二次空气喷射系统按照结构和工作原理可分为空气泵型和吸气器型两种结构类型。带轮松动或二次空气喷射系统有故障，会导致二次喷射系统不能正常工作，最终导致废气成分升高或燃油消耗过量。⑤如果二次空气喷射系统中的软管有烧坏的迹象，这表明单向阀有泄漏，使排气进入该系统。应使用故障诊断仪检查与二次空气喷射系统有关的所有故障代码。在对系统进行进一步诊断之前，应查明这些代码的原因。......
2023-08-23
汽车发动机电控原理与维修：三元催化转化器的结构与检修
【摘要】：根据催化剂载体的结构特点，三元催化转化器可分为颗粒型和蜂巢型两种。图5.1三元催化转化器结构图5.2三元催化转化器转化效率与空燃比关系图三元催化转化器与空燃比反馈控制系统为了将实际空燃比精确控制在14.7∶1 附近，在发动机电控系统中普遍采用氧传感器组成的空燃比反馈控制方式，即闭环控制，如图5.3 所示。ECU 根据氧传感器反馈的空燃比信号，对喷油量进行修正，使实际空燃比更接近理论空燃比，进而提高三元催化转化器的效率。
三元催化转换器（Three-way Catalyst Converter，TWC）俗称三元催化，能同时处理CO、HC、NOx3 种有害气体，串联在排气系统中，是目前汽车上采用最多的一种排气污染物处理净化技术。其功能是利用转换器中的三元催化剂（铂、钯和铑的混合体），将发动机排出废气中的有害气体CO、HC、NOx转变为CO2、H2O 和N2排出。
（1）三元催化转换器的结构
三元催化转化器安装在排气管前部，三元催化转换器主要由外壳、金属丝网、载体和催化剂等组成，如图5.1 所示。三元催化剂一般为铂和铑的混合物，铂能促使排气中的有害成分CO、HC 被氧化成CO2和H2O，铑能加速有害气体NOx被还原成N2和O2，从而起到净化排气的作用。三元催化剂的表面活性是由排气热量激发的，其使用温度范围以活性开始温度为下限，以过热引起三元催化转换器故障的极限温度为上线。
根据催化剂载体的结构特点，三元催化转化器可分为颗粒型和蜂巢型两种。颗粒型将催化剂沉积在颗粒状氧化铝载体表面，蜂巢型将催化剂沉积在蜂巢状氧化铝载体表面，氧化铝表面有形状复杂的表层，可增大催化剂与废气的实际接触面积。
（2）三元催化转换器的转化效率
催化转换器的转化效率是指实验车辆或发动机按照某种指定的工况运行时，催化转换器前后某种污染物排放量的变化率。
催化转化器将有害气体转变为无害气体的效率受诸多因素影响，其中影响最大的因素是排气温度和混合气浓度。如图5.2 所示为TWC 的转换效率与空燃比的关系曲线。由图可知，只有当混合气的浓度在理论空燃比14.7∶1 运转时，三元催化转化器的转化效率最佳，因此必须使用氧传感器（O2S）组成发动机电控燃油喷射闭环控制系统才能将混合气的空燃比精确地控制在14.7∶1 附近。TWC 的转化效率除了与混合气的浓度有关外，还与排气温度有关。TWC 只有在催化剂的温度达到300 ℃以上时才开始工作，一般发动机启动预热5 min 后才能达到此下限温度，当催化剂的温度超过400 ℃时，TWC 的转换效率将接近100%。但若排气温度过高（超过815 ℃）时，催化剂有可能与氧化铝载体烧结产生热老化，导致活化表面积减小，使催化剂失效，因此一般TWC 上安装排气温度报警装置，当报警装置发出报警信号时，应熄火检查车辆，查明排气温度过高的原因。汽车行驶过程中，排气温度过高多因发动机长时间在大负荷下工作或某些故障造成不完全燃烧。
