katalysatoren en uitlaatgasanalyse - Timloto

Uitlaatgasanalyse
E. Gernaat
1 Verbrandingstechniek
Benzine behoort scheikundig gezien tot de groep van koolwaterstoffen. In de
scheikunde wordt koolstof aangeduid met de letter C en waterstof met de letter
H. Nu bestaat benzine uit een mengsel van vele koolwaterstoffen waarvan
oktaan (C8H18) de belangrijkste stof is. Wanneer een stof zich verbindt met
zuurstof (O2) dan ontstaat warmte en men spreekt van verbranding. Tijdens
dit proces worden nieuwe stoffen gevormd, de verbrandingsgassen. Scheikundig
gezien gaat dit als het volgt:
CH + O2 −→ CO2 + H2O
Deze reactievergelijking kan als volgt kan worden uitgelegd:
Wanneer benzine wordt verbrand in de verbrandingskamer van de motor dan
worden de koolwaterstofdeeltjes verbonden met de zuurstofdeeltjes. Dit gaat
gepaard met een grote warmteontwikkeling. Na afloop zijn er nieuwe stoffen
ontstaan nl. kooldioxide en water. Deze stoffen verlaten de motor als verbrandingsgassen.
Helaas is deze ideale situatie in de praktijk niet haalbaar. We werken
niet met zuivere zuurstof maar met lucht. Lucht bestaat ongeveer uit 20
% zuurstof (O2) en 80 % stikstof (N2). Hierbij hebben we gemakshalve kleine
hoeveelheden andere gassen verwaarloosd. De eerder genoemde reactievergelijking
gaat nu over in:
CH + O2 + N2 −→ CO2 + H2O + N2
Er verandert weinig. De stikstof doet niet mee aan de verbranding en verlaat -
weliswaar opgewarmd- de verbrandingskamer. De stikstof zorgt ervoor dat de
verbrandingstemperatuur beperkt blijft tot zo’n 1500 0 C. Deze situatie is correct
wanneer de verbranding zelf ideaal verloopt en de benzine uitsluitend en alleen
uit koolwaterstoffen bestaat. Hoewel het verbrandingsproces de laatste jaren
enorm is verbeterd zijn er altijd nog zuurstofdeeltjes en benzinedeeltjes die
aan de verbranding ontsnappen. Ook is het bijzonder moeilijk om precies de
juiste hoeveelheid benzine en lucht te mengen zodat praktisch de volgende
reactievergelijking ontstaat:
Nieuw zijn:
CH + O2 + N2 −→ CO2 + H2O + N2 en CO + CH + O2 + NOx
1

• CO = koolmonoxide, een onvolledig verbrand gas;
• CH = onverbrande benzinedeeltjes;
• O2 = zuurstofdeeltjes die niet aan de verbranding hebben deelgenomen;
• NOx = een stikstofverbinding die alleen onder hoge verbrandingstemperaturen
ontstaat.
Van al deze gassen wordt als schadelijk ervaren:
• CO2 −→ verantwoordelijk voor het broeikaseffect (opwarmen van de aarde).
Bij grotere concentraties, door belemming van de eigen CO2 afgifte
ook direct gevaarlijk voor mens en dier;
• CO −→ (kolendampvergiftiging) in kleine concentraties dodelijk voor
mens en dier;
• NOx −→ verantwoordelijk voor de zure regen;
• HC −→ kankerverwekkend.
Figuur 1: De samenstelling van het uitlaatgas in volumeprocenten. Het aantal direct schadelijke
stoffen is slechts 1 %.
De laatste jaren is door effectieve(re) verbranding en door toepassing van de
katalysator en EGR de uitstoot van CO, HC en NOx drastisch verminderd. De
verwachting is dat het verminderingsproces tot ongeveer 2020 doorgaat. De
uitstoot van kooldioxide (CO2) zal door de toename van het wagenpark en de
tendens naar grotere motoren vermoedelijk toenemen.
2 Katalysator
De tegenwoordig alom gebruikte driewegkatalysator zet de drie schadelijke
componenten CO, HC en NOx om in drie onschadelijke componenten als CO2,
2

