Pd-Rh üç yollu katalizör (three-way catalyst, TWC), benzinli motor egzozundaki karbon monoksit, hidrokarbonlar ve azot oksitleri stokiyometriye yakın koşullarda eşzamanlı olarak dönüştürmek için kullanılan bir egzoz son işlem katalizörüdür. Bu çalışma, plug-in hibrit elektrikli araçlarda katalizör seçiminin yalnız toplam değerli metal yükü veya tek bir light-off sıcaklığıyla yapılmasının yeterli olup olmadığını araştırmıştır. Ortak bir 980 °C/15 saat hızlandırılmış ısıl yaşlandırmaya tabi tutulan üç Pt içermeyen Pd-Rh formülasyonu; light-off, sıcaklık-gaz saatlik hacimsel hızı ve λ taramalarıyla deneysel olarak karakterize edilmiş, elde edilen dönüşüm haritaları daha sonra araç, motor çıkışı emisyonları, katalizör termal davranışı ve egzoz son işlem modellerine bağlanarak WLTC ve temsili bir RDE profili üzerinde değerlendirilmiştir. Sonuçlar, en yüksek toplam değerli metal yüküne sahip TWC-3'ün her koşulda en düşük emisyonu sağlamadığını; TWC-2'nin CO, hidrokarbon ve NO/NOx kontrolü açısından daha geniş çalışma alanında daha dengeli olduğunu göstermiştir.

Üç formülasyon aynı substrat geometrisini kullanmıştır. TWC-1'in toplam PGM kütlesi 3,32 g, TWC-2'nin 5,32 g ve TWC-3'ün 8,86 g'dır. Buna karşılık TWC-2'nin Pd/Rh kütle oranı 9,57 iken TWC-3'te oran 19,00'a çıkmaktadır. Bu nedenle TWC-3 yalnızca “daha fazla değerli metal” içeren bir katalizör değildir; aynı zamanda Rh'ye göre belirgin biçimde daha fazla Pd içeren farklı bir formülasyon stratejisidir.

30.000 h⁻¹ light-off koşulunda TWC-3 CO için en düşük T50 ve T90 sıcaklıklarını verirken, C3H6 ve NO için en düşük T50 değerleri TWC-2'de elde edilmiştir. 50.000 h⁻¹ koşulunda ise TWC-2 her üç kirletici için de en düşük T50 ve T90 değerlerini göstermiştir. Tam sürüş çevrimlerine geçildiğinde fark daha belirginleşmiştir: TWC-2, TWC-3'e göre tahmin edilen TWC çıkışı CO emisyonunu WLTC'de %10,0, RDE profilinde %36,4; NOx emisyonunu ise sırasıyla %4,1 ve %18,8 azaltmıştır. TWC-2 aynı zamanda her iki değerlendirmede de en düşük çevrim bütünleşik THC emisyonlarını üretmiştir.

Bu sonuçlar “daha yüksek PGM yükü = daha iyi araç düzeyi emisyon performansı” biçimindeki basit sıralamanın geçerli olmadığını göstermektedir. Bununla birlikte çalışma TWC-2 ile TWC-3 arasındaki farkı tek başına Pd, Rh veya Pd/Rh oranının bağımsız nedensel etkisi olarak yorumlamaya izin vermemektedir; çünkü bu değişkenler deney tasarımında birbirlerinden bağımsız değiştirilmemiştir.

Araştırma problemi

Plug-in hibrit elektrikli araçlar önemli bir elektrikli sürüş payına sahip olsa da içten yanmalı motoru tamamen ortadan kaldırmaz. Motor; soğuk ilk çalıştırmada, yeniden devreye girişlerde, hızlı hızlanmada, yüksek güç talebinde veya batarya şarj durumu düştüğünde çalışabilir. Bu olaylar özellikle katalizör etkin sıcaklığa ulaşmadan önce CO, THC ve NOx emisyonlarının kısa süreli fakat yüksek seviyelere çıkmasına neden olabilir.

Bir PHEV'in katalizörü yalnız soğuk çalıştırmada değil; tekrarlanan motor açma-kapama olaylarında, yüksek egzoz debisinde ve stokiyometriden zengin veya fakir yönde geçici sapmalarda da çalışmak zorundadır. Dolayısıyla tek bir laboratuvar light-off testinde iyi görünen formülasyonun tam sürüş çevriminde de en iyi formülasyon olacağı garanti değildir.