TWC 工作时会由于氧化反应产生大量的热量，在正常工作期间，TWC 内部的温度将达到500 ℃以上，表面温度为370 ℃以上。
图5.1 三元催化转化器结构
图5.2 三元催化转化器转化效率与空燃比关系图
（3）三元催化转化器与空燃比反馈控制系统
为了将实际空燃比精确控制在14.7∶1 附近，在发动机电控系统中普遍采用氧传感器组成的空燃比反馈控制方式，即闭环控制，如图5.3 所示。在三元催化转化器前面的排气歧管或排气管内装有氧传感器，其功用是检测排气中的氧气含量，对实际空燃比与理论空燃比进行比较，并向ECU 反馈相应的电压信号。ECU 根据氧传感器反馈的空燃比信号，对喷油量进行修正，使实际空燃比更接近理论空燃比，进而提高三元催化转化器的效率。
图5.3 闭环控制原理图
在闭环控制过程中，实际空燃比小于理论空燃比（混合气浓时），氧传感器向ECU 输入高电平信号（0.75～0.90 V），此时ECU 将减小喷油量，使实际空燃比增大；实际空燃比增大到理论空燃比14.7∶1 时，氧传感器输出电压信号突变下降至0.1 V 左右，此信号输入ECU，ECU立即控制增加喷油量，使实际空燃比减小；当实际空燃比减小到理论空燃比以下时，氧传感器输出电压信号又突变升至0.75 V 以上，此信号输入ECU，ECU 又减小喷油量，如此反复进行。
氧传感输入ECU 的信号电压在低电平（0.1～0.3 V）与高电平（0.7～0.9 V）之间的变化频率为10 次/min 以上。若氧传感信号电压变化过慢（低于10 次/min）或电压保持（高电平或低电平）不变，则说明氧传感有故障。
（4）氧传感器
氧传感器按性能特点不同可分为普通型、热型和宽量程型3 种，普通型氧传感器又分为两种：氧化锆（ZrO2）式和氧化钛（TiO2）式。
1）氧化锆式氧传感器
氧化锆式氧传感器的构造及工作原理如图5.4 所示，该传感器的基本元件是氧化锆，将氧化锆固定在带有安装螺纹的固定套内，在氧化锆内、外表面均覆盖这一薄层铂作为电极，传感器内侧通大气，外侧直接与排气管中的废气接触。在氧化锆外表的铂层上，还覆盖着一层多孔的陶瓷涂层，并加有带槽口的防护套管，用来防止废气对铂电极产生腐蚀。在传感器的线束插接器端有金属护套，其上设有小孔，使氧化锆内侧通大气。
图5.4 氧化锆式氧传感器的结构及工作原理
1—安装法兰；2—隔热陶瓷管；3—连接电缆；4—护套；5—氧化锆管；6—信号电压引出套；7—外壳；8—加热元件；9—加热元件接电片
氧化锆式氧传感器实质上是一个化学电池。在400 ℃以上的高温时，若氧化锆管内、外表面接触的气体中氧的浓度有很大的差别，则在氧化锆管内外表面的两个铂电极之间将会产生电动势。发动机工作时，由于氧化锆管内表面接触的大气中的氧浓度是固定的，而与外表面接触的废气中的氧浓度是随空燃比变化的，所以将氧化锆管内、外表面两个电极间产生的电动势输送给ECU，即可作为判断实际空燃比的依据。
①混合气较浓时，排气气流中的氧气含量较低，CO 的浓度较高，这是在锆管负极铂膜的催化作用下排气气流中的氧气几乎全部参加反应，使得锆管外表面附近的氧离子浓度几乎为零，此时锆管内外之间的氧气浓度差很大，正、负电极之间的电势差为0.8～1.0 V。
②当混合气较稀时，排气气流中的氧气含量较高，CO 的浓度则较低，这时即使CO 全部与氧气发生反应，锆管外部还是存在多余的氧气，可见锆管内外两侧氧气的浓度差较小，此时正、负电极之间的电势差较低，约为0.1 V。
