摘要：随着铂（Pt）、钯（Bd）、铑（Rh）贵金属价格飞涨，三元催化器的价值越来越高，贵金属价格峰值时，某些国六车型的三元催化器（含GPF）采购价格甚至超越发动机总成，成为整车价格最高的单个零件，因此，分析三元催化器的售后故障模式，及采取相应的控制措施，具有重要意义。本文概述了三元催化器工作原理、结构及生产工艺，总结分析了三元催化器的故障模式，并提出了相应的控制措施，供整车主机厂及供应商三元催化器设计人员、质量管理人员参考。
关键词：三元催化器;故障模式;控制措施
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为将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过催化氧化和还原反应转变为无害的二氧化碳、水和氮气。三元催化器中的贵金属铂（Pt）、钯（Bd）、铑（Rh）本身不参与氧化和还原反应，只起催化反应的作用。三元催化器的催化作用可以使汽车尾气污染物降低90%。[1]三元催化器催化有害气体的氧化和还原反应如下。氧化反应：CyHn+（1+n/4）O2→yCO2+n/2H2OCO+1/2O2→CO2CO+H2O→CO2+H2还原反应：NO（NO2）+CO→1/2N2+CO2NO（NO2）+H2→1/2N2+H2O(2+n/2)NO(NO2)+CyHn→(1+n/4)N2+yCO2+n/2H2O
1.2三元催化器的结构
三元催化器的主体结构（如图1）包含连接螺栓、进气法兰、进气端盖、三元催化剂（载体）、衬垫、筒体、隔热棉、隔热罩、出气端盖、出气法兰，部分车型由于布置原因，在法兰和端盖之间增加连接管。
1.3三元催化器的生产工艺
了解三元催化器的生产工艺是分析三元催化器故障模式及采取正确的控制措施的基础，下文简单介绍三元催化剂涂覆及三元催化器封装的生产工艺。
1.3.1三元催化剂生产工艺
目前大部分三元催化剂供应商已实现全自动涂覆生产。三元催化剂的生产工艺流程如图2所示，含白载体来料检查、贵金属浆料制备及检测、涂覆、干燥、烧结、成品检测、包装、存储、运输等。关键控制点在于自动涂覆生产线的设备维护，各环节检测数据审核和放行管理。
1.3.2三元催化器封装生产工艺
三元催化器封装生产工艺流程如图3所示，主要为包扎填芯和各零部件组合焊接。包扎填芯工序的GBD控制是关键控制点，GBD过大会导致载体受压破裂，GBD过小会导致载体在使用过程中上下串动。组合焊接工序的关键控制点在于尺寸控制和焊接质量控制。尺寸不合会导致整车零件干涉或无法装配问题。焊接质量问题如焊穿、漏焊直接导致三元催化器气密不合格。
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体上可以分为封装类故障和载体失效故障，下文针对该两大类故障展开分析。
2.1封装类故障模式及其控制措施
2.1.1漏气故障模式及控制措施
由于焊接工艺存在不稳定性，三元催化器焊接生产时常有焊穿、漏焊的情况。三元催化器封装有气密标准要求，气密标准一般为泄漏量小于30mL/min。气密性检测工序为三元催化器生产的必经工序，但是在供应商生产现场，生产人员操作环节、物料管理环节时常出现异常，造成三元催化器气密不合格产品流转至主机厂总装现场。此类故障一般能在主机厂总装下线点检环节可以识别，不会流转至整车售后。图4所示为焊穿漏气故障模式，该故障常见的影响为造成排气异响，引起总装人员抱怨。漏气严重的零件，会造成后氧传感器对真实氧浓度的检测不准确，从而影响ECU对空燃比λ的判断失真。ECU对空燃比λ判断失真的情形下，可能会有以下两种情况出现，第一情况，ECU检测到的λ比真实值低，ECU减少喷油，引起整车加速无力；第二种情况，ECU检测到的λ比真实值高，进入加浓环节，引起排温过高，影响整车排气系统零件的使用寿命。漏气故障有如下有控制措施：定期对供应商进行焊接工艺审核；气密检测及补焊工位安排责任心强且焊接工艺经验丰富的员工上岗；条件允许的情况下，推动实施气密防错装置，如气密合格之后设备自动打标识，可以有效防止气密不合格产品流出。
2.1.2隔热罩开裂故障模式及控制措施
