Wat is stikstofoxide en wat doe je ertegen?

Door de turbodruk op te voeren en de compressieverhouding te verhogen kun je als motorconstructeur zowel het vermogen als het rendement van een verbrandingsmotor opschroeven. Hoe hoog je de druk kunt opvoeren, wordt bij benzinemotoren bepaald door de pingelgrens; je moet net zien te voorkomen dat het mengsel spontaan begint te branden.

Bij dieselmotoren heb je geen last van pingelen, de dieselolie begint vrijwel direct te branden op het moment dat je de brandstof in de samengeperste (en dus hete) lucht inspuit. De bovengrens tot waar je druk met behulp van de compressieverhouding en de turbo kunt opvoeren, wordt mede bepaald door wat het materiaal qua piektemperatuur nog aankan.

Al met al kan de druk in een dieselmotor dus hoger zijn dan in een benzinemotor (en dus ook de compressieverhouding en/of de turbodruk). Hierdoor is ook het rendement van een dieselmotor hoger. Wanneer het rendement hoger is, is het verbruik lager en dus ook de CO2-uitstoot. Want de brandstofmoleculen (koolwaterstoffen, CxHy) reageren in een verbrandingsmotor met de zuurstof (O2) uit de lucht tot water (H2O) en kooldioxide (CO2).

CO2

Ideaal dus die dieselmotor, als het om rendement en CO2-uitstoot gaat. CO2 kennen we als broeikasgas en door strijdende groepen wetenschappers wordt getwist of het wel of niet bijdraagt aan een versnelde opwarming van de aarde. Maar goed, dat is een discussie die we hier even laten voor wat het is. CO2 is in elk geval niet giftig, we produceren het zelf ook als we uitademen en we kennen het als de koolzuurbubbels in frisdrank en bier; dat zijn gewoon CO2-belletjes.

Maarrr … 'there ain't no such thing as a free lunch'. De temperatuur is in een dieselmotor tijdens de verbranding veel hoger dan in een benzinemotor. En juist bij die hoge piektemperaturen bindt de onschuldige stikstof (N2) uit de lucht zich aan de eveneens uit de lucht afkomstige zuurstof (O2) tot stikstofoxiden (NOx).

Stikstofoxiden is een verzamelnaam voor stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2). Deze stoffen zijn allebei schadelijk voor de gezondheid en dragen bij aan onder andere de verzuring van regenwater en aan de afbraak van de ozonlaag. En dat willen we niet. Die NOx-uitstoot is dus een typisch dieselprobleem (al heeft een enkele direct ingespoten benzinemotor er soms ook last van, maar in zeer beperkte mate).

Met de huidige Euro 6-norm mag een auto met dieselmotor bij ons nog maar 80 milligram per kilometer uitstoten, een benzineauto 60 mg. Da's van een heel ander orde dan wat er aan CO2 uit de uitlaat mag komen. Gemiddeld mogen de auto's die een fabrikant in Europa verkoopt maximaal 130 gram CO2 per kilometer uitstoten.

Fluitend binnen de norm

Waar auto's met een benzinemotor fluitend binnen de NOx-norm blijven, is dat voor diesels een stuk lastiger. Vandaar dat de limiet voor diesels ook iets hoger is dan voor benzineauto's. Maar onmogelijk is het niet voor diesels om aan de eisen te voldoen, het gaat alleen wel ten koste van de prestaties en het verbruik.

Om de piektemperaturen te temperen, wordt bijvoorbeeld een deel van het uitlaatgas terug in de motor gevoerd, dit noemen we EGR (Exhaust Gas Recirculation). Dit zorgt dat de motor minder zuurstof en stikstof binnen krijgt (een diesel werkt normaal met een luchtovermaat) én het uitlaatgas is inert (het reageert niet meer mee in het verbrandingsproces) terwijl het wel een massa is die verbrandingswarmte op kan nemen zodat de temperatuur in de verbrandingsruimte niet te hoog oploopt.

Dit heeft een temperende invloed op de NOx-productie. Volkswagen bouwt verschillende varianten van EGR: gekoelde hoge druk EGR zonder lage druk EGR, gekoelde lage druk EGR zonder hoge druk EGR en gekoelde lage druk EGR met ongekoelde hoge druk EGR. Welke variant wordt gebruikt, hangt af van de lokale eisen op de markt waar de auto verkocht wordt. Maar goed, welke vorm van EGR er ook gebruikt wordt, een lagere temperatuur heeft een negatieve invloed op het rendement en de prestaties.

Achteraf NOx terugdringen

Daarnaast zijn er ook mogelijkheden om achteraf - in het uitlaatkanaal - de NOx-concentratie terug te dringen. Stikstofoxiden kunnen tijdelijk worden opgeslagen in een katalysator. Wanneer de NOx-sensor in de uitlaat merkt dat de katalysator verzadigd is, wordt er tijdelijk extra brandstof ingespoten. Hierdoor ontstaat er koolmonoxide (CO). Deze CO reageert met de opgeslagen NOx tot de onschadelijke N2 en CO2. Het kost dus iets extra brandstof.

Aanvankelijk gebruikt Volkswagen deze opslagkat, ook wel Gen1 genoemd. Later is het merk overgegaan naar een SCR-systeem, Gen2. Bij een SCR-systeem (Selective Catalytic Reduction, die heel selectief alleen de NOx aanpakt) wordt met behulp van een in het uitlaatkanaal ingespoten ammoniakoplossing (NH3) NOx omgezet in N2 en water (H2O).

Die ammoniakoplossing kennen we als AdBlue. Voor vrachtwagens zien we bij tankstations speciale AdBlue-pompen, bij personenauto's wordt het reservoir bij onderhoudsbeurten bijgevuld (dat zou genoeg moeten zijn). Dat één en ander om een nauwkeurige kalibratie vraagt, moge voor zich spreken.

Simpel gezegd gaat de NOx-uitstoot omhoog wanneer je de CO2-uitstoot wilt terugdringen, en omgekeerd. Dat is de spagaat waar de auto-industrie mee moet worstelen. Voor een groot deel is dit constructief bepaald, maar met behulp van de elektronica kun je het bijsturen. En dat is waar Volkswagen een nu een stap te ver in is gegaan.

In AutoWeek 40, die vanaf 30 september in de winkel ligt, lees je alle achtergrondverhalen over Dieselgate. Geen abonnee of geen zin om naar de winkel te lopen? Bestel het nummer dan online via autoweek.nl/bestel.