Nabehandelingsystemen voor motoren en optimaliseren van "light-off time"

In de zoektocht naar minder brandstofverbruik lopen de motoren zachter, hebben ze een hogere compressieratio en verbranding aan hogere temperaturen. Het resultaat daarvan is een relatief lage uitstoot van CO en HC, maar een hoge uitstoot van NOx. Om dit effect tegen te gaan, maakt men best gebruik van nabehandelingsystemen, maar koud starten vormt nog steeds een probleem. De hoge uitstoot van NOx kan men op verschillende wijzen verlagen. Om de beste resultaten te bekomen is het testen van het complete voertuig essentieel. OWI-Lab heeft daarvoor aangepaste uitrustingen, ook voor grote voertuigen die niet op de weg komen.


Om het effect van hoge NOx-uitstoot te voorkomen gebruikt men nabehandelingsystemen. De meest gebruikelijke systemen om NOx te verminderen zijn Recirculatie van Uitlaatgas (EGR) en Selectieve Katalysevermindering (SCR). Een dieselstoffilter (DPF) is het meest gebruikt voor HC, CO en speciale omstandigheden.

Recirculatie van Uitlaatgassen (EGR) stuurt een deel van de motoruitlaat terug in de motor om af te koelen en de pieken van verbrandingstemperaturen en druk te verlagen, en bijgevolg aanmaak van NOx te verminderen. EGR wordt gewoonlijk gebruikt door motorfabrikanten als een methode om de uitstoot van elke nieuwe motor te laten beantwoorden aan de controlestandaarden.

Dieselstoffilters (DPF) zijn nabehandelingstoestellen van uitlaat die de uitstoot van voertuigen en machines met dieselbrandstof aanzienlijk verlagen. DPF's gebruiken meestal een poreus keramisch of cordiriet substraat of metalen filter om de stofdeeltjes (PM) fysisch op te vangen en deze uit de uitlaatstroom weg te halen.

Selectieve Katalysereductiesystemen (SCR) spuiten een reductiemiddel, dat ook bekend staat als dieseluitlaatvloeistof (DEF), in de uitlaatstroom waar het een reactie aangaat met een catalysator om de NOx-uitstoot om te zetten naar N2 (stikstofgas) en zuurstof. De katalysereactie vereist bepaalde temperatuurcriteria om de NOx-vermindering tot stand te brengen. SCR-systemen vereisen van tijd tot tijd navulling van de DEF en het systeem zou ervoor moeten zorgen dat de DEF nooit bevriest. SCR-systemen zijn gewoonlijk gebruikt samen met een DOC en/of DPF om de PM-uitstoot te verminderen. Omwille van de nieuw NOx-normen, zijn sedert 2010 de meeste nieuwere dieselmotoren uitgerust met een dergelijk SCR-systeem.

Deze systemen zijn essentieel voor voertuigen om doorheen de testen volgens de reglementering inzake uitstoot te geraken. Deze reglementering wordt steeds strenger en is wereldwijd steeds meer gelijkgesteld. 

Europese emissienorm Euro 6

De Euro 6 (01.2013) voor zware voertuigen is de eerste wetgeving die geharmoniseerde testcycli wereldwijd oplegt.  Deze testen verschillen van de vorige Europese testen voor motorsnelheden en lasten en omvatten bijkomend de koude start en "hot soak" testen. Samen met de emissielimieten die verder verlaagd werden, is het resultaat van deze nieuwe testen wel een verhoogde output van de NOx-uitstoot.

Waar sommige constructoren erin slaagden de vroegere standaard Euronormen te halen met enkel EGR, is dit nu onmogelijk. De focus van de gehele industrie ligt op het SCR-systeem dat gebruik maakt van een mengsel van ureum om de NOx-uitstoot te verminderen. NH3/ureum SCR is een zeer effectieve en wijdverspreide technologie voor het neerhalen van NOx uit dieseluitlaten. Het probleem met NH3/ureum mengsels is dat deze gewoonlijk bevriezen rond -11°C.

Zoals hiervoor aangegeven is de koude start nieuw in de testprocedure. Het verhoogt de NOx-uitstoot met +/- 10% in vergelijking met de oude testcyclus. Dit is te wijten aan het feit dat de katalyseomzetters eerst op temperatuur moeten komen vooraleer effectief te werken.