某些车型隔热罩设计，直接将隔热罩焊接在三元催化器筒体上面，由于冷热交变应力的作用，隔热罩在焊点附近产生裂纹，随着冷热交变应力和整车震动的不断作用下，裂纹扩展，造成隔热罩开裂甚至脱落（如图5）。隔热罩开裂会使整车在行驶过程中产生异响，引起顾客抱怨，更换三元催化器总成。该故障建议的控制措施如下：保证供应商段焊焊点长度合格，且焊接温度不能过高，隔热罩材料一般1.2mm薄板，焊接温度过高会直接造成薄板材料焊接过烧或焊穿，形成原始裂纹；在隔热罩上设计增加加强筋（如图6），一方面加强隔热罩的强度，另一方面可以释放冷热交变应力及焊接原始应力；此外，在设计隔热罩的时，建议不要将隔热罩直接焊接在三元催化器的筒体上，可以更改为在筒体上焊接厚度稍大的隔热罩小支架，隔热罩通过紧固件与小支架连接，可以防止隔热罩内部原始应力，此外，这种情况下，即使隔热罩开裂，售后可以更换隔热罩，而不需要更换整个三元催化器，大幅降低售后维修成本。图7所示为早年某车型（已EOP车型）三元催化器连接管批量断裂的故障模式。主要故障模式为连接管在传感器螺母处开裂，裂缝在整车持续震动的作用下逐渐扩展，导致连接管断裂。笔者在处理该故障过程中，检测故障件材料厚度、材质及焊接质量均符合要求，最终故障原因判定为：连接管在弯管附近传感器螺母开孔处存在应力集中，在拉应力及震动作用下产生裂纹，最终导致连接管断裂。连接管断裂的故障模式得以快速锁定原因，并立即采取了控制措施：将传感器螺母向下平移至直管处，避开应力集中点。措施实施后，问题得到了解决，断点后的零件未收到断裂故障反馈。
2.2载体失效故障模式及其控制
2.2.1载体机械损坏及控制措施
三元催化器载体为陶瓷材料，受机械撞击易损坏，直接导致三元催化器失效（如图8所示）。三元催化器质量管理者应要求供应商、物流、总装等生产人员，在进行三元催化器生产、搬运、装配时应轻拿轻放，避免三元催化器受到剧烈撞击；若为整车售后发现的故障，应告知顾客在过崎岖路段时减速慢行。
2.2.2载体堵塞及控制措施
载体堵塞直接造成排气背压升高，直观表现为整车加速无力，甚至发动机熄火，引起顾客抱怨。造成载体堵塞的原因如下：贵金属浆料涂覆量过多或涂覆不均匀，会导致载体堵塞。针对涂覆量过多或涂覆不均匀的情况，除了严格控制涂覆量外，应要求供应商100%进行载体透光率检查。部分三元催化剂涂覆供应商使用自动透光率检查设备，可以杜绝涂覆过程产生的堵塞。针对GPF涂覆生产，透光率检查是无法确认涂覆情况的，应增加背压监测设备，通过高频次抽检涂覆后的背压来保证涂覆的一致性。封装过程异物进入，常见为焊渣飞溅到载体端面，也会造成堵塞。法兰面直接与端盖连接的结构，由于连接处端面外表面焊接空间不足，只能在法兰孔内部与端盖内表面连接处焊接，这种情况必须要求封装供应商在载体塞入之前完成法兰与端盖的焊接，否则就会存在焊渣飞溅到载体端面的风险。燃油品质不合格，如燃油中Mn元素超标，Mn元素随排放气体进入三元催化器，沉积在载体表面，随着沉积物越积越多就会造成载体堵塞，还会降低贵金属元素的活性。整车用户日常加油应使用正规牌号燃油，尽量在大型加油站加注燃油。
2.2.3载体烧蚀故障分析
三元催化器载体工作温度最高限制为950℃不超过10秒，1050℃不超过1秒，建议于920℃启动催化剂过热保护。若发动机燃烧异常，发生后燃情况，工作温度超过1300℃，载体将瞬间失效[2]，甚至发生载体烧蚀，图9所示为严重的载体烧蚀故障。图9为载体端面烧蚀，处理问题时容易被识别出来，载体表面完好内部发生烧蚀的情况，却不易被识别。内部的烧蚀由于内部载体发生扭曲，可以进行载体透光检测识别。如图10，载体边缘部分透光正常，中间部位呈现不透光状态，为内部烧蚀故障。三元催化器载体烧蚀，贵金属元素活性降低，储氧能力下降，导致整车出现故障码P04200，同时载体烧蚀使排气不畅，发动机背压增大，整车加速无力或熄火。载体烧蚀一般为电喷系统异常或燃油问题导致，不是三元催化器自身原因引起。
2.2.4载体中毒故障模式分析
图11三元催化器中毒也会使贵金属元素活性降低。图11所示，故障件载体进气端面有红色沉积物，通过XRF表征发现，载体端面红色沉积物为S元素。S元素主要来源于燃油，当汽油中含硫量从18ppm增加至382ppm时，发动机综合循环排放增加如下：CO增加9%，CH增加8.6%，NOx增加10.8%[3]。三元催化器中毒使载体储氧能力下降，整车也会出现P04200故障码。
3结语
三元催化器具有高价值属性，本文总结分析了三元催化器的故障模式，并提出了部分相应的建议控制措施，供三元催化器设计者、质量管理者参考，希望能规避或减少本文总结的故障模式，降低三元催化器售后维修成本。
参考文献：
[1]张鹏奇．基于欧Ⅲ标准的某型号汽油机稳态排放特性试验研究[J]．机械制造．
[2]刘佳明．汽车三元催化器总成检具的标准化设计[D].天津：天津科技大学，2017.
[3]李晓华．汽油成分对发动机排放的影响分析．汽车与船舶．
作者：周万全 张熙 朱少秋 单位：上汽通用五菱汽车股份有限公司