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,
Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek