汽車三元催化器故障原因及處理措施

◆文/江蘇 周敏

汽車三元催化器故障原因及處理措施

◆文/江蘇 周敏

當(dāng)前霧霾天氣引起全社會對于治理空氣污染的重視。眾所周知，我國汽車保有量持續(xù)高速增長，機(jī)動(dòng)車尾氣污染成為城市空氣污染的主要來源之一。研究表明，北京城區(qū)機(jī)動(dòng)車排放的氣體污染物占總氣體污染物的比重超過20%，在擁堵地區(qū)的交通高峰時(shí)段，機(jī)動(dòng)車排放的污染物占比甚至超過50%。

城市中行駛的機(jī)動(dòng)車主要是狹義乘用車，即傳統(tǒng)意義上的轎車，絕大多數(shù)都是汽油動(dòng)力。三元催化器也被稱為三效催化器，是汽油車控制尾氣排放污染的核心裝置起著不可替代的作用。三元催化器能同時(shí)處理掉汽油車排放的NOX、HC和CO三種污染物，同時(shí)部分降低PM排放。發(fā)動(dòng)機(jī)在閉環(huán)電控狀態(tài)下工作時(shí)，能夠同時(shí)轉(zhuǎn)化掉尾氣中超過90%的主要污染物。

一、三元催化劑器的工作原理

三元催化器是一種化工裝置，泛指能同時(shí)催化三種化學(xué)反應(yīng)的催化劑，催化劑起加快反應(yīng)速率的作用，其本身并不參與反應(yīng)。汽油車上這三種化學(xué)反應(yīng)如下：①HC與O2反應(yīng)生成H2O和CO2；②CO和O2反應(yīng)生成CO2；③NOX和CO反應(yīng),生成N2和CO2。

三元催化劑巧妙地利用了汽油車尾氣中主要成分的濃度關(guān)系，理想狀態(tài)下能同時(shí)轉(zhuǎn)化絕大部分的三種主要污染物。此外，部分未燃HC是以微小顆粒或氣溶膠形式存在，因此三元催化劑也能降低車輛的顆粒物排放水平，對PM控制做出貢獻(xiàn)。

如圖1所示，三元催化器的核心部件是涂覆了活性催化劑的陶瓷載體，活性催化劑涂層主要由鉑、鈀、銠等貴金屬組分和鈰鋯等稀土族元素添加劑及Al2O3等支持材料組成。貴金屬是其中的活性成分，促進(jìn)HC、CO的氧化反應(yīng)和對NOX的還原反應(yīng)。陶瓷載體外裹襯墊安裝在催化器金屬殼體中，襯墊主要起保護(hù)陶瓷芯體、減振、固定、隔熱的作用。

三元催化劑投入應(yīng)用與發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步和無鉛汽油的推廣有密切關(guān)系。三元催化劑對鉛非常敏感，微量的鉛也會造成催化劑中毒失活。三元催化劑的工作性能與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的空燃比有密切的關(guān)系。圖2說明了三元催化劑的轉(zhuǎn)化效率與發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的對應(yīng)關(guān)系，在偏稀燃燒的情況下，O2充足，有利于氧化反應(yīng)進(jìn)行，催化劑對HC和CO的轉(zhuǎn)化效率非常高，對NOX的轉(zhuǎn)化效率低；反之，在發(fā)動(dòng)機(jī)偏濃燃燒時(shí)，反應(yīng)平衡向還原方向偏移，NOX的轉(zhuǎn)化效率很高。只有在理論空燃比，即空燃比為1附近，才存在三種成分凈化效率都很高的情況。要充分發(fā)揮三元催化器的性能就必須將發(fā)動(dòng)機(jī)工作窗口控制在理論空燃比附近，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)根據(jù)氧傳感器的反饋，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的閉環(huán)控制。目前市面上的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，絕大多數(shù)是工作在空燃比為1的工況下以滿足三元催化劑的工作要求。

為了保證車輛排放始終在法規(guī)限定的水平之內(nèi)，國家要求催化器需要滿足整車100000km耐久行駛的要求，并在車輛申請公告時(shí)進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。2018年全國范圍內(nèi)將實(shí)施國五排放法規(guī)，對汽車三元催化器及相關(guān)部件的耐久里程要求會提高到160000km。法規(guī)同時(shí)要求，在三元催化器損壞及車輛的主要污染物排放超標(biāo)時(shí)，OBD系統(tǒng)立即被觸發(fā)，MIL燈報(bào)警提醒駕駛者及時(shí)修復(fù)故障。車輛系統(tǒng)也可能采取限制功率輸出等方式，以保證駕駛者及時(shí)有效地排除故障。

二、主要故障類型和排除方法

三元催化器的損壞可以分為兩大類：一類是催化活性下降；另一類催化劑的損壞是物理破損。

1.催化活性下降

催化活性下降,具體表現(xiàn)在催化器外殼和內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)均沒有損壞，但是車輛污染物排放超標(biāo)。除MIL燈點(diǎn)亮外，沒有明顯的故障現(xiàn)象，且很難通過外部檢查來發(fā)現(xiàn)故障。該類催化器損壞的主要原因是催化劑活性的喪失。和其他化工產(chǎn)品類似，催化劑失去活性主要由于催化劑的老化。首先是高溫老化，三元催化劑的工作范圍需要控制在950℃以下，如果異常因素造成催化劑表面溫度急劇升高，則催化劑的活性會嚴(yán)重下降，且溫度上升的幅度與活性的下降成指數(shù)關(guān)系，瞬間超過1300℃就可能使催化劑活性基本喪失；其次是毒害老化。燃油和機(jī)油中都添加了多種添加劑，如含錳、硅、磷元素的添加劑等，這些添加的元素不可避免地隨尾氣進(jìn)入催化器，在車輛長期運(yùn)轉(zhuǎn)后沉積在催化劑表面，占用催化劑的活性相位，使催化劑的活性逐漸喪失。根據(jù)老化原因的不同，催化劑的失活可以不同程度地恢復(fù)。熱老化造成的失活一般不可恢復(fù)，而某些元素，如硫造成的老化，通過運(yùn)行特定的循環(huán)，性能是可以恢復(fù)的。

