催化剂失效模式分析

三元催化转化器的使用建议和预防措施所有的催化转化器在长期的使用过程中都会有一个适度的转化效率的下降。导致催化剂加速老化的主要原因包括温度的升高，中毒和不够精确的空燃比控制。这份文件的目的是帮助客户将催化转化器与整个车辆系统正确地结合起来，这些指导有助于确保催化器在使用中获得最好的耐久性与转化效率。7.1使用建议7.1.1排放气体的条件为了获得最低的排放，必须：◎车辆在理论空燃比附近运转◎提供一个快速的空燃比控制反应系统◎确保小的空燃比偏差7.1.2温度催化剂的床温在400℃到700℃之间，可以使催化器的性能衰减最小并且提供最好的转化性能。推荐最大的催化剂床温数据见下图：7.1.3燃油和液体硫：暂时性的催化剂失效硫制品中毒会导致催化剂暂时性的失效，这些硫来自在发动机中燃烧的燃油。不同燃油的硫浓度有很大的变化。在稀空燃比的状态下，硫会储藏在催化剂中。这会导致永久性的堵塞，从而降低催化剂的活性。在浓的空燃比情况下，硫会被释放出来，催化剂的活性会有所恢复。铅制品:永久性催化剂失效铅制品中毒导致催化剂永久性的失效。因为在今天，无铅燃油只包含了很低量的铅，铅中毒只会在反复加错燃油的情况下发生。＃允许的燃料最大含铅量：008克/每公升。＃推荐的燃料含铅量：少于0.0026克/每公升其他日常使用的燃料应不包含、或者含有最微量的金属添加成分，例如四乙基铅、卤素净化剂、MMT等等。7.1.3.2发动机机油发动机机油应只许含有限量的添加剂，如ZDP、钙、锰等。所有含有磷的机油会覆盖催化剂。磷的覆盖会永久性阻碍催化剂的反应，并且这种影响是不可逆的。＃发动机机油最大含磷量：0.15%＃推荐的机油消耗量：小于0.12升/每千公里7.2催化转化器的失效模式催化转化器不能正常工作通常是由于发动机管理系统的不规范运作所致。在分析导致催化剂失效的原因时，应把所有可能发生的因素都考虑在内。以下列举了一些可能遇到的常见失效模式。这些说明也许在对客户抱怨，MIL阐述，排放失效或者整车性能和净化效率的下降进行解释时都可以有所帮助。7.2.1温度过高催化剂内的高温通常是由于发动机中不完全燃烧后的剩余燃油到达炙热的催化器而产生的。导致这种现象的可能原因包括：＃点火系统故障＃燃油控制/标定拙劣＃火花塞插头有污迹＃燃油系统故障，例如：喷嘴漏油过度的运作温度可能造成对于陶瓷载体和衬垫不同程度的损坏。所有形式热破坏都会对排放造成影响。下图是催化剂的几个重要温度：陶瓷催化床熔化(标准堇青石)-1500o金属催化床熔化-1475o陶瓷催化床软化-1350o堇青石变为莫来石-1300o伽玛氧化铝相变为阿尔法氧化铝-1200o当λ1(稀燃)时，形成铂铑合金-1050o当λ1(稀燃)时，形成铂-钯合金-900o氧化铝开始烧结-850o当λ1(浓)时，形成铂-钯和铂-铑合金-750o铂烧结-700o当λ1(稀燃)时，铑-氧化铝反应-650o起燃-350o17001600150014001300120011001000900800700600500400300理想的转化温度温度（oC）7.2.1.1载体熔化陶瓷载体的熔化说明催化剂曾经在极高的温度下工作（1400°C）。熔化的载体可能增大排气背压（有可能100％的堵塞），以及由于破损或裂开的催化剂块体造成的噪音。7.2.1.2催化床的纵向裂纹如果温度足够高（1000°C或更高），陶瓷载体会纵向裂开。当载体所承受的热应力超过极限时，就会产生裂纹。在催化转化器中，这通常是由于在急速冷却过程中的热冲击引起的。例如正常运转中的催化器表面突然触及到足量的冷却水，突然的涉水行驶以及低温环境中的车辆冷却，都有可能导致载体的纵向裂纹。纵向破裂会使破损的载体逐渐松动，因为一排排的蜂窝单元分裂，减少了催化剂和衬垫之间的支撑压力。纵向破裂还会导致驾驶性能的下降和/或喀喀的噪音。