三元催化转化器应用问题分析

[摘 要]本文主要就三元催化转化器的结构和工作原理，三元催化转化器的匹配，三元催化器性能的检测方法进行了详细的分析与研究，？控制有害气体的排放，将有害气体转化为无害气体的有效措之一就是采用三元催化转化器。本文在此提出了自己的观点和看法，可供参考。

[关键词]三元催化转化器； 原理； 构造；

中图分类号：TK421.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0139-01

一、前言

随着我国改革开放和经济的迅速发展，我国已经进入世界汽车产销大国的行列。随着汽车行业的高速发展，汽车在给人们带来便利与舒适的同时也在破坏着环境，于是严格的排放法规随之而来。因此，三元催化转换器（TWC）研制成功，使汽车排放控制技术有了突破性的进展。

二、三元催化转化器的结构和工作原理

三元催化转化器一般由壳体、减振层、载体和催化剂涂层四部分组成。催化器壳体由含铬、镍等金属的不锈钢材料制成，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。催化器载体一般采用蜂窝状陶瓷材料，也有少数采用金属（如不锈钢）材料。在载体孔道壁面上涂有一层非常疏松的活性层，即催化剂涂层（如氧化铝），其粗造的表面可使壁面的实际催化反应表面积扩大7000倍左右。在涂层表面散布着作为活性材料的催化剂。催化剂是一种能改变化学反应速率而本身的质量和组成在化学反应前后保持不变的物质，它对参与化学反应的分子起活化作用，以加快反应的进程。

三、三元催化转化器的匹配

三元催化转化器与汽车的匹配是非常重要的，一般包括以下几个方面：催化器与发动机的匹配；催化器与电控燃油喷射系统的匹配；催化器与排气系统的匹配；催化器与燃料和油的匹配等。

1、催化器与发动机的匹配

在汽车上安装三元催化转化器要根据三元催化反应器的结构和所配套发动机的特性，经过一系列的匹配实验后有选择地安装，以保证配套发动机给三元催化反应器提供合适的工作条件。

2、空燃比

催化器能将一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等三种有害物质一举转化成为以二氧化碳和水为主的物质。很显然，一氧化碳和碳氢化合物的氧化反应需要氧气，而氮氧化合物的还原反应不需要氧气。因此，它们各自的转化率与催化器内的氧浓度有关，而氧浓度与进入发动机混合气的空燃比呈正比关系，发动机的理论空燃比为14.7时，催化器的转化效率最高。空燃比大于14.7时，氮氧化合物的转化效率下降，因为过剩的氧气抑制了还原反应；当空燃比小于14.7时，一氧化碳、碳氢化合物的转化效率下降，因为缺乏氧气而抑制了氧化反应。为此，必须把空燃比控制在一个范围内，经研究表明理论空燃比的控制区宽度为0.15～0.30时，催化器的转化效率最佳。

3、三元催化转换器的工作温度

催化剂转化效率的高低与温度有密切的关系，在有害气体的氧化还原反应中，三元催化转换器开始起作用的温度是250℃左右，最佳工作温度范围为400℃-800℃，而工作温度超过850℃后，催化剂中的贵金属自身也会产生化学变化，从而使有效催化剂成分降低，使三元催化转换器作用减弱。

4、催化器与电控燃油喷射系统的匹配

由三元催化反应器原理可知：当其工作在空燃比为理论空燃比附近时才能同时使一氧化碳、碳氢化合物氧化和使氮氧化合物x还原的转化效率都较高。为了现代汽车三元催化转化器的匹配。保证空燃比的精确控制，必须采用由氧传感器作为反馈元件的闭环电控系统。即利用安装在排气管的氧传感器来检测尾气中的氧的含量进而判断实际空燃比偏离理论空燃比的程度，并向ECU反馈相应的电压信号，从而空燃比处于14.7附近的窄小范围内进行修正。

5、催化器与排气系统的匹配

排气系统对发动机性能的影响主要是通过压力波对扫气干扰而产生的，其影响程度随排气管长度而变化。催化器的安装位置会显著影响排气系统的这种波动效应，进而对发动机的动力性和经济性造成显著影响。

6、催化器与燃料和油的匹配

随着机动车污染物排放限值标准的不断提高，当汽车排放污染控制技术发展到一定阶段后，燃油作为一项基础条件，其品质的好坏就将决定催化剂的转化效率，所以很多国家都致力于燃油品质与排放关系的研究。

四、三元催化器性能的检测方法

1、简单人工检查

通过人工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，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破碎，那么必须更换整个转换器了。如果没有上述异响，应该检查TWC是否堵塞，可以用检测进气歧管真空度法、检测排气背压法面两种方法进行。

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损坏。通常在怠速时候的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，在发动机一切正常的情况下，而NOX过高就可以怀疑是三元催化转化器的故障了。

3、快怠速试验法测量

让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含量。如果发动机性能良好，则CO值应该在1.0%以下，HC应该在10ppm以下。若两种数值都超标，则可临时拔下空气泵的出气软管，此时若CO和HC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

在完成基本怠速试验后进行该项试验。按照厂家规定接好汽车专用数字式转速表，使发动机缓慢加速，同时应观察尾气分析仪上的CO和HC值，当转速加到2500r/min并稳定后，CO和HC数值应有缓慢下降，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损坏。这种方法不但能够对TWC是否有故障做出判断，还能有效地综合分析TWC在车辆行驶中的实际效能。

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，其出口管道温度比进口管道温度至少高出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没有氧化反应，此时应该检查二次空气喷射泵是否有故障，若没有故障，就说明TWC已经损坏。

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，都安装两个氧传感器。分别装载TWC的反应前、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的性能。

五、结束语

当前雾霾天气引起全社会对于治理空气污染的重视，必须加强解决汽车尾气问题，三元催化转换器（TWC）研制成功，使汽车排放控制技术有了突破性的进展，它可使汽车排放中的CO、HC和NOX同时降低90%以上，因此，深入研究三元催化转化器原理技术，提高人员的技术水平是非常重要的。

参考文献

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