Araştırmacıların temel hipotezi, tek bir light-off sıralamasının ve toplam değerli metal miktarının çevrim düzeyi emisyon performansını tahmin etmek için yetersiz olduğudur. Bunun yerine katalizörün sıcaklık, GHSV ve λ çalışma alanındaki çok kirleticili dönüşüm davranışının aracın gerçek çevrimde ziyaret ettiği çalışma bölgeleriyle eşleştirilmesi önerilmiştir.

Gaz Saatlik Hacimsel Hızı (GHSV) Katalizör Performansında Neden Önemlidir?

Gaz saatlik hacimsel hızı (gas hourly space velocity, GHSV), birim katalizör geometrik hacminden bir saatte geçen gaz hacmini temsil eden ve gazın katalizör içinde kullanılabilir temas süresiyle doğrudan ilişkili bir çalışma parametresidir. GHSV yükseldiğinde gaz katalizör yatağından daha hızlı geçtiği için etkili kalış süresi kısalır; özellikle düşük sıcaklıkta reaksiyon kinetiği de yavaşsa yüksek GHSV dönüşüm kaybını büyütebilir.

Çalışmada GHSV şu bağıntıyla tanımlanmıştır:

\[ \mathrm{GHSV}=\frac{\dot{V}_{gas}}{V_{CAT}} \tag{1} \]

Burada \(\dot{V}_{gas}\), belirtilen referans koşullarındaki toplam hacimsel gaz debisini; \(V_{CAT}\) ise katalizör numunesinin geometrik hacmini ifade eder. GHSV'nin birimi h⁻¹'dir. Matematiksel olarak aynı katalizör hacminde gaz debisinin artırılması GHSV'yi yükseltir. Fiziksel olarak bunun sonucu, reaktanların katalitik yüzeyle etkileşime girebileceği ortalama sürenin azalmasıdır.

Bu çalışmada GHSV yalnız bağımsız bir değişken olarak değerlendirilmemelidir. Sıcaklık-GHSV deneylerinde 25.000, 50.000, 100.000, 150.000, 200.000 ve 250.000 h⁻¹ koşullarının her biri farklı fakat temsilî motor çıkışı gaz bileşimleriyle eşleştirilmiştir. Bu nedenle gözlenen değişiklikler yalnızca gaz hızının saf etkisini değil, ilgili debi bölgesine karşılık gelen giriş bileşiminin etkisini de içerir.

Üç katalizör formülasyonu

TWC-1 düşük yüklemeli referanstır. TWC-2'de hem Pd hem Rh yaklaşık orantılı biçimde artırılmış ve Pd/Rh oranı TWC-1'e yakın tutulmuştur. TWC-3 ise daha fazla toplam PGM ve çok daha fazla Pd içerirken Rh yükü TWC-2'nin bir miktar altındadır. Bu nedenle TWC-2/TWC-3 karşılaştırması izole edilmiş tek faktörlü bir Pd veya Rh deneyi değildir.

Numuneler ve hızlandırılmış yaşlandırma

Tam boy katalizör tuğlalarından 1 inç yani 25,4 mm çapında ve 25,4 mm uzunluğunda silindirik monolit numuneler çıkarılmıştır. Tüm numuneler 600 cpsi hücre yoğunluğuna sahiptir. Numuneler kuvars reaktör tüpünün içine yerleştirilmiş ve gazın numune çevresinden bypass yapmasını engellemek amacıyla yüksek sıcaklığa dayanıklı 3M conta ile çevresel olarak sızdırmazlaştırılmıştır.

Üç katalizör aynı ısıl geçmişe tabi tutulmuştur. Oda sıcaklığından 980 °C'ye 5 °C/dak hızla ısıtılmış ve 980 °C'de 15 saat tutulmuştur. Bu işlem otomobilin bütün hizmet ömrünü birebir yeniden üretmek amacı taşımamaktadır. Gerçek yaşamda katalizör yaşlanması tekrarlanan ısıtma-soğutma çevrimlerini, su buharını, farklı egzoz bileşenlerini ve sürekli değişen çalışma koşullarını içerir. Buradaki protokol, formülasyonları ortak ve ağır bir hızlandırılmış termal yaşlanma durumunda karşılaştırmaya yöneliktir.

