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1、摘 要 社会发展，汽车保有量迅速增加，随之而来汽车尾气造成的环境污染问题也日趋严重。三元催化转化技术是目前应用最广泛，效果也最显著的发动机尾气机外净化技术。三元催化转化器可以使发动机尾气中的有害排放物如CO、HC、NOx同时降低90%以上，使汽车尾气污染得到有效控制。许多车辆在实际使用过程中，由于使用不当造成三元催化转化器早期失效、损坏，致使它失去了减排的作用并造成发动机故障。本文分析三元催化转化器的结构、性能的特点，研究车辆使用特性对三元催化转化器性能的影响。研究表明,要使三元催化转化器正常使用,应使用规定级别或以上的润滑油、高品质的无铅汽油，保持发动机机械方面良好的工作状态，发动机电控系统
2、也必须正常，还有车辆不宜长时间怠速等。在使用特性研究的基础上,分析了三元催化转化器的故障形式,研究了不同故障的检测方法。三元催化转化器的故障可分为三类，机械损伤、堵塞和转化性能变差或失效。机械损伤可以通过简单的人工观察来检查。三元催化转化器堵塞的测试方法有真空测量法、排气背压检测法和进气管碳氢化合物浓度测量法等。对于三元催化转化器转化性能变差或失效的检测则有转化器出入口温差法、双氧传感器信号电压波形分析法和怠速试验法与快怠速试验法相结合等手段。关键词：三元催化转化器，结构性能，使用，检测Three-Way Catalytic Converter Application and TestingA
3、BSTRACTLiving standards development makes life better and better. More and more people tend to have their own vehicles to meet transportation needs in daily life, which also brings up a deteriorating environmental pollution problem. 3-way catalytic converter is the most popular and efficient engine
4、emission clean-up technology.3-way catalytic converter can reduce harmful CO, HC and NOx emissions by more than 90%, thus effectively curb the pollution brought up by emissions.Many 3-way catalytic converters in vehicles may suffer an early failure and get broken due to improper use, and thus lose t
5、he function of emission reduction and cause engine damage. We must be careful about the following items in the daily use of the vehicle, primarily using qualified or high-graded lubricants and lead-free gasoline in engine, keeping engine working in a sound status both mechanically and electronically
6、, and avoid long-time idling speed. Failure to understand and attach enough importance on 3-way catalytic converter in service work often leads to judgment error and getting half the result with twice the effort. So we must not ignore the 3-way catalytic converter during troubleshooting the engine.
7、The malfunction can be categorized into 3 kinds, mechanical damage, obstruction and weakening or disabled converting ability. Mechanical damage can be inspected by simple observation. Obstruction issue can be inspected by Snap Throttle Test, Cranking Test and Invasive testing etc. Weakening or disab
8、led converting ability can be identified by Misfire Test, on-board diagnostic systems (OBDII) monitoring and Light-off Test.Key words: 3-way catalytic converter, components and performance, use, test 三元催化转化器应用与检测0 引言汽车排放有害成分主要是CO、HC和NOx，汽车尾气是城市大气污染的主要污染源，对人类健康和社会发展构成巨大威胁。据研究大气中21.7%的HC、38.5%的CO、87.6
9、%的NOx、11.7%的CO2和6.2%的SO2以及32%的微粒来自汽车，因此解决汽车排放对环境污染的公害问题成为迫切需要。1943年美国洛杉矶出现光化学烟雾主要由汽车排放的NOx和HC形成二次污染，一天之内致死400人。1955年洛杉矶事件，由于汽车排气造成大气中臭氧严重超标，造成大批森林枯黄死亡，成千上万人得红眼病， 呼吸系统疾病迅速上升，65岁以上老人几天之内死亡4000多人。1971年东京光化学烟雾中毒4800多人，这一类型的污染后来相继出现在世界上许多其它大型城。60年代美国加州领先而联邦政府随后对汽车的CO及HC排放加以限制，而且要求逐步加严。1970年联邦政府通过环境保护法案加严
10、对CO及HC的限制并且增加对NOx的限制。美国汽车排放问题方面的措施使其它汽车生产国也对排放加以重视起来。我国汽车工业起步较晚，但近几年飞速发展。由于技术相对落后，缺乏保护大气环境的意识各种法规不能严格执行，汽车对环境造成的污染日益严重。必须重视起来，不能重蹈覆辙在车辆使用和维护过程中，加强对控制尾气排放技术如三元催化转化技术的认识，充分发挥它最大的效用。在车辆使用中从车况、发动机工况、具体操作、实际使用过程等多方面多角度，保证三元催化转化器的使用寿命，避免早期损坏，并且在三元催化转化器应有使用周期内保持较高的转化率，减少汽车有害气体的排放。在发动机故障检测中注意三元催化转化器的因素，可以因地
11、制宜采用多种不同的检测手段，快速准确判断三元催化转化器的故障。1 催化转化器的结构和原理1.1 汽车尾气污染及危害汽车作为现代社会的交通工具，给人们的工作和生活都带来了极大的便利，但同时也对大气环境造成了严重污染。近年来，我国汽车保有量迅速增加，平均年增长率在13%以上，2007年全国汽车保有量为5000万辆，主要集中在大城市，如北京288万辆（2006年底），上海213万辆（2006年底），广州180万辆（12006年底），天津116万辆（2006年9月），济南83万辆（2006年1月）。由于汽车保有量的急剧增加，且我国的汽车检查和维修系统不完善，在用车车况质量差，单车排污量大。表 1.1
12、七个城市汽车污染物分担率（%）城市上海北京沈阳济南杭州天津广州CO86885347727189HC48493846NOx56515379目前汽车尾气污染控制水平低等原因，致使汽车尾气污染日益严重。大量汽车尾气污染物集中在城市，造成城市中汽车污染源的污染分担率明显增加。表1.1列出了2006年七个城市中汽车污染物的分担率，说明汽车尾气污染已经成为我国城市空气污染的主要来源。汽车排出的污染物主要有碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx），此外还有铅（Pb）、二氧化硫（SO2）等有害物质。这些污染物危害人类健康，影响动植物的生长。另外氮氧化合物与碳氢化合物在强阳光的作用下，遇到不利
13、于扩散的气候和地理环境时可形成光化学烟雾，造成严重的二次污染和生态环境的破坏。因此，限制和治理汽车排气污染已迫在眉睫。图1.1 汽车排放污染物分类1.2 汽车尾气净化技术降低汽车尾气中有害气体的排放量在技术上主要是采用净化方式，即在发动机以及进排气系统上增加净化装置，有磁化式、补气式、三效催化式和前置燃烧催化式等技术。目前主要应用两种技术：前置式燃烧催化净化技术与尾气催化净化技术。三效催化净化技术与前置式燃烧催化净化技术不同，尾气催化净化技术是在发动机之后尾气排气系统上安置净化装置，减少有害气体的排气量。它的基本净化原理是：将贵金属三效催化剂或稀土催化剂制成净化装置后装入汽车内，使催化剂与尾气
14、中的CO、HC和 NOx起氧化还原作用而生成无害物质排出。1.3 三效催化剂的结构1.3.1 载体载体用于催化剂的制备上，最初的目的是节约贵金属材料（如铂、钯等），同时提高催化剂的机械强度。后来，由于使用不同载体而使催化剂活性产生差异，才对载体其他方面的作用进行了研究。载体具有下述几方面的作用：（1）增大有效表面积和提供合适的孔结构；（2）提高催化剂的机械强度；（3）提高催化剂的热稳定性；（4）提供催化反应的活性中心；（5）和活性组分作用形成新的化合物；（6）增加催化剂的抗毒性能，降低对毒物的敏感性；（7）节省活性组分用量，降低成本。从催化转化器技术发展过程看，载体主要分为颗粒状载体及整装式载
15、体：颗粒状载体在催化转化器早期被大量使用，对控制早期汽车尾气排放起过重要作用，采用的是在工业上应用很广泛的氧化铝颗粒（球状、片状或柱状），其主要成分是活性氧化铝（-AL2O3），通常制成2040 目的小球。由于颗粒状载体的热容量大，且是堆积式装填，气阻大，对发动机排气造成很大的影响，在高温腐蚀性气流的冲刷下磨损很快，以它为载体的催化剂使用寿命很短。而且，在高温情况下-AL2O3 载体会和Rh发生反应，使Rh慢慢向载体中渗入，最终导致活性下降，而Rh是还原NOx最主要的催化剂。由于这些致命的缺陷，颗粒状载体目前已趋于淘汰。现在更广泛采用的是整装式蜂窝载体。根据载体材料的不同，整装式载体有陶瓷蜂窝载体、金属蜂窝载体、金属网、片状载体和玻璃纤维载体。这种陶瓷载体具有一组薄壁的平行通道，它减少了压力降，强度高，几何表面积大，适于在高温条件下使用。金属载体是Fe-5Al-20Cr合金组成，具有：（1）薄的孔壁，如：50m，提供更大的几何表面积和更开放的集合结构；（2）由于热溶低而具有更好的导热性；（3）更高的抗热冲击的机械强度。与蜂窝陶瓷载体相比，金属载体除了价格高以外，具有预热性能好和压降更低等优点。1.3.2 涂层通常选用活性-AL2O3作为三效催化剂的第二载体，涂层提供了贵金属活性组分及助剂所需的稳定的高比表面积。整个催化剂的稳定性在很大程度上依赖于涂层表面积大小和涂层在载体上的附
