1.三元催化转化器的结构原理

三元催化转化器（TWC）安装在排气管靠近发动机的位置上。现代汽车发动机广泛使用三元催化转化器对废气排放进行净化，三元催化转化器内部是三元催化剂，三元催化剂一般为铂（或钯）与铑的混合物。如图6-11所示，当废气通过三元催化转化器时，三元催化转化器中的催化剂能促使CO、HC的氧化反应，也能促使NO_x的还原反应，从而使CO、HC和NO_x三种有害气体转化成无害气体（CO₂、H₂O、N₂、O₂）排入大气中。而三元催化转化器对CO、HC和NO_x等有害气体催化转换为CO₂、H₂O和N₂等无害气体的转化效率，在空燃比为14.7∶1（过量空气系数为1）的很小范围内时，都能达到比较理想的范围。

图6-11 三元催化转化器的外形与作用

因此，使用氧传感器对发动机的空燃比进行检测，使混合气的过量空气系数保持在1附近，能提高三元催化转化器对有害气体的转化效率。

当发动机排出的废气通过三元催化转化器时，在催化剂的作用下，废气中的HC、CO、NO_x进行了如下的氧化、还原反应：

2CO+O₂→2CO₂ （氧化反应）

4HC+3O₂→2H₂O+4CO （氧化反应）

2NO+2CO→N₂+2CO₂ （还原反应）

2NO+HC→N₂+H₂O+CO₂ （还原反应）

当计算机根据氧传感器的反馈信号控制喷油器的喷油量，将混合气的浓度控制在理论空燃比附近时，通过上述氧化、还原反应可将废气中的有害成分HC、CO、NO_x的80%以上转换成无害气体。

三元催化转化器的结构如图6-12所示。

（1）各组成部分的功用

1）载体。它为蜂窝状的陶瓷体，载体的孔洞表面有氧化铝涂层，将铂（Pt）和铑（Rh）组成的催化剂牢固地黏附在孔洞的表面。发动机排出的废气从载体的孔洞中通过时，在催化剂的作用下起化学反应。

2）隔离衬垫。它由陶瓷纤维、蛭石颗粒等组成，填充于壳体与载体之间，以使废气能全部从载体孔洞通过。

3）隔热材料。它由陶瓷纤维或铝纤维组成，其作用是减少向外传热，以降低壳体的温度。

4）壳体。它由钢板冲压而成，起包容载体、屏蔽噪声和气流导向的作用。

5）屏蔽护罩。它由穿孔的铁板冲压而成，起降低外表面温度、减少热储存、保护壳体免受冲击的作用。

三元催化转化器的安装位置如图6-13所示，位于排气管中氧传感器和消声器之间。

图6-12 三元催化转化器的结构

1—隔离衬垫 2—隔热材料 3—壳体 4—屏蔽护罩 5—载体（催化剂、涂层）

图6-13 三元催化转化器的安装位置

（2）三元催化转化器的控制原理 当发动机在冷车或高负荷状态下运转时，为保持良好的性能，ECU进行开环控制，提供较浓的混合气；当发动机在正常工作状态下（中小负荷）时，ECU通过氧传感器反馈的信号，进行闭环控制，以得到最佳的空燃比，使三元催化转化器达到最佳的转化效率。

图6-14 三元催化转化器的转化特性

如图6-14所示，影响三元催化转化器转化效率的最大因素是混合气的浓度和排气温度。只有在理论空燃比14.7∶1附近，三元催化转化器的转化效率最佳，一般都装有氧传感器检测废气中氧的浓度，氧传感器将信号输送给ECU，用来对空燃比进行反馈控制。

（3）对三元催化转化器的监控 ECU通过采用双氧传感器的方法，对催化转化器的转化效率进行间接判断。所谓双氧传感器方法就是通过比较上下游氧传感器的电压的幅值和频率，来判断转化器的能力，进而判断三元催化转化器是否正常（图6-15）。

图6-15 催化器在正常和异常情况下氧传感器的波形

2.三元催化转化器的故障及检修

（1）常见故障现象 三元催化转化器失效会导致发动机废气排放量大，三元催化转化器发堵会造成发动机起动困难或最高车速降低。

（2）常见故障原因

1）因使用了含铅汽油，催化剂表面会因被覆盖而失效，载体孔洞表面沉积了铅（铅中毒），而失去催化反应的作用。(www.daowen.com)

