發動機三元催化器載體失效實例分析

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用最多的汽油機廢氣后處理凈化技術，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，當發動機的空燃比在理論空燃比附近時，三元催化器可將90%的碳氫化合物和CO 及70%的NOx同時凈化。電子控制汽油噴射加三元催化器已成為國內外汽油機排放控制技術的主流[1]。隨著環保法規的逐步嚴格以及汽車行業對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，對其失效的原因進行了分析，為今后解決類似問題提供了思路。

1 載體失效分析

在實際的使用中，發現發動機性能在某一刻開始下降，發動機的排氣溫度和排氣背壓上升，油耗也隨之攀升，此時拆下三元催化器發現，催化器的載體失效。在實際的試驗中，載體失效是經常會遇見的問題，文章重點分析最常出現的4 種失效形式。

1.1 載體破裂

試驗過程中有時三元催化器在運行幾十小時甚至更短時間時就發生了失效，切割殼體可見，載體出現裂紋，嚴重時載體破裂、整體脫落，如圖1 所示。

在運行如此短時間內反復發生此類失效的，一般是樣件質量出現了問題，大致可分為兩類。

1.1.1 封裝質量問題

正常封裝時，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則會產生徑向剪切力，而蜂窩結構的抗剪切力相對薄弱，因此載體會產生裂紋，甚至是破裂。即使在壓力均勻時，載體仍有可能破裂。由封裝壓力不均勻導致的載體破裂失效，可通過優化封裝工藝和加強檢測等來避免。

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。對于歐Ⅳ以后的汽油機，隨著功率的提升，使排氣溫度及排氣流量隨之升高，采用普通襯墊已無法滿足現有設計要求，所以可選用復合襯墊，復合襯墊的熱變形性好，可以更好地保護載體，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的振動，對于振動的減弱不僅涉及振動噪聲學，而且還和排氣系統整體的設計有關。

1.2 載體腐蝕

發動機臺架試驗過程中，當發動機運行幾百小時后，監測數據中的排氣背壓發生了波動，排查后仍不能解決問題，這時拆下三元催化器后發現載體燒蝕。

出現這種情況一般伴隨著2 種現象:一種是拆下三元催化器后可以從排氣系統中找到細小的顆粒物，另一種是載體腐蝕的部位基本在相同的位置。基于以上分析，載體腐蝕大致可分為2 類。

1.2.1 異物進入排氣系統

異物進入排氣系統，并通過高速氣體沖擊載體，導致腐蝕。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，一般無法從載體通道內通過，隨著氣流回流來回撞擊載體而致使其損壞；尺寸較小的異物，如催化器內壁被氧化及發動機的磨損物等，則在通過通道時撞擊載體，使其損壞。

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

1.2.2 歧管管道走向設計不合理

歧管管道的走向設計工作是在布局設計時完成的，后期試驗中如出現問題可通過CFD 分析對歧管的管道模型進一步修正，達到分析與試驗盡可能接近。

對于載體而言，高速氣體的不正常吹蝕也會使得載體腐蝕，所以不希望流速的離心率太大。離心率可通過CFD 計算得出，如偏差太大，需優化管路走向。

1.3 載體燒熔

三元催化器失效后，拆下載體有時會發現其已經燒熔，且中間部位最為嚴重。

燒熔是高溫導致載體和涂層之間發生了化學反應，化學反應進一步提升載體表面溫度，進而使得載體燒熔。而燒熔發生的位置一般都在載體中間，這是因為載體中間是化學反應最強烈的區域，所以工作溫度也最高。

通過將涂覆前后載體放入電爐內的熱老化試驗對比可得，涂敷后的載體蜂窩壁在1 450 ℃的時候開始出現軟化，而白載體在1 450 ℃時沒有明顯變化。所以從載體本身來說，其最高軟化溫度為1 450 ℃。

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

目前三元催化器的熱保護溫度為950 ℃，4%的瞬態工況最高溫度可達到970 ℃，達到1 000 ℃的瞬態工況小于1%，三元催化器的最高瞬態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，監測催化器工作中的溫度，來判斷發動機是否失火。如果載體中間位置溫度超過限值，而載體入口處溫度正常，一般情況是發動機發生了失火，導致載體內部產生后燃，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象發生，但兩者卻有本質的區別。燒熔是溫度過高導致載體和涂層反應，致使載體完全失效的現象；而堵塞是發動機廢氣中存在的雜質堵塞載體通道，對載體本身并未損壞，如圖3 所示。

從載體中間取出黃褐色物質進行化學成分檢測可得化學成分以Mn，Fe，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物，而氧化錳則是汽油添加劑中的抗爆劑（MMT）氧化后的產物[3]。MMT 顆粒非常小（約Φ0.01 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 會產生黏度，當溫度高于它的初始溶化或燒結溫度時，這一部分就會因為高溫形成粘壁。隨著顆粒物的不斷堆積并向外延伸，導致通道變小且越來越難通過，直至堵塞[4]。

MMT 堵塞發生的前提條件是:使用含高MMT 汽油燃料（＞18 mg/L）時、催化器入口溫度足夠高（＞820 ℃）且發動機運轉狀況保持長時間恒定[5]。當然，不同規格的載體，上述條件可能會發生相應的變化。

MMT 過高不僅會堵塞載體，而且還會污染火花塞，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 未超標的燃油、嚴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，還應制定更加符合整車道路實際運行工況的發動機臺架試驗標準。

2 結論

載體失效有時出現幾種失效模式同時發生的情況，如燒結和破損同時出現，因此需詳細分析失效產生的源頭。對于失效的樣件，分析步驟應為:1）拆卸前，查看試驗數據，仔細觀察失效部位，包括發動機其他零件等；2）拆卸時，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。總之，任何試驗驗證，運行工況都應盡量符合整車道路實際運行工況。