H2O en N2 (fig. 2). Het C02 vraagt om enige toelichting. CO2 gas is een ’natuurlijk’
verbrandingsproduct. Ook de mens ademt CO2 uit. Bomen en planten
zetten het CO2 weer om in zuurstof. Echter een teveel aan CO2 heeft een schadelijke
invloed. Verbrandingstechnisch moet het CO2 gehalte zo hoog mogelijk
zijn. Immers hoe meer CO2 des te minder CO en HC. Het terugdringen van
het CO2 is alleen mogelijk door alternatieve brandstoffen of kleinere en zuiniger
motoren al dan niet in hybride uitvoering en een aangepast rijgedrag.
Uitwendig lijkt de katalysator op een roestvrijstalen demper. Inwendig bevat de
Figuur 2: De katalysator in doorsnede
katalysator een honingraatachtig keramisch lichaam (magnesium aluminium
silikaat) waardoor het uitlaatgas wordt geleid. Op de oppervlakte van dit keramisch
lichaam is een dun laagje edelmetaal (platina en rodium) aangebracht.
Platina bespoedigt het oxidatieproces van CO en HC terwijl rodium zorgt voor
de reductie van NOx. Oxidatie van CO en HC geschiedt door:
Reductie van het NOx geschiedt door:
CO + O2 −→ CO2
HC + O2 −→ CO2 + H2O
NOx + CO−→ N2 + CO2
We zien hieruit dat voor de reductie van NOx, CO aanwezig moet zijn en voor
de oxidatie van CO en HC, zuurstof (O2). Dus:
Om CO te vormen moet het mengsel rijk zijn.
Om O2 te vormen moet het mengsel arm zijn.
Om de katalysator optimaal te laten functioneren moet het mengsel afwisselend
rijk en arm zijn. Fig. 3 laat dit grafisch zien. Het pendelen van arm
naar rijk en omgekeerd, geschiedt door de lambdaregeling van het regelsysteem
(I-regeling). Zie fig. 4. Gebeurt de omzetting van de katalysator volledig
3

Figuur 3: Bij een rijk mengsel ontstaat CO, nodig voor het reductieproces. Bij een arm mengsel
zorgt het overschot aan zuurstof (O2) voor de oxidatie.
Figuur 4: De lambda-regeling is een gesloten regeling en zorgt voor het afwisselend verrijken en
verarmen van het mengsel.
4

dan spreekt men van een omzettingsrendement van 100 %. De temperatuur
van de katalysator alsmede de samenstelling van het mengsel bepalen voor
een groot gedeelte het omzettingsrendement. De omzettingsgraad hangt echter
ook af van de veroudering van de katalysator (fig. 5). Hoewel men er naar
Figuur 5: Het omzettingsrendement van de katalysator t.o.v. de veroudering
streeft om met behulp van de lambdasensor de mengverhouding rondom het
stoïchiometrische te houden zijn er een aantal situaties waarin de geslotenregeling
plaats maakt voor een open-regeling. De samenstelling van het uitlaatgas
zal hierdoor worden beïnvloed. We noemen:
• motor koud (starten, stationair draaien);
• accelereren;
• vollast draaien.
Verder zijn er de subsystemen die een duidelijke invloed hebben op de samenstelling
van het uitlaatgas. We herhalen:
• het EGR-systeem;
• het carterdampafzuigsysteem;
• het secundaire luchtsysteem;
Wanneer er door de invloed van genoemde oorzaken afwijkende mengverhoudingen
ontstaan dan zal de functie van de katalysator drastisch verminderen of
zelfs geheel wegvallen.
5

3 Metingen met de uitlaatgastester
3.0.1 Het meetprincipe van de infrarood-uitlaatgastester
De moderne viergas-uitlaatgastesters kunnen de hoeveelheid CO, HC CO2 en
O2 bepalen. Een vijfgastester meet tevens de hoeveelheid NOx. Ook geven de
meters het lambda-getal als berekende grootheid uit vier gemeten gassen aan.
Voor het meten van CO, HC en CO2 wordt het infrarood meetprincipe toegepast.
Dit meetprincipe maakt gebruik van de eigenschap dat det CO, HC en CO2
gassen infraroodstraling (warmte) absorberen.
3.0.2 O2 en NOx meting
Voor deze metingen worden actieve sensoren gebruikt. Actieve sensoren zetten
de gemeten waarden direct om in een spanning. Actieve sensoren hebben een
beperkte levensduur. De O2 en NOx sensor moeten na een paar jaar worden
vervangen. De zuurstofsensor bestaat meestal uit een poreuze met goud opgedampte
teflon folie, lood elektrodes en accuzuur. Wanneer men op de sensor
een voedingsspanning aansluit van 200 mV dan variëert de stroom tussen de 0
en 100 mA, afhankelijk van het zuurstofgehalte.
3.0.3 De λ-waarde
De op de viergassentester aangegeven lambda-waarde geschiedt niet door meting
maar door berekening (formule van Brettschneider).
3.0.4 Uitlaatgasmetingen met de 4/5 gastester
De uitlaatgasmetingen vinden in de praktijk voornamelijk plaats met onbelaste
motor op bedrijfstemperatuur en na de katalysator. Er wordt gemeten in
(volume) procenten of parts per million (ppm). Relatie: 1 % = 10.000 ppm.
De richtwaarden hebben hier dan ook betrekking op.
De HC-waarde (richtwaarden tussen de 20 -100 ppm)
Hoge HC-waardes worden veroorzaakt door te veel onverbrand mengsel in het
uitlaatgas. De oorzaak hiervan is terug te voeren tot:
• te arm mengsel gevolgd door overslaan;
• te rijk mengsel (onvolledige verbranding);
• olieverbruik;
• defecte onderdelen/afstellingen van het ontstekingssysteem.
De CO-waarde (richtwaarden tussen 0,01 en 1 %)
Te hoge CO-waarden duiden op een onvolledige verbranding. Rijke mengsel
veroorzaken hogere CO-concentraties. Mogelijke oorzaken:
• mengsel te rijk (algemeen);
6

