三元催化器故障分析及實踐

胡建

摘要：三元催化器作為汽車尾氣處理的核心裝置，可以有效控制尾氣排放，實現環保目標。本文基于三元催化器原理、結構及常見故障失效模式，對整車開發路試過程中由三元催化器觸發發動機故障燈報警進行系統全面的分析。研究表明，過高溫使得三元催化器快速老化、儲氧能力降低，最終導致三元催化器失效，整個問題解決流程及方法能夠對行業內類似問題的解決起到一定的參考及促進作用。

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.

關鍵詞：三元催化器;發動機;排放;老化;失效;儲氧能力

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

中圖分類號：U464.13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0055-03

0? 引言

隨著城市汽車擁有量的與日俱增，汽車排放的廢氣對大氣造成的污染越來越嚴重，限制和治理作為流動污染源的汽車尾氣污染已成為當前國家和社會關注的焦點。三元催化器的使用可以使汽油車排放的CO、HC、NOX同時降低90%以上，能夠對汽車尾氣污染起到極佳的控制作用。但是，由于催化器本身質量、使用時間、工作環境、機械沖擊等因素影響，三元催化器在某些條件下會出現性能劣化的現象，催化效果驟降。車輛運行工況復雜，各種因素交互影響，一旦出現問題，整個分析排查過程將會十分復雜，對于三元催化器的分析更是這類問題的重中之重。在這種背景下，本文對三元催化器的工作原理、結構組成、常見失效模式等進行了深入研究，并結合車輛路試過程中三元催化器失效案例，對其失效進行根本原因分析。

1? 三元催化器結構

常用三元催化器的結構一般包括四個部分：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，保護易碎的、涂有貴金屬催化劑載體不受外界沖擊，同時可調節氣流使其均勻分布;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。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際催化面積擴大7000倍左右;同時，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定性，使活性氧化鋁穩定化，避免發生熱解。

2? 三元催化器工作原理

當高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，燃燒廢氣中的化學有害成分CO、HC和NOX將會與載體壁面的化學涂層產生一定的氧化-還原化學反應，其中CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳氣體;HC化合物在高溫下氧化成水和二氧化碳;NOX還原成氮氣和氧氣，如圖2所示。通過三元催化劑，凈化3種有害氣體。使之變成無害氣體，汽車尾氣得以凈化。

氧化反應：2CO+O2=2CO2

4HC+5O2=2H2O+4CO

還原反應：2NO+2CO=N2+2CO2

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

3? 三元催化器失效模式

根據三元催化器的工作原理，它僅僅促使化學反應但不參加化學反應過程，因此三元催化器本身不產生磨耗，主要故障類型有兩種，即催化活性降低和催化劑受損，具體實效模式有以下幾種：

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

②低頻循環應力破壞：在車輛行駛過程中，三元催化器子零件會受到不同程度的機械應力及熱應力作用，造成疲勞損耗。疲勞損耗達到一定程度，產生疲勞裂紋，直至徹底分離、斷裂。

③高頻循環應力破壞：汽車排氣系統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構時，催化轉化器將會產生劇烈振動。在這種高頻振動的惡劣條件下，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、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候是同時發生的，例如，在發動機失火的情況下，由于失火造成的高溫會導致載體的燒結，同時，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：可以分為化學中毒和機械中毒兩種情況。前者是由于廢氣與催化劑中的活性物質發生化學反應，導致催化劑活性下降。后者是由于有毒物質強烈吸附在催化劑的表面，阻礙反應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

車輛發動機故障燈常亮報警，通過電腦讀取車載ECU故障碼為P0420，即：三元催化器儲氧能力老化故障。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，采用魚骨圖法查找催化器失效的根本原因（見圖2）。

4.1 外觀檢查、內窺鏡檢查、背壓檢測

將三元催化器從車輛上拆下來，其外觀完好無明顯裂痕和破損痕跡（見圖3）;進氣端、排氣端均無明顯異常;內窺鏡檢查發現載體前端面有局部塌陷變形，輕輕搖晃三元催化器從進、排氣端倒出部分殘片。

將三元催化器進行背壓測試，進氣端接入流量為400kg/h一定溫度的混合氣，實測的背壓結果與該款催化器的設計背壓相比增加9%。經與供應商催化器的設計參數和堵塞失效數據庫對比，9%的壓力增加未達到催化器損壞失去功能的判斷依據。

該三元催化器載體內部有局部堵塞、斷裂的情況發生，但不會觸發P0420故障。

4.2 催化器封裝檢測

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移位，排除機械損壞造成P0420故障（見圖4）。

4.3 催化劑及載體檢測

載體中間有破裂的痕跡，但載體并未形成斷裂，結構破裂處載體有結構變形的孔道。如圖5所示。

進行催化劑儲氧能力（OCS）檢測，正常狀態下的催化劑儲氧量為0.5g/L，結果顯示前段（前級2in）的儲氧量0.057g/L和后段（后級2in）為0.036g/L遠低于正常工作下載體的儲氧量。儲氧量低一般是由于催化器未激活或催化器老化造成，該車輛運行記錄顯示該車經過專業磨合工況，排除催化器未激活因素。復查該車輛INCA記錄的各傳感器運行數據，前、后氧傳感器翻轉電壓、以及積分速率異常，已識別出三元催化器老化故障，根據OBD診斷策略報P0420故障并激活發動機故障燈。該車輛行駛里程僅有50000公里，遠沒有達到設計的催化器老化里程要求，初步判斷是由催化劑過高溫或催化劑中毒導致催化器加速老化。

一般采用對載體進行BET比表面積分析來檢查催化劑是否經過過高溫。因為催化劑的涂層材料（AL2O3）的晶體結構會因為受熱溫度不同而發生不可逆變化，對應的BET比表面積也會發生明顯變化，可以通過BET比表面積分析去反推催化器大致受熱過程。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。

進一步對載體切開進行觀察，可明顯看到載體一側出現嚴重燒融，同時載體壁扭曲嚴重，造成大面積空洞，部分地方碎裂。如圖7所示。

對故障催化器載體樣本進行BET比分析，結果如表2。

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

最后，檢查催化劑是否經歷元素“中毒”，通常采用XRF測試分析，對該催化器載體采樣分析，結果如表3。

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

結合前文分析，基本可確定催化器故障是由于局部非正常高溫（高于1300℃）導致載體中間斷裂，局部孔道融化變形，加速催化器老化導致儲氧能力降低，發動機故障燈觸發報警。

造成催化器過高溫的原因很多，諸如EMS軟件問題引起的判缸錯誤、噴油正時故障可能會造成過高溫，點火線圈、火花塞、氧傳感器等發動機硬件故障也可能造成過高溫，催化器溫度保護策略失效、發動機失火，以及排氣后燃都可能造成過高溫。本文在此不逐一介紹分析過程，本次三元催化器失效的根本原因是由發動機失火而導致排氣溫度過高最終致使催化器提前老化。

5? 結束語

三元催化器是目前解決車輛排放問題的最佳方案，為保證其工作壽命，防止故障產生，除了選用高質量產品、使用高品質燃油之外。作為整車制造企業，首先應當合理優化其裝配結構，避免機械沖擊、應力集中及高溫損壞催化器;其次，利用EMS發動機管理系統嚴格監控發動機工況、控制空燃比，保證三元催化器工作溫度處于正常范圍;最后，車載診斷系統必須在第一時間發現故障并報警，避免因火花塞積碳、發動機失火而造成催化器失效。

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