Sabit yataklı sentetik gaz deney sistemi

Kaynağın Şekil 1'inde gösterilen tezgâh; gaz tüpleri, basınç regülatörleri, iğne vanaları, kütlesel debi kontrolörleri, su evaporatörü, elektrikli tüp fırın, kuvars reaktör ve Fourier dönüşümlü kızılötesi gaz analizöründen oluşur. Her gaz bileşeninin debisi bağımsız olarak kontrol edilmiş; su buharı diğer gazlara reaktörden önce eklenmiştir. Giriş ve çıkış bileşimleri MKS MultiGas 6030, model 6030BBG2BZKS13T FTIR analizörüyle ölçülmüştür.

Sentetik gaz deneylerinde hidrokarbon temsilcisi olarak propen, C3H6 kullanılmıştır. C3H6 ölçümü doğrudan “THC dönüşümü” değildir; gerçek motor egzozundaki hidrokarbonlar farklı adsorpsiyon ve oksidasyon özelliklerine sahip çok sayıda tür içerir. Çevrim modelinde C3H6 dönüşüm haritası toplam hidrokarbonların göreli dönüşüm davranışı için vekil olarak kullanılmıştır.

Benzer biçimde sentetik karışımlara azot oksidi olarak yalnız NO verilmiştir. Bu nedenle tezgâhta ölçülen nicelik NO dönüşümüdür. Modelde bu özellik motor çıkışı NOx'in baskın bileşeni için vekil olarak kullanılmıştır; çevrim düzeyi NOx sonuçları bu modelleme varsayımıyla birlikte yorumlanmalıdır.

λ Değeri Üç Yollu Katalizörde CO, Hidrokarbon ve NO Dönüşümünü Nasıl Etkiler?

Üç yollu katalizörde λ, egzoz karışımının zengin, stokiyometrik veya fakir olduğunu belirleyen redoks göstergesidir: λ < 1 zengin, λ = 1 stokiyometrik ve λ > 1 fakir koşulu temsil eder. Zengin tarafta oksijen eksikliği CO ve hidrokarbon oksidasyonunu sınırlar; fakir tarafta ise fazla oksijen ve indirgen türlerin azalması NO indirgenmesini hızla kötüleştirir. Bu nedenle CO, hidrokarbon ve NO'nun aynı anda yüksek dönüştürülebildiği bölge λ ≈ 1 çevresindedir ve yüksek GHSV bu kullanılabilir pencereyi daraltır.

Sentetik karışım için kaynakta kullanılan λ tanımı şöyledir:

\[ \lambda = \frac{ [\mathrm{H_2O}]+[\mathrm{CO}]+2[\mathrm{CO_2}]+2[\mathrm{O_2}]+[\mathrm{NO}] }{ 9[\mathrm{C_3H_6}]+[\mathrm{CO}]+2[\mathrm{CO_2}]+[\mathrm{H_2O}] } \tag{2} \]

Köşeli parantezler bileşenlerin giriş molar derişimlerini göstermektedir. Kaynakta λ hedefi, diğer ana bileşenlerin nominal derişimleri korunurken O2 derişiminin değiştirilmesiyle oluşturulmuştur.

Anlık kirletici dönüşüm verimi ise:

\[ \eta_i(t)= \frac{C_{i,\mathrm{in}}(t)-C_{i,\mathrm{out}}(t)} {C_{i,\mathrm{in}}(t)} \times100\% \tag{3} \]

olarak hesaplanmıştır. Burada \(C_{i,\mathrm{in}}\) ve \(C_{i,\mathrm{out}}\), i kirleticisinin sırasıyla katalizör giriş ve çıkış konsantrasyonlarıdır. %100'e yaklaşan değer, girişteki kirleticinin büyük bölümünün ilgili çalışma koşulunda dönüştürüldüğünü gösterir.

Light-off deneylerinin mantığı

Light-off deneyleri 30.000 ve 50.000 h⁻¹ GHSV'de gerçekleştirilmiştir. Katalizör sıcaklığı 5 °C/dak hızla artırılmış; giriş bileşimi ve gaz debisi test boyunca sabit tutulmuştur. Performans T50 ve T90 ile ifade edilmiştir. T50, dönüşümün %50'ye; T90 ise %90'a ulaştığı katalizör sıcaklığıdır. Daha düşük değer daha iyi düşük sıcaklık aktivitesi anlamına gelir.

