Seramik Bilyeli Tip Katalitik Konvertör Bu tip katalitikler her biri birbiri üzerinde duran küresel bilye tabakalarından oluşur. Bilyeler, yüksek sıcaklıklara dayanaklı magnezyum alüminyum silikat seramiklerden yapılır. Egzoz gazlarına maruz kalan geniş yüzeyler ve geçiş yolları, aktif haldeki katalitik madde ile kaplanmış bilyelerin küresel temas yüzeyleriyle çevrelenmiştir. Bilye yüzeyindeki katalitikler aşırı ısınma neticesinde kullanılmaz hale gelirler ve bu yüzden yaklaşık olarak 3mm çapındaki bu gözenekli alüminyum (Al2O3) bilyelere 20.10-6 m derine kadar aktif metal (soy metal) olarak platin (Pt) ve Radyum (Rd) emdirilir. Bu seramik bilyeler, 1000 C nin üzerindeki sıcaklıklara kadar maruz bırakıldıklarında dahi iyi bir darbe ve absorbsiyon direncine sahip olurlar. Bilyeler konvertör muhafazasının iç tarafında bir kapta bulunur. Bu kabın bir yüzü reaksiyona girmemiş egzos gazına maruz kalırken diğer yüzü temizlenmiş egzos gazına maruz kalır. Bu şekilde yerleştirilen bilyeler yol şartlarında meydana gelen şok darbelerinden zarar gören dış kaplamaya karşın daha az zarar görmektedir. Bu paketler çok yüksek sıcaklıklarda dahi kararlılığını koruyan magnezyum alüminyum silikat seramik malzemesinden yapılır. Şekil 8. Seramik Bilyeli Tip Katalitik Konvertör Seramik Petek Tip Katalitik Konvertör Konvertör matrisi, egzoz gazlarının içinden geçtiği birbirine paralel binlerce petek kanaldan oluşan bir yapıdadır. Bu kanallar 20.10-6 metre derinliğe kadar alüminyum (Al2O3) kaplamayla kaplanmıştır. Bu kaplama katalitik kanalların yüzey alan etkinliğini 700 kat kadar artırır. Daha sonra bu kaplamaya platin (Pt) ve radyum (Rd) emredilir. Peteklerin kanallarının 1mm 2 sinde hemen hemen 0.15-0.30 mm kalınlığına kadar gözenekli yüzeyler vardır. Burada her 1cm 2 de 30-60 arası kanal bulunmaktadır. 1g kaplama maddesi 100-200m 2 lik bir alanı
kapatabilir ve bu miktar tek kıvrımlı petek maddesini %5-%15 i kadardır. Seramik petek yapıları kırılgandırlar ve bu yüzden gövdenin iç kısmına tel ağ asılmıştır. Bu sayede ısının petek üzerindeki genleşme ve büzülmesi engellenir. Şekil 9. Seramik ve ya kolonlu(monolith) Tip Katalitik Konvertör Metalik Petek Tip Katalitik Konvertör Petek yüzeyi kalınlığı 0,04ve 0,05 arasında değişen oluklu yada üst üste binmiş ince çelik folyolardan oluşur. Bu folyo rulo yada S şeklinde olabilir. Genellikle iki ayrı petek yüzeyi vardır ve aralarında ise küçük bir boşluk bırakılmıştır. Bu boşluk ikinci yüzeyde taze bir laminer akış oluşumu ve egzoz gazlarının içerden kolayca akışını sağlar. Böylece kirleticiler konvertör yardımıyla kolayca zararsız hale getirilirler. Spiral yada S şeklindeki metalik yüzey termal genleşmenin sebep olduğu tansiyon dağıtımını daha iyi sağlar ve böylece konvertörün metalik dengesini ve ömrü artırılmış olur. Düz ve kanallı folyo arasında yüksek sıcaklığa maruz kalan temas bölgesinde katı bir lehimleme de gereklidir.
