三元催化器故障分析及實(shí)踐

胡建

摘要：三元催化器作為汽車(chē)尾氣處理的核心裝置，可以有效控制尾氣排放，實(shí)現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)。本文基于三元催化器原理、結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)故障失效模式，對(duì)整車(chē)開(kāi)發(fā)路試過(guò)程中由三元催化器觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈報(bào)警進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析。研究表明，過(guò)高溫使得三元催化器快速老化、儲(chǔ)氧能力降低，最終導(dǎo)致三元催化器失效，整個(gè)問(wèn)題解決流程及方法能夠?qū)π袠I(yè)內(nèi)類(lèi)似問(wèn)題的解決起到一定的參考及促進(jìn)作用。

Abstract： As the core device of automobile exhaust treatment， three way catalyst can effectively control exhaust emission and achieve environmental protection goals. Based on the principle， structure and common failure modes of three way catalyst， this paper makes a systematic and comprehensive analysis on the three way catalyst triggering engine fault light alarm in the process of vehicle development road test. The research shows that the high temperature of exhaust makes the three way catalyst aging rapidly， reducing the oxygen storage capacity， and finally leading to the failure of the three-way catalyst. The whole problem-solving process and method can play a certain reference and promotion role in solving similar problems in the industry.

關(guān)鍵詞：三元催化器;發(fā)動(dòng)機(jī);排放;老化;失效;儲(chǔ)氧能力

Key words： catalyst;engine;exhaust;aging;failure;oxygen storage capacity

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0055-03

0? 引言

隨著城市汽車(chē)擁有量的與日俱增，汽車(chē)排放的廢氣對(duì)大氣造成的污染越來(lái)越嚴(yán)重，限制和治理作為流動(dòng)污染源的汽車(chē)尾氣污染已成為當(dāng)前國(guó)家和社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。三元催化器的使用可以使汽油車(chē)排放的CO、HC、NOX同時(shí)降低90%以上，能夠?qū)ζ?chē)尾氣污染起到極佳的控制作用。但是，由于催化器本身質(zhì)量、使用時(shí)間、工作環(huán)境、機(jī)械沖擊等因素影響，三元催化器在某些條件下會(huì)出現(xiàn)性能劣化的現(xiàn)象，催化效果驟降。車(chē)輛運(yùn)行工況復(fù)雜，各種因素交互影響，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)分析排查過(guò)程將會(huì)十分復(fù)雜，對(duì)于三元催化器的分析更是這類(lèi)問(wèn)題的重中之重。在這種背景下，本文對(duì)三元催化器的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、常見(jiàn)失效模式等進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合車(chē)輛路試過(guò)程中三元催化器失效案例，對(duì)其失效進(jìn)行根本原因分析。

1? 三元催化器結(jié)構(gòu)

常用三元催化器的結(jié)構(gòu)一般包括四個(gè)部分：催化器外殼、襯墊、載體和涂層。如圖1所示。

催化器外殼一般由不銹鋼材料制成，保護(hù)易碎的、涂有貴金屬催化劑載體不受外界沖擊，同時(shí)可調(diào)節(jié)氣流使其均勻分布;催化劑載體通常由陶瓷或不銹鋼材料制成，大致可分為整塊型和顆粒型兩大類(lèi)。涂層材料一般以γ-Al2O3為主，涂覆在載體孔道的壁面上，其粗糙的表面可使壁面的實(shí)際催化面積擴(kuò)大7000倍左右;同時(shí)，在涂層表面散布著作為活性材料的貴金屬，一般為鉑（Pt）、銠（Rh）和鈀（Pd），外加助催化劑鋇（Ba）或鑭（La），其主要作用是提高催化劑的穩(wěn)定性，使活性氧化鋁穩(wěn)定化，避免發(fā)生熱解。

2? 三元催化器工作原理

當(dāng)高溫的汽車(chē)尾氣通過(guò)凈化裝置時(shí)，燃燒廢氣中的化學(xué)有害成分CO、HC和NOX將會(huì)與載體壁面的化學(xué)涂層產(chǎn)生一定的氧化-還原化學(xué)反應(yīng)，其中CO在高溫下氧化成為無(wú)色、無(wú)毒的二氧化碳?xì)怏w;HC化合物在高溫下氧化成水和二氧化碳;NOX還原成氮?dú)夂脱鯕?，如圖2所示。通過(guò)三元催化劑，凈化3種有害氣體。使之變成無(wú)害氣體，汽車(chē)尾氣得以凈化。