Tabloda kaynak metin içinde rakamsal olarak yazılmayan grafik değerleri tahmin edilerek doldurulmamıştır. Bu özellikle Verianla'nın “grafikten yaklaşık okunan değeri kesin veri gibi verme” kuralı bakımından önemlidir.

Sıcaklık-GHSV çalışma alanı

Araştırmacılar katalizörü yalnız light-off geçişinde incelememiştir. 25.000, 50.000, 100.000, 150.000, 200.000 ve 250.000 h⁻¹ GHSV koşulları ile 100–650 °C sıcaklık aralığında geniş bir dönüşüm alanı oluşturulmuştur. Sonuçlar özellikle 350, 450, 550 ve 650 °C kesitlerinde karşılaştırılmıştır.

Üç kirletici için ortak eğilim, GHSV yükseldiğinde dönüşümün düşmesidir. En güçlü düşüş 350 °C'de gerçekleşmiştir; çünkü bu bölgede hem reaksiyon hızı sıcaklığa güçlü biçimde bağlıdır hem de yüksek GHSV gaz kalış süresini azaltır. 550–650 °C'ye çıkıldığında katalizörler büyük ölçüde aktive olduğu için formülasyon farkı daha çok en yüksek GHSV değerlerinde görünür hale gelmiştir.

TWC-1 özellikle düşük sıcaklık ile yüksek GHSV'nin birleştiği bölgede en büyük performans kaybını göstermiştir. TWC-3 CO oksidasyonunda bazı yerel üstünlükler gösterebilse de yüksek Pd yükü C3H6 veya NO dönüşümünde sistematik bir üstünlük sağlamamıştır. TWC-2, incelenen çalışma alanında düşük sıcaklık aktivitesi ile yüksek akış toleransı arasındaki en dengeli kombinasyonu vermiştir.

λ taraması

λ testleri light-off etkisini azaltmak için 500 °C'de ve 25.000, 50.000, 100.000 ve 200.000 h⁻¹ GHSV'de yapılmıştır. λ, O2 ayarlanarak 0,80 ile 1,20 arasında değiştirilmiştir.

CO ve C3H6 dönüşümü zengin taraftan λ = 1'e yaklaşırken keskin biçimde yükselmiştir. Zengin koşullarda oksijen miktarı bu oksidasyon reaksiyonlarını sınırlar. Yüksek GHSV'de kısa gaz kalış süresi bu sorunu kuvvetlendirmiştir. TWC-1 en hassas formülasyon olurken TWC-2 ve TWC-3 daha yüksek dönüşüm sağlamıştır.

NO davranışı ters yöndedir. Zengin ve stokiyometriye yakın koşullarda yüksek dönüşüm korunurken λ'nın 1'i aşmasıyla NO dönüşümü hızla azalmıştır. 200.000 h⁻¹ seviyesinde küçük bir fakir sapma dahi belirgin NO kaçışına yol açabilmiştir. Böylece yüksek GHSV'nin yalnız ortalama dönüşümü düşürmediği, aynı zamanda λ kontrolündeki kısa süreli sapmalara duyarlılığı da artırdığı görülmüştür.

Neden En Yüksek Değerli Metal Yüküne Sahip TWC-3 En İyi Katalizör Olmadı?

TWC-3, daha yüksek toplam PGM ve çok daha yüksek Pd yüküne rağmen çalışma alanının tamamında CO, C3H6 ve NO dönüşümünü birlikte en iyi seviyede tutamamıştır. TWC-2 daha yüksek Rh yüküne, daha dengeli yaklaşık 9,57 Pd/Rh oranına ve düşük sıcaklık-yüksek GHSV-λ geçişlerinin birleştiği bölgelerde daha tutarlı çok kirleticili performansa sahiptir; ancak deney matrisi Pd, Rh ve Pd/Rh oranını bağımsız değiştirmediği için TWC-2'nin üstünlüğü tek başına belirli bir metalin nedensel etkisine bağlanamaz.

