三元催化转化器发明者

带有氧传感器的三元催化转换器是汽车排放控制方面最重要的发明之一，它是在环保技术专家斯蒂芬·沃尔曼（StephenWallman）的领导下，由沃尔沃汽车公司在二十世纪70年代初开发出的。

1976年，当首批装有带有氧传感器的三元催化转换器的沃尔沃汽车抵达加利福尼亚时，当地官员亲自开到位于华盛顿国会山的美国国会，问了这样一个问题：“为什么像沃尔沃这样的小公司能够研制出这样的设备而美国汽车厂家却没有？”

三元催化转换器的发明者斯蒂芬·沃尔曼以其在沃尔沃汽车公司开创性的环保技术成就，被瑞典皇家汽车俱乐部授予Clarence von Rosen金质奖章。

催化转换器(CatalyticConverter)，又叫催化净化器。该装置安在汽车的排气系统内，其作用是减少发动机排出的大部分废气污染物。三元催化转换器由一个金属外壳，一个网底架和一个催化层(含有铂、铑等贵重金属)组成，可除去HC(碳氢化合物)、CO(一氧化碳)和NOx(氮氧化合物)三种主要污染物质的90%(所谓三元是指除去这三种化合物时所发生的化学反应)。当废气经过净化器时，铂催化剂就会促使HC与CO氧化生成水蒸汽和二氧化碳；铑催化剂会促使NOx还原为氮气和氧气。这些氧化反应和还原反应只有在温度达到250℃时才开始进行。如果汽油或润滑油添加剂选用不当，使用了含铅的燃油添加剂或硫、磷、锌含量超标的机油添加剂，就会使磷、铅等物质覆盖于三元催化转换器的催化层表面，阻止废气中的有害成分与之接触而失去催化作用，这就是人们常说的三元催化器三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。由于这种催化器可同时将废气中的工种主要有害物质更多>>

“中毒”。

1.作用：用三元催化转换器可降低所排废气中的三种主要污染物(碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NOx)约90%。但只有当空/燃混合比在14.7的狭窄范围内时，才能进行完全催化反应，这就要求氧传感器的工作必须正常。

2.工作原理：当含有CO和HC的废气通过三元催化转换器时，销催化剂便触发氧化(燃烧)过程，HC和CO与转换器中的氧结合生成水蒸气和二氧化碳，氧化过程对NOx排放没有影响。

为了减少NOx的含量，需要进行“还原”反应。还原反应是去掉物质中的氧原子。在三元催化转换器中，铑被用作催化剂，将NOx分解为氮和氧，当温度为250℃左右时，污染物便会发生有效的转化。

3.结构：三元催化转换器由金属外壳、陶瓷格栅基底和大约2g(克)左右的铑、铂涂层(作为催化剂)组成。

如果排放控制系统回压压力过高和/或废气排放超标，则从车上拆下三元催化转换器，目视检查它有无堵塞、熔化或陶瓷格栅内部有无裂纹，如果发现有损坏，应更换三元催化转换器。

(5S-FE)

