三元催化器故障分析及实践

胡建

摘要：三元催化器作为汽车尾气处理的核心装置，可以有效控制尾气排放，实现环保目标。本文基于三元催化器原理、结构及常见故障失效模式，对整车开发路试过程中由三元催化器触发发动机故障灯报警进行系统全面的分析。研究表明，过高温使得三元催化器快速老化、储氧能力降低，最终导致三元催化器失效，整个问题解决流程及方法能够对行业内类似问题的解决起到一定的参考及促进作用。

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.

关键词：三元催化器;发动机;排放;老化;失效;储氧能力

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

中图分类号：U464.13                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0055-03

0  引言

随着城市汽车拥有量的与日俱增，汽车排放的废气对大气造成的污染越来越严重，限制和治理作为流动污染源的汽车尾气污染已成为当前国家和社会关注的焦点。三元催化器的使用可以使汽油车排放的CO、HC、NOX同时降低90%以上，能够对汽车尾气污染起到极佳的控制作用。但是，由于催化器本身質量、使用时间、工作环境、机械冲击等因素影响，三元催化器在某些条件下会出现性能劣化的现象，催化效果骤降。车辆运行工况复杂，各种因素交互影响，一旦出现问题，整个分析排查过程将会十分复杂，对于三元催化器的分析更是这类问题的重中之重。在这种背景下，本文对三元催化器的工作原理、结构组成、常见失效模式等进行了深入研究，并结合车辆路试过程中三元催化器失效案例，对其失效进行根本原因分析。

1  三元催化器结构

常用三元催化器的结构一般包括四个部分：催化器外壳、衬垫、载体和涂层。如图1所示。

催化器外壳一般由不锈钢材料制成，保护易碎的、涂有贵金属催化剂载体不受外界冲击，同时可调节气流使其均匀分布;催化剂载体通常由陶瓷或不锈钢材料制成，大致可分为整块型和颗粒型两大类。涂层材料一般以γ-Al2O3为主，涂覆在载体孔道的壁面上，其粗糙的表面可使壁面的实际催化面积扩大7000倍左右;同时，在涂层表面散布着作为活性材料的贵金属，一般为铂（Pt）、铑（Rh）和钯（Pd），外加助催化剂钡（Ba）或镧（La），其主要作用是提高催化剂的稳定性，使活性氧化铝稳定化，避免发生热解。

2  三元催化器工作原理

当高温的汽车尾气通过净化装置时，燃烧废气中的化学有害成分CO、HC和NOX将会与载体壁面的化学涂层产生一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体;HC化合物在高温下氧化成水和二氧化碳;NOX还原成氮气和氧气，如图2所示。通过三元催化剂，净化3种有害气体。使之变成无害气体，汽车尾气得以净化。

氧化反应：2CO+O2=2CO2

4HC+5O2=2H2O+4CO

还原反应：2NO+2CO=N2+2CO2

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

3  三元催化器失效模式

根据三元催化器的工作原理，它仅仅促使化学反应但不参加化学反应过程，因此三元催化器本身不产生磨耗，主要故障类型有两种，即催化活性降低和催化剂受损，具体实效模式有以下几种：

①碰撞破坏：主要指由于不规范操作野蛮装卸、坏路颠簸、严重磕碰等物理因素造成的三元催化器机械碰撞损坏。

②低频循环应力破坏：在车辆行驶过程中，三元催化器子零件会受到不同程度的机械应力及热应力作用，造成疲劳损耗。疲劳损耗达到一定程度，产生疲劳裂纹，直至彻底分离、断裂。

③高频循环应力破坏：汽车排气系统总成上的三元催化器软悬挂元件受到损坏或是采用了不正确悬挂机构时，催化转化器将会产生剧烈振动。在这种高频振动的恶劣条件下，催化器的外壳和排气连接管路极易造成疲劳破坏断裂。这种断裂常见于三元催化器外壳端盖与排气连接管路焊接接口之处。

④催化剂载体失效：包含烧结、破损、腐蚀、堵塞四种失效模式，失效诱因如表1所示。

以上所述的载体失效模式有时候是同时发生的，例如，在发动机失火的情况下，由于失火造成的高温会导致载体的烧结，同时，由于失火造成的高温差和热冲击则可能引起载体的破损。

⑤催化剂中毒：可以分为化学中毒和机械中毒两种情况。前者是由于废气与催化剂中的活性物质发生化学反应，导致催化剂活性下降。后者是由于有毒物质强烈吸附在催化剂的表面，阻碍反应物在催化剂表面的吸附而引起催化剂活性下降。

