周萬全 張熙 朱少秋

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 三元催化器概述

1.1 三元催化器的工作原理

三元催化器的工作原理為將汽車尾氣排出的CO、HC 和NOx 等有害氣體通過催化氧化和還原反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氮?dú)?。三元催化器中的貴金屬鉑（Pt）、鈀（Bd）、銠（Rh）本身不參與氧化和還原反應(yīng)，只起催化反應(yīng)的作用。三元催化器的催化作用可以使汽車尾氣污染物降低90%。三元催化器催化有害氣體的氧化和還原反應(yīng)如下。

氧化反應(yīng)：

還原反應(yīng)：

1.2 三元催化器的結(jié)構(gòu)

三元催化器的主體結(jié)構(gòu)（如圖1）包含連接螺栓、進(jìn)氣法蘭、進(jìn)氣端蓋、三元催化劑（載體）、襯墊、筒體、隔熱棉、隔熱罩、出氣端蓋、出氣法蘭，部分車型由于布置原因，在法蘭和端蓋之間增加連接管。

圖1

1.3 三元催化器的生產(chǎn)工藝

了解三元催化器的生產(chǎn)工藝是分析三元催化器故障模式及采取正確的控制措施的基礎(chǔ)，下文簡單介紹三元催化劑涂覆及三元催化器封裝的生產(chǎn)工藝。

1.3.1 三元催化劑生產(chǎn)工藝

目前大部分三元催化劑供應(yīng)商已實(shí)現(xiàn)全自動涂覆生產(chǎn)。三元催化劑的生產(chǎn)工藝流程如圖2所示，含白載體來料檢查、貴金屬漿料制備及檢測、涂覆、干燥、燒結(jié)、成品檢測、包裝、存儲、運(yùn)輸?shù)?。關(guān)鍵控制點(diǎn)在于自動涂覆生產(chǎn)線的設(shè)備維護(hù)，各環(huán)節(jié)檢測數(shù)據(jù)審核和放行管理。

圖2

1.3.2 三元催化器封裝生產(chǎn)工藝

三元催化器封裝生產(chǎn)工藝流程如圖3 所示，主要為包扎填芯和各零部件組合焊接。包扎填芯工序的GBD 控制是關(guān)鍵控制點(diǎn)，GBD 過大會導(dǎo)致載體受壓破裂，GBD 過小會導(dǎo)致載體在使用過程中上下串動。組合焊接工序的關(guān)鍵控制點(diǎn)在于尺寸控制和焊接質(zhì)量控制。尺寸不合會導(dǎo)致整車零件干涉或無法裝配問題。焊接質(zhì)量問題如焊穿、漏焊直接導(dǎo)致三元催化器氣密不合格。

圖3

2 三元催化器故障模式分析及控制措施

三元催化器的故障模式大體上可以分為封裝類故障和載體失效故障，下文針對該兩大類故障展開分析。

2.1 封裝類故障模式及其控制措施

2.1.1 漏氣故障模式及控制措施

由于焊接工藝存在不穩(wěn)定性，三元催化器焊接生產(chǎn)時常有焊穿、漏焊的情況。三元催化器封裝有氣密標(biāo)準(zhǔn)要求，氣密標(biāo)準(zhǔn)一般為泄漏量小于30mL/min。氣密性檢測工序?yàn)槿呋魃a(chǎn)的必經(jīng)工序，但是在供應(yīng)商生產(chǎn)現(xiàn)場，生產(chǎn)人員操作環(huán)節(jié)、物料管理環(huán)節(jié)時常出現(xiàn)異常，造成三元催化器氣密不合格產(chǎn)品流轉(zhuǎn)至主機(jī)廠總裝現(xiàn)場。此類故障一般能在主機(jī)廠總裝下線點(diǎn)檢環(huán)節(jié)可以識別，不會流轉(zhuǎn)至整車售后。