如图5.5 所示为氧化锆式氧传感器的输出特征曲线图。从图中可知，氧化锆式氧传感器的输出电压在理论空燃比14.7∶1 附近发生突变，当混合气的空燃比稍高于理论空燃比14.7∶1 时，输出电压接近0 V；当混合气的空燃比稍低于理论空燃比14.7∶1 时。输出电压接近1 V。发动机ECU 就根据氧传感器的输出电压不断地修正喷油量，使混合气的空燃比尽可能地保持在理论空燃比14.7∶1 附近。
图5.5 氧化锆式氧传感器的输出特性曲线
由于氧化锆式氧传感器只有在400 ℃以上的高温下才能正常工作，为保证发动机在进气量少，排气温度低时也能正常工作，氧化锆式氧传感器装有加热丝，带加热器的氧传感器称为热型氧传感器。
2）氧化钛式氧传感器
氧化钛式氧传感器是利用化学反应强、对氧气敏感、易于还原的半导体材料氧化钛与氧气接触时发生氧化还原反应，使晶格结构发生变化，从而导致电阻值变化的原理工作，它是一种电阻型氧传感器。
氧化钛式传感器的结构原理与输出特性如图5.6（a）、（b）所示。它主要由二氧化钛元件、导线、金属外壳和接线端子等组成。
图5.6 氧化钛式氧传感器的结构原理及工作特性
1—二氧化钛元件；2—金属外壳；3—陶瓷绝缘体；4—接线端子；5—陶瓷元件；6—导线；7—金属保护套
如图5.6（c）所示为氧化钛式氧传感器与发动机ECU 的连接示意图，通过ECU 的3 脚给氧化钛式氧传感器提供1 V 的工作电压。当混合气较浓时，排气气流中的氧含量较低，二氧化钛的阻值降低，氧传感器通过ECU 的4 脚给ECU 输入一个较高的电压信号；反之，当混合气较稀时，排气气流中的氧含量较高，二氧化钛的阻值升高，氧传感器给ECU 输入的电压信号就会降低，实验证明氧传感器的输入信号会在理论空燃比14.7∶1 附近发生突变，如图5.7（d）所示。
二氧化钛的电阻值除了与表面的氧浓度有关外，还与温度有关。排气气流的温度会影响氧化钛式传感器输出的电压大小。为了消除排气温度的影响，氧化钛式氧传感器在其内部增设用钨丝或陶瓷材料制成的电加热元件，使其在恒定温度下工作。
与氧化锆式氧传感器相比，氧化钛式氧传感器的结构简单、造价低廉，并且抗腐蚀能力和可靠性都更高。
（5）三元催化转换器的使用与检修
1）使用TWC 时的注意事项
为了防止损坏车身底部，避免热量进入发动机机舱和驾驶室内，在汽车底部都安装有隔热罩和隔热板。TWC 多为整体不可拆卸式，使用中不需要定期维护，但为了长久保持良好的排放，在使用中需要注意以下几个方面。
①装有氧传感器和TWC 的汽车，禁止使用含铅汽油，以防止催化剂“铅中毒”而失效。
②TWC 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，从而使催化器和排气系统堵塞。
③发动机的排气温度过高（815 ℃以上）时，TWC 的转换效率将明显下降。有些TWC 中装有排气温度报警装置，当报警装置发出报警信号时，应停机熄火，查明排气温度过高的原因，予以排除。在实际使用中，排气温度过高一般是发动机长时间在大负荷下工作或故障而燃烧不完全所致。
④装用蜂巢型TWC 的汽车一般每行驶80 000 km 时就应更换转换器芯体。装用颗粒型TWC 的汽车，其颗粒型催化剂的质量低于规定值时，应全部更换。
⑤发动机长时间怠速会降低TWC 的使用寿命。怠速时间越长，就会产生出比正常行驶速度下更多的热量。尤其在夏季，带有TWC 的汽车发动机每次怠速时间不要过长。
⑥避免大油门冷启动，车辆冷启动后，应在水温达到约40 ℃时行车，并且在行驶过程中注意水温，如水温过高应及时停车。
