項目4-5三元催化裝置的檢修

1、宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院Yibin Vocational & Technical College課程名稱汽車電控系統(tǒng)檢修教學(xué)主題三元催化裝置的檢修授課班級12級汽車授課時間4學(xué)時授課地點一體化教室教學(xué)目標(biāo)：能力目標(biāo)：能通過學(xué)習(xí)認(rèn)識三元催化裝置元件； 能分析三元催化裝置的原理或工作過程知識目標(biāo)：掌握三元催化裝置的作用、組成及工作原理；素質(zhì)目標(biāo)：團(tuán)隊協(xié)作能力；語言表達(dá)能力；重 點：三元催化裝置的結(jié)構(gòu)原理；難 點：三元催化裝置的故障診斷與排除教學(xué)方法：動畫演示、案例分析、講授法、操作演示。教學(xué)器材：ppt、臺架、圖片和實物、維修手冊或電路圖。教學(xué)步驟教 學(xué) 步 驟 與 過 程備 注步驟一：任務(wù)提出

2、任務(wù)：三元催化轉(zhuǎn)化裝置的作用？步驟二：三元催化裝置的原理和檢修三元催化裝置的作用是把一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔锝?jīng)過氧化還原反應(yīng)，催化反應(yīng)成二氧化碳、水和氮氣等無污染的氣體，本節(jié)重點學(xué)習(xí)三元催化裝置的原理及氧傳感器的電路檢修方法。1、教學(xué)內(nèi)容（1）三元催化裝置的作用；（2）三元催化裝置的工作原理；（3）氧傳感器及控制電路檢修。2、教師活動（1）教師用PPT講解相關(guān)三元催化裝置的名稱和圖片（2）教師用用PPT，結(jié)合黑板上板書三元催化裝置的工作原理，結(jié)合圖片進(jìn)行結(jié)構(gòu)和原理認(rèn)識。課前將學(xué)生分成6-8個人/小組。10分鐘10宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院Yibin Vocational & Techni

3、cal College教 學(xué) 步 驟 與 過 程備 注3、學(xué)生活動聽講并回答教師的問題附：主要知識一、三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）作用與結(jié)構(gòu) 三元催化轉(zhuǎn)化器是安裝于汽車排氣系統(tǒng)中最重要的機(jī)外凈化裝置，它可將汽車尾氣排出的 CO、HC 和 NOx 等有害氣體通過氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氮氣。由于這種催化器可同時將廢氣中的三種主要有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。 三元催化器類似消聲器，它的外面用雙層不銹薄鋼板制成筒形。在雙層薄板夾層中裝有絕熱材料石棉纖維氈。內(nèi)部在網(wǎng)狀隔板中間裝有凈化劑。凈化劑包括載體和催化劑兩部分。載體一般由三氧化二鋁制成， 其形狀有球形、多棱體形和網(wǎng)狀隔等。凈化劑實際上是起

4、催化作用的，也稱為催化劑，使用的材料為金屬鉑、銠、鈀等一些貴金屬以及稀土材料，將其中一種噴涂在載體上，就構(gòu)成了催化劑。將上述貴金屬和稀土材料按一定比例制成的催化劑，其催化效果更佳。網(wǎng)狀型三元催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)如圖4-81所示。二、三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）的工作原理 三元催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部裝有催化床，催化床內(nèi)附著鉑(或鈀)和銠的混合物。鉑能促使 CO、HC 氧化；而銠則能加速 NOx 的還原。當(dāng)高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，三元催化器中的凈化劑將增強(qiáng) CO、HC 和 NOx 三種氣體的活性，促使其進(jìn)行一定的氧化還原反應(yīng)。其中 CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳?xì)怏w；HC化合物在高溫下氧化成水(H

5、2O)和二氧化碳；NOx 還原成氮氣和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以凈化。 圖三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率與空燃比的關(guān)系三元催化器可將三種有害物質(zhì)轉(zhuǎn)換成無害物質(zhì)，NO 與O2 發(fā)生氧化反應(yīng)，CO 和HC 發(fā)生還原反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)方程式如下： NOx+CON2+CO2 NOx+HCN2+CO2+H2O O2+COCO2 O2+HCH2O+CO2 由化學(xué)方程式看出，三種有害物質(zhì)要全部轉(zhuǎn)化，空燃比必須非常接近理論比值，如能做到這一點，三種污染物都能達(dá)到很高的轉(zhuǎn)換。如圖1-3 所示，如若空燃比高于理論空燃比，廢氣中含氧量高，則 NOx 轉(zhuǎn)換率很低。如若空燃比低于理論比值，廢氣中不含氧，CO 和