• te laag stationair toerental;
• ontstekingstijdstip verkeerd;
• carterventilatie defect;
• koolfilter afzuiging defect.
De CO2-waarde (richtwaarde ongeveer 16 %)
Veel CO2 ontstaat bij volledige verbranding. In principe: hoe hoger het CO2gehalte,
hoe beter het verbrandingsverloop. Lage CO2- waarden duiden op een
te arm of te rijk mengsel of een lekkage in het uitlaatsysteem.
Het O2-gehalte (richtwaarde 0,2 % - 1,5 %)
Het zuurstofgehalte dient laag te zijn. Bij een niet goed verlopende verbranding
kan het O2-gehalte stijgen. Ook bij lekkages in het uitlaatgedeelte zal het
O2-gehalte oplopen.
Het NOx-gehalte (10 - 40 ppm)
Het meten van NOx wordt bij stationair draaiende motoren niet als zinvol
ervaren. NOx wordt gevormd boven de 1400 0 C verbrandingstemperatuur.
Deze temperaturen treden alleen op bij belaste motoren. Bij een defecte
EGR-klep en belaste motor kunnen de NOx- waarden oplopen tot een paar
1000 ppm. Omstandigheden die leiden tot een te hoge NOx-waarde zijn een:
• slecht werkende EGR-klep;
• te arm mengsel;
• defecte katalysator.
Er gelden de volgende handregels:
• HC is een indicator voor een te rijk maar ook voor een te arm mengsel.
Dit laatste wordt veroorzaakt door verbrandingsuitval;
• CO en O2 zijn ongeveer gelijk bij een lambda = 1;
• CO2 is maximaal voor lambda = 1 en wordt minder bij rijke of armere
mengsels.
3.0.5 Diagnose met behulp van uitlaatgasanalyse
Er kan een storingstabel volgens fig. 6 worden opgesteld. Metingen voor en
na de katalysator kunnen uiterst zinvol zijn omdat dan ook een indruk wordt
verkregen omtrent het omzettingsrendement van de katalysator. Wanneer men
beschikt over een viergastester waarvan de waarden via een PC kunnen worden
opgeslagen en weergegeven dan kan men ook het emissieverloop bekijken.
Fig. 7 geeft een meting weer van een koude start van een Toyota gedurende de
eerste 220 sec. Duidelijk is de invloed van de temperatuur op de emissiehoeveelheid
te zien. Pas na ongeveer 80 sec. zien we een drastische vermindering
van de hoeveelheden. Dit wordt veroorzaakt omdat de motor in de gesloten
regeling gaat draaien. Uitlaatgasmetingen vinden vrijwel altijd plaats op onbelaste
motoren. Een beter inzicht in de uitlaatgassamenstelling wordt verkregen
7

Figuur 6: Storingstabel L= laag; H= hoog; G = gemiddeld
Figuur 7: Het emissieverloop na de koude start geregistreerd door een viergastester
8