⑦不要在易燃路面上行驶或者停车，由于TWC 的表面温度高达370 ℃，因此若路面上有酒精、干草或者其他易燃物时，有可能引起火灾。
⑧当发动机着车困难或感觉车辆无力、抖动以及汽缸不工作时，应及时到专业维修站修理。
2）维修装有TWC 汽车时的注意事项
为了防止过量的排放污染物或燃油蒸汽到达TWC 内部引起高温，汽车维修检测期间应注意以下几个方面。
①检车发动机各缸的工作情况时，最好用示波器而不要用短路法或从运转着的发动机上拔下高压线的方法试火或进行断缸实验，若没有示波器，那么用卸下火花塞导线或短路法检查可疑汽缸时，发动机的运转时间切勿超过30 s。
②当出现不正常的工作状况时，如自燃、严重喘振、回火或重复性失速时，应及时停机修理，这些状况可导致TWC 永久性损坏。
③行驶着的车辆切勿切断点火开关。
④当发动机间断性点火时，启动发动机的时间不要超过30 s。
（6）氧传感器的检修
氧传感异常会影响TWC 的转化效率及混合气空燃比，造成排气污染加剧、油耗过大、怠速不稳等故障。氧传感器常见的故障有氧传感器敏感元件老化，受碳烟、铅化物、硅胶、机油等污染而失效，内部加热元件损坏等。
1）外观检查
从排气管上拆下氧传感器后，首先检查氧传感保护外壳上的气孔是否被堵塞，然后观察氧传感顶尖部位的颜色。呈淡灰色，说明氧传感器工作正常；呈棕色，说明氧传感器铅中毒，严重时应更换氧传感器；呈白色，说明氧传感器硅中毒，应更换氧传感器；呈黑色，说明氧传感器积炭严重，排除积炭故障后，氧传感器仍可使用。
2）加热元件检查
拆下氧传感器的线束插头，用数字万用表检查加热元件的电阻值，参考车型维修手册应符合规范要求，若不符合，应更换。打开点火开关，用数字万用表检查加热元件的工作电压，标准值应为12 V，若不正常，应检查氧传感器与ECU 之间的线束和插接器及ECU 的供电端是否正常。
3）信号检查
氧传感器信号的检测有通过万用表检测、读取氧传感器波形和读取氧传感器数据流3 种方法。以上3 种方法都可以分析氧传感器的好坏。
①用万用表检测：连接好氧传感器线束插接器，使发动机高速运转，直到氧传感器工作温度达到400 ℃以上。保持发动机的转速为1 500 r/min 左右时，观察万用表指针是否在0～1 V来回摆动，记录10 s 内指针摆动的次数。正常情况下，氧传感器的输出电压在10 s 内变化次数不应低于6～8 次。反复踩动加速踏板，并测量氧传感器输出电压，加速时应输出高电压0.75～0.90 V，减速时应输出低电压0.10～0.40 V。
前氧传感器电压是在0.1～0.9 V 变化，中间值为0.45 V；如果电压一直处在0.45 V 以下为混合气稀，处于0.45 V 以上为混合气浓，处于0.45 V 不变，则3 种情况都可能为氧传感器失效（前氧传感器检测数据）。后氧传感器电压为0.1～0.3 V 变化，如无变化，则为氧传感器失效。
②用示波器进行波形分析（图5.7）：在某些车辆三元催化转化器前后各安装一个加热型氧传感器，发动机用这两个传感器的信号监测三元催化转化器的工作性能。
图5.7 前后氧传感器波形图
③读取氧传感器数据流：一辆捷达，行驶20 万km，怠速1 000～1 500 r/min 抖动严重。用故障检测仪V.A.G.1552 查故障码：显示为A 前氧传感器故障；B 氧调节值超出范围。
01-08 -030 (111)
01-08 -033 (-25%,0.8 V)
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