客户王先生驾驶一辆2020款大众迈腾B8L轿车，早晨起动车辆后，发现仪表上显示的油耗与之前相比偏高，并且发动机故障灯点亮，车辆行驶一定时间后，故障灯熄灭。经过汽车维修技师仔细检查发现是三元催化堵塞所导致。最后更换三元催化后，再次起动发动机，故障彻底排除。为此，王先生对此感到困惑，不理解为什么三元催化会堵塞，现在请你结合自己所学知识，为客户解释一下原因。

三元催化转化器，简称TWC，被安装在靠近发动机的排气管上，位于氧传感器和消音器之间，如图6-4-1所示。作为汽车排放控制系统中最重要的机外净化装置，三元催化转化器能够通过氧化和还原作用，将汽车尾气中的CO、HC和NOx等有害气体转化为无害的二氧化碳、水和氮气。由于该催化器同时能够转化废气中的这三种主要有害物质为无害物质，因此被称为“三元”。

图6-4-1三元催化转化器安装位置

一、三元催化转化器的结构与原理      

1.三元催化转化器的结构

三元催化转化器的结构如图6-4-2所示。该催化转化器一般由壳体、减振层、载体和催化剂涂层部分组成。

图6-4-2三元催化器的结构

催化转化器壳体：壳体通常采用不锈钢材料制成，以防止氧化皮脱落而导致载体堵塞。

载体：载体常由氧化铝制成，作为催化剂的支撑体。

催化剂：催化剂也称为触媒，主要由贵重金属如铂、钯、铑制成。它可以加速废气中CO、HC的氧化反应以及NOx的还原反应速率，同时催化剂自身并不被消耗或改变。催化剂一般有颗粒型和蜂巢型两种结构。

减振层：常采用膨胀垫片或金属丝网垫作为减振层，主要起到密封、保温和固定载体的作用，防止催化转化器壳体因受热而导致形变，从而对载体造成损坏。

需要注意的是，三元催化转化器一般为整体不可拆卸的结构。

2.三元催化转化器的功用：

现代汽车发动机普遍采用三元催化转化器进行废气排放净化。该装置使用三元催化剂，能够将发动机排出废气中的有害气体 (如碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）以及氮氧化合物（NOx）) 转化为无害气体 (如二氧化碳（CO2）、水（H2O）及氮气（N2）)，以达到净化废气的目的。三元催化转化器中的催化剂，可以促使CO、HC发生氧化反应，也可以促使NOx发生还原反应。这种反应可以使废气中的有害气体转化成无害气体，最终被排放到大气中。然而，三元催化转化器对CO、HC和NOx等有害气体的转换效率，只有在空燃比为14.7/1 (即过量空气系数为1) 的范围内才能达到理想的效果。因此，使用氧传感器对发动机的空燃比进行监测，并使混合气的过量空气系数保持在1左右，可以提高三元催化转化器对有害气体的转化效率。

3.三元催化转化器的原理

当发动机排出废气经过三元催化转化器时，其中的铂催化剂促使HC和CO氧化为水蒸气和二氧化碳，而铑催化剂则使NOX还原为氮气和氧气。具体的反应式，如下：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）。

在计算机根据氧传感器的反馈信号控制喷油器的喷油量，以使混合气的浓度接近理论空燃比时，以上氧化和还原反应可将废气中的大部分有害成分HC、CO和NOx转化为无害气体。三元催化转化器的转化原理，如图6-4-3所示。

图6-4-3三元催化转化器的转化原理图

（1）三元催化转化器的控制原理

当发动机处于冷启动或高负荷状态时，为保证良好性能，ECU采用开环控制，提供较浓的混合气；而当发动机工作在正常状态下（中小负荷），ECU通过氧传感器的反馈信号进行闭环控制，以达到最佳空燃比，并使三元催化转化器的转化效率最优。

二、三元催化转化器转化效率的影响因素

三元催化转化器的效率受多个因素影响，其中混合气浓度和排气温度对其影响最大，如图6-4-4所示。从三元催化转化器转化效率与混合气浓度的关系图中（图6-4-4），我们看出，在理论空燃比14.7附近时，对废气中的HC、CO和NOX三种有害气体的转化效率都比较高。如果混合气过浓或过稀，都会降低三元催化转化器的转化效率。为了精确控制实际空燃比接近理论空燃比，在安装了三元催化转化器的汽车上，通常在转化器与发动机之间的排气管或排气歧管上装有氧传感器，用于检测废气中的氧浓度。在某些发动机上，还会在三元催化转化器后方装有一个氧传感器，用于监测转化器的转换效率。