圖4 所示為焊穿漏氣故障模式，該故障常見的影響為造成排氣異響，引起總裝人員抱怨。漏氣嚴(yán)重的零件，會造成后氧傳感器對真實(shí)氧濃度的檢測不準(zhǔn)確，從而影響ECU對空燃比λ 的判斷失真。ECU 對空燃比λ判斷失真的情形下，可能會有以下兩種情況出現(xiàn)，第一情況，ECU 檢測到的λ 比真實(shí)值低，ECU 減少噴油，引起整車加速無力；第二種情況，ECU 檢測到的λ 比真實(shí)值高，進(jìn)入加濃環(huán)節(jié)，引起排溫過高，影響整車排氣系統(tǒng)零件的使用壽命。

圖4

漏氣故障有如下有控制措施：定期對供應(yīng)商進(jìn)行焊接工藝審核；氣密檢測及補(bǔ)焊工位安排責(zé)任心強(qiáng)且焊接工藝經(jīng)驗(yàn)豐富的員工上崗；條件允許的情況下，推動實(shí)施氣密防錯裝置，如氣密合格之后設(shè)備自動打標(biāo)識，可以有效防止氣密不合格產(chǎn)品流出。

2.1.2 隔熱罩開裂故障模式及控制措施

某些車型隔熱罩設(shè)計，直接將隔熱罩焊接在三元催化器筒體上面，由于冷熱交變應(yīng)力的作用，隔熱罩在焊點(diǎn)附近產(chǎn)生裂紋，隨著冷熱交變應(yīng)力和整車震動的不斷作用下，裂紋擴(kuò)展，造成隔熱罩開裂甚至脫落（如圖5）。

圖5

隔熱罩開裂會使整車在行駛過程中產(chǎn)生異響，引起顧客抱怨，更換三元催化器總成。該故障建議的控制措施如下：保證供應(yīng)商段焊焊點(diǎn)長度合格，且焊接溫度不能過高，隔熱罩材料一般1.2mm 薄板，焊接溫度過高會直接造成薄板材料焊接過燒或焊穿，形成原始裂紋；在隔熱罩上設(shè)計增加加強(qiáng)筋（如圖6），一方面加強(qiáng)隔熱罩的強(qiáng)度，另一方面可以釋放冷熱交變應(yīng)力及焊接原始應(yīng)力；此外，在設(shè)計隔熱罩的時，建議不要將隔熱罩直接焊接在三元催化器的筒體上，可以更改為在筒體上焊接厚度稍大的隔熱罩小支架，隔熱罩通過緊固件與小支架連接，可以防止隔熱罩內(nèi)部原始應(yīng)力，此外，這種情況下，即使隔熱罩開裂，售后可以更換隔熱罩，而不需要更換整個三元催化器，大幅降低售后維修成本。

圖6 隔熱罩增加加強(qiáng)筋

2.1.3 連接管斷裂故障及控制措施

圖7 所示為早年某車型（已EOP 車型）三元催化器連接管批量斷裂的故障模式。主要故障模式為連接管在傳感器螺母處開裂，裂縫在整車持續(xù)震動的作用下逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致連接管斷裂。筆者在處理該故障過程中，檢測故障件材料厚度、材質(zhì)及焊接質(zhì)量均符合要求，最終故障原因判定為：連接管在彎管附近傳感器螺母開孔處存在應(yīng)力集中，在拉應(yīng)力及震動作用下產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致連接管斷裂。

圖7 連接管斷裂

連接管斷裂的故障模式得以快速鎖定原因，并立即采取了控制措施：將傳感器螺母向下平移至直管處，避開應(yīng)力集中點(diǎn)。措施實(shí)施后，問題得到了解決，斷點(diǎn)后的零件未收到斷裂故障反饋。

2.2 載體失效故障模式及其控制

2.2.1 載體機(jī)械損壞及控制措施

三元催化器載體為陶瓷材料，受機(jī)械撞擊易損壞，直接導(dǎo)致三元催化器失效（如圖8 所示）。三元催化器質(zhì)量管理者應(yīng)要求供應(yīng)商、物流、總裝等生產(chǎn)人員，在進(jìn)行三元催化器生產(chǎn)、搬運(yùn)、裝配時應(yīng)輕拿輕放，避免三元催化器受到劇烈撞擊；若為整車售后發(fā)現(xiàn)的故障，應(yīng)告知顧客在過崎嶇路段時減速慢行。

