Dieselemissie in de praktijk

Dieselgate draait in zijn geheel om de NOx-uitstoot van auto's met een dieselmotor en dan met name het uitlaatgasnabehandelingstraject; praktijkmetingen leverden vele malen hogere waarden op dan wat tijdens de typegoedkeuring werd gemeten op de rollenbank. De oorzaak lag in gesjoemel met NOx-reductiesystemen, die werden voor de gek gehouden. Dat gat tussen werkelijkheid en rollenbank moet voortaan een stuk kleiner worden doordat bij de nieuwe procedure voor typegoedkeuring, die sinds 1 september 2017 van kracht is, ook een praktijktest uitgevoerd moet worden, de RDE-test (Real Driving Emissions).

Met het opzetten van deze RDE-test is overigens al in 2011 (dus ver voor Dieselgate) aangevangen. Nu wordt deze test gefaseerd ingevoerd. Sinds 1 september 2017 moeten alle nieuwe autotypen de RDE-test ondergaan, waarbij onder andere de NOx-uitstoot gemeten wordt. Voor álle nieuw te verkopen auto's (dus ook de bestaande modellen) moet vanaf 1 september 2019 met de RDE-test de NOx-uitstoot bepaald worden. De auto-industrie is druk bezig om zijn auto's klaar te maken voor deze nieuwe tests. Bij Bosch en Mercedes-Benz kijken we hoe dat aangepakt wordt.

Uitdaging in stadsverkeer
Uit voorlopige testgegevens die we bij Bosch en Mercedes-Benz hebben gezien, blijkt dat de grootste NOx-uitdaging ligt in het rijden in stadsverkeer, want daar is de NOx-productie het hoogst. Op buiten- en snelwegen is dat beduidend minder en lijkt de conformiteitsfactor niet nodig, de testresultaten pieken dan rond de 50 mg/km, keurig onder de rollenbanklimiet van 80 mg/km. Dat het tijdens de RDE-test mogelijk is om binnen de gestelde grens van 168 mg/km te blijven, is inmiddels realiteit. De nieuwe Mercedes-Benz CLS is van na 1 september 2017 en heeft (gezien het feit dat hij met twee dieselmotoren in de prijslijst staat) de RDE-test met goed gevolg afgelegd. De Mercedes-Benz S 400d is nog net voor 1 september 2017 gecertificeerd omdat hij dan nog geen RDE-test hoefde te ondergaan. Desalniettemin is de motor voorzien van alle maatregelen die ook te vinden zijn bij de dieselversies van de Mercedes CLS.

Net als veel andere autofabrikanten hebben ze bij Mercedes aan twee fronten strijd gevoerd: motorinwendig en in het uitlaattraject. Het eerste is om de productie van schadelijke stoffen zoveel mogelijk binnen de perken te houden, het tweede is om dat wat er dan toch nog uit de motor komt, zoveel mogelijk om te zetten in onschadelijke gassen en dampen.

Reinigingsproces
Onverbrande koolwaterstoffen (CH) en koolmonoxide (CO) zijn relatief eenvoudig onschadelijk te maken door ze in een DOC (dieseloxidatiekatalysator) met extra toegevoegde zuurstof om te zetten in onschadelijk CO2 en H2O. Schadelijk bijeffect is echter dat NO (stikstofmonoxide) met zuurstof omgezet wordt in het nog schadelijkere NO2 (stikstofdioxide). Echter heeft ieder nadeel z'n voordeel: NO2 is een welkom hulpmiddel om het roetfilter (ook een onderdeel van het uitlaatgasnabehandelingstraject) te reinigen. Vandaar dat het uitlaatgas eerste door de DOC stroomt en daarna pas door het roetfilter. De koolstofdeeltjes in het roetfilter reageren met zuurstof tot CO2 en met de zuurstofcomponent van NO2 tot CO2 en NO. Dan zitten we nog met de rest van het NO2 en NO. Deze worden samen met AdBlue (een onschadelijke ammoniakoplossing (NH2) in de SCR (Selective Catalytic Reduction) omgezet tot het onschadelijke N2 (stikstof, het hoofdbestanddeel van lucht) en H2O (water). Althans zo zou het in de ideale wereld moeten zijn. De katalysatoren werken echter pas wanneer ze op temperatuur zijn (zo'n xxx ˚C). Vandaar dat ze zo dicht mogelijk tegen de motor aangebouwd zitten. Bij Mercedes zien we de DOC al helemaal tegen de turbo aan zitten (die op zijn beurt geïntegreerd wordt met het uitlaatspruitstuk). Om de vermenging van AdBlue in het uitlaatgas te verbeteren, heeft Mercedes-Benz veel aandacht besteed aan de injectie van AdBlue en een speciale AdBlue-verdamper aan het uitlaatkanaal toegevoegd. Het dieselfilter en de SCR zitten bij de nieuwe zescilinder diesels in de S en de CLS samengebouwd in één behuizing, waarbij het filteroppervlak overigens al voorzien is van een katalytische-laag, alles om de NOx zo effectief mogelijk te lijf te gaan.

