Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

Zuinige en schonere auto's met 'lean-burn'-katalysator

26 juni 2007

STW-onderzoeker Karen Scholz heeft de eigenschappen van een nieuw type autokatalysator onder de loep genomen. 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. Scholz promoveert 4 juli aan de Technische Universiteit Eindhoven.

De huidige strenge milieu-eisen vragen om geavanceerde concepten om uitstoot van schadelijke gassen door auto's 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 het gevormde NOx op te slaan.

In dit nieuwe type NOx Storage Reduction (NSR)-katalysator vindt de diesel- of benzineverbranding in de motor afwisselend plaats tijdens lange zuurstofrijke en korte brandstofrijke periodes. Tijdens een lange zuurstofrijke periode wordt de gevormde NOx opgeslagen op de bariumcomponent. Als deze component verzadigd is, wordt de katalysator geregenereerd. Dit gebeurt tijdens de korte brandstofrijke 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 onderzocht om inzicht te krijgen in de werking van het opslagcomponent tijdens de zuurstofrijke en brandstofrijke periodes.

Reactiemodel

De onderzoekster voerde de 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 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 Scholz 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 regenereren. 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.

..............................

Noot voor de redactie,