圖8

2.2.2 載體堵塞及控制措施

載體堵塞直接造成排氣背壓升高，直觀表現(xiàn)為整車加速無力，甚至發(fā)動機(jī)熄火，引起顧客抱怨。造成載體堵塞的原因如下：

貴金屬漿料涂覆量過多或涂覆不均勻，會導(dǎo)致載體堵塞。針對涂覆量過多或涂覆不均勻的情況，除了嚴(yán)格控制涂覆量外，應(yīng)要求供應(yīng)商100%進(jìn)行載體透光率檢查。部分三元催化劑涂覆供應(yīng)商使用自動透光率檢查設(shè)備，可以杜絕涂覆過程產(chǎn)生的堵塞。針對GPF 涂覆生產(chǎn)，透光率檢查是無法確認(rèn)涂覆情況的，應(yīng)增加背壓監(jiān)測設(shè)備，通過高頻次抽檢涂覆后的背壓來保證涂覆的一致性。

封裝過程異物進(jìn)入，常見為焊渣飛濺到載體端面，也會造成堵塞。法蘭面直接與端蓋連接的結(jié)構(gòu)，由于連接處端面外表面焊接空間不足，只能在法蘭孔內(nèi)部與端蓋內(nèi)表面連接處焊接，這種情況必須要求封裝供應(yīng)商在載體塞入之前完成法蘭與端蓋的焊接，否則就會存在焊渣飛濺到載體端面的風(fēng)險。

燃油品質(zhì)不合格，如燃油中Mn元素超標(biāo)，Mn 元素隨排放氣體進(jìn)入三元催化器，沉積在載體表面，隨著沉積物越積越多就會造成載體堵塞，還會降低貴金屬元素的活性。整車用戶日常加油應(yīng)使用正規(guī)牌號燃油，盡量在大型加油站加注燃油。

2.2.3 載體燒蝕故障分析

三元催化器載體工作溫度最高限制為950℃不超過10 秒，1050℃不超過1 秒，建議于920℃啟動催化劑過熱保護(hù)。若發(fā)動機(jī)燃燒異常，發(fā)生后燃情況，工作溫度超過1300℃，載體將瞬間失效，甚至發(fā)生載體燒蝕，圖9 所示為嚴(yán)重的載體燒蝕故障。圖9 為載體端面燒蝕，處理問題時容易被識別出來，載體表面完好內(nèi)部發(fā)生燒蝕的情況，卻不易被識別。內(nèi)部的燒蝕由于內(nèi)部載體發(fā)生扭曲，可以進(jìn)行載體透光檢測識別。如圖10，載體邊緣部分透光正常，中間部位呈現(xiàn)不透光狀態(tài)，為內(nèi)部燒蝕故障。

圖9

圖10

三元催化器載體燒蝕，貴金屬元素活性降低，儲氧能力下降，導(dǎo)致整車出現(xiàn)故障碼P04200，同時載體燒蝕使排氣不暢，發(fā)動機(jī)背壓增大，整車加速無力或熄火。載體燒蝕一般為電噴系統(tǒng)異常或燃油問題導(dǎo)致，不是三元催化器自身原因引起。

2.2.4 載體中毒故障模式分析

三元催化器中毒也會使貴金屬元素活性降低。圖11 所示，故障件載體進(jìn)氣端面有紅色沉積物，通過XRF 表征發(fā)現(xiàn)，載體端面紅色沉積物為S 元素。S 元素主要來源于燃油，當(dāng)汽油中含硫量從18ppm 增加至382ppm 時，發(fā)動機(jī)綜合循環(huán)排放增加如下：CO 增加9%，CH 增加8.6%，NOx 增加10.8%。三元催化器中毒使載體儲氧能力下降，整車也會出現(xiàn)P04200 故障碼。

圖11

3 結(jié)語

三元催化器具有高價值屬性，本文總結(jié)分析了三元催化器的故障模式，并提出了部分相應(yīng)的建議控制措施，供三元催化器設(shè)計者、質(zhì)量管理者參考，希望能規(guī)避或減少本文總結(jié)的故障模式，降低三元催化器售后維修成本。