发动机三元催化器载体失效实例分析

宋志辉 冯晓娟 李启鹏 刘岩 沈源 赵福全

（吉利汽车研究院）

三元催化器是目前应用最多的汽油机废气后处理净化技术，由于其载体表面有涂层和活性组分，与废气的接触表面积非常大，所以其净化效率高，当发动机的空燃比在理论空燃比附近时，三元催化器可将90%的碳氢化合物和CO 及70%的NOx同时净化。电子控制汽油喷射加三元催化器已成为国内外汽油机排放控制技术的主流[1]。随着环保法规的逐步严格以及汽车行业对三元催化净化器综合性能要求的提高，陶瓷蜂窝载体已逐步取代球状载体而成为车用催化剂载体的主流[2]。文章以某三元催化器的载体失效为例，对其失效的原因进行了分析，为今后解决类似问题提供了思路。

1 载体失效分析

在实际的使用中，发现发动机性能在某一刻开始下降，发动机的排气温度和排气背压上升，油耗也随之攀升，此时拆下三元催化器发现，催化器的载体失效。在实际的试验中，载体失效是经常会遇见的问题，文章重点分析最常出现的4 种失效形式。

1.1 载体破裂

试验过程中有时三元催化器在运行几十小时甚至更短时间时就发生了失效，切割壳体可见，载体出现裂纹，严重时载体破裂、整体脱落，如图1 所示。

在运行如此短时间内反复发生此类失效的，一般是样件质量出现了问题，大致可分为两类。

1.1.1 封装质量问题

正常封装时，封装压力均匀，适宜的施加在载体的径向，但封装压力不均匀施压时则会产生径向剪切力，而蜂窝结构的抗剪切力相对薄弱，因此载体会产生裂纹，甚至是破裂。即使在压力均匀时，载体仍有可能破裂。由封装压力不均匀导致的载体破裂失效，可通过优化封装工艺和加强检测等来避免。

1.1.2 衬垫选型不合理

在欧Ⅲ之前普遍采用普通衬垫，普通衬垫的热变形性差，易脱落。对于欧Ⅳ以后的汽油机，随着功率的提升，使排气温度及排气流量随之升高，采用普通衬垫已无法满足现有设计要求，所以可选用复合衬垫，复合衬垫的热变形性好，可以更好地保护载体，贴合催化器筒体，很难剥落。

另外，载体破损的根源在于排气系统的振动，对于振动的减弱不仅涉及振动噪声学，而且还和排气系统整体的设计有关。

1.2 载体腐蚀

发动机台架试验过程中，当发动机运行几百小时后，监测数据中的排气背压发生了波动，排查后仍不能解决问题，这时拆下三元催化器后发现载体烧蚀。

出现这种情况一般伴随着2 种现象:一种是拆下三元催化器后可以从排气系统中找到细小的颗粒物，另一种是载体腐蚀的部位基本在相同的位置。基于以上分析，载体腐蚀大致可分为2 类。

1.2.1 异物进入排气系统

异物进入排气系统，并通过高速气体冲击载体，导致腐蚀。异物成分以Fe 及O 元素为主，在高温气体中，这2 种元素存在的形式只有氧化铁。

以氧化铁存在的异物包含焊接的飞溅物及氧化物颗粒等。尺寸较大的异物，如飞溅的焊接物等，一般无法从载体通道内通过，随着气流回流来回撞击载体而致使其损坏；尺寸较小的异物，如催化器内壁被氧化及发动机的磨损物等，则在通过通道时撞击载体，使其损坏。

解决方法:1）减少气道内焊接飞溅物的出现，可通过优化焊接工艺的方法实现，如将原来的内壁焊接改为外部焊接，如图2 所示；2）防止催化器内壁被氧化的情况，可通过更换壳体材料来实现。

