Sinds september 2009 gelden voor alle nieuwe automo-dellen de uitlaatgasnormen Euro 5. Onderzoekers van de Technische Universität München (TUM) hebben een motor ontwikkeld, die nu al bijna aan de strengere Euro 6-Norm voldoet. Een onderzoeksteam van de Lehrstuhl für Verbrennungs-kraftmaschinen kon de hoeveelheid schadelijke stoffen in de uitlaatgassen tot nauwelijks meetbare waarden reduceren.
Hoewel de zware testmotor met hoge toeren draait, ruikt het in de hal van de leerstoel nauwelijks naar uitlaatgas. De motor is de kern van het onderzoeksproject NEMo oftewel “Niedrigst-Emissions-LKW-Dieselmotor”. Doel van het onderzoek is de motor zodanig te construeren en af te stellen dat de grenswaarden van de Euro-6 norm worden gehaald, zelfs zonder katalysator.
Normen en waarden
De Euro-6 norm, die in 2014 van kracht moet worden, is scherp. Hij schrijft emissiewaarden voor die nog nauwelijks meetbaar zijn. Een dieselmotor mag bijvoorbeeld nog maar 5 mg roetdeeltjes en 80 mg stikstofoxiden per km uitstoten. Dat is nog maar een vijfde deel van het roet en een vierde deel van de stikstofoxiden die toegestaan waren in Euro-4 (tot augustus 2009) en meer dan de helft minder aan stikstofoxiden dan toegestaan in Euro-5.
De reductie van deze waarden is echter lastig, omdat de stikstofoxiden en roetpartikels niet onafhankelijk van elkaar kunnen worden gereduceerd. Lucht is een mengsel van 21 % zuurstof en 78 % stikstof. De zuurstof verbrandt de diesel tot kooldioxide en water. Deze reactie verloopt zeer snel waardoor in de verbrandingskamer hoge temperaturen ontstaan, waarbij de zuurstof ook begint te reageren met de stikstof in de lucht. Er ontstaan stikstofoxiden.
Moderne dieselmotoren voeren daarom een deel van het uitlaatgas, dat ondertussen worden gekoeld, samen met verse lucht weer terug in de verbrandingskamer. In dit mengsel zorgen de kooldioxide en het water in het uitlaatgas dat de verbranding langzamer verloopt en de temperatuur niet zo hoog oploopt. Hierdoor ontstaan minder stikstofoxiden maar tegelijkertijd meer roet, omdat het aandeel zuurstof in een mengsel van uitlaatgas en lucht lager is.
Aanpassingen
De onderzoekers construeerden de motor zodanig, dat deze het uitlaatgas/lucht-mengsel met hoge druk (tot 10 bar) in de verbrandings-kamer perst. Standaard motoren zijn nog niet bestand tegen de helft. Dit mengsel bevat weer voldoende zuurstof om de diesel volledig te verbranden.
Een tweede vinding betreft de verstuiver, waarmee de diesel in de verbrandingskamer wordt gespoten. Deze vernevelt de brandstof in zulke kleine druppels dat deze volledig kunnen verbranden. Bij grotere brandstofdruppels, zoals bij conventionele verstuivers, verbrandt eerst de buitenste laag brandstofmoleculen, zoals bij een ui de buitenste laag wordt geschild. De verbrande gassen die daarbij ontstaan, omhullen de brandstofdruppel en schermen deze af van zuurstof. Met elke volgende laag brandstofmoleculen die in vlammen opgaat, wordt de laag verbrande gassen dichter waardoor uiteindelijk de zuurstof nog nauwelijks met de brandstof kan reageren. Het gevolg: er ontstaat roet.
De verstuiver van de NEMo-Motor verstuift de diesel met een druk van meer dan 3000 bar (normaal tot 2000 bar) maar levert zo een brandstofnevel die goed en praktisch roetvrij verbrandt, maar waarbij wel de temperatuur naar boven schiet. Het nauwkeurig in evenwicht brengen van de drie instellingen (uitlaatgas terugvoeren, laaddruk en verstuiver) is kritisch.
Perspectief
De ingenieurs zijn nog niet tevreden met de Euro-6-Motor. Ze willen vaststellen op welke manier precies roet ontstaat en tijdens welke fracties van seconden in het verbrandingsproces. Simpel een sonde inbouwen in de verbrandingskamer zou het verbrandingsproces hebben verstoord. Ze construeerden daarom een klein buisje, dat razendsnel in het midden van de verbrandingskamer wordt geschoven. Het gasmonster ventiel heeft slechts 1 ms nodig voor een afname en gaat dan weer de verbrandingskamer uit.
Met de sonde kunnen tijdens een verbrandingsproces dertien monsters worden genomen. Dit biedt goede vooruitzichten om de groei van het aantal roetdeeltjes te onderzoeken en nog schonere motoren te ontwikkelen.
