Zo werken de nieuwe Fase V-emissiesystemen

Laten we beginnen om te zeggen dat moderne motoren van zichzelf al stukken schoner zijn dan hun voorgangers in het verleden. Met turbo, interkoeler, vier kleppen en commonrail verloopt de verbranding veel efficiënter en schoner. Motorfabrikanten hebben veel energie gestoken in het optimaliseren van het verbrandingsproces. Genoeg om aan de Fase I- en II-emissie-eisen te voldoen. Vanaf Fase III introduceerden fabrikanten de eerste uitlaatgasrecirculatie- en nabehandelingssystemen. Inmiddels gaat de hele trukendoos open en is een combinatie van systemen nodig om Fase V eisen te halen. De tijd dat onder de motorkap alleen een motor zat, ligt inmiddels ver achter ons.

Wat is schadelijk?

De uitstoot bestaat uit verschillende stoffen. Het overgrote deel betreft kooldioxide (CO₂), die ontstaat bij de verbranding van dieselolie. Het draagt wel bij aan het broeikaseffect, maar is pas bij hogere concentraties schadelijk voor de gezondheid. Wel schadelijk zijn stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO₂), samen aangeduid als stikstofoxiden (NO_x). Daarnaast ontstaan koolmonoxide (CO), onverbrande koolwaterstoffen (HC), en roetdeeltjes (PM). Het verminderen van de ene stof kan een verhoging van een andere tot gevolg hebben. Zo heb je bij hoge verbrandingstemperaturen een vollediger verbranding, maar ontstaat in deellast NOx. Bij lagere verbrandingstemperaturen ontstaat geen NO_x, maar ontstaan door de minder volledige verbranding CO en HC (en daarnaast stijgt het brandstofverbruik).

We bespreken de verschillende componenten in het uitlaatsysteem en hun invloed op de samenstelling van de uitlaatgassen.

CO en HC opruimen

Uitlaatgassen die de motor verlaten, komen na de turbo als eerste de dieseloxidatie-katalysator (DOC) tegen. Doel hiervan is om de laatste deeltjes koolmonoxide en koolwaterstoffen om te zetten in onschadelijk CO₂ en waterdamp (H₂O). Hiertoe stromen de gassen door een open honingraatstructuur die bekleed is met katalytisch materiaal. Daar oxideren (verbranden) CO en HC tot CO₂ en H₂O. De DOC behoudt zijn werking vijf à tien jaar. Problemen met het brandstofsysteem of een hoog olieverbruik beperken de levensduur van de DOC aanzienlijk.

Roet verbranden

De volgende trap in het uitlaatsysteem is het roetfilter, meestal DPF (dieselpartikelfilter) of SC (soot catalyst) genoemd. Een roetfilter doet hetzelfde met roetdeeltjes als de DOC met CO en HC, namelijk verbranden tot CO₂ en H₂O. Er is echter een groot verschil. De moderne roetfilters zijn van het gesloten honingraattype: roetdeeltjes kunnen er niet doorheen stromen. De openingen in de wanden van de honingraatstructuur zijn zo klein dat alleen gassen er doorheen kunnen. Onder zware belasting is de temperatuur in het roetfilter zo hoog dat roet spontaan verbrandt; continu of passief regenereren noemen ze dat.

Bij lagere belasting verbranden de roetdeeltjes niet en verzamelen ze zich in het roetfilter. Dat raakt daardoor steeds meer ‘verstopt’. Het drukverschil over het filter wordt continu gemeten. Het is een maat voor de verstopping. Is de drukval te hoog, dan schakelt actief regenereren in: de temperatuur van de uitlaatgassen wordt kunstmatig verhoogd. Dit kan door het inspuitmoment te verlaten, een extra na-inspuiting, extra brandstof in het uitlaatspruitstuk in te spuiten of door middel van een elektrisch verwarmingselement. Dit gebeurt kortstondig, totdat het roet in het filter weer verbrand is.

