Energie- & milieu-informatiesysteem voor het Vlaams Gewest

MVV - Zwaar verkeer Dieselmotor

Diesel  | LPG  | Aardgas  | Waterstof  | Elektrisch  | Brandstofcel | Hybride 

 

In dieselmotoren of compressieontstekingsmotoren start het verbrandingsproces doordat de temperatuur in de verbrandingskamer door de compressie zo hoog wordt opgevoerd dat de brandstof spontaan ontbrandt.

Het brandstofinspuitsysteem is een belangrijk onderdeel van een moderne dieselmotor omdat daarmee in hoge mate het verloop van het verbrandingsproces wordt bepaald. Het moment van inspuiting is cruciaal voor het verbrandingsproces en heeft grote invloed op vermogen, lawaai en emissies.

Bij zware dieselmotoren wordt vernevelde diesel direct in de verbrandingskamer ingespoten. Om voor een goede verneveling te zorgen wordt de brandstof onder een hoge druk ingespoten. Het genereren van deze hoge druk gebeurde vroeger in de verstuiver. Moderne brandstofsystemen maken gebruik van nieuwe technologiën.

Common rail
De common rail is een brandstofreservoir op hoge druk gemeenschappelijk voor alle cilinders. In plaats dat de druk word opgebouwd door individuele injectoren, zorgt nu een robuuste pomp ervoor dat brandstof op hoge druk (1350 bar) beschikbaar is. De injectoren werken in dit geval als ventielen. Hierdoor ontstaat een grotere vrijheid in het kiezen van het inspuitpatroon van de brandstof. Op deze manier kan een wezenlijke brandstofbesparing worden gerealiseerd. Ook de uitlaatgasemissies nemen sterk af.

Pompinjectoren
Door het gebruik van pompinjectoren kan de inspuitdruk nog verder worden verhoogd (tot 2050 bar), wat resulteert in een nog efficiëntere verbranding.

Dieselmotoren zijn robuuster en zwaarder, waardoor ze beter geschikt zijn voor toepassingen binnen het goederentransport. Daardoor zijn de onderhoudskosten van de motor lager en heeft de motor een langere levensduur.

Veel dieselmotoren zijn voorzien van een druklader (turbo). Een druklader gebruikt energie uit de uitlaatgassen om meer lucht in de verbrandingskamer te persen. Als dan ook meer brandstof ingespoten wordt, wordt hierdoor het vermogen van de motor verhoogd. Door de gecomprimeerde lucht te koelen voor hij de verbrandingskamer ingaat (intercooling) kan er nog meer lucht in de verbrandingskamer geperst worden.

Emissiereductietechnieken

De emissies van dieselmotoren kunnen op verschillende manieren verlaagd worden. We geven de technieken die op dit moment gebruikt worden of die een groot potentieel hebben in wat volgt weer.

Uitlaatgasnabehandeling

• Oxidatiekatalysator: Een oxidatiekatalysator kan de volgende emissiereducties bewerkstelligen:
  koolwaterstof (HC) met 50 tot 80%
  koolmonoxide (CO) met 40 tot 70%

In personenauto’s vermindert een oxidatiekatalysator ook de deeltjesemissie met 30 tot 40%. Bij vrachtwagens en bussen loopt de temperatuur in de katalysator vaak zo hoog op dat er sulfaatdeeltjes gevormd worden die de deeltjesemissie flink toe kunnen laten nemen. In zware voertuigen worden oxidatiekatalysatoren nauwelijks toegepast..

• De-NO_x katalysator

Bij SCR systemen wordt ammoniak in de vorm van ureum met het uitlaatgas vermengd. Vervolgens worden ammoniak en stikstofoxyden in de katalysator omgezet in stikstofgas en water. DeNO_x katalysatoren kunnen de NO_x emissie met meer dan 80% verlagen. Nadelen zijn de tank met ureum aan boord en de kosten. De De-NO_x katalysator is nog in ontwikkeling. De NO_x-opslagkatalysator is de nieuwste ontwikkeling. De NO_x wordt in de katalysator opgeslagen totdat de samenstelling van het uitlaatgas tijdelijk verrijkt wordt (hetgeen op verschillende manieren kan) en de NO_x gereduceerd wordt tot stikstofgas. Ook aan deze techniek kleven nog nadelen.

• Deeltjesfilters

Deeltjes kunnen met behulp van een filter uit de uitlaatgassen gefilterd worden. Om te voorkomen dat het filter verstopt, moet de filter regelmatig geregenereerd worden. Dit kan gebeuren door de verbranding van het roet. Omdat de oxidatie van roet slecht gebeurt vanaf 550°C en de uitlaatgastemperatuur lager ligt, moet de oxidatietemperatuur verlaagd worden (passieve regeneratie) met behulp van een katalysator of de uitlaatgastemperatuur verhoogd (actieve regeneratie). Veelbelovend is de ‘Continuously Regenerating Trap (CRT)’. De CRT gebruikt NO₂ –omgezet in een oxidatiekatalysator geplaatst voor de deeltjestrap- om het gevangen roet te oxideren. Dit gebeurt bij lagere temperatuur (vanaf 250°C). De CRT is al in meer dan 1000 bussen ingebouwd. Met roetfilters zoals de CRT, kan de roetemissie met bijna 90% gereduceerd worden. Dit gaat wel gepaard met een toename van de NO₂ emissie en een toename in het brandstofgebruik van minder dan 1%. Een CRT voor bussen kost ongeveer € 9 000,-.

