黃科薪 黃金昌 張燕芳 何菊華 甘禮宜
摘要:三元催化器是汽車尾氣凈化的關鍵部件,主要通過三元貴金屬催化劑加速尾氣污染物轉化成非污染物,達到降低污染物含量的目標,從而實現(xiàn)環(huán)保排放的效果。介紹了三元催化器的構成、工作原理,詳細論述了失效、堵塞和破碎三類常見故障類型及其原因分析,針對故障原因提出了三元催化器使用和保養(yǎng)的注意事項。
關鍵詞:不完全燃燒;有害物質;三元;空燃比;故障診斷
傳統(tǒng)汽油車利用發(fā)動機內汽油和空氣燃燒的熱能轉化為發(fā)動機的動能做功,驅動汽車工作。理想狀態(tài)下,汽油和空氣的完全燃燒產物是CO2、水(理論空燃比14.7∶1)。然而實際汽車燃料燃燒并不完全充分,此時會產生一定量的CO和碳氫化合物等有害物質,嚴重時還表現(xiàn)出冒黑煙現(xiàn)象。此外,在發(fā)動機內高溫高壓情況下,還伴隨著氮氣和氧氣生成氮氧化合物(NOX)的副反應。
為了滿足汽車尾氣排放標準要求,解決排氣的污染問題,汽油車設計了尾氣凈化裝置:三元催化器,用于對尾氣中主要的有害物質CO、HC和NOX進行無害化處理,變?yōu)镠2O、CO2、N2后排到大氣中[1]。
三元催化器的工作原理
三元催化器也稱催化轉換器(Catalytic Converter,縮寫為CAT),位于排氣歧管和消聲器之間,主要部件有殼體(構成化學反應室)、減振襯墊、載體(蜂窩狀陶瓷材料)、催化劑等,如圖1[2]所示。實際起凈化尾氣作用的是催化劑,“三元”取自催化劑含有的三種主要元素,分別是鉑(Pt)、銠(Rh)、鈀(Pd)三種貴金屬元素[3]。在尾氣凈化過程中,Pt和Pd主要起催化CO、HC的作用,而Rh主要起催化NOX的作用。需特別說明的是,催化劑被涂布在蜂窩狀陶瓷載體上,用以增大催化反應的接觸面積,促進尾氣加速轉化的同時提高轉化量。
三元催化器前后安裝了氧傳感器,以安裝位置分別命名為前氧傳感器和后氧傳感器,如圖2所示。前、后氧傳感器的作用都是檢測尾氣中的氧含量。前氧傳感器數據反饋給汽車電子控制單元(ECU),ECU以此數據調節(jié)發(fā)動機的空燃比,使混合氣空燃比近似14.7∶1(該比值是根據汽油完全燃燒的化學反應方程式計算得到的理論值),此時,催化器工作效率最高,催化效果最好[4]。
研究發(fā)現(xiàn),當空燃比在14.7∶1±0.3%的浮動時,三元催化器催化效果最好,效率均達到90%以上,如圖3所示。當混合氣過濃或者過稀時,都會導致三元催化器轉換效率下降。后氧傳感器用于驗證三元催化器的催化效果,因三元催化器在凈化尾氣時需消耗排氣中的氧氣,若前、后氧傳感器反饋給ECU的數據一樣,說明排氣氧氣量不變,三元催化器未正常工作,此時汽車儀表盤上的故障燈會發(fā)出警示,提醒駕駛員三元催化器異常情況。
三元催化器的故障診斷方法
汽車儀表盤上的故障燈發(fā)出三元催化器異常警示后,可用故障診斷儀對三元催化器的故障進行初步診斷,確定故障原因,從而開展針對性排故檢修。三元催化器的主要故障類型有三大類:失效、堵塞及破碎[5]。
1.失效
三元催化器失效的故障現(xiàn)象是尾氣排放超標,如黑煙。三元催化器失效的主要診斷方法有:
(1)氧傳感器信號比較法 即利用故障診斷儀比較前、后氧傳感器的電壓信號,判斷三元催化器是否失效。根據上文工作原理部分所述,三元催化器需要消耗氧氣凈化尾氣,若前、后氧傳感器數據一致說明三元催化器前后氧含量一致,三元催化器未起作用,處于失效狀態(tài)。
(2)溫度比較法 在汽車工作條件下,采用測溫儀比較三元催化器的進、出口溫度,三元催化器正常工作時,其出口溫度比進口溫度高10%以上,低于10%說明三元催化器未正常工作,甚至是失效。
(3)尾氣分析儀診斷法 反復空擋加油測試,連續(xù)節(jié)氣門全開,尾氣分析儀讀取氧氣數據:氧氣濃度低于1.2%,說明三元催化器工作正常;等于1.2%時,三元催化器效率較低;大于1.2%,說明三元催化器失效。
2.堵塞
當三元催化器堵塞時,故障現(xiàn)象主要有:加速乏力,發(fā)動機提速困難;嚴重堵塞時,發(fā)動機無法起動;油耗增多;自動擋汽車掉擋頻繁;發(fā)動機缺火時,尾氣平緩,沒有“突突”的聲響提示缺火等。
三元催化器堵塞故障的主要診斷方法有:
(1)經驗法 關注和留意汽車是否存在上述三元催化器堵塞故障現(xiàn)象,如加速乏力、油耗增多等。
(2)真空試驗法 將真空表連接到發(fā)動機進氣歧管;運行發(fā)動機,保持轉速穩(wěn)定在2000 r/min左右,若真空表讀數逐漸下降,表明排氣堵塞。