2.催化劑的物理破損

車輛啟動(dòng)后，除MIL燈點(diǎn)亮外，車輛行駛時(shí)催化器內(nèi)會有明顯的異響，在拆下催化劑后，發(fā)現(xiàn)陶瓷芯碎裂造成排氣管堵塞或車輛加速無力，從拆下的催化器中能倒出陶瓷載體的碎塊和粉末。極端情況下，拆下催化器后會發(fā)現(xiàn)陶瓷芯體已經(jīng)完全“失蹤”。這種故障下催化劑陶瓷芯碎裂的原因比較復(fù)雜，例如封裝過程中載體損壞，催化劑遭遇瞬間高溫或激冷使晶格損壞，異物進(jìn)入造成的結(jié)構(gòu)破壞，也可能是由于襯墊被氣流吹蝕，造成載體失去固定力等。

由于油品差等使用環(huán)境造成的故障，無法通過更換催化器來徹底解決。因此對無法準(zhǔn)確判定原因的故障，除更換三元催化器外，需要擴(kuò)大尋找故障的范圍，繼而找到催化器損壞的根本原因。

在售后服務(wù)領(lǐng)域，駕駛者一般是聽到了排氣系統(tǒng)的異常響聲或因故障燈報(bào)警后才到4S店報(bào)修。維修人員往往先讀取故障碼，此時(shí)電控系統(tǒng)常見反饋是三元催化劑損壞。由于對催化劑的健康狀態(tài)監(jiān)控是通過前后氧傳感器的信號差異比較來實(shí)現(xiàn)的，維修人員應(yīng)該首先排除氧傳感器的故障。

當(dāng)拆下催化器后，即使沒有異響，維修人員也會直接更換催化器結(jié)束維修。但需要注意的是，由于國家對三元催化器質(zhì)量的強(qiáng)制性耐久要求，新車在申報(bào)公告時(shí)都經(jīng)過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，絕大部分催化器本身的損壞并不是由于催化器自身的質(zhì)量問題。

三、催化器損壞的原因

1.燃油油品品質(zhì)不佳

盡管從2000年起我國已經(jīng)禁止使用含鉛汽油，但是為提高汽油抗爆性，我國的燃油中仍普遍添加了有機(jī)錳等抗爆劑組分。以錳添加劑為例，隨著車輛的使用，添加劑中的錳隨高溫尾氣排出會逐漸沉積在催化劑入口端表面，可能會引起催化器堵塞。2014年起我國執(zhí)行新的汽油標(biāo)準(zhǔn)后，全國油品質(zhì)量陸續(xù)升級，油品中添加劑的含量會得到嚴(yán)格控制，該故障可能將不再常見。

2.點(diǎn)火系統(tǒng)故障

點(diǎn)火系統(tǒng)故障造成未燃的油氣進(jìn)入催化器，在催化器內(nèi)“后燃”。催化劑的這種故障原因是最難以發(fā)現(xiàn)的，未燃油氣進(jìn)入催化器后會在載體內(nèi)部燃燒，瞬時(shí)高溫可能超過1400℃，完全破壞催化劑的機(jī)構(gòu)。損壞的催化劑往往外部完整，內(nèi)部卻已經(jīng)燒熔或碎裂(圖3、圖4)。有時(shí)在催化器的入口端檢查可能沒有問題，但從出口端檢查時(shí)會發(fā)現(xiàn)陶瓷載體被“掏空”。遇到這種故障現(xiàn)象時(shí)，除了更換催化劑，也需要尋找到導(dǎo)致形成未燃油氣的原因，如發(fā)動(dòng)機(jī)失火、點(diǎn)火線圈故障等，從根本上解決該故障，否則即使更換了催化劑，“后燃”現(xiàn)象有可能再次發(fā)生。

3.渦輪增壓器漏油

帶渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪增壓器漏油造成機(jī)油進(jìn)入催化器。不當(dāng)?shù)厥褂煤途S護(hù)渦輪增壓器，造成增壓器油封漏油，機(jī)油在負(fù)壓作用下，隨尾氣進(jìn)入催化器內(nèi)。催化劑表面的溫度在700℃以上，使機(jī)油在催化劑表面燃燒形成高溫，故障現(xiàn)象與未燃油氣進(jìn)入催化器相同。這類故障發(fā)生時(shí)，催化器會有明顯的被機(jī)油污染的痕跡。一定要在找到機(jī)油進(jìn)入催化器的原因后再更換催化器。

4.外部異物進(jìn)入催化器前部

由于催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的氣流孔道都非常小，前端進(jìn)入的異物較大時(shí)無法順尾氣流過，異物將在尾氣的吹動(dòng)下不斷與陶瓷載體碰撞摩擦，最終徹底損壞催化器。焊渣、襯墊甚至脫落的螺絲等使催化劑被異常磨損的故障較為常見。為避免該故障現(xiàn)象的發(fā)生，安裝催化器時(shí)需要嚴(yán)格杜絕異物進(jìn)入催化器的上游氣流通道內(nèi)。