三元催化器系统（精选七篇）
三元催化器系统 篇1
一、TWC的结构
TWC的外形类似排气消声器, 实际也起到消声器的作用, 器壳体用耐高温的不锈钢制成, 内部的蜂窝巢式通道上涂有催化剂, 催化剂的成份有铂钯和铑等贵金属, 以及作为助催化剂成分的铈、钡和镧等稀土或贱金属材料。在载体与壳体之间有隔热减振作用的垫层。
二、TWC的工作原理
当废气通过TWC的通道时, CO和HC就会在催化剂铂与钯的作用下, 与O2发生反应产生无害的H2O和CO2而NOx则在催化剂铑的作用下被还原为无害的O2和N2。当其工作在空燃比为理论空燃比附近时能同时使CO、HC和NOx都有较高的转化效率。
三、TWC与电控燃油喷射系统的匹配
尾气在TWC中净化时如果燃比大于理论空燃比14.7:1, 那么过剩的氧气会抑制NOx的还原反应, 使其转化效率下降, 而当空燃比小于14.7:1时, 缺乏氧气又会抑制CO和HC氧化反应, 使其转化率下降, 所以TWC只有在空燃比为理论空燃比附近时, 三种有害气体才能被排除。为了保证空燃比的精确控制, 必须采用由氧传感器作为反馈元件的闭环电控系统。即利用安装在排气管 (TWC之前) 的氧传感器来检测尾气中的氧的含量进而判断实际空燃比偏离理论空燃比的程度, 并向ECU反馈相应的电压信号, 从而保证使空燃比在14.7:1附近的窄小范围内进行修正。
四、故障及原因的分析
合理的空燃比TWC转化效率及寿命的主要因素, 与TWC的故障有着密切的关系。
TWC的故障主要有:机械损坏、内部堵塞、化学中毒、热失活等几方面。
(一) 机械损坏
我国多数地区路面条件较差, 轿车行驶时颠簸剧烈。较低的汽车底盘常常会发生剐磨凹凸路面的现象, 这些都会造成催化剂载体破损、垫层脱落、壳体裂纹等机械损伤。
(二) 内部堵塞
TWC堵塞使排气背压明显升高, 导致汽车没有高速, 最高车速只有110～130km/h左右, 自动变速器也无法升到超速档。
(三) 常见的造成TWC堵塞的原因
1.混合气过浓会造成TWC堵塞。
2.严重烧机油的发动机容易造成TWC堵塞。
3.由于气缸垫或涡轮增压发动机的进气歧管垫密封不良, 使冷却液进入燃烧室, 不仅会造成TWC硅污染, 失去转化能力, 而且也会造成TWC堵塞。
(四) 化学中毒
冷却液、汽油和润滑油及其添加剂中含有的硫、锌、磷、硅等元素易与催化剂活性材料发生反应使其发生相变或覆盖在催化剂活性表面造成催化器中毒失效。有试验表明:仅一箱含铅汽油就会使一个新装三元型催化式净化装置完全失效。故使用中应选用高标号的无铅汽油或润滑油。
1.常见的造成TWC化学中毒的原因
(1) 气门油封不密封。
(2) 活塞环与缸壁间密封不良。
(3) 冷车启动困难、缺缸和排气门密封不严。
(4) 冷却液窜入排气系统。
(五) 热失活
热失活是指催化剂长期暴露在860℃以上的高温环境中, 导致催化剂、载体表面积的减小, 从而引起催化剂功能性降低, 助剂的活性及储氧能力下降。而且由于热失活造成催化剂晶粒变大会还会对排气流动性产生影响, 所以测定催化器排气的压力可以判断是否为热失活。
1.常见的造成TWC热失活的原因
(1) 发动机失火、 (2) 喷油器故障、 (3) 火花塞故障、 (4) 传感器故障等, 都会导致催化剂的温度大幅度升高, 从而引起热老化。
五、排除故障的措施和方法
(一) 简单人工检查
通过人工检查可以从一开始判断TWC是否有损坏。
1.观察TWC壳体表面是否有凹陷和伤痕, 如有则其内部可能受损。
2.观察TWC外壳上是否有严重的褪色斑点或略有青色、紫色的痕迹, 如有则说明TWC曾处于过热状态, 需要对TWC及发动机做进一步检查。
3.用橡皮槌轻轻敲打TWC, 听有无物体移动的声音, 如果有此异响, 则说明TWC内部催化物质剥落或载体破碎, 必须更换整个转换器。
(二) 检查TWC是否堵塞
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。
1.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, 将管口用手指封住, 应感觉到明显的真空吸力。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。
2.检测排气背压法。拆下氧传感器, 在氧传感器装配孔上连接背压表, 发动机工作时排气管压力应小于0.025MPa表明排气系统堵塞, 观察TWC、消声器及排气管没有外伤, 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。
(三) 尾气排放的测试
尾气排放的测试分三种:怠速试验法检查、快怠速试验法测、量稳定工况试验法即在怠速、高怠速、高车速的情况下使用尾气分析仪进行尾气排放的测试。
(四) 红外温度计测量法
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。
(五) 利用双氧传感器信号电压波形分析
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。
六、故障实例
(一) 故障现象
一辆捷达王GTX:发动机类型为直列4缸、多点电喷;行驶里程约为9万km。根据用户描述和初步检查, 该车的故障主要表现在以下三方面:
1.发动机怠速时发抖, 中、高速运转基本稳定;
2.发动机排放品质变差, 中度冒黑烟, 油耗增大, 平均燃油消耗增加约20%;
3.发动机动力性能变差, 中高速行驶时转速下降, 爬坡加油时明显加速无力。
(二) 故障诊断与排除
1.故障初探
首先用大众的V.A.G1552故障诊断仪进行自诊断, 通过02功能故障查询没有查到故障信息。根据用户的描述, 该车行驶了9万km, 由于工作很忙, 平时对车辆的保养不是很重视, 经服务顾问查看用户的使用说明书, 车辆的常规保养记录确实很少, 除了首次7500km免费保养之外只有3万km一次常规保养。通过查看V.A.G1552的08数据阅读功能, 该车喷油嘴的喷油时间在4ms左右, 比正常值3.3ms要长一些, 另外节气门开启角度的变化随着发动机转速的升高显得比较迟缓, 因此维修人员先从喷油嘴和节气门体开始查起。经拆检, 喷油嘴比较脏, 用户说这还是原车的喷油嘴, 一直没有清洗过更没有更换过, 而节气门总成也比较脏, 转动不灵活, 基本可判定喷油嘴有关闭不严和漏油的可能。经与用户协商同意更换了新的一组喷油嘴并且清洗保养了节气门总成, 更换了空气滤清器。
2.氧传感器的检查
之后试车检查, 发动机怠速发抖现象基本排除, 排放有明显改善但仍有轻微的冒黑烟, 看起来混和气浓度还是偏高, 燃烧也不彻底, 加速性能似乎没有明显的改观。根据该车的保养情况, 维修人员自然又怀疑到车辆的氧传感器, 果然在V.A.G1552的08数据阅读功能中, 氧传感器信号电压在0.4～0.6V内变化, 电压变化频率也明显比正常变化要慢, 正常的氧传感器信号电压应在0.3～1.0V内快速变化, 因为氧传感器是有寿命的, 行驶9万km以上的车辆也需要更换氧传感器了, 再加上用户经常在矿区工地工作, 油品质量和空气污染也是影响氧传感器使用寿命的一个重要因素, 在更换了氧传感器后进行了试车, 开始时黑烟还有, 工作一段时间后, 黑烟逐渐消失, 排放品质得到明显改善, 预期经济性能得到提高, 燃油消耗量恢复到正常范围。
3.TWC的检查
但是发动机动力性能似乎仍然比较差, 中高速行驶时加速不畅, 爬坡时感觉到动力还是比较欠缺。还是有偏重的尾气味, 使用尾气分析仪测量结果CO、NOx都偏高, 判断为三元型催化式净化装置损坏, 更换后3档爬坡加油时, 感觉动力充足, 发动机转速不再下降并随着车速的提高而稳步上升。
在以上故障基本排除之后, 又对车辆进行了一些必要的养护然后组织专职人员和用户一起进行了大约60km路程的路试, 发动机动力性和经济性均明显得到改善, 用户表示满意。
七、结论
三元催化器系统 篇2
1 常见故障及原因
(1) 常见故障。三元催化转化器的常见故障主要有:TWC催化性能恶化;TWC芯子堵塞后排气不畅;产生过高的排气背压以及使废气倒流到发动机内等。
(2) 原因。 (1) 炭灰积聚、污垢。含铅汽油燃烧后, 铅污垢吸附到催化器表面, 从而使TWC内的温度很快升高。机油窜入气缸内燃烧后, 机油中的磷和锌等物质也会污染TWC, 使催化器受到损伤。 (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。TWC正常工作时, TWC内的温度一般在500~800℃, 出口处温度比进口处温度高30~100℃。但是, 混合气浓或燃烧不完全时会使排气中的CO、HC量过高, 这将加重TWC负担, 使温度升高过多, 时间长后, 会使TWC性能恶化, 甚至熔化载体。 (4) TWC上一般装有排气温度传感器。当温度过高时, 控制系统会切断空气供给, 中断催化反应。
2 性能检测方法
(1) 怠速试验法。在发动机怠速运转时, 用汽车废气分析仪测量汽车尾气中CO含量, 汽车废气分析仪上CO的读数, 应该接近于0。最大值不应超过0.3﹪, 否则, TWC可能已经损坏。
(2) 稳定工况试验法。按照汽车制造厂家的规定连接好汽车专用的数字式转速表, 使发动机缓慢加速, 同时观察汽车废气分析仪上CO和HC的读数, 当转速加到2 500 r/min并稳定在这一转速时, CO和HC的读数应该缓慢下降, 并稳定在低于或接近于怠速时的排放水平, 否则, TWC可能已经损坏。为了避免在调整发动机转速的过程中怠速时间过长, 使CO和HC的读数偏大, 将读数由1 900 r/min加速到2 500 r/min应该至少用10 s时间, 而当回到怠速后, CO和HC的读数应能在30 s以内稳定。当回到怠速后, CO和HC的读数应能够稳定1min, 否则, 应该重复上述程序, 将排气系统吹净。
(3) 快怠速试验法。使发动机处于快怠速运转, 并用转速表检查快怠速转速是否符合规定值, 并视需要进行调整。用汽车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。若发动机技术状况良好, 则CO排放量应在1﹪以下, HC排放量应该在100×10-6以下。若两者的排放量均超标, 则可以临时取下空气泵的出气软管, 此时若CO和HC的读数不变, 则说明TWC已经失效;若读数升高, 而重新接上空气泵出气软管后读数又下降, 则说明汽油泵喷射系统或点火系统有故障。
