催化器封装衬垫接口位置对OBD 诊断的影响

卢恒 李瑞珂 张浩华 覃仁豪

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007

在愈来愈严格的国六排放法规中，对汽车催化器的的开发设计及制作工艺提出更高要求及更严格的控制。催化器的结构的设计合理性及工艺控制的改善，能够提升OBD 诊断的正确率。本文主要结合实际案例，分析了催化器衬垫接口位置，对OBD 诊断的影响极其改善。

1 催化器基本介绍

（1）催化器是动力总成控制与诊断子系统一个零件，也是排气子系统的组成部分，主要功能是把发动机排出的废气，通过催化转化作用，转换成达到对环境安全的水平，以满足国家排放法规要求。

（2）催化器主要结构。催化器主要结构包含催化剂，衬垫，壳体（如下图1所示）。催化剂是在圆柱状多孔蜂窝状陶瓷载体上，涂覆包含铂、钯、铑等贵金属的涂层材料。

图1

通过催化剂中的铂、钯、铑的催化转化特性，将发动机尾气中的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NO）等，转化为对环境无污染的二氧化碳（CO）、水（HO）、氮气（N）等（图2）。

图2

包裹催化剂的衬垫，是陶瓷纤维材料，一般为长条形，接口位置两端端面为凹凸形状（图3）。

图3

2 氧传感器基本介绍

氧传感器是一种能够检测气体里的氧气浓度有关的信号的装置。氧传感器可以用于探测发动机排气管中燃烧废气中氧的含量，适时监控发动机的空燃比，根据废气中氧浓度的不同输出高低不同的电压信号给 ECU，作为闭环系统控制空燃比的重要依据。

发动机电控系统常用氧化锆式氧传感器基本结构如下图4。

图4

氧化锆式传感器的基本元件是氧化锆管。在一定温度条件下，氧化锆陶瓷两侧的气体中存在着不同氧浓度，氧化锆陶瓷内部将发生反应，和氧离子的迁移，从而产生电子信号。在氧化锆管内、外表面均覆盖着一薄层铂（Pt）作为电极，传感器内侧通大气，外侧直接与排气管中的废气接触。在氧化锆管外表面的铂层上，还覆盖着一层多孔的陶瓷涂层；在传感器的线束连接器端有金属护套，其上设有小孔，以便使氧化锆管内侧通大气。氧化锆管的外表面处于氧气浓度较低的汽车所排放的气体中，而管的内表面则导入周围空气，两表面氧气浓度之差就会产生电动势——电压信号（图5）。其输出的信号电压由低（约0.1V）到高（约0.9V）或由高到低发生突变。

图5

3 OBD 诊断

3.1 OBD 诊断的法规要求

在车辆上安装的车载诊断系统，简称OBD 系统，以监测车辆实际运行中的排放。OBD 系统应能通过使用车载电脑监测车辆在实际使用时排放系统的工作状况，并能监测排放系统的故障。

3.2 OBD 诊断催化器失效原理

催化器的涂层材料中含有的氧化铈（CeO2），能对氧气进行存储并与排放尾气进行催化转化反应，催化器的储氧量可简述为单位时间内催化器前氧浓度，减去催化器后氧浓度。催化器的催化转化性能与其储氧量成正比关系，即催化器储氧量高，催化转化性能强，储氧量低，催化转化性能弱，当催化转化性能会下降到一定程度，转化的排放尾气有限，会导致整车排放的尾气超过国家排放法规限值要求。OBD 系统（包括前后氧传感器，ECU（发动机控制模块）等），应在催化器转化能力的下降值阀值前，检测出催化器的故障。

3.3 OBD 诊断布置

如下图6 所示OBD 系统布置，在排放系统中的催化器前、后安装能够检测氧气浓度的氧传感器，通过检测前、后氧传感器的氧浓度信号，传递给ECU（发动机控制模块）进行对比计算转化计算储氧量，如储氧量数值小于预设阀值，即可判断催化器失效。

图6

4 催化器衬垫接口位置导致的OBD 误诊断

4.1 催化器封装衬垫的接口，导致OBD诊断失误的案例

某1.5L 排量国六车型，发现OBD 故障灯亮，读取数据发现为催化器储氧量低故障模式，提示催化器性能劣化（催化器催化转化性能低）。

4.2 对OBD 诊断失误的原因排查

通过检测氧传感器、催化器密封性、催化剂性能等，均正常工作无问题，再将催化器拆检，发现衬垫接口位置正对后氧传感器位置（如下图7）；

图7 排放尾气气流方向

正常排放尾气从催化器法兰，进入催化剂，经过催化剂圆柱形载体的众多小孔（小孔内涂覆贵金属）进行催化转化作用，后流出催化器。后氧传感器布置在催化器后端，以监控催化器后的排气氧含量。

如图8 所示，虽然大部分排放尾气流经催化器进行转化（氧浓度低），但是仍然有极小量的排放尾气，没有经过催化剂转化（氧浓度高），而是通过了包裹的衬垫接口中及其微小的间隙，流到催化剂后端，而接口位置正对氧传感器。这部分气流流量极小，并不影响整车的排放，但是由于离氧传感器很近，极小的气体氧含量也会影响其传输信号。

图8 绝大部分排放尾气

4.3 测试两种衬垫接口朝向的催化器，测量储氧量

同一个催化器，分两次改制为两种衬垫接口位置的样件，搭载在同一辆整车上，测量对比储氧量的数据：

A 方案催化器衬垫接口位置正对氧传感器（图9），B 方案催化器衬垫接口位置与氧传感器呈180°对角（图10）。

图9

图10

测量A 方案测试前后氧传感器信号（图11），通过前后氧传感器信号进行计算催化器储氧量67（mg）。

图11

测量B 方案测试前后氧传感器信号（图12），通过前后氧传感器信号进行计算催化器储氧量650（mg）

图12

如上图测量数据可知，A 方案测量出储氧量为67mg，B 方案测量储氧量为650mg，相差将近10 倍，已经达到触发OBD 诊断报警阀值的95mg，因此ECU 根据计算对比储氧量，判断催化器已经劣化或失效，发出信号点亮故障灯，造成OBD 误诊断。

5 对催化器封装衬垫接口工艺的改进要求

在催化器封装工艺中，需要严格控制催化器衬垫接口位置，采用设计、工装、人工检查等的控制措施，使得其对氧传感位置为180°，保证催化器的质量，极大的降低了由于催化器衬垫问题导致的OBD 诊断的误诊率。