催化器封裝襯墊接口位置對(duì)OBD 診斷的影響

盧恒 李瑞珂 張浩華 覃仁豪

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

在愈來(lái)愈嚴(yán)格的國(guó)六排放法規(guī)中，對(duì)汽車催化器的的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及制作工藝提出更高要求及更嚴(yán)格的控制。催化器的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性及工藝控制的改善，能夠提升OBD 診斷的正確率。本文主要結(jié)合實(shí)際案例，分析了催化器襯墊接口位置，對(duì)OBD 診斷的影響極其改善。

1 催化器基本介紹

（1）催化器是動(dòng)力總成控制與診斷子系統(tǒng)一個(gè)零件，也是排氣子系統(tǒng)的組成部分，主要功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣，通過(guò)催化轉(zhuǎn)化作用，轉(zhuǎn)換成達(dá)到對(duì)環(huán)境安全的水平，以滿足國(guó)家排放法規(guī)要求。

（2）催化器主要結(jié)構(gòu)。催化器主要結(jié)構(gòu)包含催化劑，襯墊，殼體（如下圖1所示）。催化劑是在圓柱狀多孔蜂窩狀陶瓷載體上，涂覆包含鉑、鈀、銠等貴金屬的涂層材料。

圖1

通過(guò)催化劑中的鉑、鈀、銠的催化轉(zhuǎn)化特性，將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NO）等，轉(zhuǎn)化為對(duì)環(huán)境無(wú)污染的二氧化碳（CO）、水（HO）、氮?dú)猓∟）等（圖2）。

圖2

包裹催化劑的襯墊，是陶瓷纖維材料，一般為長(zhǎng)條形，接口位置兩端端面為凹凸形狀（圖3）。

圖3

2 氧傳感器基本介紹

氧傳感器是一種能夠檢測(cè)氣體里的氧氣濃度有關(guān)的信號(hào)的裝置。氧傳感器可以用于探測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中燃燒廢氣中氧的含量，適時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比，根據(jù)廢氣中氧濃度的不同輸出高低不同的電壓信號(hào)給 ECU，作為閉環(huán)系統(tǒng)控制空燃比的重要依據(jù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)常用氧化鋯式氧傳感器基本結(jié)構(gòu)如下圖4。

圖4

氧化鋯式傳感器的基本元件是氧化鋯管。在一定溫度條件下，氧化鋯陶瓷兩側(cè)的氣體中存在著不同氧濃度，氧化鋯陶瓷內(nèi)部將發(fā)生反應(yīng)，和氧離子的遷移，從而產(chǎn)生電子信號(hào)。在氧化鋯管內(nèi)、外表面均覆蓋著一薄層鉑（Pt）作為電極，傳感器內(nèi)側(cè)通大氣，外側(cè)直接與排氣管中的廢氣接觸。在氧化鋯管外表面的鉑層上，還覆蓋著一層多孔的陶瓷涂層；在傳感器的線束連接器端有金屬護(hù)套，其上設(shè)有小孔，以便使氧化鋯管內(nèi)側(cè)通大氣。氧化鋯管的外表面處于氧氣濃度較低的汽車所排放的氣體中，而管的內(nèi)表面則導(dǎo)入周圍空氣，兩表面氧氣濃度之差就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)——電壓信號(hào)（圖5）。其輸出的信號(hào)電壓由低（約0.1V）到高（約0.9V）或由高到低發(fā)生突變。

圖5

3 OBD 診斷

3.1 OBD 診斷的法規(guī)要求

在車輛上安裝的車載診斷系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱OBD 系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)車輛實(shí)際運(yùn)行中的排放。OBD 系統(tǒng)應(yīng)能通過(guò)使用車載電腦監(jiān)測(cè)車輛在實(shí)際使用時(shí)排放系統(tǒng)的工作狀況，并能監(jiān)測(cè)排放系統(tǒng)的故障。

3.2 OBD 診斷催化器失效原理

催化器的涂層材料中含有的氧化鈰（CeO2），能對(duì)氧氣進(jìn)行存儲(chǔ)并與排放尾氣進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)，催化器的儲(chǔ)氧量可簡(jiǎn)述為單位時(shí)間內(nèi)催化器前氧濃度，減去催化器后氧濃度。催化器的催化轉(zhuǎn)化性能與其儲(chǔ)氧量成正比關(guān)系，即催化器儲(chǔ)氧量高，催化轉(zhuǎn)化性能強(qiáng)，儲(chǔ)氧量低，催化轉(zhuǎn)化性能弱，當(dāng)催化轉(zhuǎn)化性能會(huì)下降到一定程度，轉(zhuǎn)化的排放尾氣有限，會(huì)導(dǎo)致整車排放的尾氣超過(guò)國(guó)家排放法規(guī)限值要求。OBD 系統(tǒng)（包括前后氧傳感器，ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊）等），應(yīng)在催化器轉(zhuǎn)化能力的下降值閥值前，檢測(cè)出催化器的故障。