Bu sonuç değerli metal miktarının önemsiz olduğunu göstermez. Nitekim düşük yüklemeli TWC-1 özellikle zor çalışma bölgelerinde en fazla kötüleşmeyi göstermiştir. Bulguların gösterdiği nokta, belirli bir eşikten sonra değerli metalin nasıl dağıtıldığı ve formülasyonun aracın ziyaret ettiği sıcaklık-GHSV-redoks bölgelerinde ne kadar etkili kullanılabildiğinin toplam metal miktarı kadar önemli olabileceğidir.

Araç ve güç aktarma sistemi modeli

İncelenen araç; 2,0 L turboşarjlı dört silindirli motor, iki vitesli dedicated hybrid transmission, P1 ve P3 elektrik makineleri, 355 V/25,6 kWh yüksek gerilim bataryası ve 12 V düşük gerilim bataryası içeren PHEV mimarisidir. Motor maksimum gücü 140 kW'dır. Araç boş kütlesi 2511 kg, lastik yuvarlanma yarıçapı 354,4 mm'dir.

Araç hızı ve yol eğimi önce gerekli çekiş gücünün hesaplanmasında kullanılmış; güç aktarma sistemi modeli motorun çalışıp çalışmayacağını, motor hızı ve torkunu, egzoz kütlesel debisini, sıcaklığını ve λ'yı belirlemiştir. Bu değişkenler motor çıkışı emisyon ve son işlem hesaplamalarına aktarılmıştır.

Motor çıkışı emisyon modeli

Motor çıkışı CO, THC ve NOx emisyonları EGR açık ve EGR kapalı işletim için ayrı motor hızı-tork haritalarından oluşturulmuştur. Durağan haritaların motor ilk çalıştırma, hızlı yük değişimi ve termal durum etkilerini tam olarak içerememesi nedeniyle soğutma suyu sıcaklığı, λ ve ateşleme zamanı düzeltmeleri eklenmiştir:

\[ E_{i,\mathrm{raw}}(t)= E_{i,\mathrm{base}}(n(t),T(t)) \times C_{T,i}(T_{ct}(t)) \times C_{\lambda,i}(\lambda(t)) \times C_{\Delta ign,i}(\Delta ign(t)) \tag{4} \]

\(E_{i,\mathrm{base}}\), motor hızı \(n\) ve tork \(T\) haritasından interpolasyonla elde edilen temel motor çıkışı emisyonudur. \(C_{T,i}\), \(C_{\lambda,i}\) ve \(C_{\Delta ign,i}\) sırasıyla motor soğutma suyu sıcaklığı, hava fazlalık oranı ve ateşleme zamanı sapması için düzeltme katsayılarıdır.

TWC ve cGPF termal modeli

Egzoz son işlem sistemi, yukarı akışta TWC ve aşağı akışta katalizli benzin partikül filtresinden (cGPF) oluşmuştur. TWC ve cGPF eksenel yönde bölümlere, radyal yönde merkez ve çevre bölgelerine ayrılmıştır. Egzoz gazı, washcoat, substrat ve gövde için ayrı termal düğümler kullanılmıştır. Model; egzoz gazı entalpisi, gaz-katı ısı transferi, eksenel ve radyal ısı iletimi, reaksiyon ısısı ve çevreye ısı kaybını hesaba katmıştır.

Her simülasyon zaman adımında temsili katalizör sıcaklığı, GHSV ve λ belirlenmiş, ardından bu koordinatlara karşılık gelen formülasyona özgü dönüşüm verimleri deneysel veri kümelerinden alınmıştır. Deney noktaları arasında doğrusal interpolasyon uygulanmıştır. Sıcaklık, GHSV veya λ deneysel alanın dışına çıktığında değer en yakın deneysel sınıra sabitlenmiş ve deney alanı dışında ekstrapolasyon yapılmamıştır.

Hesaplanan dönüşüm miktarları kirletici mevcudiyeti, reaksiyon stokiyometrisi ve eşdeğer oksijen depolama-bırakma dengesiyle sınırlandırılmıştır. Böylece giriş miktarından fazla kirletici dönüşümü veya kullanılabilir oksijen tükendiği halde oksidasyonun devam etmesi gibi fiziksel olmayan tahminlerin önlenmesi amaçlanmıştır. Model ayrıntılı yüzey reaksiyon kinetiğini çözmek üzere değil, çevrim düzeyi mühendislik tahmini için tasarlanmıştır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

WLTC ve RDE Katalizörü Neden Farklı Şekilde Zorluyor?

