Emissies. 1 de brandstoffen van de motor Er bestaan twee brandstoffen voor de motor : benzine en diesel

Emissies In dit hoofdstuk bespreek ik de uitlaatgassen bij personenwagens. Eerst en vooral zal ik het hebben voor wat brandstoffen dienen. Om vervolgens te zeggen waaruit uitlaatgas bestaat en hoe je die uitlaatgassen kunt verminderen.

1 de brandstoffen van de motor Er bestaan twee brandstoffen voor de motor : benzine en diesel. 1.1. benzine Benzine is een brandstof voor een auto. Het is vervaardigd uit ruwe olie. De vervaardiging van ruwe olie naar benzine kun je indelen in drie delen - Eerst en vooral worden de afzonderlijke componenten gescheiden van elkaar, onder meer de koolwaterstoffen. Dit wordt gerealiseerd door destillatie. - Als men dan de verschillende componenten heeft, gaat men de verkregen koolwaterstoffen omgezet in andere koolwaterstoffen d.m.v. toevoeging van kraakcomponenten. - In de laatste fase worden de ongewenste componenten verwijderd van de rest. Onder ongewenste componenten verstaan we onder meer zwavel. Vroeger reden de wagens op loodhoudende benzine. Maar dit is tegenwoordig het geval niet meer. Omdat deze loodverbindingen de katalysatoren gaan beschadigen. Daarom heeft men de zogenaamde “loodvervangers” aan de benzine toegevoegd. Onder de loodvervangers verstaan we ethanol, methanol, tetra-methyl-lood en tetra-ethytl-lood. De twee laatste stoffen worden gebruikt als antiklopmiddel en de twee alcoholen ( ethanol en methanol) worden gebruikt om het octaangetal te verhogen. Octaangetal Het octaangetal heeft de klopvastheid weer van benzine. En dit gebeurt op basis van twee getallen: - RON ( research – octaangetal) - MON ( motor-octaan getal) RON-getal: Dit getal geeft de klopeigenschappen weer bij hoge toerentallen. Dit getal moet steeds groter zijn dan 98.0 dit is voor superbenzine en voor gewone benzine ligt dit getal veel lager. namelijk 91,0 MON-getal: Dit getal heeft de eigenschappen weer bij lage toerentallen. Dus tijdens het accelereren. Dit getal moet steeds lager zijn dan 88.0 bij superbenzine en lager zijn dan 82.7 bij gewone benzine.

1 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer

1.2. diesel Diesel bestaat uit grotendeels uit koolwaterstoffen die bij een temperatuur van ongeveer 180°C tot 360°C gaan verdampen. Diesel is een eindproduct van ruwe olie. Het verkrijgen van diesel uit ruwe olie gebeurt in verschillende destillatiestappen. Die destillatie mag niet zomaar gebeuren, want er zijn internationale normen waaraan diesel moet voldoen. En de olieraffinaderijen voegen ook steeds vaker kraakcomponenten toe. Deze kraakcomponenten worden geproduceerd uit zware olie. Deze kraakcomponenten gaan in de diesel de grote moleculen gaan omzetten in kleine moleculen bij hoge druk en hoge temperatuur. Maar deze kraakcomponenten kunnen vaak een negatieve invloed hebben. Ze verlagen ondermeer het cetaangetal. Cetaangetal Dit getal heeft betrekking met de ontstekingskwaliteit. Wat doet ontstekingskwaliteit hier? Een dieselmoter werkt toch met zelfontsteking ( zie werking dieselmotor)?. Dit getal slaat op hoe snel diesel zelf gaat onsteken door de druk en de temperatuur in de verbrandingsruimte. Het cetaangetal loopt van de waarde 0 naar 100. Als je diesel hebt met een cetaangetal van 100 heb je een vlugge zelfontsteking. En als je een cetaangetal hebt met 0 dan is dat een trage zelfontsteking. Internationaal is vastgelegd dat diesel steeds een cetaangetal moet hebben van boven de 45. Maar voor het beter functioneren van de dieselmotor maak je beter gebruik van diesel met een cetaangetal van boven de 50. Zoals eerder vermeld, hebben de kraakcomponenten een negatieve invloed op het cetaangetal. Want in de kraakcomponenten zijn er aromaten aanwezig. En deze aromaten gaan het cetaangetal van diesel verlagen. Met gevolg dus dat de ontstekingskwaliteit verslechtert. winterdiesel We weten dat het in de winter kan vriezen. En als de temperatuur lager is dan 0°C dan gaat er in de diesel paraffine afgescheiden worden. Doordoor gaan er grote kristallen gevormd worden. En deze kristallen zullen niet meer door de filterporiën kunnen van de brandstoffilter. Waardoor de toevoer van brandstof aan de motor verdwijnt. Om dit tegen te gaan zal men vloeibaarheidverbeteraars gaan toevoegen. Deze verbeteraars gaan niet voorkomen dat er paraffine wordt afgescheiden, maar ze gaan wel de vorming van kristallen tegen gaan. Zodat de brandstof nog door de poriën kan gaan van de brandstoffilter. Door de verbeteraars wordt dus een vlotte doorgang van de brandstof gewaarborgd tot een temperatuur van –15°C. Als nog kouder is (niet België, maar bijvoorbeeld in Rusland) gaat men bepaalde additieven gaan toeven zodat er een vlotte doorgang is verzekert tot –25°C. Of je kunt het ook oplossen door er petroleum aan toe te voegen. Of je kunt de brandstoffilters gaan verwarmen. Als je de brandstoffilters verwamt, gaat de temperatuur van de diesel stijgen. Daardoor gaat er minder paraffine afgescheid worden. En zo worden er minder kristallen gevormd en wordt de doorgang van diesel minder belemmerd. Meer uitleg over de brandstoffilters zie je in het hoofdstuk over filters.


2 Het ontstaan van de uitlaatgascomponenten 2.1 verbranding van brandstoffen Hoe kunt de verschillende uitlaatgascomponenten ontstaan? De verschillende uitlaatgascomponenten ontstaan door de verbranding van brandstof. De personenvoertuigen die momenteel op de markt zijn, zijn voertuigen met een verbrandingsmotor (dieselwagens) en een mengelmotor (benzinewagens). In deze motoren worden de chemische energie die in de brandstof aanwezig is omgezet in warmte energie. En deze warmte-energie gaat ervoor zorgen dat de temperatuur stijgt en ook de gasdruk stijgt. En deze temperatuurstijging en drukstijging gaat ervoor zorgen dat de krukas draait (mechanische energie). Om dit te begrijpen, hoe het dus komt dat de krukas ronddraait moet je de werking van een dieselen benzinemotor begrijpen 2.1.1 benzinemotor Een andere benaming voor een benzinemotor is ook wel de viertakt-motor. Zoals je uit de naam kunt afleiden bestaat de werking van deze motor uit vier stappen. de inlaat De eerste stap/fase in de cyclus is de inlaat Tijdens deze fase is de uitlaatklep is gesloten en langs de inlaatklep wordt er dan een mengsel van benzine en lucht aangezogen. Dit gebeurt omdat de zuiger beweegt van haar hoogste punt naar haar laagste punt hierdoor creëer je een onderdruk en dit zorgt er voor dat het mengsel wordt aangezogen want de druk in de leidingen van aanvoer van lucht/benzine is de atmosferische druk. Er wordt dus voortdurend mengsel aangezogen tot de zuiger haar laagste punt heeft bereikt. Op dat moment wordt zowel de inlaatklep als de uitlaatklep gesloten. En heeft de krukas een halve toer gedraaid de compressie De tweede fase is de compressie De fase gebeurt wanneer zowel de inlaatklep als de uitlaatklep gesloten zijn. Zodat er geen mengsel weg kan wanneer de zuiger naar boven beweegt en het mengsel samenperst. Hierdoor gaat zowel de druk als de temperatuur stijgen. De zuiger gaat niet meer volledig naar boven kunnen gaan. Er gaat een ruimte overblijven dat wordt de verbrandingsruimte of compressieruimte genoemd.

de arbeidsslag De derde fase is de arbeidsslag, het is ook de enige fase waar er mechanische energie wordt geleverd/ gemaakt. Tijdens de drie andere fase moet deze zelf toevoegen (via de krukas).Vandaar dat we een veelvoud van vier zuigers achter elkaar gaan plaatsen. Vandaar ook de twaalf /zestien klepper. Dit aantal is altijd een veelvoud van vier. Zoals je zou kunnen denken is de volgorde dat de zuiger gaat opvolgen heel belangrijk, je kunt niet zomaar een combinatie nemen. De meest gebruikte combinatie is 1-4-3-2. Op het moment dat de zuiger op zijn hoogste punt staat zorgt een bougie ervoor dat er een elektrische vonk ontstaat. Deze vonk zorgt ervoor dat gaat mengel gaat verbranden, hierdoor gaat de druk heel snel gaan toenemen waardoor de zuiger heel snel naar beneden beweegt. Tot opnieuw de zuiger haar laagste punt heeft bereikt. Op dat moment wordt de uitlaatklep geopend. Ondertussen heeft de krukas weer een halve toer gedraaid.


de uitlaat De vierde en ook de laatste fase in de cyclus van de benzinemotor is de uitlaat. Als de uitlaatklep open is, gaat de zuiger opnieuw naar boven en gaan de verbrandingstoffen afgevoerd worden door de uitlaatklep. Dit gebeurt tot wanner de zuiger zich weer bovenaan bevindt. Dan wordt de uitlaatklep weer gesloten en de inlaatklep geopend en kan de cyclus weer opnieuw beginnen.