(4) 高温热电偶检测法。将高温热电偶的探测头接触在TWC前后排气管上, 在TWC正常工作时, 后端温度应比前端温度至少高出38℃, 若后端温度低于前端, 则说明在TWC内无氧化反应发生, 此时应该检查二次空气喷射系统是否有故障。若二次空气喷射系统无故障, 则说明TWC已经损坏, 应更换TWC。
3 芯子堵塞检查方法
(1) 检测进气歧管真空度法。 (1) 将废气再循环 (E-GR) 阀上的真空软管取下, 并用塞子将管口堵住, 以避免产生虚假的真空泄漏现象。 (2) 将真空表接到进气歧管上, 将发动机缓慢加速到2 500 r/min。 (3) 观察真空表读数。若真空表读数瞬间下降到原有水平 (47.5~74.5 kPa) , 并能稳定地保持在这一水平至少15 s, 则说明TWC没有堵塞;若真空度读数下降, 则可能为TWC或排气管堵塞。
(2) 检测排气背压法。 (1) 从二次空气喷射管路上脱开接空气泵止回阀接头, 再在二次空气喷射管路汇总接入1个压力表。 (2) 在发动机转速为2 500 r/min时观察压力表的读数。此时压力表的读数应该小于17.24 kPa, 如果排气背压大于或等于19.7 kPa, 则表明排气系统堵塞。若观察TWC、消声器及排气管无外部损伤, 则可以将TWC出气口和消声器脱开后观察压力表的读数是否变化, 若压力表显示的排气背压仍然很高, 则为TWC损坏;若压力表显示的排气背压读数陡然下降, 则说明堵塞发生在出气口后面的部件。
4 使用注意事项
(1) 对于装有催化反应器和手动变速器的车辆, 不能用推或拖的方法启动发动机。因为使用这种方法启动发动机, 在发动机没有立即着火时, 没有燃烧的燃油将进入催化反应器并积蓄在其中, 在发动机启动走热以后, 会因高温而爆炸, 损坏催化器。因此, 在汽车不能发动时, 可搭接车外的蓄电池或辅助装置来启动。
(2) 必须使用高品质无铅汽油和添加剂含量低的发动机机油 (含铅汽油燃烧后排除的细粉状、含铅化合物会吸附在催化剂活性表面上, 将其覆盖, 导致永久性损坏) 。催化剂在含铅气氛中 (含铅量>0.005 g/L) 工作几十个小时就会完全丧失活性。另外, 氧传感器也会因使用含铅汽油造成“铅中毒”而失效, 从而不能正确反映发动机的空燃比, 影响TWC发挥最佳性能, 造成有害物排放增加, 经济性下降。汽油中含氧量过高会影响闭环控制精度, 烯烃、胶质含量过高会引起喷油器针阀堵塞, 导致排放增加, 从而间接影响TWC的转化效率和寿命。发动机机油中含有的磷、硫、锰、硅及其他添加剂, 燃烧后剩下的灰分会覆盖住催化剂, 因发动机油的最大含磷量应限制在0.15﹪ (质量) , 机油消耗量应小于0.12 L/100km。汽车发动机只有在机内净化达到一定程度后, 利用TWC才可能将HC、CO、NOx 3种污染物排放量显著降低。这是因为TWC的转化能力是有限的。如果机内净化不良而使用TWC, 不但排放污染得不到有效控制, 还会影响TWC的寿命。
(3) 装有催化反应器的汽车应避免在封闭的环境中让发动机长时间运转。因为在催化反应器周围没有正常的空气循环可能使其温度上升到超过正常的工作温度 (427℃) , 引起临近的防护金属板或车身绝缘烧焦, 有时还会出现硫酸蒸气的气味。
(4) 在用千斤顶和举升机将汽车顶起时, 应注意支脚不要接触催化反应器。有些汽车的催化反应器离车架很近, 应特别注意。为了增加车架和催化反应器之间的距离, 有的汽车制造厂家将催化器做成圆管状。
(5) 在用搭接车外电源启动发动机、测试气缸压缩压力等情况下, 不要长时间拖动发动机, 防止未燃烧的燃油积聚在催化反应器内。同样, 在汽车停驻之前, 不能关点火开关。
(6) 当出现不能熄火、动力波动及回火等故障现象时应立即维修。
(7) 不要用脱开火花塞高压线的方法试验点火系是否跳火。如果不得不这样做, 则在试验中如火花塞没有跳火, 试验后30 s内不要启动发动机。
(8) 定期调整供油系和点火系等系统, 以保持这些系统工作正常。装催化反应器的汽车, 有时排气有硫酸气味和臭鸡蛋味, 这不一定是催化反应器失效的标志。催化反应器能减少HC、CO、NOx的排放, 但自身也会生成少量的排放物。大多数汽油都含有少量的硫和其他成分。硫能与在催化反应器里生成的水蒸气起化学反应, 生成硫化氢, 这就是臭鸡蛋味的来源。这种气味一般在暖车和减速时出现。这种气味表明发动机工作不正常, 特别是在发动机达到正常工作温度后还有这种气味的话, 其原因是发动机已经失调或混合气过浓或汽油含硫量过高。
(9) 从发动机排出的排气流包含着压力波, 当经过TWC时, 激起TWC外壳或护照发出噪声;沿着排气管传下来的发动机振动, 也会引发噪声。TWC常见噪声如下。 (1) “喀喀”声。这种类型噪声产生的原因有:TWC附件 (如隔热罩) 的松动和脱掉, TWC与车身其余部件的接触, TWC内部元件 (如TWC载体) 损坏并在TWC内部移动。这些噪声通常随发动机转速而变化。 (2) “啸叫”声。外壳和隔热罩的“啸叫”可由结构上的共振激励引起, 不带孔的下隔热罩通常比带孔的更容易发出噪声。 (3) “乒乓”声。在冷却过程中, 由于排气系统零部件的热胀冷缩, 导致配合零部件的相互运动。采用柔性的接口和在相互滑动的表面间使用网格衬垫, 可减小热胀冷缩。降低以上噪声, 除了需正确安装外, 还要考虑对TWC的结构和排气系统重新进行优化设计。
三元催化器冷启动问题探讨 篇3
1 三元催化器冷启动存在的问题