2）因排气中的HC含量过高而使三元催化转化器内的反应（燃烧）过于强烈，反应温度过高而被烧坏或长期在高温下工作而老化。

3）因碰撞、振动等而使三元催化转化器壳体或载体等有变形、破裂等机械损伤。

4）排气中的锌、磷、碳等在载体表面沉积（惯性中毒）而使其慢慢失去催化反应的作用，甚至造成排气发堵。

（3）三元催化转化器的检修 起动发动机，接真空表，缓慢加速，真空度逐渐下降，说明排气系统有阻碍现象。有可能是三元催化转化器堵塞，拆下三元催化转化器，用手电筒或其他照明灯具照明，检查催化转化器是否有堵塞、熔化、开裂和其他损伤。如果有，则需更换三元催化转化器。如果从里面能倒出很多粉末，说明三元催化转化器已经损坏，需要更换。

若是催化转化器烧坏，除了更换新的三元催化转化器外，还应检查有无引起发动机缺火或燃烧不完全的其他故障：

1）点火系统故障，如火花塞有无积炭或烧损、高压导线是否脱落或接触不良、点火线圈是否有短路或漏电等而使某缸不着火或火花弱。

2）喷油器故障，如喷油器是否因阀关闭不严而滴油、喷油器积炭或通道堵塞等而使混合气过浓导致燃烧不完全或混合气过稀而不着火。

3）供油系统故障，如燃油滤清器堵塞、燃油泵性能不良、油管堵塞等使供油不畅，造成混合气过稀而不着火。

4）传感器故障，如冷却液温度、进气温度、节气门位置、车速、进气压力、氧传感器或其线路有故障时，容易使发动机在混合气过浓的状态下工作。

5）发动机故障，冷起动困难，起动时间过长。

（4）装备三元催化转化器车型的使用与维修注意事项 为保证三元催化转化器正常工作，延长其使用寿命，使用及维修中应尽量减少铅、锌、硫、磷及碳氢化合物排入三元催化转化器。三元催化转化器不仅怕铅，其他很多重金属也会对它造成损害。炽热高温的排气，容易造成三元催化转化器损坏。例如，喷油器泄漏大量油滴，未能在气缸内燃烧，而可能被其他气缸的排气点燃，形成炽热的排气。

1）只能使用规定标号的无铅汽油，三元催化转化器在使用过程中会因为燃油不纯而使表面有铅、锌、硫、磷等杂质的沉积，造成三元催化转化器失效。

2）不准使用没有认可或推荐的汽油添加剂、机油及机油添加剂。因为机油或多或少地会进入气缸参加燃烧，添加剂中的铅会随排气附着在三元催化转化器的表面，使三元催化转化器失效，严重的还有可能损坏发动机。机油消耗异常时，应尽快解决，因为机油中所含的磷会使氧传感器及三元催化转化器失效。

3）严禁用起动机带动车辆移动。

4）不要在有易燃物（如干草、汽油、酒精及一些有机溶剂等）的路面和场地行驶及停车，以避免温度很高的三元催化转化器点燃易燃物而造成火灾。

5）当蓄电池电压不足或起动机故障时，不得长时间使用外力的方法起动发动机，因为系统通电后，只要收到发动机转动信号，喷油就开始；若发动机长时间不着车，未燃烧的燃油就会积存在三元催化转化器内，一旦发动机开始工作，积存的燃油就会损坏转化器。

6）当燃油过低警告灯亮时，应尽早加满燃油，以避免燃油箱燃油液面过低而使油路中出现空气或油气，混合气过稀，导致发动机空燃比不在理论空燃比附近，增加三元催化转化器的负荷。

7）维修时，不能用断火法来判断各缸的工作情况，因为喷油器仍在工作，已喷出未燃烧的汽油会在三元催化转化器中燃烧并迅速造成破坏，在用起动机带动发动机测量气缸压力时，必须拔下喷油器插头。

8）定期检查和清洗喷油器，及时排除喷油器滴油、通道堵塞、表面积炭等故障，定期检查点火系统，及时排除高压线脱落或接触不良、火花塞积炭或烧损、点火线圈及线路不良等故障。

9）三元催化转化器属于贵重易碎物，三元催化转化器固定不牢或汽车在不平路面上行驶时的颠簸，容易导致转化器中的催化剂载体损坏。紧固氧传感器和三元催化转化器接口端面螺栓，确保接头面的密封；必要时以1.3×10⁵Pa气压检查排气系统，应无明显泄漏。