Şekil 10. Metalik petekli ve ya kolonlu tip katalitik konvertör Kullanımda bulunan katalitik konvertörleri şöyle sınıflandırmak mümkündür. Taşıyıcı kısımlarına göre ; seramik, metal ve küresel parçacıklı konvertörler.fonksiyonlarına göre ise üç yollu, iki yollu ve indirgeme konvertörleri. Taşıyıcı kısmı seramik konvertörlere alternatif teknoloji olarak metal alaşımların bulunması ve geliştirilmesi ile aynı konvertör verimi %55 daha küçük hacimle sağlanmaktadır. Başlangıçta konvertörler öncelikle oksitleyici ( CO, HC emisyonları için ) ve indirgeme ( NO x ) emisyonları olarak mevcuttu. Bir tek konvertörle stokiyometrik oran civarında her üç emisyonun eş zamanda azaltılmasının mümkün olduğunun bulunmasından sonra üç yollu katalitik konvertör ön plana çıkmıştır. Katalitik konvertörler ile ısı reaktörlerinin en önemli işletme problemlerinden biri optimum işletme sıcaklığına erişinceye kadar ön ısıtma gerektirmeleridir. Emisyon standartları
genellikle motorların soğuk ilk hareketlerine göre düzenlendiğinden başlangıçtaki emisyonların fazlalığı ekstra problem olabilmektedir. Bu durumda iki çözüm bulunmaktadır. Birincisi, ilk çalışma periyodunda gerekli sıcaklığa erişmek için çok küçük hacimli bir ısı reaktörünü konvertörün önüne yerleştirmek. İkincisi ise motorun ısınma periyodunda yakıt karışımlarının fakirliğini dengeleyen iyileştirilmiş egzoz manifoldu kullanılmasıdır. Şekil 11. Katalitik Konvertörün Aktif Petek Kanallarının Büyütülmüş Görünümü 2.2. Üç yollu konvertörler Eğer motor her zaman yakıt- hava oranı stokiyometrik değerde yada buna yakın bir değerde olduğu zaman çalışırsa NO indirgenmesi ve CO ve HC oksidasyonunun her ikisi de tek bir katalizör yatağında olur. Katalizör etkili olarak egzoz gaz karışımını bu egzoz şartlarında dengeye yakın konuma getirir. ( CO 2, H 2 O ve N 2 karışımı ) Ortamda NO i indirgemek için yeterli indirgeyici gazlar ve CO ve hidrokarbonları oksitlemek için O 2 bulunmalıdır. Burada sözü geçen üç yollu deyimi, katalitik konvertörün egzoz gazındaki CO, HC ve NO x olmak üzere her üç kirleticiyi aynı anda zararsız ürünler haline dönüştürmesinden dolayı kullanılmaktadır. Aşağıdaki şekilde NO, CO ve HC için yakıt-hava oranına bağlı olarak dönüştürme verimi gösterilmektedir. Burada üç kirletici için yüksek dönüştürme veriminin elde edildiği yakıt-
hava oranının stokiyometrik değere yakın olduğu dar pencere vardır.bu pencerenin genişliği yaklaşık 0,1 yakıt hava oranıdır ve katalizör formülasyonuna ve motor çalışma şartlarına bağlıdır. Bu pencerede sıradan bir karbüratörün kontrol yeteneğinin ötesinde olmak için yeterli ölçüde dardır. Motorun stokiyometriğin zengin ya da fakir kısmında çalışıp çalışmadığını göstermek ya da yakıt sisteminin istenen yakıt-hava oranını ayarlaması amacıyla sinyaller sağlaması için egzozda oksijen sensörü kullanıldığını biliyoruz. Deneysel çalışmalar üç kirleticinin etkili olarak uzaklaştırıldığı yerde yakıt hava oranı penceresinin önemli ölçüde genişlediğini gösterir. Pencerenin ortasındaki maksimum dönüştürme verimi indirgenmedir. Değişimlerin etkisi frekanslara bağlıdır. En etkili frekanslar 0,5 den 1 Hz e kadar olan frekanslardır. Egzoz gazı karışımlarındaki bu periyodik değişimlerin ayar noktasının stokiyometriğe yaklaşması sebebiyle katalizörün, fazla oksijen olduğu yerde CO ve HC i uzaklaştırması istenir. Radyum ticari katalizörlerde kullanılan NO i uzaklaştırmak için kullanılan ana bileşkedir. Radyum NO in indirgenmesi için çok aktiftir. Ve CO ile kükürt bileşkeleri tarafından daha az inhibe edilir ve Pt den daha az NH 3 üretir. Katalizör, egzoz gazı katalizörün yatağından geçerken stokiyometrik fakirlik şartları altında NO i uzaklaştırmak için CO, H 2 ile ya da HC, O 2 yerine NO ile reaksiyona girmelidir. Platinyum, HC ve CO oksidasyonu için çok yaygın kullanılır. Platinyum, stokiyometrik ve az fakir şartlar altında iyi bir aktiviteye sahiptir. Yeterli radyum olduğu zaman Pt nin, NO in uzaklaştırılmasındaki katkı minimaldir. Zengin rejimde üç yollu katalizör ortamda bulunan tüm oksijeni tüketir ve sonuç olarak eşit miktarda CO, H 2 ve hidrokarbonları ortamdan uzaklaştırır. İlk olarak H 2 nin uzaklaştırıldığı düşünülmelidir. CO + H 2 O H 2 + CO 2 Hidrokarbon + H 2 O CO, CO 2, H 2 Egzoz 500 C de denge oranının 4 olduğu yerde H 2 / CO oranının 3 olduğu değeri içermektedir. Eğer su gaz tabakasına yaklaşırsa önemli miktarda CO in uzaklaştırıldığı düşünülmektedir. Platinyum bu dengeyi arttırır.
Daha büyük molekül ağırlığındaki parafin hidrokarbonları için ve olefin ve aromatik hidrokarbonları için buhar reaksiyonları için denge sağa kayar. Eğer fakir karışım olursa egzoz gazı içerisindeki O 2 konsantrasyonu artacak ve ikinci denklemdeki reaksiyon hızlanacaktır. Bu durumda azotoksit indirgeyici reaksiyonun oluşması için ortamda yeterli CO kalmayacak ve dönüşen NO miktarı azalacaktır. Eğer karışım zenginleşirse tam aksine Oksijen miktarı azaldığı için oksitlenen CO ve HC miktarları azalacaktır. Üç yollu katalitik dönüştürücü, eğer Hava fazlalık katsayısı = 1 civarında ve yaklaşık %0,5 toleransla çalışırsa verimi %80 in üstünde kalmaktadır. Bu toleransın dışında kalan bölgelerde ise dönüştürme verimi hızla düşmektedir. Üç yollu katalizör ile donatılan motorların diğer bir önemli parçası da lambda sensörüdür. Lambda sensörü egzoz gazları içerisindeki oksijen miktarına göre bir çıkış gerilimi üretmektedir. Radyum bu katalizörlerde gerekli bir içeriktir ve nitrojen oksitleri dönüştüren şimdiki tüm egzoz katalizörlerinde bulunmaktadır. Üç yollu katalizör olarak çok farklı katalitik birleşimleri kullanılmaktadır ve konvertör başına düşen soy metal kullanımı şu oranlardadır. 0,03 0,1 ozt / konvertör platinyum 0,005 0,017 ozt / konvertör radyum 0 0,1 ozt / konvertör palladyum Tüm üç yollu katalizörlerde radyumun platinyuma oranı bu metallerin maden oranını geçer. Bu metallerim maden oranı yaklaşık Pt / Rh = 16,5 /1 dir. Platinyum, karbonmonoksit ve tüm hidrokarbonların oksidasyonu için etkili bir oksidasyon katalizörüdür. Palladyum ise ayrıca CO ve HC lerin oksidayonuna yardımcı olur fakat platinyuma göre egzoz çevresinde daha zehirleyicidir. Platinyum ve palladyumun her ikisi de nitrik oksitin indirgenmesinde etkilidir fakat radyumdan daha az etkilidir. Soy metallere ek olarak üç yollu katalizörler ana metal seryum ve nikel, demir ve lantan gibi ek bileşenleri içerir. Bu ek bileşenlerin katalizörün performansını arttırdığına ve alüminyumoksit taşıyıcısına karşı termal enerji kayıplarını stabilize ettiği düşünülmektedir.
Üç yollu katalizörlerin kullanımı için gerekli tam stokiyometrik olarak dengelenmiş egzoz gaz bileşenini sağlamak için yakıt hava oranı kontrol sistemi geliştirilmelidir. Kapalı devre elektronik yakıt hava kontrolünün sağlanabilmesi için bir egzoz oksijen sensörünün kullanılması ve gerekli kontrolün yapılabilmesi için mikro işlemciye ihtiyaç vardır. Egzoz oksijen sensörü katalizörün ön kısmına yerleştirilmektedir. Mikro işlemci oksijen sensöründen ve pek çok diğer sensörlerden sinyaller alır ve motor yakıt hava oranını, ateşleme zamanını ve diğer değişik motor fonksiyonlarını kontrol etmek için kullanılan çıkış sinyallerini üretir.üç yollu katalitik konvertörler, egzoz emisyonu sürme modunun fonksiyonu olarak değiştiğinden geniş egzoz şartları aralığında cevap vermelidir. Egzoz gazlarının katalitik konvertöre giriş sıcaklığı tipik olarak ısıtılmış bir katalitik konvertör için 350-500 C dir. Başlangıçta katalizör soğuktur ve katalitik konvertör sıcak egzoz gazları tarafından çalışma sıcaklığına ısıtılana kadar konvertörde hiçbir reaksiyon gerçekleşmez. 2.3. Oksitleyici konvertörler Oksidasyon katalizörünün fonksiyonu CO ve hidrokarbonları CO 2 ye okside etmektir. Bujili motorlarda dışarı verilen hidrokarbonların yaklaşık olarak yarısı yanmamış yakıt bileşimidir. Doymuş hidrokarbonların okside olması çok zordur. Oksidasyonu kolaylaştırmak, artan moleküler ağırlık ile artar. CO ve HC 2 u okside etmek için yeterli miktarda oksijen olmak zorundadır. Bu motorun stokiyometrik oranda çalışması ya da bir pompanın havayı egzoz portlarına çekmesi ile olur. Egzoz prosesi tarafından üretilen basınç titreşimlerini kullanarak egzoz portuna gelen ilave ventüri havası ayrıca ihtiyaç duyulan havayı eklemek için kullanılır. Soy metaller gerçek aktiviteleri nedeniyle katalitik malzeme olarak kullanılmaya en uygun olanıdır. HC oksidasyonu için yüksek spesifik aktivite ve düşük sıcaklık aktivite kayıplarına karşı yüksek termal direnç gösterir. Yakıta bulunan kükürt tarafından ana metal oksitlerinden daha az diaktive olurlar. En çok platinyum ve palladyum karışımı kullanılır. CO, metan ve olfinlerin oksidasyonu için palladyumun spesifik aktivitesi platinyumdan daha yüksektir. Aromat yapılı bileşiklerin oksidasyonunda ise her iki soy metalde benzer aktiviteleri göstermektedir. Parafin hidrokarbonların oksidasyonunda ise Pt, Pd den daha aktiftir. Saf soy metaller 500 C den 900 C ye kadar sıcaklık aralığında hızlı bir şekilde sinterlenir. Katalitik davranış, yüzey atomları tarafından manifest edildiği için soy metaller Al 2 O 3 gibi inert taşıyıcı üzerine olabildiğince iyi bir şekilde yayılır. Katalizörde bulunan soy metal
taneciklerin tane büyüklüğü 50nm den daha küçüktür. Fakat katalizör egzoz gazlarının yüksek sıcaklıklarına maruz kaldığında 100 nm ye yükselebilir. Bu petekli katalizörde tipik soy metal konsantrasyonu Pt /Pd = 2 olduğunda 1 ile 2 g / dm 3 petek hacmindedir. Yeterli yüksek sıcaklıklarda yeni oksijen katalizörün sabit durumda dönüştürme verimleri tipik olarak CO için %98-99 arası ve HC için %95 ve daha üstüdür. Bununla beraber katalizör sıcaklığı 250 den 300 e yükselene kadar etkili değildir.light-off sıcaklık terimi genellikle katalizörün % 50 den daha etkili durumda olduğu sıcaklığı tanımlamak için kullanılır. Katalizör zehirlenmesi hem ısınmayı ham de katalizörün sabit surum performansını etkiler. Yakıtta bulunan kurşun ve yağa eklenen fosfor en çok etkileyici zehirli maddelerdir. Yakıtta bulunan kurşunun yüzde 10 ile 30 değeri katalizörün zehirlenmesine yol açar. Katalizörün dönüştürme verimi katalizör üzerindeki kurşunun miktarına bağlıdır. Kurşun HC nin katalitik oksidasyonunu CO nun oksidasyonundan daha fazla bastırır. Doymuş hidrokarbonların oksidasyon aktivitesi özellikle düşer. Yakıtta ve yağda bulunan kritik maddelerin neden olduğu zehirlenmenin fazlalığı, katalizörün bileşimine va çalışma şartlarına bağlı olduğu kadar hangi elemanların bulunduğunu ve abzorde edilen miktara da bağlıdır. Sinterlenme, katalizörün yüksek çalışma şartlarına maruz kalması ile artar. Sinterlenme ısınmayı azaltır ve durgun durum dönüştürme verimi üzerine minimum etki yapar. CO in Pt ve Pd soy metal katalizörleri üzerine olan kinetik oksidayonu : d[co] / dt = K 1 P CO P O 2 / ( 1 + K 2 P CO + K 3 P HC ) 2 (1+K 4 P n P NO ) K 1,K 2,K 3,K 4 ve n herhangi bir sıcaklık anındaki sabitlerdir. P li ifadelerde indislerinde yer alan gazların kısmi basınçlarıdır. Olefinik ve aromatik hidro karbonların oksidasyonu için de buna benzer bir ilişki yazılabilir. Bu ilişkiler CO ve HC oksidasyon oranlarının yüksek CO ve reaktif HC konsantrasyonu ile inhibe edildiği gerçeğini kapsar. Parafin hidrokarbonların oksidasyon oranı Hc kısmi basıncının ilk gücü ile değişir ve CO, olefinler ve NO tarafından inhibe edilir. Aynı zamanda parafin hidrokarbonların kısmi basıncı, oksijenin kısmi basıncı stokiyometrik değerlere düştüğü zaman artar.
Oksidasyon katalizörlü mootorlar dışarıya sülfirik asit aerosolu verirler. Kurşunsuz benzinler 150 den 600 ppm aralığında kükürt içerir ve bu da yanma odasından SO 2 olarak çıkar. Bu, katalizör tarafından SO 3 olarak okside olur. Ve daha sonra çevre şartlarında su ile birleşerek H 2 SO 4 olur. SO 3 alüminyum katalizör yatağı üzerinde kimyasal olarak absorbe olur. Eğer geniş petekli yataklar kullanılırsa 500ºC dan düşük sıcaklıklarda SO 3 depolanır. Daha yüksek katalizör sıcaklıklarında depolanan SO 3, SO 3 - SO 2 karışımı olarak dışarıya verilir. SO 3 üretimi, düşük sıcaklıklarda kinetik olarak, yüksek sıcaklıklarda ise termodinamiksel olarak sınırlandırılır. Palladyum ve radyum, platinyumdan daha az SO 3 üretir ve HC ile CO katalitik aktivitesine sahiptir. Şekilde şematik olarak gösterilen oksitleyici konvertör sisteminde, karbonmonoksit ve hidrokarbonlar oksijenle reaksiyona sokularak karbon dioksit ve su buharına dönüştürülmektedir. Sistemde kullanılan bir hava pompası ile egzoz gazları içindeki bileşenlere oksijen sağlanmaktadır. 2.4. İndirgeme konvertörleri NO, egzoz içindeki CO, hidrokarbon ve hidrojenin kullanılması ile indirgenme yolu ile uzaklaştırılır. NO + CO = 1/2N 2 + CO 2 2NO + 5CO + 3H 2 O = 2NH 3 + 5CO 2 2NO + CO + 3H 2 O = N 2 O + CO 2 NO + H 2 = 1/2N 2 + H 2 O 2NO +5 H 2 = 2NH 3 + 2 H 2 O N 2 O 2NO + H 2 = N 2 O + N 2 O NO nun oksijen ve azot olarak ayrışmasında katalizör kullanılmaz. NO indirgenmesi, indirgenme türünün oksitlenme türüne göre daha aşırı olduğu zengin şartlarda yürütülür. Bu şartlarda kullanılan katalizöre NO indirgeme katalizörü denir. Böyle bir sistemin kalan CO ve
hidrokarbonları uzaklaştırmak için oksidasyon katalizörüne ve oksidasyonundan önce hava pompasından gelen ilave havaya ihtiyacı vardır. Böyle bir iki yataklı sistem egzozdan tüm üç kirleticiyi ( NO, CO,HC ) uzaklaştırır.no nun CO ve H 2 ile indirgenmesi ana metal katalizörleri tarafından 350-600ºC aralığında gerçekleştirilir. Bununla beraber bu katalizör malzemeleri kükürt tarafından deaktive olur ve taşıt egzozlarında kullanıldığı zaman limit termal stabilite gösterir. Alüminyum taşıyıcılı soy metal katalizörleri NO yu CO-H 2 karışımı ile indirger. NO indirgeme aktiviteleri sırasıyla Ru > Rh > Pd > Pt şeklindedir. Rutenyum (Ru) ve radyum(rh) Pd ya da Pt den az zengin şartlar altında daha az NH 3 üretir. Bu özellikler, rutenyumu istenen NO katalizörü yaparken, rutenyumun oksitlenme şartları altında uçucu oksitler oluşturur ve bu da rutenyumun alüminyum taşıyıcısından kaybı ile sonuçlanır. Daha gelişmiş konvertörler veya oksitleyici konvertör ilave ederek emisyonlar daha da indirgenmiş olarak dış ortama atılabilmektedir. Çift katalitik konvertör sistemi denilen bu düzenekler aşağıdaki gibidir. Şekil 12 Dizel Motorlarda Katalist Sistemleri