氧化反應(yīng)：2CO+O2=2CO2

4HC+5O2=2H2O+4CO

還原反應(yīng)：2NO+2CO=N2+2CO2

10NO+4HC=5N2+2H2O+4CO2

3? 三元催化器失效模式

根據(jù)三元催化器的工作原理，它僅僅促使化學(xué)反應(yīng)但不參加化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此三元催化器本身不產(chǎn)生磨耗，主要故障類(lèi)型有兩種，即催化活性降低和催化劑受損，具體實(shí)效模式有以下幾種：

①碰撞破壞：主要指由于不規(guī)范操作野蠻裝卸、壞路顛簸、嚴(yán)重磕碰等物理因素造成的三元催化器機(jī)械碰撞損壞。

②低頻循環(huán)應(yīng)力破壞：在車(chē)輛行駛過(guò)程中，三元催化器子零件會(huì)受到不同程度的機(jī)械應(yīng)力及熱應(yīng)力作用，造成疲勞損耗。疲勞損耗達(dá)到一定程度，產(chǎn)生疲勞裂紋，直至徹底分離、斷裂。

③高頻循環(huán)應(yīng)力破壞：汽車(chē)排氣系統(tǒng)總成上的三元催化器軟懸掛元件受到損壞或是采用了不正確懸掛機(jī)構(gòu)時(shí)，催化轉(zhuǎn)化器將會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。在這種高頻振動(dòng)的惡劣條件下，催化器的外殼和排氣連接管路極易造成疲勞破壞斷裂。這種斷裂常見(jiàn)于三元催化器外殼端蓋與排氣連接管路焊接接口之處。

④催化劑載體失效：包含燒結(jié)、破損、腐蝕、堵塞四種失效模式，失效誘因如表1所示。

以上所述的載體失效模式有時(shí)候是同時(shí)發(fā)生的，例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)失火的情況下，由于失火造成的高溫會(huì)導(dǎo)致載體的燒結(jié)，同時(shí)，由于失火造成的高溫差和熱沖擊則可能引起載體的破損。

⑤催化劑中毒：可以分為化學(xué)中毒和機(jī)械中毒兩種情況。前者是由于廢氣與催化劑中的活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑活性下降。后者是由于有毒物質(zhì)強(qiáng)烈吸附在催化劑的表面，阻礙反應(yīng)物在催化劑表面的吸附而引起催化劑活性下降。

4? 三元催化器失效原因分析

車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈常亮報(bào)警，通過(guò)電腦讀取車(chē)載ECU故障碼為P0420，即：三元催化器儲(chǔ)氧能力老化故障。由于本文主要是介紹三元催化器的失效排查方法，從而已經(jīng)將氧傳感器等其他部件可能造成P0420故障的因素排除，采用魚(yú)骨圖法查找催化器失效的根本原因（見(jiàn)圖2）。

4.1 外觀檢查、內(nèi)窺鏡檢查、背壓檢測(cè)

將三元催化器從車(chē)輛上拆下來(lái)，其外觀完好無(wú)明顯裂痕和破損痕跡（見(jiàn)圖3）;進(jìn)氣端、排氣端均無(wú)明顯異常;內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)載體前端面有局部塌陷變形，輕輕搖晃三元催化器從進(jìn)、排氣端倒出部分殘片。

將三元催化器進(jìn)行背壓測(cè)試，進(jìn)氣端接入流量為400kg/h一定溫度的混合氣，實(shí)測(cè)的背壓結(jié)果與該款催化器的設(shè)計(jì)背壓相比增加9%。經(jīng)與供應(yīng)商催化器的設(shè)計(jì)參數(shù)和堵塞失效數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，9%的壓力增加未達(dá)到催化器損壞失去功能的判斷依據(jù)。

該三元催化器載體內(nèi)部有局部堵塞、斷裂的情況發(fā)生，但不會(huì)觸發(fā)P0420故障。

4.2 催化器封裝檢測(cè)

將該三元催化器殼體拆解，其載體封裝完好，襯墊和催化器載體、襯墊和催化器殼體之間均無(wú)移位，排除機(jī)械損壞造成P0420故障（見(jiàn)圖4）。

4.3 催化劑及載體檢測(cè)