因为轻微的过温现象而造成的纵向裂纹可能随着不同的催化转化器设计而发生变化。采用更厚实的衬垫和更接近于圆形截面的载体可减小载体产生纵向裂纹的倾向。7.2.1.3衬垫侵蚀/破损在过高的温度下（见第一页图），支撑衬垫破损或边缘受到侵蚀。当衬垫侵蚀贯穿整个衬垫时，就会产生了一条绕过载体的通道。当足够量的衬垫损坏后，载体会松动并发出咯咯声，同时排气系统背压升高。7.2.1.4催化剂失效高温会不可逆地氧化铑元素，影响HC，CO和NOx的转化率。另外，贵金属和/或氧化铝涂层会烧结，微孔会发生堵塞致使排气能够通过的催化剂点减少。导致催化剂失效的温度因技术不同而变化。7.2.2温度过低温度不够会导致各种对催化转化剂运作不利的环境.7.2.2.1转化效率过低如果催化转化剂达不到足够的工作温度，就不会充分的转化排放污染物。7.2.2.2污染物累积长时间的低温工作会使催化剂中毒或者被污染。积累在催化剂表面的污染物限制了排气通过催化的孔道。污染物也催化剂的孔道从物理上或者是化学上分隔开来。这种现象对碳氢的影响最大，因为其具有比CO和NOx更大的分子颗粒。7.2.2.3冷态下的衬垫缺失催化转化器在装配时，衬垫包含了不能扩展的云母晶体。在催化转化器使用初期，暴露在高温下的云母分子会发生扩张，这些扩张的晶体提供了支撑衬垫的紧压力，保证了催化剂的使用寿命。如果衬垫初期受到的温度不够高而无法使足够的云母晶体发生膨胀，催化器壳体和载体之间的衬垫就有可能因为厚度不够而发生缺失，最终衬垫发生分解，载体松动。衬垫扩张的最低温度随衬垫的种类而有所不同。7.2.3难闻的气味导致产生令人讨厌气味的原因是由于燃油中的硫被载体上某些基金属催化的结果。发动机在偏稀的工作状态下，硫以硫化氢的形式从催化剂中被释放出来。在催化剂涂层中添加金属镍可以帮助防止硫化氢转化为亚硫酸盐和硫酸盐。7.2.4结构破坏7.2.4.1高循环破坏当排气系统出现断裂的挂杆或不正确悬挂时催化转化器会剧烈地振动。在这种情况下，催化转化器的外壳和排气管在极度振动产生的压力下分裂了。这种损坏通常在热影响的焊接区域被发现，比如壳体和排气管的连接处。7.2.4.2低循环破坏正常使用下,排气系统的零部件在升温膨胀过程中受到来自内部的压力。当这些压力超过材料强度极限时，分裂很快就会发生。在催化转化器的外壳、排气管和法兰处导致这种破损包括不正确的安装、不完整的焊接、不合适的选材、关键材料稀薄和极度的弯曲过渡。7.2.5腐蚀催化转化器由内致外的腐蚀迹象没有在使用区域内出现。正常运行温度下的催化转化器可以防止内部聚集形成冷凝物。然而可能会形成由外致内的腐蚀。腐蚀的程度是取决于腐蚀的环境以及在这种环境中暴露时间值。不锈钢零件（壳体，排气管，隔热罩，法兰）曾被发现有严重腐蚀的迹象。7.2.6机械损坏产生机械损坏的原因包括胡乱操作，不适当的拨动，挂杆毁坏，路面接触引起的严重损坏。7.2.7催化剂中毒在正常工作下,催化剂中通过一定化合物时会使催化剂中毒。中毒会妨碍催化剂点的化学或物理作用.最常有的污染有以下几种：污染物主要来源主要影响的要素铅燃料HC磷机油HC,CO硅燃料HC,CO,NOx磷燃料HC,CO,NOx＃磷主要来自发动机机油，更少的含量是来自燃料。另外,长时间的暴露会积累铅，MMT和硅，并阻塞催化床的蜂窝结构。7.3环面断裂环面断裂是一种催化剂载体横截面上彻底的横向破裂。环面断开不影响催化转化器运行的性能或者耐久性。出现环面断裂的机械原因概括如下：外壳在温度升高时膨胀，它的膨胀在衬垫上产生了纵向的力，这力能牢固地控制陶瓷载体，使整个载体结构收到紧压力的作用。当这个力超过载体能承受的值时，陶瓷载体就会分成两半，形成环形断裂。断裂后的两半还留在原有位置，因为它们仍然受各自衬垫压力的挤压，它们像两块孤立的催化剂在发挥作用。催化器设计时，采用较厚的衬垫比采用较薄的衬垫更容易产生环面断裂。