1.2.2 歧管管道走向设计不合理

歧管管道的走向设计工作是在布局设计时完成的，后期试验中如出现问题可通过CFD 分析对歧管的管道模型进一步修正，达到分析与试验尽可能接近。

对于载体而言，高速气体的不正常吹蚀也会使得载体腐蚀，所以不希望流速的离心率太大。离心率可通过CFD 计算得出，如偏差太大，需优化管路走向。

1.3 载体烧熔

三元催化器失效后，拆下载体有时会发现其已经烧熔，且中间部位最为严重。

烧熔是高温导致载体和涂层之间发生了化学反应，化学反应进一步提升载体表面温度，进而使得载体烧熔。而烧熔发生的位置一般都在载体中间，这是因为载体中间是化学反应最强烈的区域，所以工作温度也最高。

通过将涂覆前后载体放入电炉内的热老化试验对比可得，涂敷后的载体蜂窝壁在1 450 ℃的时候开始出现软化，而白载体在1 450 ℃时没有明显变化。所以从载体本身来说，其最高软化温度为1 450 ℃。

通过电镜扫描（SEM）测试对比载体涂层的比表面积（BET）可得，超过900 ℃后，涂层已经开始氧化，而载体和涂层发生反应的温度至少是1 300 ℃或者更高。

目前三元催化器的热保护温度为950 ℃，4%的瞬态工况最高温度可达到970 ℃，达到1 000 ℃的瞬态工况小于1%，三元催化器的最高瞬态温度一般控制在小于1 200 ℃（此温度即指催化器中心位置温度）。

而失火和后燃等是造成排气异常高温最主要的原因，可以通过在载体中间安装温度传感器，监测催化器工作中的温度，来判断发动机是否失火。如果载体中间位置温度超过限值，而载体入口处温度正常，一般情况是发动机发生了失火，导致载体内部产生后燃，使载体温度超过限值，最终使得载体烧熔。

1.4 载体堵塞

载体堵塞和载体烧熔虽然都有载体通道堵塞现象发生，但两者却有本质的区别。烧熔是温度过高导致载体和涂层反应，致使载体完全失效的现象；而堵塞是发动机废气中存在的杂质堵塞载体通道，对载体本身并未损坏，如图3 所示。

从载体中间取出黄褐色物质进行化学成分检测可得化学成分以Mn，Fe，O 元素为主，在高温气体中，这3 种元素存在的形式只有氧化铁和氧化锰。

氧化铁是载体壳体氧化后的正常产物，而氧化锰则是汽油添加剂中的抗爆剂（MMT）氧化后的产物[3]。MMT 颗粒非常小（约Φ0.01 μm），正常情况下这些颗粒物可以很容易地通过载体。但在一定的温度下部分MMT 会产生黏度，当温度高于它的初始溶化或烧结温度时，这一部分就会因为高温形成粘壁。随着颗粒物的不断堆积并向外延伸，导致通道变小且越来越难通过，直至堵塞[4]。

MMT 堵塞发生的前提条件是:使用含高MMT 汽油燃料（＞18 mg/L）时、催化器入口温度足够高（＞820 ℃）且发动机运转状况保持长时间恒定[5]。当然，不同规格的载体，上述条件可能会发生相应的变化。

MMT 过高不仅会堵塞载体，而且还会污染火花塞，造成氧传感器中毒及气门损坏等。

防止MMT 堵塞载体的措施有:使用MMT 未超标的燃油、严格控制排气温度及使用壁厚更薄、孔外径更大的载体等。另外，还应制定更加符合整车道路实际运行工况的发动机台架试验标准。

2 结论

载体失效有时出现几种失效模式同时发生的情况，如烧结和破损同时出现，因此需详细分析失效产生的源头。对于失效的样件，分析步骤应为:1）拆卸前，查看试验数据，仔细观察失效部位，包括发动机其他零件等；2）拆卸时，收集脱落的异物，检查是否有支架断裂和螺栓松脱等影响失效的情况存在；3）拆卸后，分析失效样件。总之，任何试验验证，运行工况都应尽量符合整车道路实际运行工况。