wanneer metingen worden verricht op een testbank waarbij de auto kan worden
belast. Fig. 8 geeft een grafiek weer van de uitlaatgassamenstelling waarbij
in eerste instantie ’gereden’ wordt met een snelheid van 100 km/h (tussen de
40 en 100 sec.), vervolgens een aantal malen wordt geaccelereerd en gedecelereerd
(100-140 sec.), terugggekeerd wordt naar een stabiele rijsnelheid van
100 km/h (160-200 sec.) en tot slot het gaspedaal geheel wordt ingetrapt (vanaf
200 sec.). Bij ongeveer 250 sec. wordt de test beëindigd.
Figuur 8: Verloop van de uitlaatgasemissie wanneer de auto op een testbank wordt belast (Toyota).
4 Wettelijke eisen
4.1 Keuringseisen (APK-regeling)
Door de wetgever worden er bepaalde eisen gesteld aan de uitstoot van
verbrandingsgassen. Om hierover een indruk te krijgen volgt een beperkte en
verkorte overdruk uit de APK-Regeling Permanente Eisen.
Artikel 2.3.9
Personenauto’s met een verbrandingsmotor met elektrische ontsteking die in
gebruik zijn genomen na 31 december 1995 moeten voorzien zijn van een
goedwerkend emissie-bestrijdingssysteem dat bestaat uit een katalysator en
lambda-sensor.
9

Artikel 2.3.10
1. De goede werking van het emissiebestrijdingssysteem van de in artikel
2.3.9 bedoelde motorrijtuigen wordt gecontroleerd door meting van de
lambdawaarde en het koolmonoxidegehalte van de uitlaatgassen bij verhoogd
toerental en door meting van het koolmonoxide gehalte bij stationair
draaiende motor.
2. Voor elke meting wordt gecontroleerd of de motor en het emissiebestrijdingssysteem
op bedrijfstemperatuur zijn. Hieraan wordt voldaan indien
de motor gedurende 3 minuten op een toerental van ongeveer 3000
t/min. heeft gedraaid en een proefrit heeft plaatsgevonden of de motortemperatuur
minimaal 80 0 C bedraagt.
3. De uitlaatgassen van de in artikel 2.3.9. bedoelde motorrijtuigen mogen
bij een verhoogd toerental gelegen tussen de 2500 omw/min en 3200
omw/min niet meer dan 0,3 % vol. koolmonoxide bevatten waarbij de
lambdawaarde moet liggen tussen de 0,97 en 1,03.
4. Indien binnen het toerenbereik zoals vermeld in het derde lid de betreffende
waarden niet worden bereikt moet de meting worden herhaald bij
een verhoogd toerental van 2000 t/min. tot 3200 t/min. waarbij de controle
op koolmonoxide en de lambdawaarde bij elke stap van ongeveer
100 omw/min moet worden uitgevoerd totdat de betreffende waarden
zijn bereikt.
5. In afwijking van het bepaalde in het derde en vierde lid mogen voor de
door de Directeur van de Dienst Wegverkeer bekendgemaakte typen motorrijtuigen
of motorrrijtuigen die zijn voorzien van een bepaalde LPGinstallatie
de bijbehorende waarden en condities worden gehanteerd.
6. De uitlaatgassen van de in artikel 2.3.9. bedoelde motorrijtuigen mogen
bij stationair toerental niet meer dan 0,5 % vol koolmonoxide bevatten.
Indien het uitlaatsysteem meer dan één uitmonding heeft beperkt de meting
zich tot één uitmonding.
7. Bij het vaststellen van de lambdawaarde mag het derde cijfer achter de
komma buiten beschouwing worden gelaten. Bij het vaststellen van het
koolmonoxide gehalte mag het tweede cijfer achter de komma buiten
beschouwing worden gelaten.
4.2 Emissie-eisen (uitstoot schadelijke gassen)
Benzine bestaat uit een mengsel van vele koolwaterstoffen. Voor de berekening
wordt meestal uitgegaan van de belangrijkste koolwaterstof in benzine nl. oktaan
(C8H18). Voor de verbranding van 1 kg oktaan is 3,5 kg zuurstof (02) nodig.
Na de verbranding ontstaat 3,1 kg kooldioxide (CO2) en 1,4 kg water (H20).
Benzine weegt 0,72 kg per liter. Per liter verbrande benzine gaat het dus om
10

2,2 kilo C02. In de diverse rijtesten wordt tegenwoordig de C02 uitstoot gegeven
in grammen per km. Bijv. de Skoda Octavia heeft volgens de euro 4 norm
een uitstoot van 173 gram per km. Meer gedetailleerde rijtesten geven ook nog
de uitstoot van HC, CO en NOx deeltjes. Ook hier is de eenheid in grammen
per km. Er zijn vele verschillende soorten rijtesten. In Europa geldt de ECE/EG
testcyclus. Dit is een genormaliseerde (standaard) rit die zowel het stadsverkeer
als de buitenweg simuleert. Het uitlaatgas wordt gedurende deze rit in een zak
opgevangen en geanalyseerd. De beoordeling van de waarden is vastgelegd in
de Euro-normen. Zo kennen we de:
• EUR0 1 (1992);
• EURO 2 (1997);
• EURO 3 (2000);
• EURO 4 (2005);
• EURO 5 (2008).
De tabel van fig. 9 geeft de grenswaarden weer voor de mengselmotoren.
Figuur 9: Grenswaarden voor mengselmotoren volgens de verschillende Euro-normen
4.2.1 Europese wetgeving voor Dieselmotoren voor bedrijfswagens
De Euro 4 is vanaf oktober 2005 voor nieuwe bedrijfswagenmotoren van kracht
en geldt vanaf 2006 ook voor nieuwe bedrijfswagens met oude motorconstructies.
Euro 5 wordt vanaf oktober 2008 van kracht. De tabel van fig. 10 geeft de
eisen. Let op het verschil in eenheden.
Figuur 10: De Euro-normen voor bedrijfswagens
Hier volgt een overzicht van (bekende) ECE-metingen aan voertuigen:
Fiat panda 1,2 CO2 133 g/km
11