Verschillende regeneratiestrategieën zijn voorhanden.
Bij de katalytische deeltjesfilter is een katalytisch materiaal aangebracht op de filter zodat de regeneratietemperatuur van roet door oxidatie met zuurstof verlaagd wordt (tot 300-400°C). De deeltjesvermindering bedraagt >95% indien S-vrije brandstof gebruikt wordt. Verhogen van het S-gehalte vermindert de performantie (door sulfaatvorming) indien een edelmetaal als katalytisch materiaal gebruikt wordt. Nieuwere materialen zijn in ontwikkeling en zijn minder gevoelig voor het S-gehalte. De kostprijs bedraagt ongeveer 5000€. De CRT gebruikt NO₂ – omgezet in een oxidatiekatalysator uit NO in de uitlaat – om de deeltjes in de filter te oxideren bij een lagere temperatuur (vanaf 250°C). De performantie bedraagt 90-95% maar vermindert eveneens bij gebruik van brandstof met een hoger S-gehalte. Een nadeel is de verhoogde NO₂-uitstoot ten gevolge van de NO-omzetting in de katalysator. De kostprijs bedraagt momenteel 5000 - 9000€.
Bij de filter met brandstofadditief wordt een additief aan de brandstof toegevoegd om de regeneratietemperatuur te verlagen. Het katalytisch element wordt zo in de roetdeeltjes opgenomen en opgevangen in de filter waar regeneratie met zuurstof plaatsvindt. De reductie-efficiëntie voor deeltjes bedraagt ongeveer 90%. De gasvormige emissies (CO en KWS) worden in veel mindere mate gereduceerd in vergelijking met de twee bovenstaande technologieën. Bij de filter met brandstofadditief bedraagt de efficiëntie voor CO 20% (in vergelijking met 90-99% voor de katalytische filter en 70-99% voor de CRT) en de efficiëntie voor KWS 40% (in vergelijking met 60-80% voor de katalytische filter en 70-95% voor de CRT). Een voordeel van deze technologie is de ongevoeligheid voor het S-gehalte in de brandstof. Een nadeel is de verhoogde complexiteit van het systeem omwille van de doseereenheid voor het additief. Het gebruik van het additief heeft bovendien een verhoogde asdepositie in de filter tot gevolg wat een frequentere reiniging van de filter vereist. Een juiste filterkeuze is belangrijk om de uitstoot van metaaldeeltjes te vermijden. De kostprijs bedraagt bijna 5000€.
In een deeltjesfilter met thermische regeneratie wordt gebruik gemaakt van een dieselbrander om de uitlaatgastemperatuur te verhogen tijdens regeneratie. De performantie voor deeltjes bedraagt 90% terwijl de uitstoot van CO en KWS niet gereduceerd wordt. Een nadeel van deze technologie is de complexiteit van het systeem en de resulterende hoge kostprijs (10000€). Indien de regeneratie te frequent gebeurt resulteert dit bovendien en een extra toename van het verbruik.

Uitlaatgasrecirculatie
Met EGR (Exhaust Gas Recirculation) wordt een deel van het uitlaatgas weer teruggevoerd naar de verbrandingskamer waar het een deel van de verse lucht vervangt. Het verlaagt de piektemperatuur tijdens verbranding en daarmee de hoeveelheid NO_x die wordt gevormd. Reducties van 20 tot 80% zijn mogelijk. Nadeel is dat de deeltjesemissie bij hogere motorbelasting toeneemt.

Milieu

De emissies van de broeikasgassen CO₂, N₂O en CH₄ zijn niet gereglementeerd. Bij dieselwagens is de emissie van CH₄ verwaarloosbaar. De hoeveelheid N₂O, geproduceerd in de katalysator, die wordt uitgestoten is miniem. De emissie van CO₂ wordt bepaald door het brandstofverbruik en de C-H verhouding in de brandstof. Omdat dieselmotoren zuinig zijn, is de CO₂ emissie van dieselwagens een stuk lager zijn dan die van benzine.

Meer informatie over emissies vind je onder verkeer & milieu

Marktsituatie

In Europa rijden bijna alle vrachtwagens en bussen op diesel. Belangrijkste reden hiervoor is de hoge efficiëntie van de dieselmotor en bijbehorende lage brandstofkosten. Daarnaast zijn dieselmotoren beter bestand tegen de hoge belastingen van motoren in zware voertuigen.

Diesel is een van de goedkoopste voertuigbrandstoffen (€ 0,75 / liter) en overal verkrijgbaar.