6、HC 轉(zhuǎn)換率很低。由此可見，三元催化器必須要與電控燃油噴射系統(tǒng)配套使用。三元催化器只能適用于無鉛汽油做燃料的汽車，因為使用含鉛汽油，廢氣中的鉛就會復(fù)蓋住催化劑，使凈化器停止工作而不起任何作用，俗稱“中毒”。因此，汽車使用三元催化器的前提條件有二個：一是要用無鉛汽油，二是發(fā)動機(jī)要使用電控燃油噴射裝置。三元催化轉(zhuǎn)化器檢測前的準(zhǔn)備工作 三元催化轉(zhuǎn)換器(TWC)的任務(wù)是降低排放中的 CO、HC 和 NOX，但如果車輛的狀況很差，例如排出的 CO 值高于 1%，再有效的 TWC 也無能為力。所以在檢查 TWC 性能之前，必須首先用尾氣分析儀測量汽車尾氣中的 CO、HC 和 O2的含量，以判斷混合氣的濃度

7、是否合適，如果合適才能進(jìn)行 TWC 的性能檢測。在測量尾氣時候，先脫開 TWC 進(jìn)氣口，使發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至正常溫度，將測量管插入排氣管中至少 400mm，按照怠速法進(jìn)行測量。（注意：該項測試應(yīng)該在3min 內(nèi)完成）。若測量值不正常應(yīng)該先檢修發(fā)動機(jī)工作性能，直至數(shù)值在規(guī)定范圍之內(nèi)。待數(shù)值正常后，裝復(fù) TWC 進(jìn)氣口，在發(fā)動機(jī)溫度正常時檢測 TWC 的工作性能。TWC 常見故障及原因 三元催化轉(zhuǎn)化器的常見故障有：三元催化轉(zhuǎn)化器性能惡化；三元催化轉(zhuǎn)化器芯子堵塞后排氣不暢，產(chǎn)生過高的排氣背壓，使廢氣倒流到發(fā)動機(jī)內(nèi)。包括如下現(xiàn)象：（1）炭灰積聚、污染。含鉛汽油燃燒后會使三元催化轉(zhuǎn)化器很快受到損害；機(jī)油竄入汽

8、缸燃燒后機(jī)油中的磷和鋅等物質(zhì)也會污染三元催化轉(zhuǎn)化器。 （2）陶瓷芯子破損。熱循環(huán)的長期作用、外部碰撞和擠壓，都有可能使陶瓷芯子破損。 （3）陶瓷芯子熔化。三元催化轉(zhuǎn)化器正常工作時，三元催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的溫度一般可達(dá)500800，出口處溫度比進(jìn)口處溫度約高 30100。但是，混合氣濃或燃燒不完全時會使排氣中的 CO、HC 濃度過高，這將加重三元催化轉(zhuǎn)化器的負(fù)擔(dān)，使溫度升高過多，時間長后，會使三元催化轉(zhuǎn)化器的性能惡化，甚至熔化載體。 （4）三元催化轉(zhuǎn)化器上一般還裝有排氣溫度傳感器，當(dāng)溫度不定期高時，電控單元會切斷二次空氣供給，中斷催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)。典型轎車三元催化轉(zhuǎn)化器性能的檢測本田轎車三元催化轉(zhuǎn)化器檢測

9、過程如下：1.目測檢查 （1）檢查轉(zhuǎn)換器的外觀。如發(fā)現(xiàn)外殼被壓扁、銹蝕或出現(xiàn)凹痕，則應(yīng)更換轉(zhuǎn)換器。 （2）從汽車上拆除轉(zhuǎn)換器時， 用電筒照轉(zhuǎn)換器的排氣口處， 看是否被積炭或鉛污染物堵塞。 （3）輕輕搖動催化轉(zhuǎn)換器，聽聽內(nèi)部元件有無松動的跡象。如果發(fā)生元件堵塞、熔化或者其它形式的損壞，都應(yīng)更換轉(zhuǎn)換器。 2.功能測試 1-排氣歧管；2-氧傳感器；3-背壓表圖處檢測受阻排氣系統(tǒng)（1）以 2500r/min 的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)約 2min，將催化轉(zhuǎn)換器加熱至工作溫度。 （2）在催化轉(zhuǎn)換器的廢氣入口處和出口處分別接一支表面溫度探頭，測量溫度。 （3）出口處溫度至少應(yīng)比進(jìn)口處溫度高 38。 （4）如果溫差低

10、于規(guī)定值，則應(yīng)更換催化轉(zhuǎn)換器。 3.排氣受阻檢測 在氧傳感器或一氧化碳(CO)測試管處檢測排氣壓力的方法： （1）在氧傳感器（或一氧化碳測試管）處安裝排氣壓力表，如圖所示。（2）在正常工作溫度下發(fā)動機(jī)怠速時，壓力表讀數(shù)不應(yīng)超過 8.6kPa； （3）把發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高至 2000r/min。比壓力表的讀數(shù)不應(yīng)超出 20.7kPa； （4）如果在兩種轉(zhuǎn)速中的任何一種情況下背壓超出規(guī)定值，那么表明排氣系統(tǒng)受阻； （5）檢查排氣系統(tǒng)有無壓扁的管路；系統(tǒng)是否發(fā)生熱變形或者內(nèi)部消聲器是否出現(xiàn)故障； （6）如果沒有找到排氣系統(tǒng)背壓過高的明顯原因，那么可能是催化轉(zhuǎn)換器受阻； （7）完成檢測后，在重新安裝前用防

11、粘劑涂敷氧傳感器的螺紋。四、空燃比反饋控制1.氧傳感器的功用與類型排氣中的氧傳感器濃度可以反映空燃比的大小，所以在電子控制燃油噴射系統(tǒng)中廣泛使用了氧傳感器。氧傳感器將檢測到的氧氣濃度反饋給ECU，ECU根據(jù)此信號判斷空燃比是否偏離理論值，若偏離則調(diào)節(jié)噴油量，使空燃比控制在理論允許的范圍之內(nèi)。常見的氧傳感器有二氧化鋯和二氧化鈦型氧傳感器兩種類型。2. 二氧化鋯氧傳感器（1）結(jié)構(gòu)二氧化鋯型氧傳感器由二氧化鋯管、起電極作用的襯套，以及防止二氧化鋯管損壞和導(dǎo)入汽車的帶孔護(hù)罩等構(gòu)成，如圖所示。圖二氧化鋯氧傳感器1-鋯管；2-電極；3-彈簧；4-電機(jī)座；5-導(dǎo)線；6-排氣管；7-氣孔 (2) 工作原理此氧

12、傳感器安裝于排氣管上。二氧化鋯的管內(nèi)、外表面均涂有薄薄的一層鉑，鉑既起到電極作用，又具有催化作用。二氧化鋯管內(nèi)側(cè)通大氣，并且保持氧濃度不變，外側(cè)直接與氧濃度較低的排氣相抵觸。工作時，在排氣高溫作用下，氧氣發(fā)生分離，由于鋯管內(nèi)側(cè)氧離子濃度較高，外側(cè)氧在兩個表面電極有氧濃度差，氧離子就從濃度高的一側(cè)向低的一側(cè)流動，從而產(chǎn)生電動勢，所以二氧化鋯傳感器實際為一種容量較小的化學(xué)電池，也稱氧濃度差電池。當(dāng)混合氣稀（空燃比大）時，排氣中的氧含量高，傳感器元件內(nèi)、外側(cè)氧濃度差很小，氧化鋯元件內(nèi)、外側(cè)兩電極之間產(chǎn)生的電壓很低（接近于0V）；當(dāng)混合氣濃（空燃比?。r，排氣中幾乎沒有氧，傳感器內(nèi)、外側(cè)氧濃度差較大，

13、內(nèi)、外側(cè)電極之間產(chǎn)生的電壓較高（約1V)。在理論空燃比附近，氧傳感器輸出電壓信號值有一突變，如圖4-86所示。圖 二氧化鋯氧傳感器的輸出特性二氧化鋯管內(nèi)外涂有的鉑起到催化作用，能使排氣中氧氣與一氧化碳、碳化氫等發(fā)生反應(yīng)，減少排氣中氧含量，使外側(cè)鉑表面的氧幾乎不存在，提高了傳感器的靈敏度。氧化鋯在溫度超過300后，才能夠進(jìn)行正常的工作，早期使用的氧傳感器靠排氣加熱，這種傳感器必須在發(fā)動機(jī)起動運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)分鐘后才開始工作，它只有一根接線與ECU相連，現(xiàn)在，大部分汽車使用帶加熱器的氧傳感器，這種傳感器內(nèi)有一個電加熱元件，可在發(fā)動機(jī)起動后的20-30s內(nèi)迅速將氧傳感器加熱至正常的工作溫度。它有三根接線，一根