Mazda 3 sport 1,6 CO2 172 g/km
NOx 0,013 g/km
HC 0,056 g/km
Mercedes A170 HC 0,052 g/km
NOx 0,01 g/km
CO 0,377 g/km
C02
159 g/km
VW Golf 1,9 TDI HC 0,018 g/km
NOx 0,195 g/km
CO 0,0608 g/km
Partikels 0,027 g/km
Porche 911 HC 0,030 g/km
NOx 0,030 g/km
CO2
277 g/km
Kia Picanto HC 0,020 g/km
NOx 0,010 g/km
CO 0,460 g/km
C02
125 g/km
AUDI A6 TDI HC + NOx 0,245 g/km
CO 0,205 g/km
CO2
223 g/km
Partikel 0,017 g/km
FIAT IDEA JTD HC + NOx 0,366 g/km
CO 0,445 g/km
CO2
135 g/km
Partikel 0,026 g/km
BMW Alpina 3,3 HC 0,050 g/km
NOx 0,030 g/km
CO 0,470 g/km
CO2
238 g/km
BMW 645 Ci 4,4 HC 0,021 g/km
NOx 0,032 g/km
CO 0,690 g/km
CO2
310 g/km
5 Vragen en opgaven
1. Uit welke stoffen zijn de koolwaterstoffen opgebouwd?
2. Tot welke nieuwe stoffen verbranden de koolwaterstoffen?
12

3. Uit de verbranding van koolwaterstof ontstaat ’nieuw’ water? Wat zou
men hiermee bedoelen?
4. Op welke wijze kan men bij de moderne auto’s de CO2 uitstoot beperken?
5. Welke gevolgen zal het autotechnisch hebben wanneer we de verbranding
laten verlopen met behulp van zuivere zuurstof?
6. Hoeveel 0 C bedraagt de verbrandingstemperatuur ongeveer?
7. Geef met behulp van de reactievergelijking aan welke stoffen we in het
uitlaatgas meten.
8. Waarom denkt men dat het CO2 toe zal nemen terwijl de andere stoffen
afnemen?
9. Welke drie gassen zet de katalysator om?
10. Welke twee gassen heeft de katalysator nodig om zijn werk goed te kunnen
doen?
11. Wat is de relatie tussen de katalysator en de lambda-sensor?
12. Hoeveel procent bedraagt het omzettingsrendement van een katalysator
die 100.000 km is gemonteerd?
13. Welke gassen worden d.m.v. het infraroodprincipe gemeten?
14. Welke gassen worden op andere wijze gemeten?
15. Uit hoeveel IR-cellen bestaat een viergastester?
16. Op welk principe berust een IR-meting?
17. Geef de gemiddelde meetwaarden weer van een correct functionerende
motor tijdens stationair draaien voor: CO, CO2, HC, O2 en lambda.
18. Waarom ontstaat ook een teveel aan HC bij een te arm mengsel?
19. Tot hoeveel loopt het CO op wanneer we tijdens 100 km/h gaan accelereren
(fig. 8)?
20. Wanneer CO oploopt daalt het CO2. Verklaar dit met behulp van fig. 8.
21. Geef in het kort de APK-uitlaatgaseisen weer wat betreft de uitstoot van
CO.
22. Wat is het verschil in de eenheden voor het weergeven van grenswaarden
van mengselmotoren en Dieselmotoren van bedrijfswagens?
23. Hoeveel gram CO stoot een gemiddelde personenenwagen (benzine) per
km uit?
24. Het brandstofverbruik van een benzine auto is 15,4 km per liter brandstof.
Hoeveel kg CO2 wordt nu per km uitgestoten?
25. Wat zijn de mogelijkheden om de CO2 uitstoot van voertuigen te verminderen?
13