Zuinige en schonere autos met lean-burn-katalysator
Promotieonderzoek Karen Scholz aan TU Eindhoven
Aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) nam ir. Karen Scholz
de eigenschappen van een nieuw type autokatalysator onder de loep.
Voor deze zogenoemde NOx Storage Reduction (NSR)-katalysator wordt de
brandstof in de motor afwisselend verbrand bij zuurstofrijke (lean) en
brandstofrijke (rich) omstandigheden. Zulke dieselmotoren en
lean-burn-benzinemotoren zijn zuiniger dan conventionele motoren. Hoe
de katalysator werkt is nu beter bekend. Met die kennis kunnen
bestaande katalysatoren worden verbeterd en kan de werking van de
katalysator worden getest in de praktijk. Deze tests zijn nodig voor
het optimaliseren van lean/rich-regelsystemen die in lean-burn-motoren
worden toegepast. Karen Scholz (30) verdedigt woensdag 4 juli haar
proefschrift NOx storage and reduction over a lean-burn automotive
catalyst aan de TU/e.
Waarom lean-burn?
De huidige strenge milieu-eisen vragen om geavanceerde concepten om
uitstoot van schadelijke gassen door autos terug te dringen. Een
bijzondere uitdaging is hierbij de verlaging van
stikstofoxide-(NOx)-uitstoot door diesel- en lean-burn-benzinemotoren.
Deze zuinige motoren produceren een uitermate zuurstofrijk uitlaatgas
waardoor de conventionele driewegkatalysator niet geschikt is om de
gevormde NOx naar stikstof om te zetten. De huidige trend is daarom om
specifieke componenten, zoals barium, aan de katalysator toe te voegen
om de gevormde NOx op te slaan.
In dit nieuwe type NSR-katalysator vindt de diesel- of
benzineverbranding in de motor afwisselend plaats tijdens lange
zuurstofrijke - en dus brandstofarme (lean) - en korte brandstofrijke
(rich) periodes. Tijdens een lange lean-periode wordt de gevormde NOx
opgeslagen op de bariumcomponent. Als deze component verzadigd is,
wordt de katalysator geregenereerd. Dit gebeurt tijdens de korte
brandstofrijke (rich) periode waarbij een zuurstofarm uitlaatgas
ontstaat. Hierbij komt de opgeslagen NOx vrij en wordt vervolgens
gereduceerd tot stikstof over een edelmetaal zoals platina. Dit
NSR-mechanisme werd door Scholz in een door de Technologiestichting
STW gefinancierd project onderzocht om inzicht te krijgen in de
werking van de opslagcomponent tijdens de lean- en rich-periodes.
Reactiemodel
De onderzoekster voerde lean/rich-experimenten uit in een
laboratoriumreactor met daarin een NSR-katalysator. Het gedrag van de
katalysator werd in detail bestudeerd, waaronder de rol van de
verschillende vormen waarin het barium in de katalysator voorkomt, de
invloed van de aanwezigheid van kooldioxide en water in het
uitlaatgas, en de invloed van de verschillende reductanten (zoals
koolmonoxide, waterstof, en ethyleen) op de NOx-opslag en -reductie.
Het onderzoek heeft belangrijke nieuwe inzichten opgeleverd omtrent de
werking van de verschillende componenten in de katalysator. Ook heeft
de promovenda een bruikbaar wiskundig model opgesteld voor de
verschillende chemische reacties in de katalysator.
Kennis voor de praktijk
Met dit reactiemodel kan een regelsysteem in de auto bepalen wanneer
de maximale NOx-opslagcapaciteit van de katalysator is bereikt, en
vervolgens hoe lang en hoeveel extra brandstof moet worden
geïnjecteerd om de katalysator weer te regeneren. Het onderzoek is
uitgevoerd in samenwerking met autofabrikanten PSA Peugeot Citroën,
Toyota en Ford, het automobielontwikkelingsbedrijf PD&E Automotive
Solutions, katalysatorfabrikant Engelhard De Meern (tegenwoordig
BASF), en met TNO Wegtransportmiddelen, Shell, E.P. Controls en IPCOS.
Technische Universiteit Eindhoven