2.1.2de dieselmotor De werking van een dieselmotor verloopt gelijkaardig zoals een benzinemotor maar met dit verschil dat er tijdens de inlaat enkel lucht wordt aangezogen. En dan op het einde van de compressieslag wordt er diesel (de brandstof) ingespoten. Doordat de druk zo hoog is opgelopen zal de diesel zelf ontbranden (er komt dus geen vonk bij kijken). De rest van de cyclus verloopt gelijkaardig zoals de benzinemotor. 2.2 waaruit bestaan uitlaatgassen? Nu we weten hoe uitlaatgassen ontstaan en waarvoor ze dienen zullen we het hebben over waaruit de uitlaatgassen bestaan. De concentraties en de soorten uitlaatgascomponenten gaan verschillen naargelang de brandstof waarop de motor werkt. Eerst bespreek ik de uitlaatgascomponenten die zowel dieselmotoren als benzinemotoren voorkomen. Het mengsel van de benzinemotor en de dieselmotor bestaat uit de brandstof en lucht. Hoewel de diesel en benzine een verschillende samenstelling hebben, bezitten ze allebei koolstof (C) en waterstof (H) zoals eerder vermeld. Vandaar dat we zeggen dat de brandstof van een auto bestaat uit koolwaterstof - verbindingen. Tijdens het verbranden worden deze koolwaterstoffenverbindingen gesplitst in koolstof en waterstof. Beide stoffen gaan zich gaan verbinden met de zuurstof afkomstig uit de aangezogen lucht. Lucht bestaat uit ongeveer 21 % zuurstof en 79 % stikstof. Wanneer de juiste hoeveelheid brandstof aan de lucht wordt toegevoerd als er nodig is voor de oxidatie met de zuurstof. Dit wordt de ideale verbranding genoemd (hierdoor ontstaat er enkel kooldioxide en water,deze twee stoffen zijn “niet schadelijk” voor de menselijke gezondheid, de woorden niet schadelijk staan hier tussen aanhalingstekens omdat een verhoging van CO2 het broeikaseffect versterkt, maar hier ga ik later op in). In normale omstandigheden gebeurt er geen ideale verbranding en worden er wel schadelijke uitlaatgassen gevormd. (deze concentratie van uitlaatgassen worden voortdurend geregeld door de lamba regeling en katalysatoren bij benzinemotoren .(zie verder))


Deze schadelijke uitlaatgassen zijn koolstofmonoxide (CO), de niet-verbrande koolwaterstoffen (HC) en de stikstofoxide (NOX). Hieronder ziet u de reactievergelijkingen hoe deze schadelijke uitlaatgassen ontstaan. Deze reactievergelijking is de volledig reactie die in de zuiger van een motor ontstaat. HC (brandstof) + O2 + N2

CO2

+ H2O + CO + HC + NOx + O2

Koolstofmonoxide ontstaat door de oxidatie van koolstof. De reactievergelijking ziet er dan als volgt uit. Je weet dat oxidatie gebeurt door de reactie met zuurstof. C + O2 CO Stikstofoxide ontstaat door de oxidatie van stikstof: N2 + O2

NOx

En derde schadelijke uitlaatgas is de onverbrande koolwaterstoffen. Dit is eigelijk gelijk aan brandstof (want brandstof bestaat uit koolwaterstoffen) Bij een dieselmotor zijn er maar 0.30 % schadelijke stoffen aanwezig in de uitlaatgassen. Bij de benzinemotor is dat 1% Bij een dieselmotor zijn de waarden van HC en de CO-emissie al lager dan bij benzinemotoren die gebruik maken van een katalysator.

Diesel Je ziet als je kijkt naar de samenstelling van diesel en benzine dat er bij diesel roetdeeltjes zijn en bij benzine niet. En vandaar dus ook dat enkel bij dieselwagens een roetfilter wordt gebruikt.

Benzine Je ziet uit de diagrammen ( bij een benzine motor) dat CO het grootste stuk inneemt inzake giftige uitlaatgassen. Daarom gaat men gaan proberen om met katalysatoren en lamabaregeling deze waarden onder het wettelijk toegelaten te houden.


2.3 eigenschappen van de bestanddelen van het uitlaatgas koolstofmonoxide (CO) Deze stof ontstaat doordat er te weinig zuurstof aanwezig is in het mengsel ( mengsel van lucht en benzine) voor de volledige oxidatie van koolstof tot koolstofdioxide. Koolstofmonoxide is een gevaarlijk gas omdat het een reukloos gas is. En ook omdat het al in kleine hoeveelheden op ons lichaam inwerkt. De koolstofmonoxide gaat zich binden met de rode bloedlichaampjes, met gevolg dat we minder zuurstof gaan kunnen opnemen. Want de rode bloedlichaampjes hebben de functie om de zuurstof in ons lichaam te vervoeren. Als je minder zuurstof kunt opnemen, kun je in zuurstofgebrek krijgen en in het slechtste geval stik je (dit fenomeen hoor vaak in de winter wanneer een kachel geen perfecte verbranding heeft, stikken bewoners van het huis). Daarom krijgt koolstofmonoxide de belangrijkste aandacht bij het controleren van de uitlaatgassen. En het door het mengsel lucht-brandstof ook de belangrijkste schadelijk uitlaatgas (dit zie je in de grafiek van de bestandsdelen van uitlaatgas). De concentratie van koolstofmonoxide is het grootst in de cilinder van de motor. Wanneer de koolstofmonoxide in de atmosfeer terechtkomt zal tot verder gaan oxideren tot kooldioxide (CO2) koolwaterstoffen (CH) Net als bij koolstofmonoxide gaat een luchtgebrek zorgen voor een onvolledig verbranding. Dit zorgt dus op zijn beurt voor een toename van de emissie van onverbrande HC. In het uitlaatgas gaat men nooit koolwaterstoffen op zich vinden maar gaan met uiteenlopende koolwaterstofverbindingen waarnemen. Je hebt een drietal soorten: de aromatische koolwaterstoffen Deze koolwaterstoffen ruiken heel sterk en ze worden ook aanzien als gedeeltelijk kankerverwekkend de onverzadigde koolwaterstoffen Deze onverzadigde koolwaterstoffen gaan in combinatie met het zonlicht (de zonnestralen) en de stikstofoxiden (die bevinden zich ook in de uitlaatgas van een wagen) smog gaan veroorzaken. Deze smog kan je vaak gaan opmerken boven grote steden. Smog lijkt op mist, het is alsof de stad bedekt met een gordijn van mist. Een andere kenmerk van de onverzadigde koolwaterstoffen is dat het reukloos is. En ook dat het een verslavende werking is en het irriteert ook de slijmvliezen. Hoge concentraties van koolwaterstoffen hebben dus een slecht invloed op ons menselijk lichaam en ze worden ook in verband gebracht met het afsterven van bossen stikstofoxide (NOx) Zoals we al weten gaat tijdens de compressie zowel de temperatuur en druk sterk gaan toenemen. Dit ervoor zorgen dat stikstof (het grootste bestanddeel van lucht) gaat oxideren tot stikstofoxide, stikstofdioxide en dikstikstofoxide. Stikstofoxide is net als koolstofmonoxide een reukloos gas. Wanneer het in de atmosfeer terecht gaat het verder gaan oxideren tot stikstofdioxide. En deze stikstofdioxide is een roodbruin gas die een sterke geur bezit. Deze geur gaat onze longen gaan prikkelen en het weefsel van de longen wordt beschadigd. Daarom wordt NO2 beschouwd als een sterk bloedgif.