10）36个月及之后的每24个月的附加保养项目，检测废气排放。排气背压在三元催化转化器之前小于440×10²Pa（4G63）。装用蜂巢型转化器的汽车，一般汽车每行驶80000km应更换转化器芯体。装用颗粒型转化器的汽车，其颗粒形催化剂的重量低于规定值时，应全部更换。

（5）维修案例

故障案例1：奥迪V62.6L发动机起动困难。

①故障现象：该车不易起动，怠速时发动机抖动，一起步就熄火，无法行驶。

②故障排除：该车已在几家修理厂检修过，车况不见好转。用故障诊断仪读取故障码，无故障码出现，显示一切正常。检查各缸喷油器、高压线及高压火，均正常；测量缸压，在规定范围内；检查正时齿带，有些松，但没有跳齿。检查各缸火花塞时看到2、4、6缸火花塞显示燃烧正常，而1、3、5缸火花塞上有一层黑色的炭灰。该车为顺序喷油，不可能出现左列与右列气缸喷油不一样的情况。根据该现象仔细观察左右排气管口，看到右排气管口排出的废气不如左边的有力，由此联想到右排气管可能有堵塞的地方。将车举升，用手触摸排气管，发现左侧烫手，右侧不烫手。经过细致检查，发现右侧排气管上的三元催化转化器已严重堵塞，造成排气不畅。这样就使进气歧管内混合气相互干扰，各缸得不到正常的可燃混合气，发动机也就不能正常工作了。更换右侧的三元催化转化器后，上述故障排除。

故障案例2：雷克萨斯起动困难。

①故障现象：丰田雷克萨斯400豪华轿车，故障初期主要表现为发动机转速提升困难，故障灯亮，随着故障的发展，又出现了起动困难的现象，且每行驶几公里即熄火，过一段时间才能再行起动。

②故障排除：该车故障现象与燃油雾化不良很类似，燃油雾化不良为电喷车常见故障，主要原因为电动燃油泵泵油压力不足、燃油滤清器阻塞、喷油器积炭等。打开发动机罩，先进行汽油压力测试，正常。拆检燃油滤清器正常，喷油器有少许积炭，清洗装复后，故障依旧。

打开点火开关，读取故障码为“21”“28”和“71”，“21”“28”为发动机主氧传感器故障，“71”为废气再循环（EGR）系统故障。限于现实使用条件，主氧传感器是大部分现用电喷车常见故障。EGR系统出现故障，常见部位为废气再循环阀，而随后对它的检查未见异常。据驾驶人反映，在偏远地区加油后，汽车行驶即逐渐不正常，于是怀疑油品质有问题，换油后故障依旧。

既然供油系统正常，油也没问题，只有从点火方面入手了。拆检火花塞，间隙正常，有轻微烧蚀和积炭。做火花试验，火花强劲，用正时灯检查，点火提前角正常。

起动中无意中听到进气管有连续的漏气声，查找漏气部位，发现漏气声是从废气再循环阀处产生的，而对该阀的检查未出现异常。仔细考虑推断，漏气声很可能是由于排气管堵塞后排气压力太大，直接顶开废气再循环阀产生的。起动电动机，果然排气很弱，拆下发动机与消声器之间的接口，发动机很顺利地起动了，当然，噪声很大。拆下排气管中段，目视三元催化转化器已经破裂，用撬棍打通并取出催化转化器，同时用乙炔烧过主氧传感器，装复，消除故障码后试车，发动机恢复正常。

③故障分析：为了有效减少排气污染，高档轿车排气管中均装有促进废气转化的三元催化转化器，为了提高转化效率，多制成孔状，以增大反应接触面积。该车因长期使用不良汽油，导致催化转化器中毒，堵塞排气管，排气背压剧增，直接顶开再循环阀，使其动作失准，产生故障码“21”“28”。排气管堵塞后，排气背压增大，导致各缸排气不彻底，同时经过废气再循环阀漏入的废气进一步劣化了混合气，使发动机加速性能下降，随着排气堵塞的加剧，加速性能不断恶化，最终出现难以起动、容易熄火的故障。

在排除电控系统故障时读取故障码，可以为故障诊断提供依据，但故障码并不一定能完全反映出故障的症结所在。有些时候，在排除故障码所指出的原因后，要根据故障码所示的内容，检查相关部件，经过合理的分析和判断来确定故障的根本原因。