摩托车三效催化转化器模拟高温失效的探讨

　　摘要：高温条件下，箔带厚度对催化转化器的影响。
　　关键词：催化转化器 箔带 失效
　　【分类号】：U483
　　由于摩托车使用条件、环境的不同，催化转化器的失效原因也有多种：
　　温度过高、排气恶化。通常催化转化器的起燃温度在300℃左右，正常工作温度一般在800℃以下。当温度超过1000℃以上时，催化剂很可能发生脱落，箔带脆化、断裂，内芯、外壳剥离，内芯熔损等。由于废气中大量的HC和CO进入催化转化器后，会在其中产生过度的氧化反应，反应产生大量热量将使催化转化器温度过高而损坏。所以要控制发动机排气温度的升高。
　　各种元素对三元催化转化器影响。催化剂对硫、铅、锰、磷、锌等元素非常敏感，硫、铅、锰来自于汽油，磷和锌来自于润滑油；这几种杂质及它们燃烧后形成的氧化物颗粒吸附在催化剂表面，使催化剂无法与废气接触，从而失去催化作用，即所谓的“中毒”现象。
　　表面积碳。发动机排出的炭烟会附在催化剂的表面，使催化剂无法与CO、HC接触，长期下来，会使载体的孔隙堵塞，影响其转化效能。
　　氧传感器失效。为使废气催化率达到90%以上，须通过ECU将发动机的空燃比控制在接近理想的区域。氧传感器的失效会导致空燃比失准，排气状况恶化，催化转化器效率降低，长时间会使催化转化器的使用寿命降低。
　　本文主要探讨模拟高温下催化转化器芯体烧损导致的失效及采取的对策措施。
　　1.评价分析
　　1.1 冷热耐久试验评价方法及条件
　　用专用治具将催化转化器固定后，使用带有加热设备的加振机，将金属载体加热至950℃以上，再冷却至200℃以下，如此反复，同时加振50G，确认金属载体的破坏状况，并将载体与加振方向设置成45度倾斜进行评价。
　　试验条件
　　1.2 耐久后高温烧损现象
　　注： 进气气流方向
　　经过耐冷热循环后，催化剂载体内芯出现蛀洞失效。
　　2.失效分析
　　切割分析显示载体内芯蛀洞式熔损，有红褐色熔瘤存在，熔损区域周围箔带、孔道均保持平直，涂层也有所保持；
　　对照热膨胀差异导致变形的高发区域的状态和典型样貌，判断没有因“长时间热膨胀差异”导致的变形和断裂；
　　载体内芯材料的DSC试验结果显示，短时间的1400度以下热冲击，不会产生导致熔蚀失效的低熔点相；
　　对熔损区域附近的残留涂层（刮下后以粉末形态）做XRD相态检测，有高温生成相存在，该区域经历1745度以上高温；
　　在熔损区域附近的粉末中，观察到极高温度导致涂层与载体反应生成的新的三元金属氧化物，判断熔损区域经历1550度以上高温的可能性很大；
　　所以，判断载体内芯蛀洞是由于极高温度下，芯体烧毁导致。
　　3.失效对策
　　3.1 提高热传导，降低载体温度。
　　热传导的模式显示，增大传导面积，将利于散热。通过适当增加箔带的厚度，以减轻高温的剧烈程度和提高载体心部高温寿命。
　　3.2 箔带厚度对材料高温寿命的影响
　　在高温有氧条件下，适当增加箔带厚度，有助于延长芯体材料的高温寿命。图示的箔带寿命数据是在1100度空气中受热的箔带寿命（以氧化增重的拐点测定），由数据可以看到厚度对材料高温寿命影响的趋势。
　　3.3箔带厚度对高温下结构强度的影响
　　金属材料的特性决定了材料在高温下的强度会降低，内芯的结构强度决定于材料的瞬时力学性能和受力的截面积；增加箔带厚度，在相同温度下，可提高芯体结构强度。
　　3.4 高温失效模拟
　　利用人为、可控的失火，产生高浓度HC、O2排放，模拟出一个可以判断载体是否符合工况的条件。
　　从试验验证数据来看，随着箔带厚度的增加，内芯承受的平均最高温度会下降。
　　4. 结论
　　为改善载体的高温现象，减轻高温的剧烈程度和提高载体心部高温寿命，使催化转化器具有更优秀的强度和耐久性能，可适当增加箔带的厚度。
　　参考文献：
　　1. 雅马哈YGK-4-005标准