3.1. Katalizör dayanımı Bir otomobil egzoz katalizörünün bozulmasının başlıca nedenleri, egzoz gazı içindeki kirleticilerden dolayı katalizörün zehirlenmesi, katalizör taşıyıcısının yarattığı mekanik hasarlar ve katalizörün Yüksek sıcaklıklara maruz kalmasından ötürü termal hasarlardır. Yüksek sıcaklıklara maruz kalma katalizöre soy metal parçacıklarını sinterleyerek zarar verir. Sonuçta ise, katalitik reaksiyonlar için elde edilen soy metal kısmında azalmalar olur. Katalizörün düşük sıcaklık aktivitesi en çok soy metal cürufu ile etkilidir. Yüksek sıcaklıklar ayrıca soy metaller arasında ve ana metal ile katalizörün soy metal bileşeni arasında hasar verici tesirleri arttırır. Yüksek katalizör sıcaklıklarını üreten taşıt şartları yüksek miktarda yanmamış hidrokarbonların katalizör üzerinden oksidasyonuyla sonuçlanır. Oksidasyon şartları düşük sıcaklıklarda üç yollu katalizöre indirgenme şartlarından daha fazla hasar vericidir. Aşırı yükseklikteki sıcaklıklar katalizör taşıyıcısına hasar vermektedir. Seramik yekpare sütun egzozun katalitik konvertör içerisinden geçerken katalizörle temas etmeden geçmesi için eriyerek kanallar oluşturabilir.yüksek sıcaklıklar yüzey alanını azaltarak alüminyum taşıyıcısına hasar vermektedir. Katalizör taşıyıcı malzemesinin mekanik kayıpları densifikasyon ve yekpare sütunun hasar görmesinden dolayı oluşur. Kayıpların diğer mekanizmaları katalizör peteklerin aşınması ve kırılması nedeniyle olur. Tipik katalizör zehirleyicileri kurşun ve fosfordur. Kurşun, kurşunsuz benzinde çok az seviyelerde bulunur. Kurşunsuz benzinde izin verilen maksimum kurşun seviyesi 0,05g/gal olmasına rağmen tipik kurşun seviyeleri 0,003 tür. Kurşun 0,003 g/gal seviyesinde temel katalizör zehirleyicisi değildir. Diğer taraftan, kuruşunlu yakıt üç yollu katalizörleri zehirler ve kurşunsuz benzine dönülene kadar katalizör aktivitesi tam olarak düzelmez. 4.1. Katalitik konvertör performansını etkileyen faktörler 4.2. Katalizör uzunluğunun etkisi Hidrokarbon çevrim verimi katalizör uzunluğuyla doğru orantılı olarak artar. Buna rağmen uzunluktaki değişim CO ve NO miktarlarındaki azalmada etkili değildir. Sonuçlar göstermektedir ki kısa katalizörler uzun modellere nazaran daha büyük oranda etkilidir. Diğer
boyları sabit tuttuğumuzda uzun konvertörlerde katalizör boyunun arttırılması verimi düşürebilir. Bunun sebebi, ilk harekette zaten soğuk olan katalizörde mesafenin artmasıyla katalizörün optimum çalışma sıcaklığına ulaşma süresi artacaktır. Ayrıca uzun katalizörler daha pahalıdır. 4.3. Hücre yoğunluğunun etkisi Hücre yoğunluğunun artışının etkisi katalizör uzunluk artışının etkisine benzer. Hücre yoğunluğunun değeri, tepme basıncındaki artışım etkisi ile sınırlıdır. Eğer tepme basıncı çok yüksek olursa motora hava girişi azalır ve performans düşer. 4.4. Çeper kalınlığının etkisi Grafiğinde de görüldüğü üzere et kalınlığı azaldıkça HC çevrim verimi artmaktadır. Ayrıca ince et kalınlığı alt tabaka termal kapasitesini düşürdüğü için istenmektedir. Bu sayede katalizör soğuk başlangıçlarda daha çabuk ısınacak ve soğuk başlangıç emisyonları düşecektir. 4.5. Kesit alanının etkisi Geniş katalizör kesit alanları egzoz gazının akış oranını yavaşlatır. Bu katalizör reaksiyonunun nispeten daha uzun zamanda gerçekleşmesine sebep olur ve böylece çevrim verimi artar. Kesit alanını arttırmak genellikle homojen olmayan bir akışa sebep olur, bu da çevrim verimini düşürür. 5.1 Dizel partikül filtreleri (DPF) Dizel partikül filtreleri (DPF) dizel kaynaklı partikül emisyonlarının Euro 3 emisyon standartlarına getirilmesinde temel etkendir. İlk kez partikül filtre teknolojisi 1992 yılında New York City'de 400 otobüste test edilmiştir. Şekil 5'de bu ilk elektrik ısıtıcılı tip DPF'nin şematik yapısı gösterilmektedir. Sisteminin filtresinde toplanan partiküller periyodik olarak imha edilmektedir. Filtre optimum yüke ulaşana kadar partikül ile doluyor ve daha sonra körük ve ısıtıcı tekrar sistemi eski haline getiriyordu. Partikül yükü, emilen hava akışı, filtre basıncı ve filtre giriş sıcaklığı ölçülerek belirleniyordu.
