三元催化器损坏的主要影响因素和失效模式*

陆琼晔 路长国

（南通职业大学机械工程学院）

随着汽车工业的高速发展，汽车对环境的污染日益严重。汽车排放的污染物主要有HC，CO，NOx和PM等。三元催化器是汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO，HC，NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的CO2，H2O，N2。文章通过对影响三元催化器的主要因素和失效模式进行分析，以提高三元催化器的使用寿命。

1 三元催化器的结构及工作原理

目前所生产的三元催化转化器产品的大多数为整体式蜂窝状陶瓷载体型的催化转化器。通常由金属壳体、垫层、多孔陶瓷载体及贵金属涂层等组成，其典型结构，如图1 所示。

金属壳体是保护易碎的、涂有贵金属催化剂的陶瓷载体不受外界冲击，同时可调节气流使其均匀分布。垫层要求具有良好的密封性、缓冲性、耐高温、耐腐蚀和隔热性。载体起承载、分散活性组分和助剂的作用，并使催化剂具有一定的物理性能。催化剂的主要作用是使废气中的有害气体发生化学反应，转化成无害气体。其氧化和还原反应方程式如下：

氧化反应：2CO＋O2=2CO2；

4HC＋5O2=2H2O＋4CO。

还原反应：2NO＋2CO=N2＋2CO2；

10NO＋4HC=5N2＋2H2O＋4CO2。

2 主要影响因素和失效模式

三元催化器在工作中，其损坏形式通常表现为催化剂失去活性，外壳损坏等。车用燃油以及发动机润滑油品质的好坏是引起这些损坏的主要原因[1]。

2.1 主要影响因素

2.1.1 车用燃油品质

由于车用燃料中所含的重金属添加剂其自身无法燃烧转化为气态，使催化转化器载体表面出现沉积而导致重金属（铅）中毒，使催化剂永久性地损坏和失效。

2.1.2 发动机润滑油

法规对发动机曲轴箱强制通风有要求，发动机运行时含有润滑油雾成分的混合气体进入发动机进气系统并参与燃烧，导致机油添加剂中的部分物质由于不能完全转化成无害气体而沉积在催化剂载体表面，最终导致催化剂永久性失效。

2.2 失效模式

2.2.1 发动机管理系统的控制异常

1）点火控制故障。发动机点火控制可能出现的异常是由于点火系统元件，其电路连接不佳造成低压初级或是高压端子接触不良以及高压点火电缆受到外力而损伤、损坏或失效。具体表现为某气缸不点火、失火，直接导致未完全燃烧的混合气在催化转化器内二次燃烧。由于燃烧产生高温而失效。

2）燃油控制系统故障。燃油控制系统故障是由于燃油喷射器泄漏、滴油及性能严重恶化使系统控制精度偏差过大，导致发动机工作时的空燃比过低，进而在发动机高速及高负荷工况下，催化剂由于发动机所排出的废气温度过高而烧毁[2]。造成催化剂由于燃烧产生的高温而失效。过高的温度还可导致陶瓷载体催化床和衬垫的高温损伤。

3）发动机管理系统的控制标定数据不准确。由于未能及时对发动机管理系统配套的汽车进行标定控制数据优化，或者该车状态根本没有进行标定核查就进行高转速和高负荷的长时间运行，将会造成因标定数据偏差太大而导致催化剂因发动机所排出的废气温度过高而烧毁的情况。

2.2.2 催化剂自身功能失效

1）催化剂温度过高。高温会使贵金属元素铑（Rh）产生不可逆的化学（氧化）反应，直接影响HC，CO，NOx的转化效率。同时，在这样的工作温度下，贵金属和氧化铝基体载体会被烧结，涂层表面形成微孔堵塞，使得露在废气中的催化剂工作面积减少，最终导致催化剂失效。

2）催化剂温度过低。当催化剂工作温度达不到起燃温度（300 ℃以上）时，将不能进行有效的废气转换。

3）催化转化器陶瓷载体熔化。三元催化转化器的陶瓷载体本身熔化表明其连续工作温度过高（超过1 400 ℃）所致。陶瓷载体熔化后使汽车的排气系统严重阻塞（严重者可能导致100%完全堵塞），并使汽车的排气系统产生很高的排气背压。汽车行驶过程中，路面的颠簸引起的振动经过车身传递给三元催化转化器，高频的振动会导致已经烧损的陶瓷元件碎裂。由于颠簸，散碎的陶瓷载体残渣在三元催化转化器内产生严重的振动噪声。

4）催化床的纵向裂纹。如果催化转化器的床身温度达到1 000 ℃或更高时，催化转化器的陶瓷载体可能会产生纵向开裂。在催化转化器实际使用环境中，这种失效通常是由于冷却过程的冷、热温度急剧变化（热冲击）造成的。纵向裂纹将使陶瓷载体催化床在催化转化器壳体内部逐渐松动，进而导致汽车的驾驶性能不断恶化，并且在汽车正常行驶过程中产生“喀喀”的异常工作噪声。

