三元催化器故障模式分析及控制措施

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轉變為無害的二氧化碳、水和氮氣。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，只起催化反應的作用。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如下。

氧化反應：

還原反應：

1.2 三元催化器的結構

三元催化器的主體結構（如圖1）包含連接螺栓、進氣法蘭、進氣端蓋、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 三元催化器的生產工藝

了解三元催化器的生產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，下文簡單介紹三元催化劑涂覆及三元催化器封裝的生產工藝。

1.3.1 三元催化劑生產工藝

目前大部分三元催化劑供應商已實現全自動涂覆生產。三元催化劑的生產工藝流程如圖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、成品檢測、包裝、存儲、運輸等。關鍵控制點在于自動涂覆生產線的設備維護，各環節檢測數據審核和放行管理。

圖2

1.3.2 三元催化器封裝生產工藝

三元催化器封裝生產工藝流程如圖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 控制是關鍵控制點，GBD 過大會導致載體受壓破裂，GBD 過小會導致載體在使用過程中上下串動。組合焊接工序的關鍵控制點在于尺寸控制和焊接質量控制。尺寸不合會導致整車零件干涉或無法裝配問題。焊接質量問題如焊穿、漏焊直接導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定性，三元催化器焊接生產時常有焊穿、漏焊的情況。三元催化器封裝有氣密標準要求，氣密標準一般為泄漏量小于30mL/min。氣密性檢測工序為三元催化器生產的必經工序，但是在供應商生產現場，生產人員操作環節、物料管理環節時常出現異常，造成三元催化器氣密不合格產品流轉至主機廠總裝現場。此類故障一般能在主機廠總裝下線點檢環節可以識別，不會流轉至整車售后。

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。漏氣嚴重的零件，會造成后氧傳感器對真實氧濃度的檢測不準確，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，第一情況，ECU 檢測到的λ 比真實值低，ECU 減少噴油，引起整車加速無力；第二種情況，ECU 檢測到的λ 比真實值高，進入加濃環節，引起排溫過高，影響整車排氣系統零件的使用壽命。

圖4

漏氣故障有如下有控制措施：定期對供應商進行焊接工藝審核；氣密檢測及補焊工位安排責任心強且焊接工藝經驗豐富的員工上崗；條件允許的情況下，推動實施氣密防錯裝置，如氣密合格之后設備自動打標識，可以有效防止氣密不合格產品流出。

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，由于冷熱交變應力的作用，隔熱罩在焊點附近產生裂紋，隨著冷熱交變應力和整車震動的不斷作用下，裂紋擴展，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：保證供應商段焊焊點長度合格，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；在隔熱罩上設計增加加強筋（如圖6），一方面加強隔熱罩的強度，另一方面可以釋放冷熱交變應力及焊接原始應力；此外，在設計隔熱罩的時，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，可以防止隔熱罩內部原始應力，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，裂縫在整車持續震動的作用下逐漸擴展，導致連接管斷裂。筆者在處理該故障過程中，檢測故障件材料厚度、材質及焊接質量均符合要求，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力集中，在拉應力及震動作用下產生裂紋，最終導致連接管斷裂。

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，避開應力集中點。措施實施后，問題得到了解決，斷點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 載體機械損壞及控制措施

三元催化器載體為陶瓷材料，受機械撞擊易損壞，直接導致三元催化器失效（如圖8 所示）。三元催化器質量管理者應要求供應商、物流、總裝等生產人員，在進行三元催化器生產、搬運、裝配時應輕拿輕放，避免三元催化器受到劇烈撞擊；若為整車售后發現的故障，應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，直觀表現為整車加速無力，甚至發動機熄火，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，會導致載體堵塞。針對涂覆量過多或涂覆不均勻的情況，除了嚴格控制涂覆量外，應要求供應商100%進行載體透光率檢查。部分三元催化劑涂覆供應商使用自動透光率檢查設備，可以杜絕涂覆過程產生的堵塞。針對GPF 涂覆生產，透光率檢查是無法確認涂覆情況的，應增加背壓監測設備，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構，由于連接處端面外表面焊接空間不足，只能在法蘭孔內部與端蓋內表面連接處焊接，這種情況必須要求封裝供應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險。

燃油品質不合格，如燃油中Mn元素超標，Mn 元素隨排放氣體進入三元催化器，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使用正規牌號燃油，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。若發動機燃燒異常，發生后燃情況，工作溫度超過1300℃，載體將瞬間失效，甚至發生載體燒蝕，圖9 所示為嚴重的載體燒蝕故障。圖9 為載體端面燒蝕，處理問題時容易被識別出來，載體表面完好內部發生燒蝕的情況，卻不易被識別。內部的燒蝕由于內部載體發生扭曲，可以進行載體透光檢測識別。如圖10，載體邊緣部分透光正常，中間部位呈現不透光狀態，為內部燒蝕故障。

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，導致整車出現故障碼P04200，同時載體燒蝕使排氣不暢，發動機背壓增大，整車加速無力或熄火。載體燒蝕一般為電噴系統異常或燃油問題導致，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，故障件載體進氣端面有紅色沉積物，通過XRF 表征發現，載體端面紅色沉積物為S 元素。S 元素主要來源于燃油，當汽油中含硫量從18ppm 增加至382ppm 時，發動機綜合循環排放增加如下：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P04200 故障碼。

圖11

3 結語

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