14、接ECU，另外兩根分別接地和電源。要準(zhǔn)確地保持混合氣濃度為理論空燃比是不可能的，實際上的反饋控制只能使混合氣在理論空燃比附近一個狹小的范圍內(nèi)波動，故氧傳感器的輸出電壓在0.1-0.9V之間不斷變化（通常每10s內(nèi)變化8次以上）。如果氧傳感器輸出電壓變化過緩（每1Os少于8次）或者電壓保持不變（不論保持在高電位或低電位），則表明氧傳感器有故障，需進(jìn)一步檢修。3.二氧化鈦氧傳感器圖 二氧化鈦氧傳感器結(jié)構(gòu)1-二氧化鈦元件；2-金屬外殼；3-陶瓷絕緣材料；4-接線頭；5-陶瓷元件；6-導(dǎo)線；7-金屬保護(hù)管圖 二氧化鈦氧傳感器輸出特性二氧化鈦氧傳感器是利用半導(dǎo)體材料二氧化鈦的電阻值，隨排氣中氧的含量變化

15、而變化的特性制成的，屬于電阻型氧傳感器。在常態(tài)下此傳感器具有較高的電阻值；二氧化鈦在表面缺氧時，電阻值降低。其結(jié)構(gòu)圖如圖所示。當(dāng)混合氣較稀時，排氣中氧含量多，氧濃度高，二氧化鈦呈高阻狀態(tài)；當(dāng)混合氣較濃時，排氣中氧含量低，二氧化鈦的電阻大大降低。其電阻值的變化在理論空然比附近發(fā)生突變，如圖4-88所示。二氧化鈦的電阻受溫度影響較大，所以在電路中一般接有熱敏電阻Rt，起到溫度補(bǔ)償作用。其輸出特性見圖所示。五、三元催化轉(zhuǎn)化器檢測前的準(zhǔn)備工作 三元催化轉(zhuǎn)換器(TWC)的任務(wù)是降低排氣中的 CO、HC 和NOx，但如果車輛的狀況很差，排出的CO的值高于1%，那么再有效的TWC也無能為力。所以在檢查 TW

16、C 性能之前，必須首先用汽車尾氣分析儀測量汽車尾氣中的CO、HC 和 O2的含量，以判斷混合氣的濃度是否合適，如果合適才能進(jìn)行TWC性能的檢測。在測量尾氣的時候，先脫開TWC 進(jìn)氣口，使發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至正常的溫度，將測量管插入排氣管中至少 400mm，按照怠速法進(jìn)行測量。（注意：該項測試應(yīng)該在3min 內(nèi)完成）。若測量值不正常應(yīng)該先檢修發(fā)動機(jī)的工作性能，直至數(shù)值在規(guī)定范圍之內(nèi)。待數(shù)值正常后，裝復(fù) TWC 進(jìn)氣口，在發(fā)動機(jī)溫度正常時檢測 TWC 的工作性能。 六、三元催化轉(zhuǎn)化器性能的檢測方法 （1）簡單人工檢查 通過人工的檢查可以從一開始判斷 TWC 是否有損壞。用橡皮槌輕輕敲打 TWC，聽有無“咔

17、啦”聲響，并伴隨有散碎物體落下。如果有此異響，則說明 TWC 內(nèi)部催化物質(zhì)剝落或蜂窩陶瓷載體可能破碎，那么就必須更換整個轉(zhuǎn)換器了。如果沒有上述異響，應(yīng)該檢查 TWC 是否有堵塞。TWC芯子堵塞是比較常見的故障，可以用下面兩種方法進(jìn)行。 一種方法是檢測進(jìn)氣歧管的真空度法。將廢氣再循環(huán)（EGR）閥上的真空管取下，將管口塞住，避免產(chǎn)生虛假的真空泄漏現(xiàn)象。將真空管接到進(jìn)氣歧管上，讓發(fā)動機(jī)緩慢加速到2500r/min。若真空表讀數(shù)瞬間又回到原有水平（47.574.5kPa）并能維持 15s，說明TWC沒有堵塞。否則應(yīng)該懷疑是 TWC 或排氣管有堵塞。 另一種方法是檢測排氣背壓法。從二次空氣噴射管路上脫開

