催化器封裝襯墊接口位置對OBD 診斷的影響

盧恒 李瑞珂 張浩華 覃仁豪

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

在愈來愈嚴格的國六排放法規中，對汽車催化器的的開發設計及制作工藝提出更高要求及更嚴格的控制。催化器的結構的設計合理性及工藝控制的改善，能夠提升OBD 診斷的正確率。本文主要結合實際案例，分析了催化器襯墊接口位置，對OBD 診斷的影響極其改善。

1 催化器基本介紹

（1）催化器是動力總成控制與診斷子系統一個零件，也是排氣子系統的組成部分，主要功能是把發動機排出的廢氣，通過催化轉化作用，轉換成達到對環境安全的水平，以滿足國家排放法規要求。

（2）催化器主要結構。催化器主要結構包含催化劑，襯墊，殼體（如下圖1所示）。催化劑是在圓柱狀多孔蜂窩狀陶瓷載體上，涂覆包含鉑、鈀、銠等貴金屬的涂層材料。

圖1

通過催化劑中的鉑、鈀、銠的催化轉化特性，將發動機尾氣中的一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化合物（NO）等，轉化為對環境無污染的二氧化碳（CO）、水（HO）、氮氣（N）等（圖2）。

圖2

包裹催化劑的襯墊，是陶瓷纖維材料，一般為長條形，接口位置兩端端面為凹凸形狀（圖3）。

圖3

2 氧傳感器基本介紹

氧傳感器是一種能夠檢測氣體里的氧氣濃度有關的信號的裝置。氧傳感器可以用于探測發動機排氣管中燃燒廢氣中氧的含量，適時監控發動機的空燃比，根據廢氣中氧濃度的不同輸出高低不同的電壓信號給 ECU，作為閉環系統控制空燃比的重要依據。

發動機電控系統常用氧化鋯式氧傳感器基本結構如下圖4。

圖4

氧化鋯式傳感器的基本元件是氧化鋯管。在一定溫度條件下，氧化鋯陶瓷兩側的氣體中存在著不同氧濃度，氧化鋯陶瓷內部將發生反應，和氧離子的遷移，從而產生電子信號。在氧化鋯管內、外表面均覆蓋著一薄層鉑（Pt）作為電極，傳感器內側通大氣，外側直接與排氣管中的廢氣接觸。在氧化鋯管外表面的鉑層上，還覆蓋著一層多孔的陶瓷涂層；在傳感器的線束連接器端有金屬護套，其上設有小孔，以便使氧化鋯管內側通大氣。氧化鋯管的外表面處于氧氣濃度較低的汽車所排放的氣體中，而管的內表面則導入周圍空氣，兩表面氧氣濃度之差就會產生電動勢——電壓信號（圖5）。其輸出的信號電壓由低（約0.1V）到高（約0.9V）或由高到低發生突變。

圖5

3 OBD 診斷

3.1 OBD 診斷的法規要求

在車輛上安裝的車載診斷系統，簡稱OBD 系統，以監測車輛實際運行中的排放。OBD 系統應能通過使用車載電腦監測車輛在實際使用時排放系統的工作狀況，并能監測排放系統的故障。

3.2 OBD 診斷催化器失效原理

催化器的涂層材料中含有的氧化鈰（CeO2），能對氧氣進行存儲并與排放尾氣進行催化轉化反應，催化器的儲氧量可簡述為單位時間內催化器前氧濃度，減去催化器后氧濃度。催化器的催化轉化性能與其儲氧量成正比關系，即催化器儲氧量高，催化轉化性能強，儲氧量低，催化轉化性能弱，當催化轉化性能會下降到一定程度，轉化的排放尾氣有限，會導致整車排放的尾氣超過國家排放法規限值要求。OBD 系統（包括前后氧傳感器，ECU（發動機控制模塊）等），應在催化器轉化能力的下降值閥值前，檢測出催化器的故障。

3.3 OBD 診斷布置

如下圖6 所示OBD 系統布置，在排放系統中的催化器前、后安裝能夠檢測氧氣濃度的氧傳感器，通過檢測前、后氧傳感器的氧濃度信號，傳遞給ECU（發動機控制模塊）進行對比計算轉化計算儲氧量，如儲氧量數值小于預設閥值，即可判斷催化器失效。

圖6

4 催化器襯墊接口位置導致的OBD 誤診斷

4.1 催化器封裝襯墊的接口，導致OBD診斷失誤的案例

某1.5L 排量國六車型，發現OBD 故障燈亮，讀取數據發現為催化器儲氧量低故障模式，提示催化器性能劣化（催化器催化轉化性能低）。

4.2 對OBD 診斷失誤的原因排查

通過檢測氧傳感器、催化器密封性、催化劑性能等，均正常工作無問題，再將催化器拆檢，發現襯墊接口位置正對后氧傳感器位置（如下圖7）；

圖7 排放尾氣氣流方向

正常排放尾氣從催化器法蘭，進入催化劑，經過催化劑圓柱形載體的眾多小孔（小孔內涂覆貴金屬）進行催化轉化作用，后流出催化器。后氧傳感器布置在催化器后端，以監控催化器后的排氣氧含量。

如圖8 所示，雖然大部分排放尾氣流經催化器進行轉化（氧濃度低），但是仍然有極小量的排放尾氣，沒有經過催化劑轉化（氧濃度高），而是通過了包裹的襯墊接口中及其微小的間隙，流到催化劑后端，而接口位置正對氧傳感器。這部分氣流流量極小，并不影響整車的排放，但是由于離氧傳感器很近，極小的氣體氧含量也會影響其傳輸信號。

圖8 絕大部分排放尾氣

4.3 測試兩種襯墊接口朝向的催化器，測量儲氧量

同一個催化器，分兩次改制為兩種襯墊接口位置的樣件，搭載在同一輛整車上，測量對比儲氧量的數據：

A 方案催化器襯墊接口位置正對氧傳感器（圖9），B 方案催化器襯墊接口位置與氧傳感器呈180°對角（圖10）。

圖9

圖10

測量A 方案測試前后氧傳感器信號（圖11），通過前后氧傳感器信號進行計算催化器儲氧量67（mg）。

圖11

測量B 方案測試前后氧傳感器信號（圖12），通過前后氧傳感器信號進行計算催化器儲氧量650（mg）

圖12

如上圖測量數據可知，A 方案測量出儲氧量為67mg，B 方案測量儲氧量為650mg，相差將近10 倍，已經達到觸發OBD 診斷報警閥值的95mg，因此ECU 根據計算對比儲氧量，判斷催化器已經劣化或失效，發出信號點亮故障燈，造成OBD 誤診斷。

5 對催化器封裝襯墊接口工藝的改進要求

在催化器封裝工藝中，需要嚴格控制催化器襯墊接口位置，采用設計、工裝、人工檢查等的控制措施，使得其對氧傳感位置為180°，保證催化器的質量，極大的降低了由于催化器襯墊問題導致的OBD 診斷的誤診率。