WLTC, incelenen araçta katalizörün düşük ve orta sıcaklık davranışına daha fazla ağırlık verirken temsili RDE profili katalizörü çoğunlukla sıcak fakat çok daha yüksek egzoz akışı ve GHSV koşullarında çalıştırmıştır. WLTC'nin %7,15'i 350 °C'nin altında gerçekleşmiş ve GHSV yaklaşık 140.000 h⁻¹'in altında kalmış; RDE profilinde 350 °C altındaki bölüm yalnız %1,18 olmuş fakat GHSV 200.000 h⁻¹'in üzerine çıkmış ve λ < 0,95 zengin çalışma daha fazla görülmüştür. Bu nedenle WLTC light-off ve orta sıcaklık aktivitesini, RDE ise sıcak-yüksek debi ve geçici redoks toleransını daha güçlü biçimde sınamıştır.

WLTC/RDE çalışma alanlarının karşılaştırılması

Model doğrulaması

Model WLTC deney verilerine karşı üç seviyede değerlendirilmiştir: araç ve güç aktarma sistemi davranışı; λ, ateşleme zamanı, soğutma suyu sıcaklığı, egzoz debisi ve motor çıkışı emisyonları; son olarak cGPF çıkışındaki kümülatif CO, THC ve NOx emisyonları. Kaynağın Şekil 7–9 karşılaştırmaları motor start-stop olaylarının, yük değişimlerinin, egzoz sınır koşullarının ve toplam emisyon eğilimlerinin model tarafından genel olarak yeniden üretildiğini göstermektedir.

Bu doğrulama özellikle WLTC içindir. RDE profili gerçek sürüşten alınmış temsili bir dinamik profil olsa da çalışma bunu düzenleyici RDE uygunluk testi veya aynı seviyede bağımsız emisyon doğrulaması olarak sunmamaktadır.

WLTC çevrim sonucu

TWC-2, WLTC'de CO'yu TWC-1'e göre %11,5 ve TWC-3'e göre %10,0 azaltmıştır. NOx azalması sırasıyla %42,4 ve %4,1'dir. THC değerleri arasındaki fark daha küçüktür; TWC-2'nin 9,88 mg/km değeri en düşük sonuçtur.

TWC-2 ile TWC-3 arasındaki tahmini WLTC THC ve NOx farkları yaklaşık %2,8 ve %4,1 düzeyindedir. Deneysel dönüşüm özelliklerindeki belirsizlik çevrim simülasyonu boyunca ayrıca yayılmadığı için yazarlar bu küçük farkların istatistiksel olarak anlamlı bir ayrım biçiminde yorumlanmaması gerektiğini açıkça belirtmektedir.

cGPF, TWC çıkışına göre WLTC'de ayrıca CO'da %1,73–2,67, THC'de %1,92–2,36 ve NOx'te %9,78–13,67 azalma sağlamıştır. Aynı cGPF parametreleri kullanılmasına rağmen giriş sınır koşulları TWC formülasyonuna bağlı olarak değiştiğinden cGPF'nin göreli etkisi üç konfigürasyonda tam olarak aynı değildir. Buna rağmen formülasyon sıralaması değişmemiştir.

RDE profilindeki çevrim sonucu

RDE profili formülasyonlar arasındaki farkı daha belirgin hale getirmiştir. TWC-2'nin CO sonucu TWC-1'den %49,7 ve TWC-3'ten %36,4 daha düşüktür. NOx'te fark daha da büyüktür: TWC-2, TWC-1'e göre %75,5 ve TWC-3'e göre %18,8 daha düşük tahmini TWC çıkışı NOx emisyonu üretmiştir.

THC için TWC-2, TWC-1'den %24,5 düşük; TWC-3'ten ise yalnız %2,8 düşük sonuç vermiştir. Dikkat çekici biçimde THC sıralaması WLTC ile RDE arasında değişmiştir. WLTC'de TWC-3 bazı düşük ve orta sıcaklık geçişlerinde daha büyük THC kaçışları oluştururken, sıcak ve yüksek GHSV ağırlıklı RDE koşullarında düşük PGM yüklemeli TWC-1 daha fazla bozulmuştur.