三元催化器对发动机排出来的废气进行催化转化, 当发动机的空燃比控制在理论空燃比附近时, 其可以净化90%的CO和HC以及70%的NOx, 净化效率是相当高的, 但是其高低受到温度的影响, 只有当三元催化器达到起燃温度即250～300℃时才能有较高的转化效率, 如图1所示。而汽油机冷启动后2min才能达到此温度范围。试验表明在汽油车上一个排放测试循环中, 绝大部分污染物 (约占总量的70%～80%) 是在冷启动最初的2～3min时间内排出的。图2是车辆进行EURO-Ⅲ循环测试催化器前的原始排放, 在34s和65s后, 其HC的排放值均超过了EURO-Ⅳ和EURO-Ⅲ标准限值, 所以, 必须采取措施提高三元催化器的起燃温度。
1.HC;2.CO/10;3.NOx;4.行驶速度
2 改善三元催化器冷启动的措施
2.1提高催化器的排气入口温度
为了提高催化器的排气入口温度, 催化器的安装应尽量靠近排气歧管的下部, 缩短距排气门的距离, 如图3。高温排气可以立即进入催化器, 使催化器的温度迅速提高。把催化器安装在靠近发动机的位置虽然能保证冷启动时达到低排放, 但是进入正常工作后, 靠近发动机处的排气温度很高, 达950℃甚至更高, 催化器很容易被烧坏。为了既可降低冷启动时的排放污染, 在正常工作后又不会烧坏催化器, 可考虑串联使用两个催化器, 如图4所示。冷启动时使用靠近发动机安装的催化器 (见图4中1) , 排气经1被净化, 再经2排出, 同时对2进行加热。启动后则自动切换, 关闭1而使用安装在远离发动机的转换器2。催化器1一般为金属载体催化器。金属载体催化器传热性好、比热容小, 因此能够在发动机启动时较快地达到催化剂的起燃温度, 提高低温工况下催化剂的转化效率。实验表明发动机冷启动后, 经过约30s, 该反应器排气温度达到600℃, 而地板下反应器的温度只有200℃。因此排气总管处反应器转化效率高, 可使HC的转化效率达90%以上。
1.壁薄的排气歧管; 2.直接焊接;3.直接装在排气歧管后的催化转换器
1.1号催化转化器;2.2号催化转化器
同时, 可以采用隔热的排气管, 这是提高催化器排气入口温度有效措施之一。位于催化剂前的排气总管和歧管为双层壁, 留有3mm的绝热空气间隙, 如图5所示, 细内管由比热容很小的不锈钢制成, 这样能使具有很小辐射表面的绝热排气系统向外界释放较少的能量, 再加上以硅酸铝纤维作为隔热层, 就可使排气在进入催化器之前尽可能少地损失热能。
LO-1、LO-2.一般催化器 ;ADS.吸附器
2.2电加热催化反应器
电加热催化反应器主要用于控制冷启动的废气排放, 是满足美国加州标准中LEV和ULEV的技术途径。电加热催化反应器是利用电阻金属叶片置于催化器前端的进气流路上, 使电阻在电流通过时达到使排气升温的作用。在汽车启动之前, 金属基体先被电流加热一段时间, 以达到催化剂的起燃温度。电加热催化转化器通常和二次空气泵联合使用, 以保障有充足的氧气来氧化排气中的CO和HC。加热电流可以由汽车12V蓄电池、附加电池、交流发电机或高容量电容器供给, 通过电极加热叶片、金属压膜或金属基体。金属基体需要在发动机启动之前加热10～20s, 发动机启动之后再加热20～30s以加热尾气。
2.3收集冷启动时未燃烃
发动机刚启动后, 催化器活性不高, 使用沸石吸附剂来收集产生的未燃烃, 如图6。此装置在冷启动期间, LO-1和LO-2催化器因温度低未起燃, 排气中的HC没被转化而直接进入ADS段, 其中绝大部分HC被ADS段的沸石吸附起来, 从而避免了HC大量排入大气中;启动后排气温度升高, LO-1和LO-2段起燃, 使得ADS中的HC被脱附并燃烧干净, 从而实现冷启动时和负荷运行时的低排放。试验表明, 与一般催化器相比, 收集冷启动时HC可以降低HC总排放的45%～75%。
2.4二次空气喷射系统
二次空气喷射系统就是将一定量的空气引入排气管中, 使废气中的CO和HC化合物进一步燃烧, 以减少CO和HC的排放。其工作原理如图7, 由电子控制装置适时地供给或切断二次空气, 空气量由计量阀控制, 此技术在低排放技术中已经较多采用, 研究表明, 二次空气技术可以使HC的排放降低50%左右。若在此技术的基础上把催化器安在靠近排气歧管的紧下部, 启动后10s左右就可达到起燃温度。
2.5燃烧器型催化器
采用燃烧器装置是加热催化剂最直接的方法。一般燃烧室位于催化器前端以保证快速传热使催化剂迅速有效起燃。当发动机启动后, 使用温度传感器 (位于催化器外壳上) 检查催化器是否达到起燃温度范围, 如果低于起燃温度, 燃烧器会运行一段时间。燃烧器启动后, 二次空气泵和燃烧器的点火装置都会启动, 通过电控手段使燃烧器具有正常良好的燃烧状态。一旦催化器达到足够温度, 二次空气和燃料供给就被关闭。燃烧器的燃油来自车辆的燃油供给系统, 通过油料调压器保持以稳定的流速传输到燃烧器喷嘴, 而过量空气由二次空气泵供应。燃烧器工作后, 内部温度会短时间内超过1000℃, 几秒钟之后, 催化转化器的前端温度会达到350℃, 使陶瓷载体或金属载体达到催化剂的起燃温度。
3 结论
为改善三元催化器的冷启动性能, 本文提出了提高三元催化器的进气温度、进行尾气吸附、二次空气喷射等一系列措施以满足国Ⅲ排放标准的要求, 具有良好的应用价值。
参考文献
[1]龚金科.汽车排放污染及控制.人民交通出版社, 2005.