koolstofdioxide (CO2) Op het eerste gezicht zou je denken dat deze stof niet schadelijk is voor milieu. Want wij ademen ook CO2 uit. Maar de concentratie aan CO2 die wij uitademen veel beperkter dan de concentratie die wordt uitgestoten door de wagens. Door de hoge concentraties van CO2 wordt het verschijnsel ‘broeikaseffect’ versterkt. Het broeikaseffect: zoals je weet zendt de zon zonnestralen, niet stralen die door de zon worden uitgestuurd bereiken de aarde, want het grootste deel wordt geabsorbeerd (opgenomen) door de aarde. Maar ongeveer 49 % van alle zonestralen bereiken de aarde. De stralingen worden opgenomen door de aarde en worden omgezet tot infraroodstralen (ook wel warmtestralingen genaamd). Deze infraroodstralingen worden door de aarde terug uitgezonden. Maar deze worden door de broeikasgassen (NH4 en CO2)) tegengehouden en teruggekaatst naar de aarde. Zodat de temperatuur op de aarde stijgt. Als je nu bedenkt dat door het verkeer in de wereld de concentratie van CO2 stijgt. Zullen er meer infraroodstralen worden tegen gehouden en gaat de temperatuur op de aarde gaan toenemen (het versterkte broeikaseffect). Ook gaat CO2 de ozonlaag gaan afbreken, deze ozonlaag beschermt ons tegen de gevaarlijke UV-stralen. Deze stralingen kunnen huidkanker gaan veroorzaken. Dus kun je besluiten het CO2 een niet zo ongevaarlijk gas is. zuurstof (O2) Zuurstof is een volkomen ongevaarlijk gas. Omdat wij , mensen , het nodig hebben om te kunnen overleven. zwaveldioxide (SO2) Omdat de brandstoffen (zowel diesel als benzine) zwavel bevatten, diesel bevat wel meer zwavel dan benzine, maar het zwavelgehalte van diesel moet wettelijk lager liggen dan 0.2 %. Die zwavel die in de cilinder verbrandt gaat reageren tot zwaveldioxide (SO2). En wanneer dit gas in de atmosfeer terecht komt en vermengt met regen (H2O) gaat er zure regen gaan ontstaan. De reactie van het ontstaan van zure regen: SO2 + H2O SO3 SO3 is een zwak zuur, vandaar de benaming zure regen. Deze zure regen gaat gebouwen gaan beschadigen , gaat de grond gaan verzuren . Met als gevolg dat de akkergrond verzuurd is en dat de landbouwer kalk (calciumoxide) op zijn grond moeten strooien om de grond opnieuw te gaan neutraliseren Bij zwavel gaat naast SO2-emissie ook sulfaten ontstaan. Deze sulfaten spelen een belangrijke rol bij de partikel-emissie (dit wordt nader bestudeerd bij de uitlaatgassen van dieselmotoren) loodverbindingen Deze loodverbindingen bevinden zich enkel in benzine. Deze loodverbindingen zijn nefast voor het lichaam omdat ze vergiftigd werken op bloed-, beenmerg- en zenuwcellen. Vandaar ook dat nu loodvrije benzine bestaat. En deze loodvrije benzine is belangrijk voor de goede werking van de katalysatoren, die de uitlaatgassen gaat verminderen bij een benzine wagen. rook/rookdeeltjes/roet. Roetdeeltjes vindt je enkel maar terug bij het verbranden van diesel. Omdat diesel overwegend bestaat uit koolstofatomen. Uit medische testen is gebleken dat deze roetdeeltjes (die overwegend bestaan uit koolstofatomen ) kankerverwekkend zijn. De vaste andere bestanddelen (rookdeeltjes) die men terug vindt in rook zijn : zwavel, as, en slijtagedeeltjes.


2.4 Hoe veranderen de concentraties van schadelijke uitlaatgascomponenten als de verhouding benzine – lucht verandert. Als je grafiek bestudeert zie je dat er het minst uitlaatgassen worden gevormd als je een mengsel hebt die bestaat uit even evenveel benzine als lucht. Daarom gaat men met behulp van de lambasonde zorgen dat je altijd een stechometrische (evenwichtig) mengsel hebt. Nu ga ik uitleggen hoe de concentraties van de verschillende uitlaatgascomponenten gaat veranderen als je de verhouding van het mengsel zou veranderen. Koolstofmonoxide CO: Zoals eerder vermeld zal er koolstofmonoxide ontstaan wanneer er te weinig zuurstof in je mengsel aanwezig. Vandaar dat de COemissie een hoge waarde gaat bereiken bij een rijk mengsel (weinig lucht weinig zuurstof) en als je nu een mengsel zou maken met minder brandstof. Zal er minder koolstofmonoxide gevormd worden omdat er meer zuurstof voor handen is. En zo dus dat er meer koolstoffen (aanwezig in de benzine) gaat oxideren tot koolstofdioxide ( CO2). Andere reden voor een lagere waarde van de CO-emissie is dat je minder koolstoffen hebt, omdat je minder benzine hebt. Met gevolg dat er al minder zuurstof moet aanwezig zijn voor de oxidatie van de koolstoffen. Een andere reden is ook dat een deel van de koolstofmonoxide gaat verbranden tot koolstofdioxide. Dus verdwijnt er een deel van de CO-concentratie. Als je eenmaal een evenwichtige mengsel bereikt hebt zal de concentratie van de CO-emissie gelijk blijven aan een constante. Dit komt omdat je bij een arm mengsel weinig benzine hebt Weinig koolstoffen. Dus zullen bijna alle koolstoffen gaan verbranden tot CO2. Zuurstof: Het verloop van de karakteristieklijn van zuurstof is eenvoudig te verklaren. Bij een rijk mengsel is er weinig zuurstof aanwezig in je mengsel van brandstof-lucht. Vandaar dat de concentratie laag is, hoe meer zuurstof je toevoegt bij het mengsel, hoe armer je mengsel wordt. Maar de concentratie van O2 zal sterk gaan toenemen. Deze toename gebeurt na een luchtovermaat van 1 lineair. Stikstofoxiden: Zoals ik al eerder heb aangehaald ontstaat stikstofoxiden door de verbranding van stikstofoxiden. Dus als we een rijk mengsel hebben, dan hebben we weinig lucht in ons mengsel. Dus hebben we weinig stikstof (aanwezig in de lucht) , alsook zuurstof. Dus zie je dat er weinig stikstof verbrand zal kunnen worden. Dus kan er maar weinig stikstof verbranden, waardoor er weinig stikstofoxiden kunnen ontstaan. Maar je moet ook met een ander fenomeen rekening houden. En


dat fenomeen is dat je minder zuurstof hebt dan stikstof. Want lucht bestaat uit 79% stikstof en maar 21 %. Dus omdat je maar weinig zuurstof hebt, zal er weinig stikstof verbranden. En dus weinig stikstofoxiden ontstaan. Als we nu een armer mengsel hebben zal er meer stikstof en meer zuurstof ( maar er zal toch minder zuurstof aanwezig zijn dan stikstof, om de aangehaalde reden). Dus zal er al meer stikstof verbranden, waardoor dus de concentratie aan stikstofoxiden stijgt. Maar je ziet dus als je een mengsel hebt, die bestaat uit meer lucht dan brandstof zal je nog meer zuurstof en stikstof hebben. Dus zou je verwachten dat de concentratie van stikstofoxiden zou stijgen. Maar er zit nog een addertje onder het gras. Want ik in het voorgaande niet gesproken van de omgekeerde reactie en is : als je dan weer zuurstof toevoegt aan de stikstofoxiden zal de oxiden verbranden tot stikstof. Koolstofoxide : Zoals ik eerder vermeld heb, ontstaat koolstofdioxide door koolstofmonoxide te gaan verbranden. Hoe meer koolstofmonoxide je hebt hoe meer er kan verbranden tot koolstofdioxide. Voor deze verbranding heb je natuurlijk zuurstof nodig. Dus wanneer je een mengsel hebt die bestaat uit veel meer brandstof dan lucht. Dan heb je weinig zuurstof voor de verbranding en er is ook maar een kleine concentratie aan koolstofmonoxide die moeten verbraden worden. Als steeds meer lucht wordt toegevoegd zal de concentratie aan koolstofmonoxide sterk gaan toenemen (verklaring vind hierboven, bij koolstofmonoxide). Maar de concentratie van koolstofdioxide is veel groter dan die van zuurstof. Die kleine hoeveelheid zuurstof verbrandt een deel van de koolstofmonoxide. Vandaar dat de concentratie van CO2 groter si dan die van CO. We zijn ook dat de concentratie van CO2 een maximum bereikt bij een evenwichtig mengsel (evenveel lucht als benzine) Als we een mengsel gaan inspuiten in de motor die meer lucht bevat, dan stikstof. Dan zal er al minder CO ontstaan ( minder koolstoffen) en zal er dus ook minder CO2 kunnen ontstaan door de verbranding van CO. Dus bekom je een dalende karakteristiek ( bij een luchtovermaatfactor groter dan 1). Omdat we op het laatste een constante waarde hadden van de concentratie van CO. Zal deze CO verbrandt worden tot CO2. Hoe meer we naar rechts gaan in de grafiek zie je dat de concentratie van koolstofdioxide verder daalt. Want je hebt steeds meer zuurstof in je mengsel, waardoor er nog meer CO gaat kunnen verbranden tot CO2. Dus je kunt besluiten dat de concentratie van CO en CO2. Elkaar gaan beïnvloeden. Bedrijfsomstandigheden: Nu zal ik de componenten snelheid, toerental gaan verhogen. En kijken hoe de concentraties veranderen. En ik ga ook eens de motor belasten en dan kijken hoe de concentraties veranderen. Het toerental: Als de motor draait op een hoger toerental, worden er meer cycli doorlopen per seconde. Hoe meer cycli doorlopen worden hoe meer verbrandingen er gaan optreden. En hoe meer verbrandingen er op treden, hoe meer schadelijke uitlaatgassen geproduceerd worden. De motorbelasting: Als de motorbelasting toeneemt zal de temperatuur in de verbrandingsruimte en die van de uitlaatgassen gaan toenemen. Door een hogere temperatuur van de uitlaatgassen zal de emissies van CO, CO2 en HC gaan verminderen. HC vermindert omdat je meer vermogen van je wagen vraagt en deze vermogenstijging kan enkel gerealiseerd worden door een rijk mengsel in te spuiten ( grafiek). En als een rijk mengsel inspuit, heb je meer chemische energie die je mechanischeenergie kunt omzetten. En deze stijging van mechanische-energie kan dan de krukas weer laten draaien. En je neemt nu aan dat je rijker mengsel inspuit , dan zou je denken dat er meer HC-