Beter voorkomen dan genezen
Omdat voorkomen beter is dan genezen, is er ook veel aandacht besteed aan het in de kiem smoren van de NOx-productie. NOx ontstaan bij hogere temperaturen (zoals die optreden bij het verbrandingsproces in dieselmotoren) uit een reactie van stikstof en zuurstof uit de aangezogen (of door de turbo naar binnen geblazen) verse lucht. De grote uitdaging is dus te zorgen dat de piektemperaturen zoveel mogelijk teruggebracht worden. Dit wordt voor een deel gerealiseerd door uitlaatgas (wat niet meer reageert in het verbrandingsproces) opnieuw in de motor te voeren, uitlaatgasrecirculatie heet dit (EGR, exhaust gas recirculation). Tegenwoordig gebeurt dit zowel op hoge druk (direct na de motor nog voor de katalysator) en als lage druk (na de nabehandeling). Aansturing van de te recirculeren uitlaatgasstroom gebeurt met kleppen en tussen uit- en inlaatkanaal wordt het uitlaatgas gekoeld. Doordat de EGR-systemen stroomafwaarts zitten (het lagedruk-systeem nog verder dan het hogedruk-systeem) is er een kleine vertraging voordat het uitlaatgas weer aan de motor toegevoerd kan worden. Bij Mercedes ondervangen ze dit probleem door onder bepaalde omstandigheden direct nadat de uitlaatklep gesloten is, deze alsnog eventjes (gelijktijdig met de inlaatklep, maar wel een stuk korter) open te zetten wanneer de zuiger weer naar beneden gaat. Op deze manier wordt er direct uitlaatgas binnen gezogen, weliswaar niet gekoeld maar wel inert genoeg om niet meer met het verbrandingsproces mee te reageren. Hiertoe hebben de nokken op de uitlaatnokkenas een extra profiel gekregen waar naar toe geschakeld kan worden door de nokkenas iets te verschuiven. Dit werkt volgens het Camtronic-principe dat Mercedes ook heeft laten zien voor het verstellen van de inlaatnokkenas van benzinemotoren en lijkt erg op het systeem dat ze bij Volkswagen gebruiken om cilinders uit te schakelen.

Daarnaast is om het verbrandingsproces verder te optimaliseren de vorm van de verbrandingsruimte in de zuiger verder geoptimaliseerd en wordt voor een fijnere verneveling van de dieselolie (en daarmee een betere verbranding met minder ongewenste bijproducten) gewerkt met hogere inspuitdrukken.

PEMS in de praktijk
Bij Bosch zijn we zelf de weg opgegaan met een rijdend proefproject. Uitgangspunt voor dat rijdende proefproject is een standaard Volkswagen Golf 2.0 TDI (150 pk). Aan het fysieke deel van het uitlaatgasnabehandelingstraject is niets veranderd, het gaat bij de aanpassingen puur om aanpassingen aan de motor en de software met als doel de productie van NOx terug te dringen. Zo is met een krukas met een kortere slag de cilinderinhoud teruggebracht tot iets meer dan 1,6 liter, wat ook een positieve invloed heeft op trillingen en vibraties. Verder is er een turbo gemonteerd met lichter lopende lagers, een kleiner turbinewiel (minder massatraagheid) en een groter compressorwiel (uit aluminium). Dit alles voor sneller oppakken bij plotselinge vollast. Ook de injectoren zijn vervangen en bevatten nu sensoren die aangeven wanneer de injector weer dicht is en er daardoor meer informatie is voor een nauwkeurige injectoraansturing. Tenslotte is de software aangepast, een belangrijk deel van de strategie is er op gericht het uitlaatgasnabehandelingstraject op temperatuur te houden. Het zijn relatief goedkope ingrepen waarmee in eerste instantie geprobeerd wordt om de motor zelf zo min mogelijk schadelijke stoffen te laten produceren zodat ook wanneer de nabehandelingssystemen nog niet op temperatuur zijn er aan de emissie-eisen voldaan kan worden.

In theorie klinkt het allemaal heel logisch. In de praktijk blijkt ook het prima te werken. Op een gevarieerde route rondom het testcomplex van Bosch in het Duitse Boxberg valt er op de rijeigenschappen van de aangepaste Golf niets aan te merken. De motor reageert vlot op het gaspedaal en hoewel we met vier grote mannen aan boord zitten en een PEMS-systeem op de trekhaak hebben, is er altijd meer dan genoeg kracht aanwezig om in het heuvellandschap vlot te versnellen. Een uitdraai van wat het PEMS tijdens de rit heeft geregistreerd laat zien dat we in de bebouwde kom weliswaar de meeste NOx uitstoten, maar dat we uiteindelijk keurig onder de 80 mg/km zijn gebleven, een conversiefactor van 2,1 lijkt hier niet nodig. Hoewel de Bosch-Golf een experimenteel voertuig is, is de techniek al behoorlijk dicht bij de consument. De injectoren met sluitingssensoren worden inmiddels al bij BMW gebruikt, de overige aanpassingen zullen volgens Bosch in de komende periode bij diverse autofabrikanten opduiken.