載體中間有破裂的痕跡，但載體并未形成斷裂，結(jié)構(gòu)破裂處載體有結(jié)構(gòu)變形的孔道。如圖5所示。

進(jìn)行催化劑儲(chǔ)氧能力（OCS）檢測(cè)，正常狀態(tài)下的催化劑儲(chǔ)氧量為0.5g/L，結(jié)果顯示前段（前級(jí)2in）的儲(chǔ)氧量0.057g/L和后段（后級(jí)2in）為0.036g/L遠(yuǎn)低于正常工作下載體的儲(chǔ)氧量。儲(chǔ)氧量低一般是由于催化器未激活或催化器老化造成，該車(chē)輛運(yùn)行記錄顯示該車(chē)經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)磨合工況，排除催化器未激活因素。復(fù)查該車(chē)輛INCA記錄的各傳感器運(yùn)行數(shù)據(jù)，前、后氧傳感器翻轉(zhuǎn)電壓、以及積分速率異常，已識(shí)別出三元催化器老化故障，根據(jù)OBD診斷策略報(bào)P0420故障并激活發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈。該車(chē)輛行駛里程僅有50000公里，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)的催化器老化里程要求，初步判斷是由催化劑過(guò)高溫或催化劑中毒導(dǎo)致催化器加速老化。

一般采用對(duì)載體進(jìn)行BET比表面積分析來(lái)檢查催化劑是否經(jīng)過(guò)過(guò)高溫。因?yàn)榇呋瘎┑耐繉硬牧希ˋL2O3）的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)槭軣釡囟炔煌l(fā)生不可逆變化，對(duì)應(yīng)的BET比表面積也會(huì)發(fā)生明顯變化，可以通過(guò)BET比表面積分析去反推催化器大致受熱過(guò)程。一般而言，隨著溫度的逐漸提高，載體橫切面的BET比表面積逐漸縮小。新鮮載體BET比值為31m2/g，經(jīng)歷1300℃高溫老化后的載體BET比值僅為0.8m2/g，不同溫度下的橫切面變形情況如圖6所示。

進(jìn)一步對(duì)載體切開(kāi)進(jìn)行觀察，可明顯看到載體一側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)冢瑫r(shí)載體壁扭曲嚴(yán)重，造成大面積空洞，部分地方碎裂。如圖7所示。

對(duì)故障催化器載體樣本進(jìn)行BET比分析，結(jié)果如表2。

載體破裂端BET結(jié)果明顯低于前、后端，由于非正常高溫的影響導(dǎo)致該處的載體破裂變形，至少經(jīng)歷1300℃以上高溫，加速催化器老化。

最后，檢查催化劑是否經(jīng)歷元素“中毒”，通常采用XRF測(cè)試分析，對(duì)該催化器載體采樣分析，結(jié)果如表3。

少量的磷和硫信號(hào)（催化劑本身沒(méi)有的），含量非常小，不會(huì)引起催化器非正常老化。

結(jié)合前文分析，基本可確定催化器故障是由于局部非正常高溫（高于1300℃）導(dǎo)致載體中間斷裂，局部孔道融化變形，加速催化器老化導(dǎo)致儲(chǔ)氧能力降低，發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈觸發(fā)報(bào)警。

造成催化器過(guò)高溫的原因很多，諸如EMS軟件問(wèn)題引起的判缸錯(cuò)誤、噴油正時(shí)故障可能會(huì)造成過(guò)高溫，點(diǎn)火線圈、火花塞、氧傳感器等發(fā)動(dòng)機(jī)硬件故障也可能造成過(guò)高溫，催化器溫度保護(hù)策略失效、發(fā)動(dòng)機(jī)失火，以及排氣后燃都可能造成過(guò)高溫。本文在此不逐一介紹分析過(guò)程，本次三元催化器失效的根本原因是由發(fā)動(dòng)機(jī)失火而導(dǎo)致排氣溫度過(guò)高最終致使催化器提前老化。

5? 結(jié)束語(yǔ)

三元催化器是目前解決車(chē)輛排放問(wèn)題的最佳方案，為保證其工作壽命，防止故障產(chǎn)生，除了選用高質(zhì)量產(chǎn)品、使用高品質(zhì)燃油之外。作為整車(chē)制造企業(yè)，首先應(yīng)當(dāng)合理優(yōu)化其裝配結(jié)構(gòu)，避免機(jī)械沖擊、應(yīng)力集中及高溫?fù)p壞催化器;其次，利用EMS發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)嚴(yán)格監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)工況、控制空燃比，保證三元催化器工作溫度處于正常范圍;最后，車(chē)載診斷系統(tǒng)必須在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并報(bào)警，避免因火花塞積碳、發(fā)動(dòng)機(jī)失火而造成催化器失效。

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