3.3 OBD 診斷布置

如下圖6 所示OBD 系統(tǒng)布置，在排放系統(tǒng)中的催化器前、后安裝能夠檢測(cè)氧氣濃度的氧傳感器，通過(guò)檢測(cè)前、后氧傳感器的氧濃度信號(hào)，傳遞給ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊）進(jìn)行對(duì)比計(jì)算轉(zhuǎn)化計(jì)算儲(chǔ)氧量，如儲(chǔ)氧量數(shù)值小于預(yù)設(shè)閥值，即可判斷催化器失效。

圖6

4 催化器襯墊接口位置導(dǎo)致的OBD 誤診斷

4.1 催化器封裝襯墊的接口，導(dǎo)致OBD診斷失誤的案例

某1.5L 排量國(guó)六車型，發(fā)現(xiàn)OBD 故障燈亮，讀取數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)為催化器儲(chǔ)氧量低故障模式，提示催化器性能劣化（催化器催化轉(zhuǎn)化性能低）。

4.2 對(duì)OBD 診斷失誤的原因排查

通過(guò)檢測(cè)氧傳感器、催化器密封性、催化劑性能等，均正常工作無(wú)問(wèn)題，再將催化器拆檢，發(fā)現(xiàn)襯墊接口位置正對(duì)后氧傳感器位置（如下圖7）；

圖7 排放尾氣氣流方向

正常排放尾氣從催化器法蘭，進(jìn)入催化劑，經(jīng)過(guò)催化劑圓柱形載體的眾多小孔（小孔內(nèi)涂覆貴金屬）進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化作用，后流出催化器。后氧傳感器布置在催化器后端，以監(jiān)控催化器后的排氣氧含量。

如圖8 所示，雖然大部分排放尾氣流經(jīng)催化器進(jìn)行轉(zhuǎn)化（氧濃度低），但是仍然有極小量的排放尾氣，沒(méi)有經(jīng)過(guò)催化劑轉(zhuǎn)化（氧濃度高），而是通過(guò)了包裹的襯墊接口中及其微小的間隙，流到催化劑后端，而接口位置正對(duì)氧傳感器。這部分氣流流量極小，并不影響整車的排放，但是由于離氧傳感器很近，極小的氣體氧含量也會(huì)影響其傳輸信號(hào)。

圖8 絕大部分排放尾氣

4.3 測(cè)試兩種襯墊接口朝向的催化器，測(cè)量?jī)?chǔ)氧量

同一個(gè)催化器，分兩次改制為兩種襯墊接口位置的樣件，搭載在同一輛整車上，測(cè)量對(duì)比儲(chǔ)氧量的數(shù)據(jù)：

A 方案催化器襯墊接口位置正對(duì)氧傳感器（圖9），B 方案催化器襯墊接口位置與氧傳感器呈180°對(duì)角（圖10）。

圖9

圖10

測(cè)量A 方案測(cè)試前后氧傳感器信號(hào)（圖11），通過(guò)前后氧傳感器信號(hào)進(jìn)行計(jì)算催化器儲(chǔ)氧量67（mg）。

圖11

測(cè)量B 方案測(cè)試前后氧傳感器信號(hào)（圖12），通過(guò)前后氧傳感器信號(hào)進(jìn)行計(jì)算催化器儲(chǔ)氧量650（mg）

圖12

如上圖測(cè)量數(shù)據(jù)可知，A 方案測(cè)量出儲(chǔ)氧量為67mg，B 方案測(cè)量?jī)?chǔ)氧量為650mg，相差將近10 倍，已經(jīng)達(dá)到觸發(fā)OBD 診斷報(bào)警閥值的95mg，因此ECU 根據(jù)計(jì)算對(duì)比儲(chǔ)氧量，判斷催化器已經(jīng)劣化或失效，發(fā)出信號(hào)點(diǎn)亮故障燈，造成OBD 誤診斷。

5 對(duì)催化器封裝襯墊接口工藝的改進(jìn)要求

在催化器封裝工藝中，需要嚴(yán)格控制催化器襯墊接口位置，采用設(shè)計(jì)、工裝、人工檢查等的控制措施，使得其對(duì)氧傳感位置為180°，保證催化器的質(zhì)量，極大的降低了由于催化器襯墊問(wèn)題導(dǎo)致的OBD 診斷的誤診率。