[2]周毅, 刘新宇.三元催化器冷启动研究分析.内燃机工程, 2002 (3) .
爱丽舍轿车三元催化器处异响 篇4
故障诊断:
1.对车辆进行试车, 确认异响声的存在。
2.用举升机升起车辆, 模拟车辆起步的状态, 检查发现在前排气管联结处发出“咯吱”地异响声!
维修措施:
1.在举升机上抬起车辆, 检查前级排气管与前托架的最小间隙, 如图1所示, 间隙应大于23mm, 否则松开三元催化器与中级排气管之间的环箍螺栓, 将三元催化器向上提拉5～10mm, 然后按规定力矩拧紧环箍螺栓。
2.试车检查异响是否消失, 若未消失, 更换消声器排气管球头和六角锁紧螺母, 并按规定力矩 (见表1) 拧紧。进行以上操作后, 将车辆从举升机上放下, 多次试车没有发现金属咯噔响声, 此车故障消除。
维修心得:
1) 三元催化器与前排气管间的消声器进气管球头磨损或螺栓松动造成该故障的发生。
2) 维修过程中, 我们应该仔细检查发动机支架是否损坏;如果支架损坏, 更换发动机支架。
三元催化器系统 篇5
汽油发动机尾气中的有害气体通过安装三元催化转化器(Three-Way Catalytic Converter)将它们转化为无害的CO2、N2和H2O而得到有效控制。催化转化器是由壳体、减振器、载体和催化剂四部分组成的,其工作原理为:发动机在理论空然比附近运行时,汽车尾气从发动机排出,经排气管到达催化器,流经蜂窝状载体内各通道,其中的CO,CxHy,NOx等有害气体成份在催化剂的作用下,发生化学反应,转化为CO2,N2和水蒸汽等,同时与载体进行热交换,虽然现在汽车上的TWC在催化活性温度范围内对CO、HC和NOx的转化率已达95%以上,但在起燃温度点以前却不能有效地发挥作用。近年有研究发现在装有TWC的汽车上,发动机冷启动后的前几分钟内CO和HC的排放率为60%～80%。为了缩短实验时间和优化整个尾气排放系统以加快催化剂的起燃,各发达国家从20世纪80年代开始已在实验的指导下开发了很多模型[1,2,3,4,5];其中一些模型的研究关注对尾气热效应的预测以提高排气管的设计和热量的保持;而另一些模型主要集中在预测催化转化器的转化行为和优化设计上,而考虑实际发动机的冷启动问题的模型却很少。本文通过催化转化器内热传递和化学反应过程的模型,准确预测催化转化器的操作条件和起燃温度,为三元催化器设计和工业放大提供理论基础。
1 模型建立与数值求解
1.1 催化转化器数学模型
催化转化器模型建立的基本假设为:
(1)反应器表面的性质均匀,
(2)与对流传热相比,气相的辐射传热与热传导可以忽略,
(3)催化转化器具有良好的绝热性能,
(4)所有小通道内的气体温度与浓度相等。
通过以上的假设,催化转化器模型基本上就是转化器内气相与固相的质量与能量的平衡问题了。
式中:δ—催化剂的空隙率(%),h—导热系数[W/(m2·K-1)],S—催化剂几何表面积(m2/m3),Cgj、Csj—分别表示第j种反应物在气相中的浓度与在固相表面上的浓度(j=1～6,1表示CO;2表示C3H6;3表示CH4;4表示H2;5表示NO;6表示O2),hDj—气体物质j的传质系数,Scat—催化剂的活性表面积(m2/m3),Rj—第j种物质的反应速率(mol/m2/s),M—平均摩尔质量(mol/kg),ρs—催化剂表层密度(kg/m3),Tg、Ts—分别表示气相和固相的温度,ks—催化剂表面的热导率[W/(m·K-1)],ΔHj—j物种的反应热(kJ/kmol)。
模型的边界条件为:
传热系数采用Baba[6]等的结果:
式(9)中
传质系数(hDj)如下:
式中所用的物质j的扩散系数Dj由Slattery-Bird[7]公式计算:
式(13)中a=2.745×10-4,b=2.334。
1.2 数值求解
模型有偏微分方程,常微分方程,还有代数方程,因此找到一种合理的解法对求解数学模型很重要。对气体能量和质量方程,因为其对时间的微分可以忽略,所以用传热单元数法来求解比用传统方法更稳定。对于偏微分方程,用有限差分法对其进行离散求解,对于代数方程,则用牛顿-拉夫森法迭代求解。
数值求解式:
式(14)中
通过对整个催化转化器的积分可以得到如下NTU形式的气体浓度关系:
式(15)中
根据质量守恒定律,质量平衡方程可写成:
由边界条件式(7)与式(8),采用时间向前差分、空间中心差分的有限差分法可以从方程(4)求得催化转化器的温度Ts。
2 模拟结果及分析
2.1 进气温度对转化率的影响
在冷启动阶段,冷启动的瞬态特性严重依赖于尾气流通过热传递加热转化器的初始加热过程,因为气流温度决定了传热速率,则进口气流温度也成了决定转化器起燃特性的最重要的参数之一。