Deze zogenaamde "light-off time" kan men op verschillende manieren verminderen:

  • Elektrisch opwarmen van het systeem

Een voorbeeld is de Emitec’s E-cat die in productie genomen werd zo'n 10 jaar geleden en succesrijk was in de 12 cilinder motoren van de BMW 7 reeks. De E-cat vermindert aanzienlijk de koude starttijden zodat die vervuilende stoffen in het uitlaatgas sneller verdwenen zijn. Verwarmde metalen katalysatoren zijn verkrijgbaar voor 1 tot 3 KW vermogen. Dit laat de temperatuur van de katalysator toenemen met een cruciale 20 tot 30°C (of zelfs tot 100°C in personenwagens). In SCR-systemen is de AdBlue ureumoplossing ingespoten op de warme E-cat om de verstuiving of verdamping ervan te verbeteren.

De E-cat kan de CO2 neutrale energie van de alternator, die vrijkomt bij het afremmen, omzetten naar bruikbare warmte. Verwarmde katalysatoren zijn bijzonder nuttig in wagens met start/stop-systemen, omdat deze de katalysator verhinderen van af te koelen en dus afzien van de noodzaak van verwarmen tijdens de stilstandfazen. In voertuigen met recuperatiesystemen van remenergie hebben E-cats geen effect op het brandstofverbruik, waarmee de kosten van dit type "actieve" katalysator vrij redelijk blijven.

De keerzijde van de medaille van deze systemen is dat het stroomverbruik voor deze systemen extra brandstofverbruik met zich meebrengt. Het systeem moet dan ook uiterst efficiënt zijn.

  • Optimaliseren van de vorm en de positie van de componenten

Het is bijvoorbeeld mogelijk om NH3/ureumdoseersystemen te beschermen tegen beschadiging door vorstuitzetting, ofwel door de ureumoplossing af te laten of door een vorstvrij model te kiezen. Dit model kan gestuurd worden met thermische simulaties.

Moderne motoren worden steeds efficiënter. Dit betekent dat er meer energie omgezet is naar mechanisch vermogen en minder warmte door het uitlaatsysteem in de omgeving terechtkomt. Dit maakt alle vorige punten nog meer cruciaal wat betreft light-off time.

Voordelen van testen van het totale systeem

Praktijksituaties vertonen al te vaak een gedrag dat afwijkt van het verwachte gedrag. Het testen van het systeem kan gebeuren in kleine geklimatiseerde kamers om zo de goedkeuring te krijgen van thermische simulaties en erkenning van het model.

Het testen van het complete voertuig is de beste manier om data te verzamelen over de algemene milieugeschiktheid en operationele duurzaamheid van een voertuig.

Een volledig voertuig testen, in tegenstelling tot enkel bepaalde onderdelen, is bijzonder nuttig. Mogelijke problemen van interferentie van verschillende subsystemen komen zo aan het licht. Het is mogelijk om subsystemen afkomstig van verschillende leveranciers samen te evalueren. Mogelijke montagefouten of andere moeilijkheden zijn opgemerkt nog voor de eigenlijke productie begint. 

Het testen van het complete voertuig – zelfs grote voertuigen die niet voor de weg bestemd zijn – is mogelijk in grote klimaatkamers bij gecontroleerde condities waardoor het tevens mogelijk is het systeem te kalibreren. Dit maakt dat het hele voertuig in de vergelijking opgenomen is. De invloed van componenten in de directe nabijheid kan men meten. De testen kunnen herhaald worden en zijn stuurbaar. Ook is het mogelijk milieueffecten te testen. Geen enkele "real live" situatietest kan evenveel nuttige informatie en inzicht in het systeem tot stand brengen.

De OWI-Lab geklimatiseerde testkamer kan een volume bevatten tot 593 m³. Het laaddok heeft een laadvermogen van 45 meterton per m². Extreme temperaturen kunnen opgewekt worden van +60°C tot -60°C. De kamer kan gaan van +60°C tot -40°C in één uur tijd. De kamer is een ruimte voor het testen van voorwerpen tot 10,6 x 7 x 8 m en kan uitrustingen aan met een gewicht tot 300 meterton.