Uitlaatgasanalyse. E. Gernaat, ISBN Verbrandingstechniek

Transcriptie

1 Uitlaatgasanalyse E. Gernaat, ISBN 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 (C 8 H 18 ) de belangrijkste stof is. Wanneer een stof zich verbindt met zuurstof (O 2 ) 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 + O H 2 O 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 (O 2 ) en 80 % stikstof (N 2 ). Hierbij hebben we gemakshalve kleine hoeveelheden andere gassen verwaarloosd. De eerder genoemde reactievergelijking gaat nu over in: CH + O 2 + N H 2 O + N 2 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 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 + O 2 + N H 2 O + N 2 en + CH + O 2 + 1

2 = koolmonoxide, een onvolledig verbrand gas; CH = onverbrande benzinedeeltjes; O 2 = zuurstofdeeltjes die niet aan de verbranding hebben deelgenomen; = een stikstofverbinding die alleen onder hoge verbrandingstemperaturen ontstaat. Van al deze gassen wordt als schadelijk ervaren: 2 verantwoordelijk voor het broeikaseffect (opwarmen van de aarde). Bij grotere concentraties, door belemming van de eigen 2 afgifte ook direct gevaarlijk voor mens en dier; (kolendampvergiftiging) in kleine concentraties dodelijk voor mens en dier; 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, HC en drastisch verminderd. De verwachting is dat het verminderingsproces tot ongeveer 2020 doorgaat. De uitstoot van kooldioxide ( 2 ) 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, HC en om in drie onschadelijke componenten als 2, 2

3 H 2 O en N 2 (fig. 2). Het C0 2 vraagt om enige toelichting. 2 gas is een natuurlijk verbrandingsproduct. Ook de mens ademt 2 uit. Bomen en planten zetten het 2 weer om in zuurstof. Echter een teveel aan 2 heeft een schadelijke invloed. Verbrandingstechnisch moet het 2 gehalte zo hoog mogelijk zijn. Immers hoe meer 2 des te minder en HC. Het terugdringen van het 2 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 en HC terwijl rodium zorgt voor de reductie van. Oxidatie van en HC geschiedt door: Reductie van het geschiedt door: + O 2 2 HC + O H 2 O + N We zien hieruit dat voor de reductie van, aanwezig moet zijn en voor de oxidatie van en HC, zuurstof (O 2 ). Dus: Om te vormen moet het mengsel rijk zijn. Om O 2 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

4 Figuur 3: Bij een rijk mengsel ontstaat, nodig voor het reductieproces. Bij een arm mengsel zorgt het overschot aan zuurstof (O 2) voor de oxidatie. Figuur 4: De lambda-regeling is een gesloten regeling en zorgt voor het afwisselend verrijken en verarmen van het mengsel. 4

5 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

6 3 Metingen met de uitlaatgastester Het meetprincipe van de infrarood-uitlaatgastester De moderne viergas-uitlaatgastesters kunnen de hoeveelheid, HC 2 en O 2 bepalen. Een vijfgastester meet tevens de hoeveelheid. Ook geven de meters het lambda-getal als berekende grootheid uit vier gemeten gassen aan. Voor het meten van, HC en 2 wordt het infrarood meetprincipe toegepast. Dit meetprincipe maakt gebruik van de eigenschap dat det, HC en 2 gassen infraroodstraling (warmte) absorberen O 2 en 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 O 2 en 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 De λ-waarde De op de viergassentester aangegeven lambda-waarde geschiedt niet door meting maar door berekening (formule van Brettschneider) 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 % = ppm. De richtwaarden hebben hier dan ook betrekking op. De HC-waarde (richtwaarden tussen de 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 -waarde (richtwaarden tussen 0,01 en 1 %) Te hoge -waarden duiden op een onvolledige verbranding. Rijke mengsel veroorzaken hogere -concentraties. Mogelijke oorzaken: mengsel te rijk (algemeen); 6

7 te laag stationair toerental; ontstekingstijdstip verkeerd; carterventilatie defect; koolfilter afzuiging defect. De 2 -waarde (richtwaarde ongeveer 16 %) Veel 2 ontstaat bij volledige verbranding. In principe: hoe hoger het 2 - gehalte, hoe beter het verbrandingsverloop. Lage 2 - waarden duiden op een te arm of te rijk mengsel of een lekkage in het uitlaatsysteem. Het O 2 -gehalte (richtwaarde 0,2 % - 1,5 %) Het zuurstofgehalte dient laag te zijn. Bij een niet goed verlopende verbranding kan het O 2 -gehalte stijgen. Ook bij lekkages in het uitlaatgedeelte zal het O 2 -gehalte oplopen. Het -gehalte (10-40 ppm) Het meten van wordt bij stationair draaiende motoren niet als zinvol ervaren. wordt gevormd boven de C verbrandingstemperatuur. Deze temperaturen treden alleen op bij belaste motoren. Bij een defecte EGR-klep en belaste motor kunnen de - waarden oplopen tot een paar 1000 ppm. Omstandigheden die leiden tot een te hoge -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; en O 2 zijn ongeveer gelijk bij een lambda = 1; 2 is maximaal voor lambda = 1 en wordt minder bij rijke of armere mengsels 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

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

9 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 ( sec.), terugggekeerd wordt naar een stabiele rijsnelheid van 100 km/h ( 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 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

10 Artikel De goede werking van het emissiebestrijdingssysteem van de in artikel 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 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, 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 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 (C 8 H 18 ). Voor de verbranding van 1 kg oktaan is 3,5 kg zuurstof (0 2 ) nodig. Na de verbranding ontstaat 3,1 kg kooldioxide ( 2 ) en 1,4 kg water (H 2 0). Benzine weegt 0,72 kg per liter. Per liter verbrande benzine gaat het dus om 10

11 2,2 kilo C0 2. In de diverse rijtesten wordt tegenwoordig de C0 2 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, en 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 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, g/km 11

12 Mazda 3 sport 1, g/km 0,013 g/km HC 0,056 g/km Mercedes A170 HC 0,052 g/km 0,01 g/km 0,377 g/km C g/km VW Golf 1,9 TDI HC 0,018 g/km 0,195 g/km 0,0608 g/km Partikels 0,027 g/km Porche 911 HC 0,030 g/km 0,030 g/km g/km Kia Picanto HC 0,020 g/km 0,010 g/km 0,460 g/km C g/km AUDI A6 TDI HC + 0,245 g/km 0,205 g/km g/km Partikel 0,017 g/km FIAT IDEA JTD HC + 0,366 g/km 0,445 g/km g/km Partikel 0,026 g/km BMW Alpina 3,3 HC 0,050 g/km 0,030 g/km 0,470 g/km g/km BMW 645 Ci 4,4 HC 0,021 g/km 0,032 g/km 0,690 g/km g/km 5 Vragen en opgaven Zie boek 12