4  三元催化器失效原因分析

车辆发动机故障灯常亮报警，通过电脑读取车载ECU故障码为P0420，即：三元催化器储氧能力老化故障。由于本文主要是介绍三元催化器的失效排查方法，从而已经将氧传感器等其他部件可能造成P0420故障的因素排除，采用鱼骨图法查找催化器失效的根本原因（见图2）。

4.1 外观检查、内窥镜检查、背压检测

将三元催化器从车辆上拆下来，其外观完好无明显裂痕和破损痕迹（见图3）;进气端、排气端均无明显异常;内窥镜检查发现载体前端面有局部塌陷变形，轻轻摇晃三元催化器从进、排气端倒出部分残片。

将三元催化器进行背压测试，进气端接入流量为400kg/h一定温度的混合气，实测的背压结果与该款催化器的设计背压相比增加9%。经与供应商催化器的设计参数和堵塞失效数据库对比，9%的压力增加未达到催化器损坏失去功能的判断依据。

该三元催化器载体内部有局部堵塞、断裂的情况发生，但不会触发P0420故障。

4.2 催化器封装检测

将该三元催化器壳体拆解，其载体封装完好，衬垫和催化器载体、衬垫和催化器壳体之间均无移位，排除机械损坏造成P0420故障（见图4）。

4.3 催化剂及载体检测

载体中间有破裂的痕迹，但载体并未形成断裂，结构破裂处载体有结构变形的孔道。如图5所示。

进行催化剂储氧能力（OCS）检测，正常状态下的催化剂储氧量为0.5g/L，结果显示前段（前级2in）的储氧量0.057g/L和后段（后级2in）为0.036g/L远低于正常工作下载体的储氧量。储氧量低一般是由于催化器未激活或催化器老化造成，该车辆运行记录显示该车经过专业磨合工况，排除催化器未激活因素。复查该车辆INCA记录的各传感器运行数据，前、后氧传感器翻转电压、以及积分速率异常，已识别出三元催化器老化故障，根据OBD诊断策略报P0420故障并激活发动机故障灯。该车辆行驶里程仅有50000公里，远没有达到设计的催化器老化里程要求，初步判断是由催化剂过高温或催化剂中毒导致催化器加速老化。

一般采用对载体进行BET比表面积分析来检查催化剂是否经过过高温。因为催化剂的涂层材料（AL2O3）的晶体结构会因为受热温度不同而发生不可逆变化，对应的BET比表面积也会发生明显变化，可以通过BET比表面积分析去反推催化器大致受热过程。一般而言，随着温度的逐渐提高，载体横切面的BET比表面積逐渐缩小。新鲜载体BET比值为31m2/g，经历1300℃高温老化后的载体BET比值仅为0.8m2/g，不同温度下的横切面变形情况如图6所示。

进一步对载体切开进行观察，可明显看到载体一侧出现严重烧融，同时载体壁扭曲严重，造成大面积空洞，部分地方碎裂。如图7所示。

对故障催化器载体样本进行BET比分析，结果如表2。

载体破裂端BET结果明显低于前、后端，由于非正常高温的影响导致该处的载体破裂变形，至少经历1300℃以上高温，加速催化器老化。

最后，检查催化剂是否经历元素“中毒”，通常采用XRF测试分析，对该催化器载体采样分析，结果如表3。

少量的磷和硫信号（催化剂本身没有的），含量非常小，不会引起催化器非正常老化。

结合前文分析，基本可确定催化器故障是由于局部非正常高温（高于1300℃）导致载体中间断裂，局部孔道融化变形，加速催化器老化导致储氧能力降低，发动机故障灯触发报警。

造成催化器过高温的原因很多，诸如EMS软件问题引起的判缸错误、喷油正时故障可能会造成过高温，点火线圈、火花塞、氧传感器等发动机硬件故障也可能造成过高温，催化器温度保护策略失效、发动机失火，以及排气后燃都可能造成过高温。本文在此不逐一介绍分析过程，本次三元催化器失效的根本原因是由发动机失火而导致排气温度过高最终致使催化器提前老化。

5  结束语

三元催化器是目前解决车辆排放问题的最佳方案，为保证其工作寿命，防止故障产生，除了选用高质量产品、使用高品质燃油之外。作为整车制造企业，首先应当合理优化其装配结构，避免机械冲击、应力集中及高温损坏催化器;其次，利用EMS发动机管理系统严格监控发动机工况、控制空燃比，保证三元催化器工作温度处于正常范围;最后，车载诊断系统必须在第一时间发现故障并报警，避免因火花塞积碳、发动机失火而造成催化器失效。

参考文献：

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