Şekil 13 Elektrik Isıtıcılı Tip DPF Sisteminin Şematik Yapısı Daha sonra sisteme brülör ve kısma sistemi eklenerek, bir dış ısıtıcı kaynak yardımıyla partiküller yakılır hale geldi. Bu sistem aktif rejenerasyon sistemi olarak isimlendirildi ve birinci kuşak DPF teknolojisi olarak görüldü. Fakat bu teknolojide filtre basıncının artarak düşmesi yakıt tüketimini artırırken, sistemin karmaşıklığı ve güvensizliği, birinci kuşak DPF'nin sonunu getirdi. DPF teknolojisi farklı bir boyutta gelişerek ikinci kuşak pasif rejenerasyon DPF teknolojisi oluştu. Bu sistemde yakıt katkıları ve katalizör kullanımıyla PM emisyonları azaltılmaya çalışıldı. 2000 yılında Peugeot, dizel binek araçlarını yakıt katkı sistemlerine dayanarak üretmeye başladı. Şekil 14a Dizel partikül filtresi Jhonson Matthey CRT (Continuously Regenerating Technology) teknolojisini geliştirerek dikkatleri üzerine çekti. CRT teknolojisinin temeli partiküllerin kolayca NO 2 ile oksitlenmesine dayanmaktadır. 550 C'nin üzerinde bir sıcaklıkta karbon, oksijenle oksitlenir iken NO 2 ile 250 C'de reaksiyona girmeye başlamaktadır. CRT, üst kısımda oksidasyon filtresi ve alt kısımda seramik filtre olmak üzere iki filtreden oluşmaktadır. Dizel emisyonlarında var olan nitrit oksit (NO) oksidasyon katalizörüne girerek NO 2 oluşturur.
Daha sonra oluşan NO2 alt filtreye girerek partiküllerle reaksiyona girer. CRT teknolojisi ile PM emisyonları %90 oranında azaltılmaktadır. CRT sisteminin başarılı bir şekilde çalışabilmesi için egzoz gaz sıcaklığının 275 C üstünde olması, yakıttaki sülfür içeriğinin 500 ppm'den az olması, ve NO X /PM oranının 20'den büyük olması gerekmektedir. Şekil 14b Diesel partikül filtresi 6.1 Termal art yakma Termal art yakma sistemleri yüksek sıcaklıklarda belirli bir zaman aralığı için egzoz gazlarının geçişini geciktirecek tüm aygıtları içerir. Bu sistemle motorun egzozunda art arda reaksiyonlar oluşur.genel olarak, böyle sistemler hava enjeksiyonu ile yapılan oksitleme işlemi ile çalışırlar.zengin reaktörlerde,ikincil hava zengin egzoz gazına ( λ=0.8 ~ 0.9 ) eklenerek HC ve CO nun oksitlenme sonrası yüksek sıcaklığa erişmesi sağlanır.zengin reaktörlerin dezavantajı,zengin hava-yakıt karışımı ile çalışma gerektirdiklerinden daha yüksek yakıt sarfiyatının meydana gelmesidir.fakir reaktörler ( sıcak borular olarak isimlendirilir ) λ = 1.1 ~ 1.2 ile çalışırlar ve egzoz gazında halen oksijen barındırırlar.bu reaktörlerin çalışma sıcaklıkları görece daha düşük olduklarından dolayı yavaş yanma işlemi olarak da adlandırılırlar.reaktörler yeterli bir zaman aralığında egzoz gazlarını işleyebilmek için geniş hacme sahip olmalıdırlar.iyi reaksiyon verimine,yüksek ısıl dirençli malzeme ile yapılmış yalıtımla erişilebilir.görece daha düşük verime ek olarak, böylesi reaktörler hassas hava-yakıt oranı aralığında daha düşük egzoz emisyon değerlerini sağlamak zorundadırlar.
Şekil. 15 Termal rejeneratör Şekil 15 de Arvin Meritor firmasının orta ve ağır yüklü taşıtlarda kullanılmak üzere ürettiği bir termal rejenaratör görülmektedir. Bu rejeneratör 60 sn de 600 C sıcaklığa erişebilmektedir. 6.2 Katalitik art yakma Katalitik konverterler, titreşime karşı izolasyonlu ve ısı yalıtım malzemeli bir yataklama içerisine yerleştirilmiş aktif kaplamalı bir yapıdan oluşmuşlardır.granülleştirilmiş ve sinterlenmiş Al O monolitleri yapı malzemesi olarak kullanılmaktadır.monolitik yapı 2 3 formunun, uzun bir geliştirme periyodunun ardından motorlu taşıtlarda kullanılabilirliği ispatlanmıştır. Taşıyıcı eleman takip eden özelliklere sahip olmalıdır. Katalist yüzeyinden optimum şekilde faydalanma, uzun ömür ve yüksek mekanik dayanım, düşük ısı kapasitesi ve düşük egzoz geri basıncı.aktif katalist kaplama çok az miktarda soy metal içermektedir ( Pt,Rh,Pd ) ve kurşuna karşı hassastır.aktif kaplamayı kurşun zehirlenmesinden korumak için (kaplamanın yüzeyden dökülmesine neden olur) katalitik konverter kullanılan taşıtlarda kurşunsuz benzin kullanılır.motora yakın olarak yerleştirilmiş bir katalist,buradaki yüksek sıcaklıktan dolayı daha yüksek verime sahiptir.ama dezavantaj olarak da daha fazla termal yükleme söz konusudur. Motorun çalışma sıcaklığının yüksek olmasından dolayı çoğu katalitik konverter günümüzde şasi altına konumlandırılmaktadır. Oksidasyon katalistleri ya motorun yakıt karışımının fakir olarak ayarlanması ile ya da CO ve HC nin oksitlenmesi için hava eklenmesi
ile çalışırlar. Redüksiyon katalistlerinin hava eklenmesine ihtiyacı yoktur. λ<1 halinde NO x emisyonları azalmaktadır. Oksidasyon ve redüksiyon katalistlerinin tek bir yatak içerisinde kullanılması ile çift yataklı katalist sistem oluşur.bu sistemler λ = 0.9 civarında en verimli olarak çalışırlar. NO ilk yatakta düşürülür,diğer bileşenler arasında NH 3 oluşur.ikincil hava eklendiğinde, CO ve HC nin neredeyse tümü ikinci yatakta oksitlenir.burada NH 3, NO oluşumu için tekrar yakılır.bu NO nun neden %70 ve 80 le sınırlandığının nedenidir.bir diğer dezavantaj ise motorun zengin karışımla çalışma zorunluluğudur.bu ise yakıt sarfiyatını arttırır. Kayış tahrikli santrifüj pompalar ( Saginaw prensibine göre çalışan ) veya kendinden emişli hava supapları, ikincil hava sağlamak için kullanılabilir. İkinci sistem egzoz sistemindeki basınç dalgalanmalarından yararlanmaktadır. Lambda kapalı devre kontrollü 3 yollu katalistin, benzinli motorlarda egzoz gazlarının işlenmesi için yüksek verime sahip bir metot olduğu ispatlanmıştır.bu üç emisyonun yeteri kadar düşürülmesi için motorun stokiyometrik oranda çalışması ile mümkündür.