5）衬垫烧蚀与破损。在过高的发动机排气温度条件下，催化转化器内部陶瓷载体的隔热、减振支撑衬垫有可能被高温气流不断烧蚀，导致衬垫的局部破损或边缘部分受到侵蚀。当侵蚀已经贯穿了整个衬垫时，就在壳体和陶瓷载体之间形成了一条绕过催化反应床的短路通道，导致部分废气没有经过转化即排出，致使排放性能恶化。当衬垫完全破损失效之后，陶瓷载体会产生松动，当汽车行驶或者静止时，发动机加速，催化转化器内发出“喀喀”的异常运动噪声。此时，其转化效率必然有明显地降低，汽车的排放结果将恶化。如果继续使用，还将导致发动机排气背压升高，汽车的动力性受到影响。

6）载体沉积物表面堆积。催化转化器长期在低温条件下工作将会导致催化剂中毒和重金属沉积在陶瓷载体的表面，使催化剂表面的大量活性微孔被这些沉积物封堵而失去与有害排放气体接触的可能性，导致催化剂失去转化作用。沉积物聚集在催化剂表面，阻碍有害废气向催化剂有效工作表面扩散和接触。沉积物还可通过其化学或物理作用破坏催化剂转化功能。

7）恶臭废气。导致汽车排出令人生厌的恶臭废气的原因是燃油中所含的硫元素。臭气的主要成分是硫化物，通常是在载体基体涂层的某些金属元素的催化作用下产生的。在发动机空燃比偏低的工作状况下，硫元素以气态硫化氢的形式从催化剂中释放出使人掩鼻的气味[3]。

8）陶瓷载体环形裂纹。陶瓷载体的环形裂纹是指沿其横截面上发生断裂后横向裂纹（缝）。环形裂纹一般不会影响催化转化器的转化性能和使用寿命。

3 总成机械故障

3.1 机械结构破坏

3.1.1 碰撞破坏

造成三元催化转化器总成机械碰撞损坏的原因主要包括野蛮装卸、操作粗暴、悬挂部件毁坏以及颠簸坏路造成的严重磕碰等物理因素。

3.1.2 低频循环应力破坏

在正常使用条件下，汽车排气系统总成的各个零部件升温后即产生膨胀，这些零部件受到内部的热应力和机械应力的作用，会产生疲劳破坏。当这些内部应力聚集到一定程度时，零部件将会产生疲劳裂纹，甚至导致彻底分离的断裂现象。当催化转化器的外壳、排气连接管路和法兰等零部件在总成焊接时，如果工装制造不够精确、被错位焊接以及在生产制造过程中，因工艺不当导致局部材料变得很薄或产生过度弯曲时，就极易产生这种疲劳破坏。

3.1.3 高频循环应力破坏

当汽车在各种复杂的工况下正常或不正常行驶时，汽车排气系统总成上的三元催化转化器软悬挂元件受到损坏或是采用了不正确悬挂机构时，催化转化器必将会受到剧烈地振动。在这种情况下，催化转化器的外壳和排气连接管路在高频振动的恶劣环境下产生的应力极容易造成疲劳破坏断裂。这种断裂比较容易在三元催化转化器外壳端盖与排气连接管路焊接接口之处发生。

3.2 化学腐蚀破坏

实际工作中的三元催化转化器的壳体为不锈钢材料制成，由于其自身温度较高，正常情况下，可防止催化剂内部冷凝物的形成和聚集，故此，催化转化器的壳体一般不太容易产生内、外表面的材料腐蚀现象。然而，在某些实际使用环境下，如寒冷的严冬和湿热的热带环境地区长时间怠速运行等工作环境下，仍可能在催化转化器的内部形成冷凝物而导致壳体内部的腐蚀。在北方严寒的冰雪路面环境，由于雪地喷洒的融雪剂对三元催化转化器外壳的腐蚀，将加速催化转化器外部的腐蚀。腐蚀程度取决于腐蚀的环境和在此环境中暴露时间的累积。

3.3 催化剂中毒

在正常工作下，当露出的催化剂含有一定化合物时会使催化剂中毒。中毒会妨碍催化剂的化学或物理作用。最常见的污染有以下几种：

1）铅——含于燃油成分之中，造成重金属沉积中毒，阻碍碳氢化合物转化；

2）磷——主要来自发动机润滑油，少量来自燃料杂质，造成载体表面污染沉积中毒，阻塞催化剂载体的蜂窝结构；

3）硅——含于燃油成分之中，造成载体表面污染沉积中毒，阻塞催化剂载体的蜂窝结构。

4 结论

要提高三元催化器的使用寿命，应该采取以下措施：

1）使用不含或尽量少含重金属添加剂的燃油，不得使用含四乙基铅为抗爆剂成分的含铅汽油或含有卤素燃油清洁剂及MMT 等成分的燃油。使用不含或尽量少含重金属添加剂的润滑油，或只含有特定限量的润滑油添加剂。合理布置三元催化转化器的总体位置[4]。

2）利用发动机管理系统严格监控各工况的空燃比，以达到控制三元催化转化器最高床温的目的。严格监控各工况的点火系统的工作状况，避免因火花塞产生积炭或发动机失火而导致三元催化转化器陶瓷载体过热，产生烧毁现象。

3）从装配位置设计角度，避免使其工作温度过高的状况产生，对系统进行综合优化设计布置。

4）采用厚度尺寸较大的隔热衬垫，断面更接近于圆形的陶瓷载体时，可有效降低陶瓷载体发生纵向裂纹的几率。

5）在催化剂基体涂层的配方中添加少量的金属元素镍，可以有效防止硫化氢气体转化为亚硫酸盐和硫酸盐。