图1所示为入口温度分别为600 K和700 K时的CO的转化率。当入口温度为600 K时,CO的起燃时间为25 s,而当入口温度增加到700 K时,CO的起燃时间下降到20 s,可见为了加快催化剂的起燃,可以适当的增加催化器的入口温度,现常用的增加入口温度的方法是在催化转化器前再加一个电加热催化器。
2.2 进气浓度对转化率的影响
CO的转化率因入口浓度的变化而有差异,入口浓度高,则起燃慢,转化率低,入口浓度低,则起燃快,转化率高,C3H6的浓度变化对催化器的起燃特性有相似的影响。这主要是因为CO和C3H6的氧化反应动力学的级数为负数,即浓度越高,则反应速率越慢,结果使得催化器的起燃温度和转化率与CO的进气浓度成反比关系。而NOx的浓度变化对催化器的起燃特性却恰好相反。
2.3 氢气对起燃温度的影响
尾气中的氢气浓度通常假定由水煤气转换反应平衡式决定,此平衡式给出H2和CO的摩尔比率近似为1∶3。图3为当考虑尾气中的氢气时,模型预测到催化剂起燃加快。值得注意的是,即使是在稳定条件下,尾气中的氢气也会使固体温度超过绝热反应温度,这种固体温度曲线的突起由Hegedus(1975)[8]在氢气的稳定氧化过程中由实验发现,这可由它的高Lewis数来解释其原因(DiρgCpg/λg≈4)。氢气可以比产生的热更快的散入催化剂壁中,而使反应可一直进行下去。
2.4 孔密度对起燃特性的影响
蜂窝载体的单位截面的孔密度(单位横截面积上的开孔数)和孔与孔之间的壁厚是两个重要的参数,对催化剂的起燃特性有很大的影响。保持整体式载体的体积不变,则孔密度越大,壁越薄,整体式载体的比表面积就越大,这样就增加了气固之间的传热面积,使得催化剂的起燃时间缩短,提高催化剂的催化活性。
由于蜂窝载体表面尚须涂覆一层催化剂组分,因此对孔的大小有一定的限制———即可保证催化剂载体可浸渍活性组分,同时又不被活性组分所堵塞。同时孔径又受到流体压降的限制,不能超过允许的压降。此二者的综合考虑决定了一种商业载体的最终设计尺寸。
2.5 空速对起燃特性的影响
空速是空气动力学中的概念,是指流经催化转化器的气体流量和催化器载体的有效容积的比值:Φ=3 600Q/V。
Q为流经催化器的气体流量,V表示催化器载体的有效容积。空速的单位是h-1。
对于一个特定的催化转化器来说,其有效容积V是固定的,可以用空速来表征流量的变化,而对于不同有效容积的催化转化器来说,使用空速这一物理量使其转化率具有可比性。催化转化器的空速特性是指通过改变流经催化转化器的流量或改变催化转化器载体的体积来改变空速,测量催化转化器转化率的变化趋势,考察转化率随空速的变化关系。
从图5中可以看出,当空速低于130 000 h-1时,CO的转化率变化不是很大,没有低于96%,而当空速大于130 000 h-1时,CO的转化率下降比较明显。空速在30 000 h-1～80 000 h-1之间时,CO的转化效果最好。当空速等于51 000 h-1时,CO的转化率基本达到百分之百,之后随着空速的增加,CO的转化率呈下降趋势。之所以有这种现象产生,是因为随着空速的增加,尾气流经催化转化器的时间缩短,减少了化学反应的时间,因此其转化率呈现下降趋势。
空速大小对催化器温度场及其转化率的影响具有两重性。一方面,对于有效容积一定的催化转化器来说,空速的变化就代表了尾气流量的变化,而尾气流量的大小影响流体的Re数,从而影响气固之间的对流换热。流量较大时,气固之间的对流换热系数也加大,在开始阶段,载体的温度还未达到起燃温度,化学反应的作用很小,尾气通过与载体之间的对流换热来加热载体。此时,较大的对流换热系数可使载体较快的达到起燃温度。另一方面,当催化转化器完全起燃之后,载体温度已高于气体温度时,尾气对载体起到冷却的作用。此时,对流换热系数越大,载体的温度越低,其转化率也降低。但也不能为了加快起燃而一味的增大气体流量,流量越大,尾气与催化剂接触的时间就越短,气体的转化率就越低。
但是当气体流量大于某一值时,起燃时间不再随流量的增加而缩短,而是趋于平稳。
3 结论
通过对起燃特性各影响因素的分析,可以对催化转化器的优化设计提出如下几点建议:
(1)为了加快催化剂的起燃,整体式载体的长度不宜过长,比较合适的范围是在100 mm到150mm之间;
(2)增加整体式载体的孔密度和减少壁厚,可以提高汽车尾气的转化率,缩短催化剂的起燃时间;
(3)催化转化器的放置位置也是尾气系统设计的一个重要方面,如果催化转化器放置的位置较靠近发动机,则催化剂在很短的时间内就可起燃,但这样会加速催化剂的老化。如果放置过远,则不利于催化剂起燃。
(4)因为进气温度高可以加快起燃,所以在设计时,可以在催化转化器前加一个电加热催化器,也可加一个HC吸附器,在冷启动时把HC吸附储存起来,等起燃之后,再放出进行催化氧化。
参考文献
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汽车三元催化转化器耐久性研究 篇6