1.三元催化转换器(整体式)的拆装：

(1)安全地顶起汽车。

(2)在三元催化转换器冷却后，拧下连接排气管与三元催化转换器的4个螺栓和螺母。

(3)拆下三元催化转换器和密封垫片。

(4)换上2片新密封垫片，放在前后排气管上。

(5)安装三元催化转换器，拧紧螺栓和螺母，其拧紧扭矩为43N.m。

2.预热式三元催化转换器(整体式)的拆装：

(1)拆开电瓶负极电缆。

注意，拆装必须在点火开关转至K口〈位且电瓶负极电缆拆开90s后进行。

(2)拆下前排气管

①松开2个螺栓，并拆开支架。

②拆下前排气管与中间排气管的2个紧固螺栓和2个紧固螺母。

③使用14mm的套筒扳手，拆下前排气管与预热式三元催化转换器的3个紧固螺母。

④拆下前排气管和密封垫片。

(3)拆下预热式三元催化转换器：

①检查预热式三元催化转换器是否冷却。

②拆开副氧传感器接头。

③拆下螺栓，螺母和No.1排气歧管支架。

④拆下螺栓、螺母和排气歧管支架。

⑤拆下3个螺栓、2个螺母、预热式三元催化转换器、密封垫片、护圈和衬垫。

⑥从预热式三元催化转换器上拆下5个螺栓和2个隔热罩。

(4)重新安装预热式三元催化转换器：

①使用8个螺栓将2个隔热罩安装在新的预热式三元催化转换器上。

②将新的衬垫、护圈和密封垫片装在预热式三元催化转换器上。

③使用3个螺栓和2个新螺母安装预热式三元催化转换器，拧紧扭矩为29N.m。

④使用螺栓和螺母安装排气歧管支架，拧紧扭矩为42N.m。

⑤使用螺栓和螺母安装No.1排气歧管支架，拧紧扭矩为42N.m。

⑥连接副氧传感器接头。

(5)重新安装前排气管。

①在前排气管左右端换上2片新密封垫片。

②临时安上前排气管与中间排气管的2个紧固螺栓和2个新的紧固螺母。

③使用14m长的套筒扳手，拧紧前排气管与预热式三元催化转换器的1个新的紧

固螺母，拧紧扭矩为62N.m。

④拧紧前排气管与中间排气管的2个紧固螺栓和2个紧固螺母，拧紧扭矩为56N.m。

⑤使用2个螺栓安装支架。

(6)连接电瓶负极电缆。

催化转换效率受很多因素的影响，最主要的因素是排气中的氧气浓度（也即进入缸内的混合气的空燃比）和催化转换器温度。另外，铅和硫等元素对催化转换器会造成非常负面的影响，因为铅和硫等会与催化活性物质作用形成新的结晶体结构或沉积在催化物质上面，从而破坏催化物质的表面活性，这就是所谓的催化器中毒，是影响催化器寿命的最为严重的物理现象。因此，使用催化转换器的前提是汽油的无铅化。硫主要对稀土类催化器的寿命有较大影响

伴随世界各国对排放法规实施日益严格，各种机外净化技术也纷纷产生。其中，三元催化转换器（简称TWC：threewaycatalystconverter）的研制成功对于与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。目前三元催化转换器技术已经在汽油车上广泛使用。不过，由于三元催化转换器受本身的工作环境十分恶劣以及其转化性能特点的影响，在使用过程中也会有各种不同故障产生。例如，由于三元催化转换器堵塞造成的发动机动力下降、熄火或启动困难及尾气超标等现象，很可能干扰我们的故障判断。除此之外，还会造成严重的后果，例如三元催化转换器中颗粒催化物的熔化，催化转换装装置内部的蜂窝陶瓷状基底因过热而破裂等带来的损失。

三元催化转换器(TWC)的任务是降低排放中的CO、HC和NOX，但如果车辆的状况很差，例如排出的CO值高于1%，再有效的TWC也无能为力。所以在检查TWC性能之前，必须首先用尾气分析仪测量汽车尾气中的CO、HC和O2的含量，以判断混合气的浓度是否合适，如果合适才能进行TWC的性能检测。在测量尾气时候，先脱开TWC进气口，使发动机运转至正常温度，将测量管插入排气管中至少400mm，按照怠速法进行测量。（注意：该项测试应该在3min内完成）。若测量值不正常应该先检修发动机工作性能，直至数值在规定范围之内。待数值正常后，装复TWC进气口，在发动机温度正常时检测TWC的工作性能。

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。TWC芯子堵塞是比较常见的故障，可以用下面两种方法进行。

第一种方法是检测进气歧管真空度法。将废气再循环（EGR）阀上的真空管取下，将管口塞住，避免产生虚假真空泄漏现象。将真空管接到进气歧管上，让发动机缓慢加速到2500r/min。若真空表读数瞬间又回到原有水平（47.5～74.5kPa）并能维持15s，则说明TWC没有堵塞。否则应该怀疑是TWC或排气管堵塞。

第二种方法是检测排气背压法。从二次空气喷射管路上脱开空气泵止回阀的接头，再在二次空气喷射管路中接一个压力表。在发动机转速为2500r/min时观察压力表的读数，此时读数应该小于17.24kPa，如果排气背压大于或等于20.70kPa，则表明排气系统堵塞。若观察TWC、消声器及排气管没有外伤，则可将TWC出口和消声器脱开后观察压力表读数是否有变化。若压力表显示排气背压仍然较高，则为TWC损坏：若压力表显示排气背压陡然下降，则说明堵塞发生在TWC出气口后面的部件。

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。另外，据经验分析，怠速时候的NOX的排放量也能给我们一些帮助。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TWC故障了。

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。

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。这时因为TWC性能评价指标中有一项“空速特性检验”，它表示了受反应气体在催化剂中的停留时间。性能差TWC尽管在低空速（如怠速）时表现出较高的转化效率，但是在高空速（如实际行驶）时的转化效率是很低的，因而不能仅凭借怠速工况评价催化剂的活性是否正常。此外，在具体检测中，还需要注意TWC的空燃比特性。TWC在过量空气系数为1的附近时，转换效率最高，实际使用中就需要闭环电子控制燃油供给系统和氧传感器的配合。开环时候由于无法给予精确的空燃比，转换效率仅仅有60%左右，而闭环时平均转换效率可达95%，因此，在对TWC进行怀疑的时候，也应该对电控系统和氧传感器进行相应检测。

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。

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。OBD-Ⅱ诊断系统改进了TWC的随车监视系统，安装在TWC后端的氧传感器电压波动要比安装在TWC前端的氧传感器电压波动少得多。这是因为运行正常的TWC转化CO和HC时消耗氧气。当TWC损坏时，其转换效率基本丧失，使前、后端的氧气值接近，此时氧传感器信号的电压波形和波动范围均趋于一致，因此，需要更换TWC。

三元催化转化器的常见故障有：三元催化转化器性能恶化；三元催化转化器芯子堵塞后排气不畅，产生过高的排气背压，使废气倒流到发动机内。包括如下现象：

①炭灰积聚、污染。含铅汽油燃烧后会使三元催化转化器很快受到损害；机油窜入汽缸燃烧后机油中的磷和锌等物质也会污染三元催化转化器。

②陶瓷芯子破损。热循环的长期作用、外部碰撞和挤压，都有可能使陶瓷芯子破损。

③陶瓷芯子熔化。三元催化转化器正常工作时，三元催化转化器内的温度一般可达500～800℃，出口处温度比进口处温度约高30～100℃。但是，混合气浓或燃烧不完全时会使排气中的CO、HC浓度过高，这将加重三元催化转化器的负担，使温度升高过多，时间长后，会使三元催化转化器的性能恶化，甚至熔化载体。

④三元催化转化器上一般还装有排气温度传感器，当温度不定期高时，电控单元会切断二次空气供给，中断催化转化反应。

三元催化反应器的工作原理

车辆上采用电喷射系统的目的保证燃料混合浓度接近于理想空燃比。理想空燃比对于催化转换器正常工作是很重要的，安装催化转换器的目的是降低有害气体排放。采用连续分析排气中氧气含量的λ传感器，可以获得理想的混合气浓度。如果空燃比不是理想值，通过累进地计量燃油喷入量，ECU可连续调整混合气浓度。

根据λ传感器信号，ECU自动校正CO%的正确值（闭环运行）。而当λ传感器失效时，ECU可以在开环中工作。在吸热发动机中，燃烧是由氢气和氧气之间的反应产生的，紧接着发出热量.燃油是由碳氢混合物组成，它本身包含以不同方式结合在一起的碳原子和氢原子（石蜡、烯族烃、芳香烃）。

空气和燃油混合燃烧的主要生成物是二氧化碳（CO2）水蒸气（H2O）、一氧化碳（CO）和小百分比的未燃烧的碳氢(HC)和氧化氮(NOx)。后两种按ppm计量。对于污染问题，只有一氧化碳以体积形式大量存在。氮氧化物由氧化的混合气组成，主要如下：氧化二氮、一氧化氮（NO）、二氧化氮NOx是表示这些氧化物的传统的符号，其中NO占总数的95%以上。

为了把污染减少到最小程度（CO、HC和NOX），“λ传感器”被装到系统中，用于检测排气中氧的含量。从传感器输出的信号送到ECU，用来调整空燃混合比，从而保证催化转换器处于最佳工作状态。

TRI-D三元催化转换器

●工作原理

通过贵金属(铂、铑、钯)催化剂的作用,使汽车尾气中有害物质,包括碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx),经化学反应转化为无害的二氧化碳(CO2)、水(H2O)及氮气(N2).

●授权

由美国东方(Eastern)制造有限公司,及莱维塞公司(LeviathanCorporation)授权天笛公司为TRI-D三元催化转换器中国总代理.

●产品概况

TRI-D牌三元催化转换器于1986年通过美国EPA和CARB的检测认证,并达到欧洲R103规则标准的要求.Eastern公司为美国首家获得该许可的通用型三元催化转换器生产企业.产品性能满足国家及北京市相关要求.

可根据不同品牌的不同车型设计加工产品,即可满足整车配套的要求,也可满足在用车转换器失效时更换的要求.

使用寿命：在车况正常的情况下,针对在用车更换为使用2年或行驶50000公里;针对整车配套为行驶80000公里.

●安装说明

安装前注意事项

安装前应确保发动机处于二级保养后正常状态，如有下列现象应及时维修调整：

1．发动机已磨损而燃烧机油,排气管冒黑烟.

2．安装前排气污染物浓度过大(CO≥8％、CH≥5000ppm).

3．本产品必须避免撞击、灌水、浸水,否则将会大幅度降低催化器的净化效果.

安装产品对车辆的要求

化油器汽车：安装产品前务必对车辆做如下项目的检修、保养：

1．化油器清洗.

2．清洁白金触点,调整白金间隙.

3．校正点火提前角.

4．清除火花塞积炭,调整火花塞间隙.

5．清洁和更换空气滤清器.

6．调整发动机怠速.

7．测量气缸压力.

