Günümüzde atık gaz miktarını ya da atık gaz bileşenlerini azaltmak için tek tek araç teknolojilerini geliştirmek yeterli olmamaktadır. Tam aksine araç bütün olarak ele alınmalı ve bütün araç bileşenleri birbirleri ile uyum içerisinde çalışmalıdır. Buna rağmen atık gazın azaltılması üç önemli faktörle öne çıkmaktadır:
- Atık gazın azaltılması için yakıt tüketiminin düşürülmesi
- Atık gazların temizlenmesi
- Fonksiyonların kontrolü
Bir otomobilde kirletici gazların çıkış noktalarındaki oranlar aşağıda verilmiştir.
Kirletici gazların çıkış noktalarındaki oranları
Uygulanan sistemler ise şu şekilde sıralanabilir:
- Katalitik konvertör ve lamda sensörü (sondası)
- Karter havalandırma
- Yakıt buharı geri kazanım sistemi
- EGR sistemi
Katalitik konvertörlü egzoz sistemi
Atık gazların temizlenmesi günümüzde ayarlı katalizörlerle yapılmaktadır. Yukarıdaki şekilde katalitik konvertörlü bir egzoz sistemi görülmektedir. Katalitik temizliğin ayarlanması, lamda sondası ve motor kontrol ünitesi ile gerçekleştirilmektedir. Atık gazdaki oksijen miktarı lamda sondası tarafından motor kontrol ünitesine bildirilir ve motor kontrol ünitesi yakıt-hava karışımını uygun oranda ayarlar.
Benzinli motorlu araçlarda kullanılan katalitik konvertör ve lamda sondalarının araç üzerindeki yerleri
Dizel motorunda ise atık gazları, bir oksidasyon katalizörünün yardımı ile temizlenir. Bu katalizör tipinde lamda sondası kullanılmaz çünkü dizel motorlar yakıt-hava karışımında oksijen takviyesi ile işletildiğinden atık gazda bulunan yüksek oksijen oranı nedeni ile lamda sondası çalışmaz.
Dolayısı ile dizel motorlarda katalizör işletiminde ayarlama yapılmamaktadır. Oksidasyon katalizörü atık gaz bileşenlerini sadece oksidasyon ile dönüştürebilmektedir. Atık gazlardaki azot oksitler sadece yanma odaları ve püskürtme tertibatlarının konstrüksiyonları ile düşürülebilir.
Katalitik Konvertörler
Motorda yanan hava yakıt karışımı, karbondioksite (CO2), suya (H2O), karbonmonokside (CO), azot okside (NOX), ve hidrokarbona (HC) dönüşür. Bunlar içerisinde CO, NOX, HC doğa ve insan sağlığı için zararlı gazlardır. İşte bu zararlı gazları zararsız hâle dönüştürmek için katalitik konvertör (katalizör-katalist) kullanılır.
Katalistler, kendisi değişime uğramaksızın bir kimyasal reaksiyonun hız ve oranını değiştiren elemandır. Termodinamik olarak mümkün olan herhangi bir reaksiyonun hızı, düşük oranda bileşenlerin sıcaklığına bağlıdır. Yüksek sıcaklıklar genelde hızlı reaksiyon oluşturmaktadır. Katalistler motor egzozunda oldukça yavaş ilerleyen reaksiyonları hızlandırarak emisyonların kontrol edilebilmesini sağlar. Katalitik sistemlerin otomobillerde ilk kullanımı 1975 yılında olmuştur. Daha önceki yıllarda otomobillerin karbüratör sistemlerinde hava-yakıt oranının düzenlenmesiyle zararlı emisyonları azaltma çalışmaları yönünde geliştirmeler yanında egzoz gazının resirkülasyonu denemeleri yapılmıştır. Bu tür geliştirmelerin yeterli olmadığı görüldükten sonra ilk olarak CO ve HC’ların kontrol edildiği “pellet tipi” katalitik konvertörler kullanılmaya başlanmıştır. 1980’li yıllara kadar kullanılan bu konvertörlerde pellet şeklinde hazırlanan ve aktif madde olarak platin ile palladyumun kullanıldığı alimüna veya seramik taşıyıcılı katalizörler kullanılmıştır. Bu konvertörler, egzoz susturucusu geometrisinde bölmeli bir yataktan oluşmaktadır. Egzoz gazlar, bu bölmeler arasına doldurulan katalizörler üzerinden sirküle ederek atmosfere atılmaktadır. Daha sonraları bu tip katalitik konvertörlerin değişik geometrilerde ve dolgu tiplerinde modelleri denenmiş ve kullanılmıştır.
Katalizörün araç üzerindeki yeri
Bugünkü motorlarda atık gaz temizlenmesi sadece ayarlı katalizörler ile yapılmaktadır. Katalitik temizliğin ayarlanması, lamda sondası ve motor kontrol ünitesi ile gerçekleştirilmektedir. Katalitik konvertörün kullanılmasının sebebi otomobilden çıkan zararlı gazları minimize etmek suretiyle insanı ve çevreyi korumaktır.