Als laatste kun je op sommige trekkers geforceerd regenereren: handmatig de regeneratie in gang zetten. Dat doe je bijvoorbeeld met de trekker die voor de voermengwagen staat. Je wilt niet dat die binnen in de stal ineens begint met regenereren, dus dat doe je van tevoren, tijdens het laden bijvoorbeeld.

Naast roetdeeltjes bevinden zich ook asdeeltjes in de uitlaatgassen. Deze passen niet door het filter en verbranden niet bij regenereren. Bij een roetfilter dat verstopt is met as, helpt geforceerd regenereren dus niet. Door dit vaak achter elkaar te herhalen sloop je het filter alleen maar. Het enige wat helpt is het filter uitbouwen en laten reinigen door een professioneel bedrijf. Schade aan het brandstofsysteem of een hoog olieverbruik resulteert in veel asdeeltjes, en dus een korte standtijd van het roetfilter.

Lees verder onder de foto

Het AdBlue-verbruik is afhankelijk van de toegepaste emissietechnieken.

Stikstofoxiden voorkomen

NO_x ontstaat onder deellast, waarbij onder hoge temperatuur stikstof (N₂) uit de lucht met zuurstof (O₂) reageert. De EGR-klep, (exhaust gas recirculation) voert onder deellast een deel van de uitlaatgassen via een koeler terug de motor in. Hier neemt het de plaats in van schone inlaatlucht, waardoor minder vrije zuurstof aanwezig is om met stikstof tot NO_x te reageren. Het EGR-systeem is berucht om zijn vastzittende of dichtgekoolde klep.

Er bestaan meerdere EGR-systemen. Ten eerste het hogedruk EGR-systeem: hierbij gaan de uitlaatgassen nog vóór de turbo rechtstreeks van het uitlaatspruitstuk weer naar het inlaatspruitstuk. Dit is het systeem dat de meeste problemen door interne vervuiling kent. Bij het lagedruk EGR-systeem stromen de gassen pas ná turbo, DOC en roetfilter terug naar de inlaatkant van de motor. Deze gassen zijn een stuk schoner, vandaar dat de vervuilingsproblematiek veel minder speelt.

Een derde mogelijkheid is interne recirculatie. Door een extra nok op de nokkenas opent de uitlaatklep tijdens de inlaatslag kortstondig, waardoor een deel van de uitlaatgassen weer terug de motor in stroomt. Geen vervelende EGR-klep, maar een systeem dat altijd actief is, niet alleen in deellast. Verhoogde turbodruk voorkomt in dit geval afnemende prestaties.

Stikstofoxiden opruimen

Een andere mogelijkheid om NO_x-uitstoot tegen te gaan, is om de tijdens verbranding ontstane NOx alsnog om te zetten in stikstof en water. Dit gebeurt in de SCR-katalysator. Dit staat voor selective catalyst reduction. Deze katalysator heeft AdBlue nodig, die wordt ingespoten na het roetfilter. Door de hoge temperatuur van de uitlaatgassen reageren de ureum (CO(NH₂)₂) en H₂O uit de AdBlue tot ammoniak (NH₃) en CO₂ (hydrolyse). Die ammoniak reageert vervolgens in de SCR-katalysator met stikstofoxiden tot stikstof en waterdamp.

Lees verder onder de foto

Uitgekristalliseerde AdBlue verstopt de SCR-katalysator. Het ontstaat doordat AdBlue bij lage temperatuur niet volledig hydrolyseert, maar cyanuurzuur vormt.

Als de temperatuur van de uitlaatgassen niet hoog genoeg is, treedt de hydrolyse niet volledig op, en ontstaat cyanuurzuur. Deze witte drab verstopt de SCR-katalysator en wordt al snel hard. Het lijkt een beetje op ketelsteen. Dit is een van de redenen waarom sommige fabrikanten werken met een gloeispiraal, of zelfs met het inspuiten van brandstof in de uitlaat om de temperatuur hoog genoeg te houden. De officiële benaming voor AdBlue is trouwens AUS32, wat volgens de ISO 22241-1 norm moet bestaan uit 32,5% ureum en 67,5% gedemineraliseerd water. De SCR wordt vaak uitgebreid met een ammoniak oxidatie katalysator (AOC), een extra katalysator die overtollig ammoniak opruimt.