图6-4-4三元催化转化器的转化效率与混合气浓度的关系

发动机排气温度过高时（超过815℃），会明显降低三元催化转化器的转换效率。某些设备上安装了排气温度报警装置，当ECU接收到高温信号时，会触发报警信号。在收到报警信号后，应停止发动机工作，并调查导致排气温度过高的原因进行排除。通常情况下，排气温度过高是由于发动机长时间在大负荷下运行或发生故障导致燃烧不完全所致。

此外，催化转化器的活性会受到铅和硫等元素的不利影响。这些元素会与催化剂反应并形成新的结晶体，在催化剂表面沉积，破坏催化剂的活性，导致所谓的“催化剂中毒”现象。

三、三元催化转化器的常见故障

三元催化转化器的失效将导致发动机排放控制失效，而堵塞将引起发动机启动困难、最高车速下降以及油耗增加。

1.使用含铅汽油会导致催化剂表面受覆盖而失效，同时铅会沉积在载体孔洞表面（即铅中毒），从而使催化转化的功能丧失。

2.排气中高浓度的碳氢化合物（HC）将导致三元催化转化器内反应（燃烧）过于剧烈，高温烧坏或长时间在高温环境下工作导致老化。

3.由于碰撞、振动等原因，三元催化转化器的外壳或载体可能会发生变形、破裂等机械损伤。

4.排气中的锌、磷、碳等物质在载体表面沉积（即惯性中毒），逐渐减少其催化转化作用，甚至可能导致排气阀堵塞。

综上所述，三元催化转化器常见的故障包括催化剂磨损、堵塞、物理损伤、中毒和温度过高。当发现三元催化转化器存在故障时，应及时检修或更换，以确保汽车的排放控制系统正常运行。

一、三元催化转化器的使用与维修注意事项

为保证三元催化转化器的正常工作并延长其使用寿命，在使用和维修过程中需要注意以下几点：

1）使用规定标号的无铅汽油，因为燃油不纯会导致三元催化转化器表面有铅、锌、硫、磷等杂质的沉积，从而导致催化转化器失效。

2）不得使用未经认可或推荐的汽油添加剂、机油及机油添加剂。因为机油会进入气缸参与燃烧，添加剂中的铅会附着在催化转化器表面，导致催化转化器失效，严重情况下可能损坏发动机。如果机油消耗异常，应及时解决，因为机油中的磷会使氧传感器和三元催化转化器失效。

3）严禁用起动机带动车辆移动。

4）避免在易燃物（如干草、汽油、酒精、有机溶剂等）的路面和场地行驶和停车，以防止高温的催化转化器点燃易燃物引发火灾。

5）当蓄电池电压不足或起动机故障时，不要长时间使用外力启动发动机。因为系统开启后，只要接收到发动机转动信号，喷油就会开始。如果发动机长时间未启动，未燃烧的燃油会积聚在催化转化器内，一旦发动机启动，积聚的燃油会损坏转化器。

6）当燃油过低警告灯亮起时，应及时加满燃油，以防止燃油箱液面过低，导致油路中出现空气或油气混合气过稀，使发动机的空燃比偏离理论值，增加催化转化器的负荷。

7）在维修过程中，不能用断火法判断各缸的工作情况，因为喷油器仍在工作，已经喷出的未燃烧汽油会在催化转化器中燃烧并快速造成损坏。在使用起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，及时清除滴油、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）三元催化转化器是贵重且易碎的物品，必须牢固固定，避免在不平路面上行驶时发生颠簸，以免损坏其中的催化剂载体。要紧固氧传感器和催化转化器接口端面螺栓，确保接头面的密封。必要时，使用1.3×105Pa气压检查排气系统，确保无明显泄漏。

10）在36个月及之后每24个月的附加保养项目中，需要检测废气排放情况。对于装有蜂巢型转化器的汽车，一般每行驶80000km应更换转化器芯体。对于装有颗粒型转化器的汽车，当颗粒形催化剂的重量低于规定值时，应全部更换。

一、任务准备

工作任务：一辆2020款大众迈腾B8L轿车，请对汽车三元催化转化器进行全面的检查。

1.课前准备

（1）场地设施：举升机一台，装有废气抽排系统和消防设施的场地。

（2）设备设施：2020款大众迈腾B8L轿车一辆

（3）工量具：常用工具（一套）、车辆故障诊断仪、万用表等。

（4）耗材：车内三件套、车外三件套等。

（5）学生组织：教师指导、分组实训、过程评价。

2.注意事项

（1）在工作过程中要注意人身安全，认真执行7S管理。

（2）在工作过程中请根据操作步骤，规范操作，防止损坏设备和器材。

（3）严格按照工作要求正确使用仪器设备，出现问题及时报告，服从管理。

二、任务实施

1.外观检查法

（1）将车辆举升至合适位置，如图6-4-5所示，观察三元催化器表面是否有凹陷或明显的刮擦，这可能意味着其载体受损。另外，留意三元催化器外壳上是否存在褪色斑点，或者有些许青色和紫色的痕迹，以及防护罩上是否有明显的暗灰斑点。这些迹象可能表示三元催化器曾遭遇过过热情况，需要进一步检查。