1.1 关于耐久性的力学分析
1.1.1 建立受力模型
三元催化转化器位于汽车底盘上, 随着汽车的行驶而振动;在处理发动机排出来的气体时受到气体冲击, 因此在它前后存在一个压降;三元催化转化器在工作过程中, 由于前端进气压力和温度都在不断变化, 所以一方面造成压降的不稳定, 另一方面引起载体、衬垫和壳体膨胀 (或微缩) , 从而影响载体与衬垫之间表面压力值;同时, 在三元催化转化器设计过程中, 应该设法使其固有频率偏离汽车的振动频率, 这里不作赘述。三元催化转化器受力模型如图1。
假设前端所受压力值为p1 (t) , 后端所受压力值为p2 (t) ;载体振动加速度为a (t) ;衬垫施加给载体的摩擦力为F1 (t) ;壳体施加给衬垫的摩擦力为F2 (t) 。
1.1.2 对受力模型进行理论分析
设载体质量为M, 横截面积为A1;载体与衬垫之间摩擦系数为μ1, 衬垫与壳体间的摩擦系数为μ2;以向右方向为正方向, 则对载体有
由于衬垫质量较小, 并且在实际中不易产生移动, 故不予考虑。对 (1.1) 式进行变形, 得
一般情况下, 此时载体并没有产生移动的趋势。当F1 (t) 值达到最大允许值F1max时 (此时载体即将发生移动) , 根据公式
(上式中, F为摩擦力, N为正压力) , 则衬垫与载体间的正压力N1max值为
若衬垫与载体之间产生相对移动之前, 衬垫相对壳体有移动趋势, 此时将衬垫与载体看成一个整体。忽略衬垫横截面积和质量, 与式 (1.2) 相似, 有
载体-衬垫系统所受摩擦力此时达到最大允许值F2max, 根据式 (1.3) , 有
设载体侧面最大抗压值为Nmax, 与此对应, 载体与壳体之间有一个最小间隙dmin;设Nmin=max{N1min, N2min}, 载体与壳体之间相应地有一个最大间隙dmax。只要控制载体与壳体间的间隙值d, 使得
即可。通过控制载体与壳体之间的间隙量使之满足式 (1.7) , 就能使三元催化转化器获得较高的机械耐久性能。
2 汽车催化转化器载体
2.1 汽车催化转化器载体的作用和分类
2.1.1 载体的作用以及汽车催化转化器系统对载体的要求
(左:搭接式衬垫;右:卡口式衬垫)
载体是承载催化助剂的一种支撑体, 又称为担体。汽车尾气就是通过与附着在这种担体表面上的活性催化剂相互作用, 而加速尾气中污染物的氧化还原反应从而达到净化尾气中废气的目的, 即汽车尾气中HC和CO的加速氧化反应和NOx的加速还原反应均在载体上进行。
载体上汽车催化转化器系统的重要组成部分, 其主要作用有两个方面, 即:
(1) 为汽车尾气进行催化反应提供基地。
(2) 固定催化剂。
汽车在实际运行时, 催化转化器工作环境变化较大, 因此作为实用的催化转化器系统自身对载体提出一些要求, 这些要求主要体现在以下几个方面:
(1) 载体具有高温稳定性、抗冲击性和耐久性; (2) 载体的热膨胀系数要求较小; (3) 具有较好的抗冲击性和抗振动性; (4) 质量轻。
2.1.2 载体的分类
从催化转化器技术发展过程来看, 载体主要分为颗粒状载体、蜂窝陶瓷载体及金属载体三类。颗粒状载体由于诸多缺陷现已被淘汰, 陶瓷蜂窝载体目前被广泛采用 (世界上催化转化器所用载体基本上都是陶瓷蜂窝载体) , 而金属载体目前在大量应用中尚有一些问题需要解决, 在克服一些困难后可能会成为陶瓷蜂窝载体的替代用品。
2.2 载体的外形选择
这里所说的载体外形选择包括载体外观形状和尺寸。按照截面形状常见的载体有圆形、椭圆形及跑道形等, 圆柱形载体使用性能比较好, 但是由于催化转化器在排气系统中的布置受汽车底盘空间等因素的限制, 有时要求载体在径向尺寸上不能过大, 此时应选择截面为椭圆形或跑道形载体。从载体外观形状上看, 选择的顺序一般按“圆形——椭圆形——跑道形——其他特殊形状”进行。
3 汽车催化转化器衬垫
衬垫是催化转化器中非常重要的部件, 其作用是将壳体和陶瓷载体按照某种方式连接在一起以保证载体使用的安全性, 并在催化转化器的整个使用周期内提供可靠的绝热性能。催化器用衬垫有金属网和陶瓷密封衬垫两种, 但陶瓷密封衬垫在隔热性、抗冲击性、密封性和高低温下对载体的固定力都比金属网优越, 是主要的应用衬垫。
3.1 衬垫材料的选用
衬垫的选用应与催化转化器系统紧密结合起来。
3.1.1 衬垫具体型号的选择
衬垫生产厂家一般根据衬垫的配方和加工工艺不同, 将衬垫分成多种型号。衬垫具体型号的选择对催化转化器系统非常重要。在选择具体型号时需对下列因素进行综合考虑:
(1) 催化转化器系统与汽车之间的匹配;如催化转化器安装在汽车排气系统中具体的位置、催化转化器的体积和重量等。
(2) 催化转化器系统的工作环境;如工作的温度范围、汽车运行的工况变化特性、排气气流的流动冲击方式以及汽车使用燃料的品质等。