18、空氣泵止回閥的接頭，再在二次空氣噴射管路中接上一個壓力表。在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2500r/min 時觀察壓力表讀數(shù)，此時讀數(shù)應(yīng)該小于 17.24kPa，如果排氣背壓大于或等于 20.70kPa，則表明排氣系統(tǒng)有堵塞。若觀察 TWC、消聲器及排氣管沒有外傷，可將TWC 出口和消聲器脫開后觀察壓力表讀數(shù)是否有變化。若壓力表顯示排氣背壓仍較高，則為 TWC 損壞：若壓力表顯示排氣背壓陡然下降，則說明有堵塞發(fā)生在 TWC 出氣口后面的部件。 （2）怠速試驗法檢查 讓發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，使用尾氣分析儀測量此時排氣的CO值。當(dāng)發(fā)動機(jī)正常工作時候（空燃比為 14.7:1），這時的CO典型值為 0.51%，當(dāng)使用二次空

19、氣噴射和 TWC技術(shù)可以使怠速時的CO值接近于0，最大不應(yīng)超過 0.3%，否則說明 TWC 已經(jīng)損壞。另外，據(jù)經(jīng)驗分析，怠速時的NOx的排放量也能給我們一些幫助。通常在怠速的時候NOx數(shù)值應(yīng)不高于 100ppm，而在穩(wěn)定的工況下，NOX 數(shù)值應(yīng)該不高于1000ppm，在發(fā)動機(jī)正常的情況下，而NOx過高就可以懷疑是TWC 故障了。 （3）快怠速試驗法測量 使發(fā)動機(jī)處于快怠速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并用轉(zhuǎn)速表測量快怠速是否符合規(guī)定值。用尾氣分析儀測量發(fā)動機(jī)處于快怠速狀態(tài)下尾氣中的CO和HC的含量。如果發(fā)動機(jī)性能良好，則CO的值應(yīng)該在 1.0%以下，HC應(yīng)該在 10ppm 以下。若兩個數(shù)值都超標(biāo)，可臨時拔下空氣泵

20、的出氣軟管，此時若CO和HC的值不變，則可以判定 TWC已損壞，若讀數(shù)上升，而重新接上軟管后又下降，則說明是燃油噴射系統(tǒng)故障或是點火系統(tǒng)故障。 （4）穩(wěn)定工況試驗法 在完成基本的怠速試驗后進(jìn)行該項試驗。按照廠家的規(guī)定接好汽車專用數(shù)字式轉(zhuǎn)速表，使發(fā)動機(jī)緩慢的加速，同時觀察尾氣分析儀上的CO和HC的值，當(dāng)轉(zhuǎn)速加到2500r/min 并穩(wěn)定后，CO和HC數(shù)值應(yīng)有緩慢的下降，并且穩(wěn)定在低于或接近于怠速時的排放水平，否則懷疑是TWC已經(jīng)損壞。這種方法不但能對TWC 是否有故障做出判斷，還能有效地綜合分析TWC在汽車行駛中的實際效能。這時因為TWC 性能評價指標(biāo)中有一項“空速特性檢驗 ”，它表示了受反應(yīng)氣

21、體在催化劑中的停留時間。如性能差， TWC 盡管在低空速速（如怠速）時表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)化效率，但是在高空速（如實際行駛）時的轉(zhuǎn)化效率卻是很低的，因而不能僅憑借怠速工況評價催化劑的活性是否正常。此外，在具體檢測中，還需要注意 TWC 的空燃比特性。TWC在過量空氣系數(shù)為1的附近時，轉(zhuǎn)換效率最高，實際使用中就需要閉環(huán)電子控制燃油供給系統(tǒng)和氧傳感器的配合。開環(huán)時候由于無法給予精確的空燃比，轉(zhuǎn)換效率僅有60%左右，而閉環(huán)時平均轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 95%，因此，在對TWC 產(chǎn)生懷疑的時候，也應(yīng)該對電控系統(tǒng)和氧傳感器進(jìn)行相應(yīng)的檢測。（5）紅外溫度計測量法 這是一種比較簡單的測量方法。TWC 在實際使用過程中，其出口管道的溫度比進(jìn)口管道的溫度至少高出38，在怠速時，其溫度也相差10%。但是若出口與入口處的溫度沒有差別或出口溫度低于入口溫度， 則說明TWC沒有參加氧化反應(yīng)，此時應(yīng)該檢查二次空氣噴射泵是否有故障，若無故障，就說明TWC 已損壞。 （6）利用雙氧傳感器信號電壓波形分析 目