(3)排氣背壓法 拆下前氧傳感器,用壓力表替代前氧傳感器并保證密封良好;隨后運行發(fā)動機處于怠速范圍,排氣背壓應低于10kPa;當提速到2500 r/min時,排氣背壓應低于15kPa。若排氣背壓高于指定值,說明排氣不暢,存在排氣堵塞。
3.破碎
當三元催化器破碎時,故障現(xiàn)象主要有:敲打外殼或發(fā)動機變速時,三元催化器發(fā)出碎片撞擊的聲響;因為碎片撞擊,外殼發(fā)生了變形,并伴隨著堵塞類似的現(xiàn)象。三元催化器破碎的主要診斷方法有觀察和傾聽法,確認外觀是否變形;敲打或運行時是否有異響。由于催化劑破損剝落,易阻塞通道,使排氣背壓增大,因此,也可通過排氣背壓法進行排查。
故障原因分析
三元催化器主要故障原因包括:溫度過高、慢性中毒、表面積炭和排氣惡化,見表1。以下對各故障原因進行展開分析。
1.溫度過高
溫度是三元催化器催化劑的活性決定性因素,其中在400~800℃時催化劑的活性最高,溫度過低催化劑的活性弱,轉換效率低;溫度過高(如超過1000℃時)會導致催化劑加速老化甚至燒結壞死,降低使用壽命,極端情況下會引發(fā)汽車自燃事故。因此,必須注意控制引發(fā)排氣溫度升高的影響因素,例如點火過遲、錯亂、斷火等排出未燃燒的混合氣在三元催化器燃燒,導致排氣溫度過高,引發(fā)三元催化器故障。
2.慢性中毒
三元催化器中貴金屬催化劑對汽油中的硫、鉛和潤滑油中的磷、鋅等雜質較敏感,這些雜質更易吸附在催化劑表面與催化劑作用,進而隔絕了尾氣與催化劑的接觸,催化劑實際未發(fā)揮催化作用,這種情況稱為催化劑“中毒”。
3.表面積碳
如果汽車長期處于低溫工作狀態(tài),三元催化器未正常工作,尾氣中的炭煙會覆蓋在催化劑的表面,長時間積累,導致催化劑被碳層覆蓋且載體孔隙漸漸被堵塞,引發(fā)三元催化器堵塞故障。
4.排氣惡化
三元催化器對污染物的轉化容量有限,當排氣空燃比為14.7∶1時,效果最佳。排氣空燃比主要通過電子控制單元調節(jié)。但如果電子控制單元調節(jié)失當,造成排氣污染物濃度、氣量過大,三元催化器則會處于超負荷運轉,部分污染物未來得及處理就排到大氣環(huán)境在中。此外,排氣污染物濃度、氣量過大,在三元催化器二次燃燒也會使三元催化器溫度過高引發(fā)其他故障,加速三元催化器失效。
三元催化器使用注意事項
基于三元催化器故障原因分析,在使用三元催化器時,應注意預防重視為主,日常維護相結合,具體使用的注意事項如下:
1)避免使用含鉛汽油,注意點火時間適中避免長時間啟動失敗。
2)避免長期急速運轉(開環(huán)控制狀態(tài))和轉速忽快忽慢。
3)氣缸工作不良時,應及時檢修排故,且測量氣缸壓力時,應拔下燃油泵的控制接頭,使噴油器停止向氣缸噴油,避免長時間拔出高壓線試火。
4)避免混合氣偏濃的諸多因素,如確保噴油器關閉嚴實,燃油壓力調節(jié)器、氧傳感器、空氣流量傳感器等正常工作。
5)行駛過程中注意避免“托底”,防止碰撞后三元催化器破損、堵塞失效。如果因為故障需要更換時,應與發(fā)動機適配。
6)在汽車保養(yǎng)時,對三元催化器的檢查項目包括:排氣顏色、氣量和音量是否正常;三元催化器和排氣管有無松動、異響,外觀是否變形、損壞;是否存在積碳現(xiàn)象;排氣管尾部有無催化劑顆粒等。如有,應及時修復還原三元催化器。
7)還需要注意的是:當汽車行駛80 000km后,三元催化器需進行整體總成更換。更換時,應與發(fā)動機適配,更換件最好是原車原廠配件。
結語
三元催化器作為汽車尾氣處理的最后一道防線,對尾氣凈化和環(huán)境保護發(fā)揮著至關重要的作用。通過對三元催化器主要常見故障現(xiàn)象和原因分析,基于其工作原理,提出三元催化器的使用注意事項,維護保養(yǎng)的具體措施,從理論上和實踐上助力三元催化器發(fā)揮最佳功效,達到尾氣凈化效果最大化。
基金項目:廣西貴港市高技能人才培訓基地建設項目資助。
參考文獻:
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[2] 魯傳平.三元催化器的作用和故障表現(xiàn)[J].汽車與駕駛維修(維修版),2019(5):29-30.
[3] 甘飄迎.淺談排氣系統(tǒng)催化劑鉑銠鈀失效故障的診斷與排除[J].中國金屬通報,2018(2):101.
[4] 曹石,劉楠楠,秦濤.三元催化器轉化效率診斷方法研究[J].機械制造,2021,59(9):12-15.
[5] 周萬全,張熙,朱少秋.三元催化器故障模式分析及控制措施[J].時代汽車,2022(15):154-156.