Ieder zijn eigen oplossing

Uit deze componenten kiest elke fabrikant zijn eigen oplossing om aan de emissie-eisen te voldoen. DOC, DPF en een SCR-katalysator hebben ze allemaal. Ze worden soms slim gecombineerd. Zo gebruikt FPT de SCRoF-techniek van BASF. Dit staat voor selective catalytic reduction on filter, een combinatie van DPF en SCR. MF gaat nog een stapje verder en heeft een all-in-one systeem: op zijn Fase V Agco Power-motoren combineert het DOC, DPF en SCR tot één unit. Om dit geheel in het optimale werkgebied te houden, zijn ook een luchtmassameter en zelfs een gasklep toegevoegd. EGR lijkt op zijn retour; meerdere merken ruimen alle NOx achteraf op met SCR. John Deere werkt echter nog met een combinatie van EGR en SCR. Daardoor is het AdBlue-verbruik aanzienlijk lager (zie de test van de John Deere 7R 350 in ons vorige nummer).

Lees verder onder de foto

Om aan de Fase V-eisen te voldoen combineert Massey Ferguson op de Agco Power-motoren DOC, DPF en SCR tot één unit: het All-In-One concept.

Gaat dat altijd goed?

De eerste nabehandelingssystemen kenden de nodige problemen. Inmiddels hebben de fabrikanten de techniek bij Fase V aardig onder de knie. Toch kan het hier ook nog mis gaan, het blijft een complex systeem. Zo zitten er de nodige sensoren op: AdBlue-sensor, temperatuursensor, NOx-sensor, twee druksensoren op het roetfilter, NH₃-sensor. Een kapotte sensor kan het hele systeem ontregelen, met mogelijk duizenden euro’s gevolgschade. Vervuilde AdBlue of een niet tijdig vervangen AdBlue-filter kunnen zomaar in een kapotte AdBlue-pomp resulteren. Dit geldt ook voor het AdBlue-verwarmingselement, AdBlue bevriest namelijk bij -11 graden. Is dit element kapot, dan loopt op een koude winterdag je AdBlue-pomp droog.

De grootste problemen doen zich voor bij het roetfilter en de SCR-katalysator, al zijn er voldoende gebruikers waar het geheel probeemloos draait. Het ontstaan van deze problemen is voornamelijk afhankelijk van de inzet. Bij langdurig laag belasten van de motor ontstaat door de lage verbrandingstemperatuur roet, dat vervolgens niet verbrandt in het roetfilter. Denk aan een trekker in de groenteteelt die de hele dag in de kruipversnelling over het land rolt. Bij motoren met een sterk wisselende belasting veroorzaakt de vertraging tussen motortemperatuur en katalysatortemperatuur cyanuurzuurvorming in de SCR-katalysator. In zulke situaties hebben sommige gebruikers baat bij Optispray, een speciale variant AdBlue waarbij een zeeptoevoeging zorgt voor een fijnere verneveling. Hierdoor verloopt de hydrolyse volledig en ontstaat geen cyanuurzuur. Optispray is verkrijgbaar bij AdBlue-fabrikant Yara.

Lees verder onder de foto

John Deere trekt de hele trukendoos open op zijn 9,0 en 13,5 liter PowerTech PSS-motoren. Zie met hoeveel sensoren dit gepaard gaat.

Wat kost dat allemaal?

Kost best een paar centen, schonere uitlaatgassen. Ter indicatie: Fendt rekent in de prijsconfigurator van de 900-serie € 21.670 voor Fase V-nabehandelingstechniek (DOC, DPF, SCR). Het staat er als optie, waarvan je het vinkje niet weg kunt halen. En dan heb je het nog niet over de operationele kosten. AdBlue à € 0,35 per liter, af en toe een roetfilter reinigen of zelfs vervangen voor een paar duizend euro. Al met al is de Fase V-nabehandeling een complex systeem met al die katalysatoren, filters en sensoren. Duidelijk is dat een schoner milieu niet aan komt waaien …