emissie ontstaat. Maar je moet rekening houden met de temperatuur in de verbrandingsruimte. Want als deze temperatuur stijgt, gaat de verbranding vlugger verlopen en meer HC verbranden. En zo daalt dus de HC-emissie. En bij de daling van CO ligt de hoger verbrandingstemperatuur ook aan de basis ervan. Maar hoe komt het nu dat de concentratie aan CO2 afneemt. De concentratie van CO is verminderd. Dus zal er minder CO kunnen verbraden tot CO2. En zo ligt de waarde van CO2 lager. Maar zal de emissie van NOx gaan toenemen omdat de temperatuur toeneemt waardoor er meer stikstof kan verbrand worden tot NOx. De snelheid: Er als je sneller rijdt zal meer vermogen van je wagen vragen. Daardoor zal het brandstofverbruik hoger gaan liggen. En als meer brandstof verbrandt, stijgt ook de concentraties van de uitlaatgassen.


2.5 de wetgeving omtrent de uitlaatemissies van auto.

Tabel met de toegelaten concentraties aan uitlaatemissies diesel schadelijke stoffen chemisch symbool CO HC NOx HC + NOx CO2 HC-verlies

volledige naam koolstofmonoxide koolwaterstof stikstofoxiden

eenheid g/km g/km g/km

koolstofdioxide g/km koolwaterstof-verliesg/test roet

tijdens de eerste 3 acceleraties (Fast pass waarde) de derde acceleraties ( Fast fail waarde) goedkeuring EOBD verouderingstest verminderingsfactor test bij lage temperaturen

1/m 1/m 1/m

benzine

0,5 1 / 0,1 0,25 0,08 0,3 / zie gegevens boekje fabrikant 2 2 nat. aanzuiging drukvulling <2 <2,5 > 4,5 >5 uitleg onder de tabel ja ja 100.000 km/5 jaar 100.000 km/5 jaar A/B A/B ja ja

/

De roetmeting bij dieselvoertuigen werd ingevoerd in 1999 en alle wagens die gebruik genomen zijn sinds 1980 moeten gecontroleerd worden op de uitstoot van roet. In de tabel hierboven had ik het over de goedkeuring


3 de werking van CO-meetapparaat Hieronder ga ik gaan uitleggen hoe men de concentratie aan CO (koolstofmonoxide) in de uitlaat van auto gaat gaan opmeten. 3.1 de meetmethode van een CO-meetapparaat Om de concentratie van CO ,die aanwezig is in de uitlaatgassen van wagen, te meten,. Gaat men gebruik maken van de infrarood-methode. Deze methode berust op het principe dat uitlaatgasbestanddelen (zoals hier CO, maar dat kunnen ook andere uitlaatgascomponenten zijn) infraroodstralingen gaan absorberen. Natuurlijk gaat die CO niet elke willekeurig straling gaan absorberen. Maar enkel die straling die een heel bepaalde golflengte heeft voor CO. Door een verschillende constructie van de meetkamer kunnen we het meetbereik van het opgemeten uitlaatgasbestanddeel veranderen. Door de uitvoering en de golflengte van de infraroodstraling te gaan veranderen kunnen we ook meerdere/ andere uitlaatgasbestanddelen gaan opmeten. Zoals HC of CO2 3.2 De meetcel Nu ga ik verder met de werking van de meetcel, die berust op het principe dat CO een infraroodstraling absorbeert met een bepaalde golflengte, te gaan uitleggen. Die meetcel is een kleine component van het stroomschema van het CO-meetapparaat. Werking: Een stralingsbron(5) die een temperatuur bereikt van ongeveer 700°C zendt infraroodstraling (warmtestraling) uit. Deze infraroodstralingen gaan door de meetkamer (3) naar de opvangruimte(1) waar een gas is opgesloten met welbepaalde concentratie aan CO (of een ander uitlaatgascomponent). En dat gas zal op zijn beurt een deel van die uitgestraalde infraroodstralingen gaan absorberen Waardoor het gas een temperatuursstijging ondervindt. Omdat het volume V2 constant blijft kunnen we de gaswet van Gay-Lussac gaan toepassen: (P2/T2) = constante waarde Doordat T2 stijgt zal de druk in het volume 2 ook gaan moeten stijgen. Doordat het volume 2 in verbinding staat met het volume 1, zal de overdruk van volume 2 naar volume 1 gaan. Op figuur zie je ook dat er een schijf aanwezig is, deze schijf is voorzien van gleuven (4). Deze plaat wordt ook wel de chopper genaamd en ze wordt rondgedraaid door een elektrische motor. Door deze chopper ga je een pulserende infraroodstraling krijgen. En waardoor je ook een pulserende stroming krijgt van de compensatieruimte V1 naar de compensatieruimte V2. Tussen de twee compensatieruimtes is er ook een stromingsvoeler (2) voorzien. Deze stromingsvoeler, die bestaat uit 2 nikkeldraden, gaat de pulserende stroming gaan omzetten in een pulserende elektrisch wisselsignaal. Aan de linkerkant van de meetcel zijn er ook twee openingen voorzien. Langs deze twee openingen kun je lucht, met een bepaalde CO –concentratie , door de meetkamer gaan sturen. In het voorgaande ging ik ervan uit dat er in die meetkamer gewone lucht (geen CO aanwezig) bevond. Als je nu dus lucht met een bepaalde CO-concentratie door stuurt zal er meer of minder stralingsenergie in de opvangruimte geabsorbeerd worden. Met gevolg de stroming tussen de twee


compensatieruimtes gaat afnemen /toenemen. En ook zal de pulserende wisselstroomsignaal gaan toenemen of gaan afnemen. m.a.w. de verandering van de pulserende wisselstroomsignaal is een maat voor de verandering van de aanwezige CO-concentratie in de doorgestuurde lucht. Dot zover de werking van de meetcel van CO-meetapparaat. 1.5.3 het stroomschema van een CO-testapparaat De meetcel die hierboven is uitgelegd is maar een klein deeltje van het stroomschema van een CO-testapparaat. Dit stroomschema zal ik nu uitleggen: Je weet dus dat de uitlaatgas de auto verlaat via de uitlaatpijp. Als men de CO-concentratie wil opmeten van de uitlaatgassen. Gaat men de uitlaatgassen uit de uitlaatpijp moet gaan aftappen met een sonde (1). Je kan een gas gaan aanzuigen door een onderdruk. Deze druk wordt gecreëerd door een membraanpomp(6). Als het gas eenmaal is aangezogen kan het via een grof filter (2) naar een waterscheider gaan (3). In deze waterscheider wordt het aangezogen condensatiewater en grove delen afgescheid van de rest. Voordat het naar een fijnere zeef gaat (4). In deze zeef wordt het gas ontdaan van de fijnere deeltjes. Voor de membraanpomp zie je een magneetklep (5). Deze magneetklep heeft de functie om de ingang van de meetcel automatisch over te schakelen van lucht (nulpuntafstelling , die waarde wordt automatisch ingesteld door een microprocessor). Als we dan lucht met een bepaalde CO-concentratie aanzuigen zal deze net voor de meetcel door twee veiligheidsfilters gestuurd worden, deze hebben de functie om, als er nog vaste stukken in de lucht zou zitten er uit te halen om dat er geen grove deeltjes in de meetkamer van de meetcel mag gaan. Ook tegen het binnendringen van water in de meetcel (als de externe waterscheider niet voldoende heeft gewerkt) is de meetcel voldoende beschermd door de smoring in de kamer (10). Deze smoring zorgt voor druktoename in de veiligheidskamer (8) en zorgt daarmee voor een parallelstroming aan de meetcel. Als er nog water zou aanwezig zijn zou dat water, omdat het zo zwaar is t.o.z. van het gas, naar beneden vallen in de kamer. En via deze kamer wordt het water afgevoerd naar buiten. Het onderdeel dat ik moet uitleggen is de drukschakelaar (7). Deze schakelaar zorgt ervoor dat er altijd voldoende gas wordt aangezogen. De smoring in de kamer zorgt voor een druktoename bij de afvoer van de pomp. En daardoor wordt de schakelaar ingeschakeld. Als er op een bepaald moment geen gas. Heb je ook geen druk meer, waardoor de schakelaar de pomp uitschakelt en dat er een storingsignaal optreedt.

Dit is het stroomschema van het CO-meetapparaat waarvan hierboven de werking werd uitgelegd.


1.5.4 de werkwijze van het CO-testapparaat Het CO-meetapparaat maakt gebruik van een microprocessor hierdoor de beïnvloeding van de omgeving van en gebruiker op het meetresultaat verwaarloost. En door het gebruiken maken van een microprocessor werkt het apparaat eigenlijk volledig automatisch. Wanneer je het apparaat hebt ingeschakeld gebeurt er een zelfdiagnose, dit wordt de ‘wachttijd genoemd’. Na een wachttijd ongeveer 3 seconden, wordt automatisch gedurende 10 seconden lucht aangezogen. Met de bedoeling om de gaskanalen door te spoelen, zodat er geen gas van de vorige meting in de gaskanalen is. Na deze tijd 10 seconden. Is het apparaat gebruiksklaar. De meting kan beginnen De meting wordt gestart door op de pompschakelaar te drukken. Tijdens de 10 eerst volgende seconden voor er omgevingslucht aangezogen. Met de bedoeling om een nulpunt in te stellen. Dit nulpunt wordt vervolgens door de microprocessor opgeslagen. Pas dan gaat via de magneetklep de meetcircuit aangeschakeld worden. Mogelijke fouten door de temperatuur, barometerstand en frequentie van lichtnet worden door de microprocessor gecorrigeerd. Dan worden alle gemeten waarden gecontroleerd met de grenswaarden die je hebt geprogrammeerd vergeleken. Als er ontoelaatbare meetresultaten worden aangegeven wordt de meting onmiddellijk gestopt.


4. het verminderen van de uitlaatgassen 4.1 het verminderen van de uitlaatgassen bij benzinemotoren Er zijn heel wat zaken die vermindering van uitlaatgassen tot doel hebben. Men kan ze opsplitsen in twee grote groepen: de motorinterne maatregelingen (deze maatregelingen gebeuren in de motor zelf of gebeurt in de omgeving van de motor.) de motorexterne maatregelingen (deze maatregelingen gebeuren buiten de motor) 4.1.1 motorinterne maatregelen: Zoals ik al eerder heb aangehaald speelt de ontsteking een belangrijke rol bij de concentratie van de uitlaatgascomponenten. Als we nu de ontsteking van de motor kunnen verbeteren, gaan er minder uitlaatgassen gevormd worden. Nu som ik enkele zaken op, die je aan de ontsteking en aan de inspuiting kan doen, die de vermindering van uitlaatgassen tot gevolg heeft. En ook de zaken die je kan doen bij de constructie van de motor. 4.1.1.1 elektronisch inspuitsysteem en elektronische geregelde carburateursystemen. Met elektronische gestuurde inspuitsysteem of carburator kan men nauwkeurig de verhouding van lucht-brandstof maken. En dit onder alle omstandigheden. Als de verhouding van lucht-brandstof nauwkeuriger is afgesteld gaat er ook minder uitlaatgassen gevormd. Een andere functie van de elektronische inspuiten is wanneer je het gas loslaat zal de benzinetoevoer stoppen. En deze functie heeft dus de voordelen dat het benzineverbruik daalt en dat er ook minder uitlaatgassen gevormd worden. 4.1.1.2 een elektronisch ontstekingssysteem Met dit elektronisch ontstekingssysteem kan de hoek bepalen van de ontsteking. Bij een bepaald moment zorgt die bepaalde ontstekingshoek voor een betere verbranding ( bij deze verbranding worden de NOx en de HC gereduceerd, verminderd) . En op een andere moment is dat een andere hoek. En met dit systeem kun je dus voortdurend de ontstekingshoek veranderen. En zal je voortdurend een beter verbranding verkrijgen. 4.1.1.3 een optimale verbrandingskamervorm Een derde motorinterne maatregel die kan doen om de vorming van de uitlaatgassen te verminderen. De vorming van HC-emissie afhangt van de spleten en de grenslagen in de buurt van de wanden. Als je dus de motor verziet met een kleine verbrandingsruimte en met een kleine oppervlakte zal de HC-emissie veel lager liggen. Want in een kleine verbrandingruimte met een kleine oppervlakte zal er meer turbulenties optreden. Doordoor zal de verbranding sneller gaan verlopen en mag je de compressieverhouding ( dit is de verhouding van de verbrandingsruimte in de cilinder tot het totale volume van de cilinder) groter nemen. Als de compressieverhouding toeneemt zal ook het thermisch rendement gaan toenemen. Doordat je thermisch rendement toeneemt zal je minder mengsel moet inspuiten om dezelfde verdraaiing van de krukas te verkrijgen. Doordat je minder mengsel moet inspuiten zal je de auto minder brandstof gebruiken en zal er minder uitlaatgassen gevormd worden. Je kunt de vorming van de uitlaatgassen niet alleen verminderen met interne maatregelingen. Daarom maak men ook gebruik van motorexterne maatregelingen.


4.1.2 motorexterne maatregelingen 4.1.2.1 katalytische reiniging Bij katalytische reiniging gaat men gebruiken van een katalysator al of niet met een lambasonde om de uitlaatgassen te verminderen. De katalysator ook wel de katalytische reactor genaamd heeft de functie om de chemische reactie te versnellen zonder er deel ervan uit te maken. Met andere woorden dat de verschillende elementen van de schadelijke stoffen zich sneller gaat binden met elkaar met de bedoeling dat er minder schadelijke stoffen gevormd wordt. Zo in het bijzonder wordt CO verbrand en NOx gaat in N en O ontleed worden. Hiermee gaat de omzettingsgraad mee gepaard. De omzettingsgraad is een maat waarin de schadelijke stoffen in onschadelijke stoffen worden omgezet. De omzettingsgraad is 100% als alle schadelijke uitlaatgassen omgezet worden naar onschadelijke stoffen de verschillende katalysatorsystemen Er bestaan drie soorten katalysatorsystemen 1 ) de oxidatiekatalysator (de een-traps oxydatiekatalysator genaamd) Voor verbranding heb je zuurstof nodig. Bij arme mengsel heb je genoeg zuurstof om de verbranding te laten doorgaan. Maar bij rijke mengsels is dat niet het geval. Daarom gaat men zuurstof (lucht) gaan inspuiten. Deze lucht wordt ook wel de secundaire lucht genaamd, en ze wordt geleverd door een pomp. Deze pomp kan aangedreven worden door de motor van de auto of door zelfaanzuigende kleppen. En deze zuurstof zal via de verbranding de koolwaterstoffen en de koolstofmonoxide gaan omzetten naar waterdamp en koolstofdioxide. Een nadeel van de oxidatiekatalysator is dat hij geen stikstofoxiden gaat reduceren.

de twee- traps oxidatiekatalysator Doordat de motoren altijd zuiniger en zuiniger werden afgesteld moesten ook de NOx worden omgezet (reductie). Zo moesten er twee reactoren achter elkaar geplaatst worden . Een voor het omzetten van CO en HC en één voor het omzetten van NOx Vandaar komt de naam twee-traps oxidatiekatalysator. Deze NOx wordt omgezet in zuurstof en stikstof. Dit is dus de omgekeerde reactie als bij het ontstaan van stikstofoxiden. En de koolstofmonoxide die ontstaat door de verbranding van de koolstoffen, die aanwezig zijn in de brandstof, wordt verbrand tot CO2. De reactie ziet er dus als volgt uit. CO + O2 CO2 Zoals ik al eerder heb aangehaald is dit gas niet giftig, schadelijk voor de mens, maar het is wel schadelijk voor het milieu. (broeikaseffect).


En de koolwaterstoffen ( brandstof van een auto, bestaat uit koolwaterstoffen) worden verbrand (toevoeging van zuurstof). Bij deze verbranding treden ook wel weer schadelijke uitlaatgassen op. Maar dit is maar in beperkte mate. Dus zullen ze het milieu weinig gaan vervuilen. Dus mag je deze vervuiling gaan verwaarlozen ten opzichte van vervuiling van HC die je vermindert hebt. Op de schematische voorstelling zie je dat er eerst er een reductiekatalysator wordt geplaatst en daar achter een oxidatiekatalysator. Om dat we bij dit systeem moeten gebruiken van een rijk mengsel is dit systeem het meest ongunstige voor je brandstofverbruik (een hoog brandstofverbruik). De reden waarom we een rijk mengsel Een tweede nadeel van deze katalysator is dat er bij de reductie van NOx , NH3 wordt gevormd. Dit gebeurt bij een luchttekort ( dus bij een rijk mengsel) En als je dan weer lucht toevoert na de katalysator wordt er opnieuw NOx gevormd. NH3 + O2

NOx

Vandaar dat dit systeem het slechtste systeem is. En het wordt ook bijna niet gebruikt.

de ééntraps-driewegkatalysator Dit katalytorsysteem is in combinatie met de lamba-regeling het meeste efficiënte systeem voor het verminderen van uitlaatgassen bij benzinewagens ( het kan de schadelijke, giftige uitlaatgassen verminderen tot 90 %). Deze efficiënte omzetting van uitlaatgassen naar onschadelijke gassen is nodig om te voldoen aan de strenge maatregelen die er zijn in zake uitlaatgassen. Tot tegenstelling tot twee andere kan deze katalysator de alle drie schadelijke uitlaatgassen (CO, HC, NOx)(vandaar de naam drieweg). Een voorwaarde om dit katalysator te gebruiken is dat je een evenwichtige lucht-benzine mengsel hebt die je inspuit en ook de uitlaatgassen moeten een evenwichtige mengsel van lucht en benzine bevatten. Om dit evenwichtige mengsel te bekomen gaat men gebruik maken van de lamba-sonde, deze sonde gaat proberen ervoor te zorgen dat de luchtovermaat gelijk is aan 1 (evenveel lucht als brandstof). Vandaar dat deze katalysator gebruikt wordt in combinatie met de lamba-sonde.


Lamba regeling: Zoals ik hierboven hier boven al vermeld heb kan de drie-wegkatalysator tot 90 % van de schadelijke, giftige uitlaatgassen omzetten in de niet meer giftige stoffen (CO2 , N2, H2O). Om dit te kunnen moet je een mengsel hebben met een luchtovermaatfactor hebben van 1 (evenveel benzine als lucht). Met de moderne inspuitsystemen kan men nooit die constante waarde van 1 halen en daarom gaat men gebruik maken van de lamba-sonde. De lamba-sonde kan niet gebruiken onder welke omstandigheden. Je kan een lamba-sonde enkel maar gebruiken wanneer de luchtovermaatfactor niet te ver afwijkt van 1. De lambasonde word zo in de uitlaat geplaatst dat alle uitlaatgassen dor de sonde moet gaan. Meer bepaald tussen te motor en katalysator. Werking van de lambasonde: De werking van de sonde steunt op het principe van een galvanische zuurstofconcentratie meter. De sonde bestaat uit een gesloten keramische buis van zirconiumdioxyde. Deze stof heeft de eigenschap dat bij een bepaalde temperatuur zuurstofionen doorlaat ( dit zal pas hoe goed gaan vanaf een temperatuur van 350 °C). Zuurstof ionen zijn elektrisch geladen zuurstofatomen. Als de holle keramische buis wordt verwarmd , omdat het keramiek waaruit de buis bestaat maar de zuurstofionen goed doorlaat bij 350°C, zal er een spanningsverschil ontstaan als het zuurstofpercentage aan de buitenkant verschilt dan het zuurstofpercentage aan de buitenkant. Want als er aan de buitenkant meer lucht aanwezig is , zijn er dus ook meer zuurstofionen en buitenkant. En die overtollige ionen zullen naar de binnenkant door het keramisch materiaal heen. Als er zuurstofionen door het materiaal heen gaat , wordt er een spanning opgewekt Deze spanning is een maat voor de verhouding van de lucht-brandstof. Als je een spanning bekomt van rond de 450mV à 500 mV dan heb je een evenwichtige mengsel. Als de spanningswaarde verschilt van deze waarde ga je meer of minder benzine moeten gaan inspuiten. Er zijn ook aan de binnen-en buitenkant twee platinaplaatjes voorzien. Deze twee platinaplaatjes dienen als twee aansluitdraden, elektroden. Het platinaplaatje aan de buitenkant dient als katalysator. En deze katalysator gaat de binnentredende uitlaatgassen gaan filteren tot een onschadelijk mengsel. En om de sonde te beschermen tegen vaste deeltjes van de uitlaatgassen en het plaatje er aan de buitenkant van de sonde is gemaakt van een poreuze keramische stof. Deze plaat is gericht naar de uitlaatgassen toe en gaat de deeltjes gaan opnemen en zo de sonde beschermen. Dit is eigenlijk het principe van de actieve lambasonde (er wordt een spanningsverandering opgewekt), je hebt ook de passieve lambasonde, in plaats dat er een elektrische spanning wordt opgewekt zal ertussen de aanrakingsvlakken een weerstand ontstaan. En deze weerstand is opnieuw een waarde voor de verhouding van het zuurstofgehalte aan de binnen – en buitenkant.


Zoals ik al eerder vermeld heb ga je maar vanaf een temperatuur van 350 °C een duidelijk spanningsverschil verkrijgen. Dus zul je een lange opwarmtijd hebben voordat je lambasonde haar werking kan doen. Om dit probleem op te lossen gaan men de sonde gaan voorzien van een verwarmingselement. Dat verwarmingselement heeft natuurlijk een weerstand, als de temperatuur stijgt zal de weerstand stijgen en zul je maar een kleine elektrische stroom hebben. Want hier kun je de wet van Ohm toepassen (U = I x R , als R stijgt zal de I dalen als de spanning gelijk blijft) En als de sonde koud is heb je natuurlijk een grote elektrische stroom. Een ander voordeel van de sonde met een verwarmingselement (ook wel de verwarmende lambasonde genoemd) is dat onder alle rijnomstandigheden de sonde goed werkt, zodat een betere regeling hebt van het luchtbrandstof mengsel. En met het verwarmingselement bekom je ook een meer constante temperatuur en uit tests is gebleken dat een sonde die voortdurend aan constante waarde werkt een veel langere levensduur heeft dan de gewone lambasonde (zonder verwarmingselement). En zo heb maar een opwarmtijd meer van ongeveer 20-25 sec. Nu gaan we ervan uit dat je een bepaalde spanning hebt. Wat gaat er nu moeten gebeuren. Als een waarde bekomt van meer dan 500 mV. Zal dat willen zeggen dat we een te rijk mengsel ( te veel brandstof) hebben, dus gaat de verstuiver minder brandstof moeten inspuiten. En als we een spanning bekomen die minders is dan 450mV dan hebben we een te arm mengsel ( te weinig

Algemeen kun je dus gaan besluiten dat de lamba-sonde niet anders doet dan ervoor te zorgen dat je een evenwichtige mengsel bekomt. Omdat een voorwaarde was om een drieweg-katalysator te mogen gebruiken. Dus wordt een drieweg-katalysator gebruikt in combinatie met een lambasonde. Op nevenstaande figuur zie je mooi hoe de lamba-sonde werkt. De schadelijke uitlaatgassen komen van bovenaan. Als de concentratie aan zuurstof verschilt dan aan de binnenzijde van de lambasonde. Gaat er dus een spanning worden opgewekt. En door deze spanning gaat dus meer of minder rijk mengsel worden ingespoten.


De constructie van de katalysator: Nu ik de drie verschillende katalysatorsystemen heb uitgelegd, ga ik nu zeggen waaruit een katalysator bestaat: De katalysator bestaat uit drie zaken: een actieve katalytische laag een element een plaatstalen behuizing De elementen kunnen we indelen drie soorten: - element met los materiaal keramisch monoliet metallieke monoliet element met los materiaal Element met los materiaal wordt vooral in de VS en Japan gebruikt. Ook daar wordt het minder en minder gebruikt. Op de Europese markt wordt nagenoeg niet gebruikt. Het element bestaat uit bolletjes keramisch monoliet Dit monoliet is het meeste gebruikte element bij katalysatoren. Dit element vervangt steeds meer het element met los materiaal, die vooral gebruikt wordt in VS en Japan . Keramische monoliet bestaat uit duizenden keramische kanaaltjes. Door deze kanaaltjes stroomt de uitlaatgassen. Het keramisch materiaal, waaruit de kanaaltjes bestaat, is magnesiumalumenium-slicaat. Dit keramiek heeft de eigenschap dat het heel bestand is tegen hoge temperaturen. Een nadeel van deze monolieten is dat uiterst gevoelig voor mechanische spanning. Deze mechanische spanning kan ontstaan door de uitzetting van metalen huis, die rond het monoliet bevind. Het ontstaat ook door de mechanische belastingen die tijdens het bedrijf, op het huis werken. Om dit probleem van die mechanische op te lossen gaat men het monoliet elastisch in het katalysatorhuis gaan monteren. Om dit te realiseren gaan men metaalwol voorzien tussen het huis en het monoliet. En tijdens het bedrijf gaat dus dit metaalwol de mechanische spanningen gaan opvangen. Zodat de metaalspanningen niet op het monoliet terecht komt. metalen monolieten Metalen monolieten wordt ook maar op kleine schaal gebruikt. Om de welbepaalde reden dat metalen monolieten zeer duur zijn. Als men toch metalen monolieten gebruikt gaat men dit vooral gaan gebruiken als een extra katalysator. Deze extra katalysator zorgt ervoor de er bij een koude motor een katalytische reiniging plaatsvindt. Bij de keramische en metalen monolieten is het ook noodzakelijk dat er een drager is voorzien van AlO. Het AlO gaat het werkoppervlakte met een factor 7000 gaan vergroten. De katalytische laag op deze laag van AlO bestaat bij een oxidatiekatalysator uit platina en palladium. Bij een drie-wagkatalysator is dat platina en rhodium. Bij de twee-trapskatalysator moet je geen katalytische laag aanbrengen. De platina zal de oxidatie van HC en CO versnellen en zal rhodium de vermindering van NOx gaan versnellen.


Als je een katalysator gebruikt met element met los materiaal, kan je de katalysator rechtstreeks gaan voorzien van een katalytische laag. De voorwaarden die moeten voldaan voordat je een katalysators kunt gebruiken. Ik heb het nog niet gehad over wanneer je een katalysator mag gebruiken. Het gebruiken van een katalysator is immers niet willekeurig. Je hebt eigenlijk twee grote voorwaarden: - de temperatuur moet hoog genoeg zijn, maar het mag ook niet hoog zijn - je moet loodvrije benzine gebruiken als brandstof Net als bij de lamba-sonde moet de temperatuur voldoende hoog zijn. De temperatuur moet zeker hoger zijn dan 250°C. De optiemalste temperatuur is een temperatuur tussen de 400°C en de 800°C. Omdat je tussen deze temperaturen een optimale omzetting hebt van de uitlaatgassen. Ook dat je katalysator een lange levensduur heeft. Wanneer de temperatuur oploopt tot een temperatuur tussen de 800°C en de 1000°C. zal er door de sintering van het aluminiummateriaal, op dit materiaal zal de katalytische laag aangebracht worden, een thermische verouderingsproces optreden. Door dit verouderingsproces zal de werkbare oppervlakte verminderen. Waardoor de vermindering van de uitlaatgassen vermindert. Als de temperatuur oploopt tot boven de 1000°C zal het verouderingproces de werking van de katalysator gaan verstoren. En zal er nog weinig schadelijke uitlaatgassen omgezet worden naar onschadelijke stoffen. De temperatuur kan in sommige omstandigheden, als er storingen aan de motor aan optreden: bv een overslaande ontsteking, kan de temperatuur tot 1400°C. Als dit gebeurt wordt de katalysator vernietigt. Daarom wordt een elektronisch ontstekingsysteem gebruikt ( motorinterne maatregelingen) Een voorwaarde is dat je gebruik maakt van loodvrije benzine. Want als je gewone benzine gebruikt zal de loodverbindingen gaan neerslaan op de werkzame oppervlakte of op de katalytische laag. Er is wel een nadeel aan die loodvrije brandstof. Er mag dus geen loodverbindingen aanwezig zijn in de brandstof. Daarom heeft de olieindustrie loodvervangers aan de benzine toegevoegd. Deze loodvervangers zijn onder meer methanol en ethanol. Deze twee stoffen zijn alcoholen. En ze gaan met het condensatiewater die aanwezig is in de brandstoftank verbindingen aangaan. En zo wordt er zwavelig zuur gevormd (H2SO3). En dit zuur kan de brandstoftank van je wagen gaan beschadigen. Waar je ook rekening moet houden als een katalysator gebruikt is dat je geen brandstof gebruikt die teveel zwavel bevat. Want in de katalysator gaat er dus HC worden verminderd , dit komt door HC te gaan verbranden. Als HC verbrandt zal er dus C + H2O ontstaan. Wanneer je nu zwavel bij dit water doe ontstaat er dus zwavelzuur (H2SO4). En dit zwavelzuur komt dus gewoon vrij in open lucht, want er is geen systeem meer voorzien die de zwavelzuur moet verminderen. Als het zwavelzuur vrij komt in de openlucht kan dat voor moeilijkheden zorgen aan je luchtwegen en het gaat ook gebouwen gaan beschadigen. 2 terugvoer van de uitlaatgassen Een tweede motorexterne maatregel is het terugvoeren van de uitlaatgassen. Deze terugvoering van de uitlaatgassen kan op twee manieren een interne terugvoering van de uitlaatgassen een externe terugvoering van de uitlaatgassen


Bij de interne terugvoering van de uitlaatgassen gaat men tijdens de uitlaat ( de vierde slag van de viertakt-motor ) de inlaatklep al openen wanneer de uitlaatklep nog open is. Hierdoor wordt nog een deeltje van de uitlaatgassen aangezogen met het nieuwe lucht-brandstof mengsel. Doordat er nog een deeltje uitlaatgassenaanwezig zijn zal de temperatuur niet zo hoog oplopen tijdens de compressie. Doordat de temperatuur niet zo hoog oploopt zal er meer NOx –emissie gereduceerd of verminderd worden. Als de interne terugvoering van de uitlaatgassen niet volstaat kun je nog gebruik maken van de externe terugvoering. Bij de externe terugvoering zal er een deel van de uitlaatgassen met de lucht-brandstof vermengd worden. Zodat de NOx-emissie vermindert. Maar als de NOx-emissie afneemt zal de HC-emissie toenemen, daarom mag je niet teveel uitlaatgas terugvoeren. En als je teveel uitlaatgas terugvoert zal ook het brandstofverbruik gaan toenemen. Daarom mag je maar hoogstens 10 tot 15% van de gevormde uitlaatgassen gaan terugvoeren. Er zijn ook enkele tijdstippen dat men geen terugvoering gaat doen. Dit is bij stationair draaien, want op dit ogenblik wordt geen NOx-emissie. En is het dus niet nodig dat er uitlaatgassen worden teruggevoerd. En ook bij vollast zal er geen toevoering nodig zijn Want als veel vermogen vraagt van je wagen (bij vollast) kan dit maar enkel opgelost worden door een rijk mengsel te gaan inspuiten. Doordit rijk mengsel zal er maar weinig NOx-emissie gevormd worden. 1.6.2 het verminderen van de uitlaatgassen bij dieselmotoren. Nu ga ik uitleggen hoe je de uitlaatgassen bij dieselmotoren kunt verminderen. Bij de wagens met een benzinemotor ging men de uitlaatgassen onder meer verminderen met katalysatoren. Bij wagens met een dieselmotor gaat men gebruik maken van partikelfilters of gaan men de partikels door elektrostatische elektriciteit gaan aantrekken. Onder partikels verstaan we roetdeeltjes ( deze deeltjes komen bij benzinemotoren in minder mate voor), onverbrande koolwaterstoffen, deeltjes door slijtage. Deze deeltjes zijn zeer klein in omvang ( van 0.1 tot 10µm) en daarom zijn de partikelfilters zeer kleine filters. Partikelfilters De taken die deze filters gaan moeten vervullen kun je indelen in twee grote delen: - zoveel mogelijk partikelsdeeltjes gaan vasthouden - deze deeltjes gaan men dan gaan verwijderen na een tijdje d.m.v. filterregeneratie. (later meer hierover) Om deze partikelfilters vast te houden , maakt men dus gebruik van partikelfilters en momenteel zijn er twee soorten partikelfilters op de markt: 1. De keramische monoliet-filter 2. keramische wikkelfilter De keramische monoliet-filter

Dit is de keramische monoliet-filter. (een partikelfilter)


Dit is de keramisch monoliet (een katalysator van bij de benzinemotoren) Uit de figuur ziet u dat weinig verschil is tussen de keramische-monoliet partikelfilter met de keramisch monoliet katalysator. De werking van beiden komen in vele punten overeen met elkaar. Net als bij de katalysator gaan men dus ook voor zorgen dat alle uitlaatgassen door de partikelfilter gaat. De partikelfilter is ingdeeld in verschillende gangen en in die zijn er dan proppen voorzien (die zwarte vakjes op de tekening). Doordat de proppen de doordang belemmeren , kunnen de uitlaatgassen niet anders dan te overgaan van de ene gang naar de andere. Dus gaan ze door de wanden van de filter. Doordat ze door de wanden van filter gaan, worden de partikels tegengehouden door de wanden van de filter. Ze worden de partikels van de rest gescheiden. Om een vermindering van 80 tot 90 % van de partikels te bekomen moet men een filter gebruiken, die een filteroppervlakte heeft die gelijk is aan de cilinderinhoud. Onder de filteroppervlakte verstaat men de totale oppervlakte van de wanden van de verschillende gangen. Daaruit kun je dus besluiten dat een keramische monoliet-filter veel partikels uit de uitlaatgassen gaat halen, maar een daardoor gaat de filter al vlug (na 100 km) volgekoekt zijn moet stofdeeltjes. Deze stofdeeltjes gaat een tegendruk gaan veroorzaken van 0.50 bar. En met gevolg dat de inkomende inlaatgassen een tegendruk krijgt ( ze gaan niet meer zo snel in de filter). Daarom gaat men aan regeneratie moeten doen. (later meer hierover). Tot zover de eerste soort partikelfilter. Keramische wikkelfilters: Een tweede soort partikelfilter die men gaat gebruiken is de keramische wikkelfilter. Deze filter bestaat uit een binnenwerk en daarom is er een huis voorzien. Het binnenwerk bestaat uit keramische vezels die rond een stalen draad gewonden is. En deze vezels zijn gewikkeld in een kaarsvormige filter. Om er te voor zorgen dat de poriën van het keramisch materiaal niet te vlug dicht slippen. Is de keramische materiaal voorzien van een grote doorlaat. Bij de keramisch-monoliet filter stroomde de uitlaatgassen van binnen naar buiten. Maar bij de keramische wikkelfilters stroomt de uitlaatgassen van buiten naar binnen. En de partikels worden tegengehouden door het buitenoppervlak. De gezuiverde uitlaatgassen komen dan in de gangen en via deze gangen worden ze afgeleid naar de uitgang van de filter. Net als bij de keramisch monoliet-filter. Zal men ook aan filterregeneratie doen Net om dezelfde reden als bij de monoliet-filter. Filterregeneratie: Bij de uitlegging van de verschillende partikelfilters heb je gezien dat na een tijdje de filters verstopt geraken. Daarom gaat men na tijdje gaat men de poriën van het keramisch materiaal gaan kuisen, zodat de filterwerking weer optimaal verloopt. Om deze poriën te kuisen gaat men gebruiken van de regeneratie. Regeneratie is dus niet anders dan de roetdeeltjes te gaan verbranden. Maar deze verbranding kan enkel uitgevoerd worden wanneer je niet met de wagen rijdt. En om deze reden gaat men altijd twee partikelfilters voorzien in het systeem, die zorgt voor de vermindering van uitlaatgassen. Deze twee filters gaat dan om beurt de partikels uit de uitlaatgassen filteren. En wanneer de wagen dan stilstaat worden de filters gekuist. (regenereert) Net als bij de partikelsfilters heb je ook twee soorten in de filterregeneratie: - de thermische regeneratie - de katalytische regeneratie


de thermische regeneratie Zoals ik eerder vermeld heb is regeneratie niet anders dan het verbranden van die roetdeeltjes die, vastzitten in de poriën van de filter. De verbranding van de deeltjes gebeurt maar vanaf een temperatuur van 600°C en je moet er moet ook voldoende zuurstof in de uitlaatgas aanwezig zijn. Maar je moet weten dat de uitlaatgassen maar een temperatuur van 600°C gaat bereiken, wanner je wagen maximaal belast. Een wagen wordt niet voortdurend maximaal belast. Met gevolg dat de uitlaatgassen de nodig temperatuur (nodig voor de verbranding) bereikt. Daarom heeft men verschillende oplossingen uitgevonden. De ene is al beter dan de andere en sommigen kun maar gebruiken onder bepaalde omstandigheden. Een van de oplossing is dat je de intree en uittreezijde van de partikelfilter gaat smoren. Maar deze oplossing wordt vaak gebruikt, omdat maar toepasbaar wanneer je wagen zwaar belast. Een tweede oplossing is dat je een brander , die werkt op dieselolie, net voor de ingang van de partikelfilter plaatst. Deze brander gaat de filter gaan verhitten tot een temperatuur van 600°C tot 700°C. Zodat de roetdeeltjes kunnen verbranden. Een nadeel van deze oplossing is dat ook de brander uitlaatgassen gaat veroorzaken . En deze emissies gaan niet kunnen verminderen. Daarom heeft men ook derde oplossing bedacht en dat is : De kanalen van de filter gaan voorzien van elektrische verwarmingselementen. Deze verwarmingselementen gaat de temperatuur van de filter brengen tot 600°C en zo gaat dus de roetdeeltjes gaan verbranden. Er zijn wel twee nadelen aan dit systeem : de lage betrouwbaarheid en hoog energieverbruik van de elektrische verwarmingselementen. Tot zover de thermische regeneratie. Nu ga ik de katalytische regeneratie gaan uitleggen. de katalytische regeneratie Bij thermische generatie ging men de temperatuur van de filter gaan verhogen , zodat de roetdeeltjes gingen verbranden. Bij katalytische regeneratie gaat men de verbrandingstemperatuur van de roetdeeltjes naar beneden halen. Dus met andere woorden men gaat ervoor zorgen dat de roetdeeltjes gaan verbraden bij een lagere temperatuur. Dit gaat men realiseren door er metaaloxide gaan toe te voegen. Zoals weet bestaat zijn er heel wat ijzerverbindingen aanwezig in metaaloxide. En juist deze metaalverbindingen dat de verbrandingstemperatuur van de roetdeeltjes gaan verlagen tot een temperatuur van 200°C. En er is ook geen gevaar voor het milieu, want die metaalverbindingen zijn belastend voor het milieu. Dit was dus de katalytische regenratie. Elektrostatische afscheiders Deze elektrostatische afscheiders is de nieuwste ontwikkeling voor het verminderen van de roetdeeltjes. Deze afscheider werkt eigenlijk op het principe van dat een negatief geladen deeltje en een positief geladen deeltje elkaar gaan aantrekken. In deze afscheider is er een sproei-elektrode voorzien, deze sproei-elektrode gaat de roetdeeltjes die men wil filteren gaan negatief elektrisch gaan laden. Want je weet dat elektrode staat voor negatief. En er is ook een agglomerator voorzien in de afscheider, deze agglomerator is positief geladen. De elektrostatische afscheider dus werkt als volgt: De ongezuiverde uitlaatgassen wordt aangezogen. In deze ongezuiverde uitlaatgassen zijn er kleine elektrisch negatief geladen roetdeeltjes. Deze rozetdeeltjes zijn dus negatief geladen door de sproei-elektrode. En deze roetdeeltjes worden aangetrokken door de positief geladen aglomerator. En ook worden deze deeltjes in de aglomerator samengeklonterd tot grotere deeltjes. Achter de aglomerator is er een cycloon voorzien. Deze cycloon voert niets anders uit dan een


ronddraaiende beweging. Als je dus door de cycloon grote roetdeeltjes, afkomstig van de agglomerator en oorspronkelijk van de uitlaatgassen, samen met lucht ronddraait. Zal door de middelpuntvliegende kracht de roetdeeltjes naar buiten slingeren, omdat ze een zwaardere massa hebben dan lucht. En zo worden de roetdeeltjes gescheiden van de lucht. De roetdeeltjes kunnen gaan naar de roetverwerking en gezuiverde uitlaatgas wordt geleid naar de uitlaat van de wagen.


Emissies. 1 de brandstoffen van de motor Er bestaan twee brandstoffen voor de motor : benzine en diesel

Recommend Documents