發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器載體失效實(shí)例分析

宋志輝 馮曉娟 李啟鵬 劉巖 沈源 趙福全

（吉利汽車研究院）

三元催化器是目前應(yīng)用最多的汽油機(jī)廢氣后處理凈化技術(shù)，由于其載體表面有涂層和活性組分，與廢氣的接觸表面積非常大，所以其凈化效率高，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比在理論空燃比附近時(shí)，三元催化器可將90%的碳?xì)浠衔锖虲O 及70%的NOx同時(shí)凈化。電子控制汽油噴射加三元催化器已成為國(guó)內(nèi)外汽油機(jī)排放控制技術(shù)的主流[1]。隨著環(huán)保法規(guī)的逐步嚴(yán)格以及汽車行業(yè)對(duì)三元催化凈化器綜合性能要求的提高，陶瓷蜂窩載體已逐步取代球狀載體而成為車用催化劑載體的主流[2]。文章以某三元催化器的載體失效為例，對(duì)其失效的原因進(jìn)行了分析，為今后解決類似問題提供了思路。

1 載體失效分析

在實(shí)際的使用中，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能在某一刻開始下降，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度和排氣背壓上升，油耗也隨之攀升，此時(shí)拆下三元催化器發(fā)現(xiàn)，催化器的載體失效。在實(shí)際的試驗(yàn)中，載體失效是經(jīng)常會(huì)遇見的問題，文章重點(diǎn)分析最常出現(xiàn)的4 種失效形式。

1.1 載體破裂

試驗(yàn)過程中有時(shí)三元催化器在運(yùn)行幾十小時(shí)甚至更短時(shí)間時(shí)就發(fā)生了失效，切割殼體可見，載體出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)載體破裂、整體脫落，如圖1 所示。

在運(yùn)行如此短時(shí)間內(nèi)反復(fù)發(fā)生此類失效的，一般是樣件質(zhì)量出現(xiàn)了問題，大致可分為兩類。

1.1.1 封裝質(zhì)量問題

正常封裝時(shí)，封裝壓力均勻，適宜的施加在載體的徑向，但封裝壓力不均勻施壓時(shí)則會(huì)產(chǎn)生徑向剪切力，而蜂窩結(jié)構(gòu)的抗剪切力相對(duì)薄弱，因此載體會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至是破裂。即使在壓力均勻時(shí)，載體仍有可能破裂。由封裝壓力不均勻?qū)е碌妮d體破裂失效，可通過優(yōu)化封裝工藝和加強(qiáng)檢測(cè)等來(lái)避免。

1.1.2 襯墊選型不合理

在歐Ⅲ之前普遍采用普通襯墊，普通襯墊的熱變形性差，易脫落。對(duì)于歐Ⅳ以后的汽油機(jī)，隨著功率的提升，使排氣溫度及排氣流量隨之升高，采用普通襯墊已無(wú)法滿足現(xiàn)有設(shè)計(jì)要求，所以可選用復(fù)合襯墊，復(fù)合襯墊的熱變形性好，可以更好地保護(hù)載體，貼合催化器筒體，很難剝落。

另外，載體破損的根源在于排氣系統(tǒng)的振動(dòng)，對(duì)于振動(dòng)的減弱不僅涉及振動(dòng)噪聲學(xué)，而且還和排氣系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)有關(guān)。

1.2 載體腐蝕

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行幾百小時(shí)后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的排氣背壓發(fā)生了波動(dòng)，排查后仍不能解決問題，這時(shí)拆下三元催化器后發(fā)現(xiàn)載體燒蝕。

出現(xiàn)這種情況一般伴隨著2 種現(xiàn)象:一種是拆下三元催化器后可以從排氣系統(tǒng)中找到細(xì)小的顆粒物，另一種是載體腐蝕的部位基本在相同的位置?；谝陨戏治?，載體腐蝕大致可分為2 類。

1.2.1 異物進(jìn)入排氣系統(tǒng)

異物進(jìn)入排氣系統(tǒng)，并通過高速氣體沖擊載體，導(dǎo)致腐蝕。異物成分以Fe 及O 元素為主，在高溫氣體中，這2 種元素存在的形式只有氧化鐵。

以氧化鐵存在的異物包含焊接的飛濺物及氧化物顆粒等。尺寸較大的異物，如飛濺的焊接物等，一般無(wú)法從載體通道內(nèi)通過，隨著氣流回流來(lái)回撞擊載體而致使其損壞；尺寸較小的異物，如催化器內(nèi)壁被氧化及發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損物等，則在通過通道時(shí)撞擊載體，使其損壞。

解決方法:1）減少氣道內(nèi)焊接飛濺物的出現(xiàn)，可通過優(yōu)化焊接工藝的方法實(shí)現(xiàn)，如將原來(lái)的內(nèi)壁焊接改為外部焊接，如圖2 所示；2）防止催化器內(nèi)壁被氧化的情況，可通過更換殼體材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2.2 歧管管道走向設(shè)計(jì)不合理