RDE'de cGPF'nin ek azalması CO için %4,51–6,22, THC için %5,56–13,55 ve NOx için %19,41–25,33 aralığında olmuştur. Yine cGPF sonrası sıralama TWC sonrası sıralamayı değiştirmemiştir.

Kirletici bazında fiziksel yorum

CO: 30.000 h⁻¹'de yüksek Pd yüklemeli TWC-3 yerel bir light-off avantajı göstermiştir. Fakat yüksek akış, farklı λ bölgeleri ve çevrim bütünlüğü hesaba katıldığında TWC-2 daha kararlı CO kontrolü sağlamıştır.

Hidrokarbon: C3H6 dönüşümü düşük sıcaklık ile yüksek GHSV birleşimine CO'dan daha duyarlı olmuştur. TWC-3'ün ek Pd yükü TWC-2 karşısında sistematik üstünlüğe dönüşmemiştir.

NO/NOx: NO dönüşümü Rh içeren aktif bölgeler, Pd/Rh dengesi, indirgen türlerin bulunabilirliği ve λ ile güçlü biçimde ilişkilidir. TWC-3'ün yüksek toplam PGM'sine rağmen Rh yükü TWC-2'den düşüktür ve Pd/Rh oranı yaklaşık iki katına çıkmıştır. Sonuçlar TWC-3'ün NOx açısından TWC-2'yi sistematik biçimde geçmediğini göstermektedir. Bununla birlikte mevcut formülasyon matrisi bu sonucu yalnız Rh miktarının bağımsız etkisine indirgemeye izin vermez.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• Tek bir CO light-off ölçütü, üç kirletici açısından en iyi çevrim katalizörünü güvenilir biçimde belirlememektedir.
• TWC formülasyon sıralaması sıcaklık, GHSV, λ, kirletici türü ve sürüş çevrimine bağlı olarak değişebilmektedir.
• Düşük yüklemeli TWC-1, özellikle düşük sıcaklık ile yüksek GHSV birlikte oluştuğunda en fazla dönüşüm kaybını göstermiştir.
• TWC-3'ün en yüksek toplam PGM ve Pd yüküne sahip olması C3H6 ve NO için sürekli üstünlük sağlamamıştır.
• TWC-2 incelenen WLTC ve RDE çalışma alanlarında en dengeli CO-THC-NOx sonucunu vermiştir.
• Araç düzeyi katalizör seçimi için formülasyona özgü dönüşüm haritalarının aracın gerçek sıcaklık-GHSV-λ dağılımıyla birlikte değerlendirilmesi, tek bir T50 değerinden daha temsilîdir.

Çalışmanın desteklemediği sonuçlar

• “Pd miktarı artırılırsa performans kesinlikle kötüleşir” sonucu çıkarılamaz.
• “Rh tek başına TWC-2'nin üstünlüğünden sorumludur” sonucu çıkarılamaz.
• 980 °C/15 saat yaşlandırma, bir PHEV katalizörünün bütün hizmet ömrünü temsil etmez.
• C3H6 dönüşümü gerçek motor egzozundaki bütün hidrokarbon türlerinin dönüşümüyle özdeş değildir.
• NO tezgâh verisi gerçek NOx bileşiminin bütün türlerini ayrı ayrı temsil etmez.
• Temsili RDE simülasyonu düzenleyici saha uygunluk kanıtı değildir.
• TWC-2/TWC-3 arasındaki küçük WLTC THC ve NOx farkları, belirsizlik yayılımı yapılmadığından istatistiksel anlamlılık kanıtı değildir.

Katalizör seçiminde mühendislik açısından çıkarım

Çalışmanın önerdiği seçim yaklaşımı, katalizörleri önce tek bir laboratuvar noktası üzerinden sıralamak yerine hedef araç uygulamasının sıcaklık, GHSV ve λ dağılımını tanımlamaktır. Ardından her katalizör formülasyonunun çok kirleticili dönüşüm haritası bu çalışma alanıyla eşleştirilir. Böylece aracın çevrim emisyonunu gerçekte belirleyen bölgeler daha yüksek ağırlık kazanır.