图6-4-5举升大众迈腾B8L车辆至合适位置

（2）轻敲并晃动三元催化器，如果听到内部有物体移动的声音，说明催化剂载体可能已破碎，而需要更换新的三元催化器。同时，还需检查是否有裂纹出现，各连接是否牢固，以及各类导管是否有泄漏。如有问题，应及时予以处理。

2.背压测试法

安装压力表在三元催化器前端排气管适当位置，启动发动机，并在怠速和2500r/min时测量排气背压。如果排气背压未超过发动机规定限值（通常为20kPa以下），则表示催化剂载体畅通无阻。如果排气背压超过规定限值，则需要将三元催化器后端排气系统拆卸，并重复上述试验。如果排气背压仍然超过规定限值，则说明三元催化器存在阻塞。而如果排气背压下降，那么可能是消声器或三元催化器下游排气系统出现问题，导致破碎的催化剂载体滞留在下游排气系统中。

3.真空测试法

将真空表连接到进气歧管，并启动发动机，使其从怠速逐渐提升至2500r/min。观察真空表的变化。如果此时真空度下降，保持发动机转速稳定在2500r/min，然后观察真空度读数是否进一步下降，这可能表明三元催化器存在阻塞。当三元催化器阻塞时，排气通畅度下降，活塞吸气能力减弱，进气歧管的真空度会显著下降。然而，如果进气歧管的真空度下降，并不完全意味着是由三元催化器阻塞引起的。当发动机供油量减少时，进气歧管的真空度也会降低。因此，与真空试验相比，排气背压试验更能真实反映三元催化器的情况。

4.温度测试法

三元催化器在正常工作状态下，由于氧化反应产生大量热量，因此可以通过温差对比来评估三元催化器的性能。启动发动机，使其预热至正常工作温度，并将发动机转速保持在约2500r/min左右。将车辆抬起，使用红外线激光温度计测量三元催化器进口和出口的温度，尽量靠近催化转化器（距离催化转化器不超过50mm）。正常工作的三元催化器出口温度应至少比进口温度高10～15%，大多数情况下，正常工作的三元催化器出口温度会比进口温度高20～25%。如果车辆在主催化转化器之前还安装了预催化转化器，主催化转化器出口温度应比进口温度高15～20%。如果出口温度值低于上述范围，表示催化转化器工作异常，需进行更换；如果出口温度值超过上述范围，说明废气中含有异常高浓度的一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC），需要进一步检查发动机本身。

5.尾气分析测试法

根据尾气分析仪检测车辆的尾气排放，如果一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）的含量都较高，那么可以初步判断三元催化转化器可能已经失效。

6.故障诊断仪检查法

使用故障诊断仪对轿车进行检查，可以进行以下方面的检查：首先，检查是否有故障码输出；其次，检查节气门开度百分比对应的数值是否在规定范围内。另外，在路试过程中还需检查发动机是否正常运转，以及车辆驾驶是否正常。这些步骤可以有效地进行轿车的故障诊断。

1.三元催化转化器，简称TWC，被安装在靠近发动机的排气管上，位于氧传感器和消音器之间。  

2.三元催化转化器一般由壳体、减振层、载体和催化剂涂层部分组成。

3.三元催化转化器，能够将发动机排出废气中的有害气体 (如碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）以及氮氧化合物（NOX）) 转化为无害气体 (如二氧化碳（CO2）、水（H2O）及氮气（N2）)，以达到净化废气的目的。

4.三元催化转化器中的催化剂，可以促使CO、HC发生氧化反应，也可以促使NOx发生还原反应。

5.三元催化转化器工作原理是，当发动机排出废气经过三元催化转化器时，三元催化转化器中的铂催化剂促使HC和CO氧化为水蒸气和二氧化碳，而铑催化剂则使NOX还原为氮气和氧气。

6.三元催化转化器的效率受混合气浓度和排气温度影响最大。

7.三元催化转化器常见的故障包括：催化剂磨损、堵塞、物理损伤、中毒和温度过高。