歧管管道的走向設(shè)計(jì)工作是在布局設(shè)計(jì)時(shí)完成的，后期試驗(yàn)中如出現(xiàn)問題可通過CFD 分析對(duì)歧管的管道模型進(jìn)一步修正，達(dá)到分析與試驗(yàn)盡可能接近。

對(duì)于載體而言，高速氣體的不正常吹蝕也會(huì)使得載體腐蝕，所以不希望流速的離心率太大。離心率可通過CFD 計(jì)算得出，如偏差太大，需優(yōu)化管路走向。

1.3 載體燒熔

三元催化器失效后，拆下載體有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)其已經(jīng)燒熔，且中間部位最為嚴(yán)重。

燒熔是高溫導(dǎo)致載體和涂層之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步提升載體表面溫度，進(jìn)而使得載體燒熔。而燒熔發(fā)生的位置一般都在載體中間，這是因?yàn)檩d體中間是化學(xué)反應(yīng)最強(qiáng)烈的區(qū)域，所以工作溫度也最高。

通過將涂覆前后載體放入電爐內(nèi)的熱老化試驗(yàn)對(duì)比可得，涂敷后的載體蜂窩壁在1 450 ℃的時(shí)候開始出現(xiàn)軟化，而白載體在1 450 ℃時(shí)沒有明顯變化。所以從載體本身來(lái)說，其最高軟化溫度為1 450 ℃。

通過電鏡掃描（SEM）測(cè)試對(duì)比載體涂層的比表面積（BET）可得，超過900 ℃后，涂層已經(jīng)開始氧化，而載體和涂層發(fā)生反應(yīng)的溫度至少是1 300 ℃或者更高。

目前三元催化器的熱保護(hù)溫度為950 ℃，4%的瞬態(tài)工況最高溫度可達(dá)到970 ℃，達(dá)到1 000 ℃的瞬態(tài)工況小于1%，三元催化器的最高瞬態(tài)溫度一般控制在小于1 200 ℃（此溫度即指催化器中心位置溫度）。

而失火和后燃等是造成排氣異常高溫最主要的原因，可以通過在載體中間安裝溫度傳感器，監(jiān)測(cè)催化器工作中的溫度，來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否失火。如果載體中間位置溫度超過限值，而載體入口處溫度正常，一般情況是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生了失火，導(dǎo)致載體內(nèi)部產(chǎn)生后燃，使載體溫度超過限值，最終使得載體燒熔。

1.4 載體堵塞

載體堵塞和載體燒熔雖然都有載體通道堵塞現(xiàn)象發(fā)生，但兩者卻有本質(zhì)的區(qū)別。燒熔是溫度過高導(dǎo)致載體和涂層反應(yīng)，致使載體完全失效的現(xiàn)象；而堵塞是發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中存在的雜質(zhì)堵塞載體通道，對(duì)載體本身并未損壞，如圖3 所示。

從載體中間取出黃褐色物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)可得化學(xué)成分以Mn，F(xiàn)e，O 元素為主，在高溫氣體中，這3 種元素存在的形式只有氧化鐵和氧化錳。

氧化鐵是載體殼體氧化后的正常產(chǎn)物，而氧化錳則是汽油添加劑中的抗爆劑（MMT）氧化后的產(chǎn)物[3]。MMT 顆粒非常?。sΦ0.01 μm），正常情況下這些顆粒物可以很容易地通過載體。但在一定的溫度下部分MMT 會(huì)產(chǎn)生黏度，當(dāng)溫度高于它的初始溶化或燒結(jié)溫度時(shí)，這一部分就會(huì)因?yàn)楦邷匦纬烧潮?。隨著顆粒物的不斷堆積并向外延伸，導(dǎo)致通道變小且越來(lái)越難通過，直至堵塞[4]。

MMT 堵塞發(fā)生的前提條件是:使用含高M(jìn)MT 汽油燃料（＞18 mg/L）時(shí)、催化器入口溫度足夠高（＞820 ℃）且發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況保持長(zhǎng)時(shí)間恒定[5]。當(dāng)然，不同規(guī)格的載體，上述條件可能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

MMT 過高不僅會(huì)堵塞載體，而且還會(huì)污染火花塞，造成氧傳感器中毒及氣門損壞等。

防止MMT 堵塞載體的措施有:使用MMT 未超標(biāo)的燃油、嚴(yán)格控制排氣溫度及使用壁厚更薄、孔外徑更大的載體等。另外，還應(yīng)制定更加符合整車道路實(shí)際運(yùn)行工況的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)論

載體失效有時(shí)出現(xiàn)幾種失效模式同時(shí)發(fā)生的情況，如燒結(jié)和破損同時(shí)出現(xiàn)，因此需詳細(xì)分析失效產(chǎn)生的源頭。對(duì)于失效的樣件，分析步驟應(yīng)為:1）拆卸前，查看試驗(yàn)數(shù)據(jù)，仔細(xì)觀察失效部位，包括發(fā)動(dòng)機(jī)其他零件等；2）拆卸時(shí)，收集脫落的異物，檢查是否有支架斷裂和螺栓松脫等影響失效的情況存在；3）拆卸后，分析失效樣件?？傊?，任何試驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)行工況都應(yīng)盡量符合整車道路實(shí)際運(yùn)行工況。