(3) 催化转化器系统中载体和壳体特性;如载体材料匹配、载体制作工艺过程、载体的孔密度、壁厚和强度等, 催化转化器壳体材料的选择 (包括钢的型号和厚度) 、结构设计等。
(4) 催化转化器系统装配过程;包括装配催化转化器的工艺流程、关键工序的控制过程等。
(5) 期望的催化转化器成本分析;催化转化器成本对于衬垫具体型号的选择具有十分重要的影响。
(6) 对催化转化器系统研究开发、生产的经验, 这也是衬垫选择比较重要的因素。
对衬垫型号进行选择应该综合考虑上述因素, 对其进行权衡和优化, 最终从技术和其他方面来确定衬垫的选择。选用厚薄衬垫应根据具体情况, 如选用较厚的衬垫可能价格高些, 但具有以下优点:
(1) 减小金属壳体与载体之间产生的累积误差影响; (2) 使衬垫的密度分布更均匀; (3) 具有更好的隔热效果, 降低金属壳体的温度, 提高壳体的强度; (4) 有更加良好的热膨胀适应能力, 寿命延长; (5) 缓解衬垫装入时的压力不均问题。
3.1.2 衬垫的充填密度选择
衬垫的充填密度是指催化转化器装配完成后壳体与载体之间的衬垫密度。充填密度对于保证催化转化器的寿命是极其重要的, 衬垫的腐蚀率与充填密度之间的关系是近似于反比关系的, 也就是填充密度越大衬垫的腐蚀率越低, 而衬垫生产厂家对各种衬垫产品, 推荐的充填密度是不一样的。
3.2 衬垫外形的设计
衬垫的应用设计需要从催化转化器系统方面考虑。
3.2.1 对于紧耦合的催化转化器 (催化转化器安装位置离发动机排气口较近) , 为延长衬垫的使用寿命, 在催化转化器进气和排气端管上利用衬垫进行隔热。
3.2.2 对于催化转化器中的载体, 衬垫包裹载体的表面积应达到90%以上。
3.2.3 衬垫的形状由载体几何形状决定, 对于衬垫包裹载体的接口应注意密封.接口一般采用卡口式或搭接式两种, 如图2所示。图2中, A的长度一般等于陶瓷载体的周长;B指衬垫的宽度, 一般比陶瓷载体的宽度要少4~6mm, 主要用于防止衬垫膨胀溢过载体边缘、堵塞载体小孔。另外, 为了装配催化转化器系统需要, 当B>60mm时, 应采用卡口式;当B<60mm时采用搭接式。D的长度一般为30~40mm, E为宽度的1/3。
4 总结
通过以上说明和分析可知, 为了使三元催化转化器达到耐久性要求, 可以从以下几个方面着手进行:
4.1 设计合适间隙;该间隙应能保证载体在工作过程中不轴向窜动, 不被压碎。
4.2 选用合适的三元催化转化器载体;一般说来, 载体目数及载体壁厚受排放法规限制, 所以这方面选用的余地比较小。尽可能在满足排放要求下选用壁厚较高、目数较小的载体。将来在金属载体的研制成本降低后可以选用金属载体。
4.3 选用合适衬垫;载体确定后, 其承载能力也就确定下来。在保证衬垫工作过程中其压缩力值不超过载体的承载能力前提下, 尽可能选用厚度值较大的衬垫。另外, 载体高度大于60mm时, 衬垫设计形式为卡口式;载体高度小于60mm时, 衬垫设计为搭接式。为了尽可能不使衬垫受气流冲击, 应使衬垫设计宽度比载体高度稍小3~4mm。
参考文献
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三元催化器系统 篇7
故障诊断:直观观察发动机抖动情况, 感觉发动机缺缸。汽车加速无力的同时, 在加速时可以听到消声器内“咕咚、咕咚”的异响。
首先拆下火花塞, 看到1、4缸火花塞燃烧良好, 2、3缸火花塞潮湿, 说明2、3缸工作不良。做跳火试验, 2、3缸无高压电。根据捷达发动机特点, 判断为点火线圈故障。更换1个新的点火线圈, 发动机怠速抖动现象消失。用V.A.G1552检测, 检测其数据也完全正常。捷达发动机点火系采用静态无触点式点火系统, 点火线圈为双点火线圈, 每一个点火线圈次级有2个输出端, 每个输出端上接1个火花塞。当1个点火线圈毁坏时, 就有2个缸不工作。
其次, 由于发动机怠速抖动现象排除, 但发动机加速无力的故障仍然存在。于是把汽车举升, 在汽车的下面查找消声器异响的发出部位, 结果发现异响出自三元催化转换器, 同时比较2辆捷达轿车尾气排出量发现, 有故障汽车的尾气排出量少, 证实此捷达轿车的三元催化转换器已堵塞, 断定三元催化转换器损坏。
故障排除:更换新的三元催化转换器后, 试车, 故障排除。
故障分析:由于此捷达轿车到我单位多次报修冷车不易起动, 等汽车开到单位后, 汽车已热车, 就不存在冷车不易起动的故障, 因此虽然车主多次要求修点火系的故障, 但由于修理工的原因没有及时更换点火线圈, 点火线圈在其技术状况不良的情况下工作, 使混合气燃烧不充分, 导致没有燃烧充分的混合气在三元催化转换器氧化, 产生热量导致三元催化转换器融化, 其排气通道阻塞而产生排气阻塞现象导致消声器“咕咚、咕咚”地发出异响。