汽車三元催化器故障診斷與排除

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，從而實現環保排放的效果。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

傳統汽油車利用發動機內汽油和空氣燃燒的熱能轉化為發動機的動能做功，驅動汽車工作。理想狀態下，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，嚴重時還表現出冒黑煙現象。此外，在發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，變為H2O、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以此數據調節發動機的空燃比，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]。

研究發現，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。

（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，連續節氣門全開，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，故障現象主要有：加速乏力，發動機提速困難；嚴重堵塞時，發動機無法起動；油耗增多；自動擋汽車掉擋頻繁；發動機缺火時，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 將真空表連接到發動機進氣歧管；運行發動機，保持轉速穩定在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，故障現象主要有：敲打外殼或發動機變速時，三元催化器發出碎片撞擊的聲響；因為碎片撞擊，外殼發生了變形，并伴隨著堵塞類似的現象。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，極端情況下會引發汽車自燃事故。因此，必須注意控制引發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，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。但如果電子控制單元調節失當，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（開環控制狀態）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，應與發動機適配。

6）在汽車保養時，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，對尾氣凈化和環境保護發揮著至關重要的作用。通過對三元催化器主要常見故障現象和原因分析，基于其工作原理，提出三元催化器的使用注意事項，維護保養的具體措施，從理論上和實踐上助力三元催化器發揮最佳功效，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：

[1] 胡建.三元催化器故障分析及實踐[J].內燃機與配件，2020（24）：55-57.

[2] 魯傳平.三元催化器的作用和故障表現[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.