Bu yaklaşım özellikle PHEV'lerde önemlidir; çünkü aynı sürüşte hem soğuk motor devreye girişi hem de daha sonra sıcak fakat çok yüksek egzoz debili işletim meydana gelebilir. Bir katalizör ilk olayda çok iyi, ikinci olayda görece zayıf olabilir. TWC-3'ün 30.000 h⁻¹'deki CO light-off avantajının çevrim bütününde en düşük CO emisyonuna dönüşmemesi bu noktanın doğrudan örneğidir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün başlık: Linking Bench-Scale Conversion Characteristics to Cycle-Level Emissions for Pd-Rh Three-Way Catalyst Selection in Plug-In Hybrid Vehicles

Yazarlar: Kaichang Lai; Xiaoxiao Jiang; Hong Chen; Fangxi Xie; Jiakun Du; Yu Liu; Chengyun Wang.

Sorumlu yazar: Hong Chen.

Kurumlar: College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun, China; Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Guangzhou, China.

Dergi: Energies.

Yayınevi: MDPI, Basel, Switzerland.

Cilt / makale numarası: 19 / 4231.

DOI:10.3390/en19184231

Gönderim: 5 Ağustos 2026. Revizyon: 27 Ağustos 2026. Kabul: 2 Eylül 2026. Yayın: 8 Eylül 2026.

Kaynak türü: Hakemli özgün araştırma makalesi; kontrollü sentetik gaz katalizör deneyleri ile araç/egzoz son işlem simülasyonunu birleştiren deneysel-modelleme çalışması.

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY), açık erişim.

Finansman: National Key R&D Program of China, Grant No. 2024YFC3712400; Guangdong Provincial Key Laboratory of Clean Automotive Propulsion and Energy Application Technology (2024), Grant No. 2024B1212020006; Guangdong Special Support Plan for Young Top-notch Talents, Grant No. 2024TQ08L125. Yazarlar çalışmanın Guangzhou Automobile Group tarafından fonlanmadığını belirtmiştir.

Veri erişilebilirliği: Çalışmada sunulan özgün katkıların makale içinde bulunduğu, ek soruların sorumlu yazara yöneltilebileceği belirtilmiştir.

Çıkar çatışması: Hong Chen, Jiakun Du ve Chengyun Wang Guangzhou Automobile Group bünyesinde çalışmaktadır. Diğer yazarlar ticari veya finansal çıkar çatışması oluşturabilecek bir ilişki bulunmadığını bildirmiştir.

Yazar katkıları: Kavramsallaştırma K.L. ve X.J.; yöntem X.J.; yazılım X.J.; doğrulama K.L., X.J. ve H.C.; biçimsel analiz F.X.; araştırma J.D. ve Y.L.; kaynaklar H.C.; veri kürasyonu C.W.; ilk taslak K.L.; gözden geçirme ve düzenleme K.L.; görselleştirme X.J.; danışmanlık H.C. ve F.X.; proje yönetimi H.C.

Temel yöntemsel sınırlılık 1: Toplam PGM, Pd, Rh ve Pd/Rh oranları bağımsız faktörler olarak değiştirilmemiştir. Formülasyon etkileri tek tek metal etkilerine ayrıştırılamaz.

Temel yöntemsel sınırlılık 2: 980 °C'de 15 saatlik fırın yaşlandırması ağır ve standartlaştırılmış bir termal yaşlanma koşuludur fakat gerçek PHEV hizmet ömrünün bütün termal ve kimyasal yaşlanma geçmişini temsil etmez.

Temel yöntemsel sınırlılık 3: Tezgâhta C3H6, çevrim modelindeki THC dönüşümü için; NO ise dominant motor çıkışı NOx davranışı için vekil olarak kullanılmıştır.

Temel yöntemsel sınırlılık 4: Dönüşüm haritası dışında kalan sıcaklık, GHSV ve λ noktalarında ekstrapolasyon yapılmamış, girişler en yakın deneysel sınıra sabitlenmiştir.

Temel yöntemsel sınırlılık 5: Deneysel dönüşüm karakteristiklerinin belirsizliği çevrim simülasyonunun tamamında nicel belirsizlik yayılımına tabi tutulmamıştır. Özellikle TWC-2/TWC-3 arasındaki küçük farklar istatistiksel ayrım biçiminde yorumlanmamalıdır.

Temel yöntemsel sınırlılık 6: RDE verisi temsili bir gerçek yol sürüş profilinden alınmış olsa da bu çalışma RDE çevrimini düzenleyici uygunluk doğrulaması amacıyla kullanmamıştır.