比普通氧传感器更适合汽油机和柴油机。宽量程氧传感器以普通型氧化锆式氧传感器为基础扩展而来，氧化锆式氧传感器有一特性，就是当氧离子移动时会产生电动势，反之将电动势加在氧化锆组件上，即会造成氧离子的移动。

图6-5 加热型氧传感器

1—氧化锆管 2—加热器

宽量程氧传感器由氧化锆参考电池、氧化锆泵电池、扩散孔、扩散室、控制器A和B等组成，如图6-6所示。

宽量程氧化锆式传感器与氧化锆式氧传感器的工作原理相同，其功用是感知通过扩散小孔进入扩散室的废气中的氧浓度，并在内、外两电极之间产生电动势U_s。氧化锆泵电池则相当于一个氧气泵，通过给其输入泵电流，将废气中的氧“泵入”扩散室或将扩散室中的氧“泵出”。控制器的功用则是力图使扩散室内的氧浓度保持不变，即保持氧化锆参考电池产生的电动势U_s为0.45V（参考电压U_u）的平衡状态；当混合气较浓，废气中的氧浓度较小时，氧化锆参考电池将产生高于0.45V的电动势，此时控制器给氧化锆泵电池输入一个正向泵电流，将废气中的氧气泵入扩散室，以恢复到U_s为0.45V的平衡状态；而当混合气较稀，废气中的氧浓度较大时，控制器将给氧化锆泵电池输入一个反向泵电流，将氧气泵出扩散室，以恢复到U_s为0.45的平衡状态；随着废气中的氧浓度变化，氧化锆参考电池产生的电动势U_s变化，而要恢复到U_s为0.45V的平衡状态，所需的泵电流也随之呈正比例变化，通过控制器将变化的泵电流信号转换成连续变化的电压信号U_o（0～5V），ECU根据此电压信号即可确定混合气的实际浓度。

宽量程氧传感器能够在空燃比10～20的范围内连续工作，输出的信号电压随空燃比增大而呈正比例增大，其输出特性如图6-7所示。

图6-6 宽量程氧传感器

图6-7 宽量程氧传感器输出特性