Bir katalizör sistemi üç tabakadan oluşmuştur. En altta katalizörün şeklini veren taşıyıcı matris, bunun üzerinde gözenekli ligi sağlayan ve özgül dış yüzeyi çok büyük olan (25 m²/g) ara tabakası ve en üstte mikron mertebesinde çok ince soy metal tabakası (platin, paladyum, rhodium vb.) bulunur. HC, CO ve NOx molekülleri taşıyıcı matrisin kanallarından geçerken ara tabaka gözeneklerinde tutulmakta ve soy metal tabakası yüzeyinde bilinen oksidasyon ve redüksiyonları ile dönüştürülerek arıtılmaktadır.
Katalizörün iç yapısı
Benzindeki kurşun, mekanik yoldan gözenekleri kapatarak kimyasal olarak soy metalle birleşerek katalizörün etkinliğini, konversiyon (dönüşüm) verimini azaltmaktadır. Bu nedenle katalizörlerde kurşunsuz benzin tercih edilmekte ve diğer yandan kurşuna dayanıklı katalizörler geliştirilmektedir. Egzoz akışı içine yerleştirilen katalistlerden bir tanesi oksidasyon katalistidir. Bu katalistle CO ve HC oksijenle reaksiyona sokularak CO ve H2O oluşturulmaktadır. Bu şekilde NOx emisyonu, EGR sistemi ile kontrol edilmekte ancak bu durum verim kaybına yol açmaktadır. Oksidasyon katalistlerinde rhodium (Rh), platin (Pt), paladyum (Pd) ve bunların karışımı olan bazı elementler kullanılır. Bazı sistemlerde kullanılan bir hava pompası ile zengin (yanmamış artıklar) egzoz içerisindeki bileşenlerin yanmasını tamamlamak için O2 sağlamaktadır (sekonder hava). Platin/rhodium katalistlerin zengin veya stokiyometrik karışımlarda çalışması durumunda, NOx’i azaltıcı özelliğinden yararlanarak çiftli konverter sistemleri geliştirmiştir. Bu tip çift katalizörlü sistemlerde azot oksit katalizörü ve normal oksidasyon katalizörü bulunmaktadır.
Katalitik konvertör kullanan bir otomobilin ilk çalışma anından itibaren gerçekleşen olaylar şöyle sıralanabilir: Katalizör, motorun ilk çalışmasından itibaren egzoz sıcaklığının yaklaşık 300 ºC civarında olduktan sonra etkin duruma geçer. Bu sıcaklıkta oldukça egzoterm olan oksidasyon reaksiyonlarının başlanması ve katalizörün ısı iletim kat sayısının oldukça düşük olması, adyabatik şartlarda çalışması nedeniyle sistem sıcaklığı kısa sürede 850-1000 ºC civarlarına erişir. Bu sıcaklıklara erişme süresi literatürde “light-off” olarak geçmektedir. Bu noktadan sonra CO, HC ve NOx gazlarının hemen hemen tamamı dönüşüme uğrayarak atılır.
Lamda Sensörü: Lamda sensörü, fakir veya zengin karışımlılarla ilgili olarak iki seviyeli gerilimli bir sinyal yardımıyla hava-yakıt karışımının yanma kontrolü hakkında bilgi verir.
Oksijen Sensörü: Oksijen sensörü dizel motorlarda, katalitik konvertörden önce egzoz manifold boğazına yakın bir yere monte edilmiştir. Sensör egzoz gazındaki artık karışım oranını ölçer. Bu oran motora yanma için gönderilen yakıt-hava karışım oranına ait ölçü olarak oksijen payının oluşmasını mümkün kılar. Sensörün bu oksijen miktarına bağlı olarak gönderdiği sinyale göre ECU karışımın zengin veya fakir olduğuna karar verir. Böylece enjektörlerin açık kalma sürelerini ayarlar.
Katalitik Konvertör Çeşitleri
- Petekli Tip Katalitik Konvertör
- Üç Yönlü Katalitik Konvertör
Katalitik Konvertör Arızaları
Sık rastlanan katalitik konvertör arızalarından biri kurşun zehirlenmesidir. Katalitik dönüştürücü kurşunlu benzinden zehirlenir yani katalitik konvertörlü bir araca kurşunlu benzin konduğu zaman konvertörün yüzeyi kurşun kaplanır ve zararlı gazların daha az zararsız gazlara dönüşmesi için yürümesi gereken tepkimeler yürümez, konvertör de görevini yapamaz.
Bir diğer arıza, konvertörün içindeki monolitinin erimesidir. Bu erimenin sebebi, katalitik konvertör içine yanmamış yakıt kaçması sonucunda yakıtın konvertör içinde egzoz gazının sıcaklığı ile tutuşması ve bu yanma sonucunda açığa çıkan yüksek sıcaklıktır. Bu egzoz sisteminin ya da katalitik konvertörün hatası değildir. Birçok sebebi olabilmesine karşın sebeplerin tümü motor kaynaklıdır. Ancak bu hatanın ya da arızanın etkisi katalitik konvertörde görülmesinden dolayı birçok tüketici bu hatanın konvertör kaynaklı olduğunu zannetmektedir. Lamda sondasının da arızalı olması böyle bir erimeye sebebiyet verebilir. Sensörün arızasından dolayı motor sürekli olarak zengin karışımla çalışıyorsa egzoz gazında olması gerekenden daha fazla CO olur. CO gazının katalitik dönüştürücüde C02 gazına dönüştürülmesi esnasında ısı açığa çıkar. Normalden daha fazla CO demek, normalden daha fazla ısı demektir ki bu da monolitin erimesidir.