电喷汽车：安装产品前务必对车辆做如下项目的检修、保养：

1．清洗或更换空气滤清器.

2．检查汽缸压力.

3．校正点火提前角.

4．检查各传感器、喷嘴及电控系统.

安装要求

1．安装时切割下原车第一级消声器,将管口去毛刺、校圆,启动汽车发动机约30秒,吹除管道内杂物,在相应位置上按合适的安装方法连接上本净化器,注意联接处要牢固、密封,防止松动.

2．安装时务必注意净化器的气流方向(区分净化器的进气端与排气端),有隔热板的净化器请将隔热板朝上安装.

3．装净化器后,需检查接合部位有无漏气现象.

由于三效催化转化器的工作要求比较严格，如果使用不当，会造成催化器早期失效层至损坏。造成三元催化转化器早期失效的原因有:

常温下三元催化转化器不具备催化能力，其催化剂必须加热到一定温度才具有氧化或还原的能力，通常催化转化器的起燃温度在250-350℃，正常工作温度一般在350-700℃。催化转化器工作时会产生大量的自量越高，氧化的温度也愈高，当温度超过850-1000℃时，其内涂层的催化剂很可能会脱落，载体碎裂。

所以必须注意控制造成排气温度升高的各种因素，如点火时间过迟或点火次序错乱、断火等，这都会使未燃烧的混合气进入催化反应器，造成排气温度过高，影响催化转化器的效能。

催化剂对硫、铅、磷、锌等元素非常敏感，硫和铅来自于汽油，磷和锌来自于润滑油，这四种物质及它们在发动机中燃烧后形成氧化物颗粒易被吸附在催化剂的表面，使催化剂无法与废气接触，从而失去了催化作用，即所谓的"中毒"现象。

当汽车长期工作于低温状态时，三元催化器无法启动，发动机排出的炭烟会附着在催化剂的表面，造成无法与CO和HC接触，长期下来，便使载体的孔隙堵塞，影响其转化效能。

催化转化器对污染物的转化能力有一定的限度，因此必须通过机内净化技术将原始排气降到最低。如果排放的废气污染物各成分的浓度、总量过大，比如混合气偏浓等，就会影响催化器的催化转化能力，降低其转化效率。此外，由于废气中有大量的HC和CO进入催化反应器后，会在其中产生过度的氧化反应，氧化反应产生大量热量将使催化反应器温度过高而损坏。

即使是同样的发动机，同样的三元催化转化器，车型不同，发动机常用的工作区间就不同，排气状况就发生变化，安装三元催化器的位置就不同，这都会影响三元催化转化器的催化转化效果。因此，不同的车辆，应使用不同的三元催化转化器。

为使废气催化率达到最佳(90%以上)，必然在发动机排气管中安装氧传感器并实现闭环控制，其工作原理是氧传感器将测得废气中氧的浓度，转换成电信号后发送给ECU，使发动机的空燃比控制在一个狭小的、接近理想的区域内(14.7:1)，若空燃比大时，虽然CO和HC的转化率略有提高，但NOx的转化率急剧下降为20%，

因此必须保证最佳的空燃比，实现最佳的空燃比，关键是要保证氧传感器工作正常。如果燃油中含铅、硅就会造成氧传感器中毒。

此外使用不当，还会造成氧传感器积碳、陶瓷碎裂、加热器电阻丝烧断、内部线路断脱等故障。氧传感器的失效会导致空燃比失准，排气状况恶化，催化转化器效率降低，长时间会使催化转化器的使用寿命降低。

使用时应注意的问题鉴于三效催化转化器早期失效的原因，使用时应注意如下事项:

1、勿用含铅汽油。

2、勿长期急速运转(开环控制状态)。

3、勿让发动机转速忽快忽慢。

4、点火时间勿太迟。

5、长时间启动不着。

6、不要长时间拔出高压线试火。

7、测量气缸压力时，要拔下燃油泵的中控接头，从而能停止喷油器向气缸内喷油。

8、发现有气缸工作不良时，应及时停车检查、排除故障。

9、避免混合气偏浓的诸多因素，如喷油器关闭不严，燃油压力调节器失效(油压过高)、氧传感器失效、空气流量传感器失效等。

10、催化转化器只要正确使用，一般不需要维护，故不要随便拆卸，如需更换时一定要与发动机匹配。

随着环境保护要求的日益苛刻，越来越多的汽车安装了废气催化转化器以及氧传感器装置。它安装在发动机排气管中，通过氧化还原反应，将发动机排放的三种废气有害物CO、HC和NOx转化为无害的水、二氧化碳和氮气，故又称之为三元(效)催化转化器，其催化剂大都含有铂、锗等贵金属或稀土元素，价格昂贵，在正常情况下，使用寿命为八万公里左右(国产的三元催化转化器也能达到五万公里以上)。