Motoren fors schoner door strengere normen

De wereldspelers op deze markt hadden daar in Noord-Amerika al eerder mee te maken gekregen. Daar golden al vanaf 1996 maximale hoeveelheden. Het was een begin van een zoektocht naar nieuwe technieken. Die is grotendeels gelukt, maar we zijn er nog niet.

Bij de schadelijke uitlaatstoffen die gereguleerd worden, gaat het doorgaans om de volgende: koolmonoxide (CO), koolwaterstoffen (HC), stikstofoxiden (NOx), bestaande uit stikstofdioxide (NO2) en stikstofxide (NO). In een aantal gevallen is een gecombineerde grenswaarde gebruikt voor CH en NOx. Verder wordt ook gelet op de uitstoot van deeltjes, particulate matter (PM). Dat is voor een groot deel roet, maar ook sulfaten en deeltjes van organische stof uit de brandstof. In sommige normen wordt ook op het aantal deeltjes gelet (PN). Zwavel hoort niet bij de stoffen waarop de regelgeving voor motoren toeziet. Zwavel is via een andere wetgeving uit de brandstof gehaald en dat heeft ervoor gezorgd dat er ook geen zwavel uitgestoten wordt.

Europese Commissie

In Europa is het de Europese Commissie, die de regels bepaalt. In Amerika is het de Environmental Protection Agency die ze opstelt. De regeling is stapsgewijze ingevoerd. Daarom spreken we in België ook van fasen. Ook komen we de Engelse term stage of het Duitstalige Stufe tegen. In Amerika spreekt men van TIER, wat staat voor Time Impact Emission Regulations. De TIER-norm wordt met een cijfer aangeduid, de Europese fase met een Romeins cijfer. De normen verschilden aanvankelijk nogal tussen Europa en Amerika. Onder druk van de motorenbouwers is de normering bijna gelijk getrokken, maar TIER 5, onze fase V, kennen de Amerikanen niet.

Stapsgewijs

Niet alleen is de zwaarte van de regels stapsgewijs ingevoerd, de inwerkingtreding was ook niet voor alle vermogensklassen gelijk en de norm is ook niet voor alle vermogens hetzelfde. De motorenbouwers zijn verantwoordelijk voor het schoonmaken van de motoren. De trekkerbouwers moeten maar zien dat ze alles netjes kunnen in- en opbouwen op de trekkers. Ze hoefden dat niet hals over kop te doen. Ze mochten nog 2 jaar na de invoering van de volgende fase motoren uit de vorige fase gebruiken, mits ze die motoren op voorraad hadden. En trekkers die voor de ingangsdatum waren gebouwd, mochten nog maximum 2 jaar in de showroom staan.

Fase I

In fase I ging het proces van schoner maken van de motoren gelijk op met het zuiniger maken. Een aantal nieuwe technieken deed zijn intrede met gebruik in motoren voor trekkers en andere landbouwvoertuigen. Een van de eerste technieken was 4 kleppen per cilinder. Caterpillar en Deutz waren de eersten die hiermee kwamen. De vierkleppentechniek is een onderdeel van het optimaliseren van het verbrandingsproces. Er kan gemakkelijker meer lucht in de verbrandingskamer worden gebracht en de symmetrische vorm van de cilinderkop zorgt voor een betere verbranding.

Ook het common rail brandstofsysteem doet dan zijn intrede. Normaal gesproken hangt de inspuitdruk af van het motortoerental. Dit stelt grenzen aan de nauwkeurigheid van de hoeveelheidsregeling. Bij de common rail, de centrale brandstofleiding, wordt de druk constant hoog gehouden. Aan het systeem zijn speciale verstuivers aangesloten. Die hebben een magneetklep en daarmee kan de inspuiting zeer nauwkeurig worden geregeld. De motoren werden zuiniger en konden daardoor voldoen aan de nog niet zo heel strenge emissie-eisen.

Fase II

In fase II moet het roetgehalte meer dan gehalveerd worden. Dit kan bijvoorbeeld door de verbrandingstemperatuur omhoog te brengen. Bij een hogere verbrandingstemperatuur nemen de stikstofoxiden echter toe en die moeten ook omlaag. Natuurlijk kan via een roetfilter het aandeel PM omlaag. De keuze wordt in dit stadium echter door de fabrikanten gemaakt om de emissie bij de bron aan te pakken, de motor zelf, ook vanuit het oogpunt van de efficiëntie op termijn.

Om de NOx omlaag te krijgen, moet het verbrandingsproces vertraagd worden en moet tegelijkertijd meer en koelere lucht in de verbrandingskamer worden gebracht. Dit laatste heeft ook een gunstig effect op de PM-uitstoot. Om dit te realiseren optimaliseren de motorenfabrikanten het common rail inspuitsysteem en passen ze turbo’s toe. Deze worden gebruikt in combinatie met een tussenkoeler, die de temperatuur van de samengeperste lucht weer omlaag brengt, waardoor die meer zuurstof bevat. De uitdaging is om de motor zuiniger en schoner te maken.

Fase IIIA

In fase IIIA geldt er een eis voor het gecombineerde aandeel koolwaterstoffen (HC) en stikstofoxiden (NOx). Dat gezamenlijke aandeel moet ongeveer gehalveerd worden ten opzichte van de opgetelde waarden uit fase II. De technische oplossingen worden gezocht in het terugdringen van de NOx. Fabrikanten van motoren hebben nu 2 mogelijkheden. De meeste fabrikanten kiezen ervoor om de uitlaatgassen te reinigen. Dit gebeurt door ze in een katalysator te laten reageren met een ureumoplossing. Selective Catalytic Reduction (SCR) wordt dit proces genoemd. De ureumoplossing wordt bekend als Adblue.

De motor wordt er wel weer wat zuiniger door en heeft minder koelcapaciteit nodig, maar de katalysator moet goed op temperatuur komen om hem goed te laten werken en de Adblue moet van goede kwaliteit zijn. Daar gaat het in de beginperiode nog wel eens mis.

De andere mogelijkheid is dat een deel van de uitlaatgassen opnieuw in de verbrandingskamer wordt gebracht. Het is bekend als EGR, Exhaust Gas Recirculation. Vooral John Deere houdt lang vast aan dee mogelijkheid. Een elektrisch gestuurde klep regelt de hoeveelheid uitlaatgas die teruggaat. Er is ook een mogelijkheid om de uitlaatgassen terug te koelen, voordat ze weer de verbrandingskamer ingaan.

De motor loopt iets minder zuinig met EGR dan met SCR. En de EGR- klep is in het begin ook niet helemaal storingsvrij. De dikke uitlaten met filters en katalysatoren doen hun intrede, net als de tankjes met blauwe doppen voor de Adblue.

Fase IIIB

Deze fase, die ongeveer gelijk is aan de Amerikaanse TIER 4 interim, brengt de hoeveelheden HC en PM verder omlaag. Om dat te bereiken is een volledige verbranding en daarmee een hoge verbrandingstemperatuur noodzakelijk. Dat brengt echter de hoeveelheid NOx weer omhoog. Filtering van de uitlaatgassen is verder nodig. We krijgen in deze fase ook te maken met de Diesel Oxidatie Katalysator (DOC) en in een aantal gevallen ook met het Diesel Partikel Filter (DPF). Het DOC zet koolmonoxide (CO) om in kooldioxide (CO2) en koolwaterstof (HC) in water (H2O) en kooldioxide.

De DPF wordt ook wel roetfilter genoemd, maar dat is niet helemaal terecht. Het houdt namelijk ook andere deeltjes dan alleen roetdeeltjes tegen. De DPF bestaat uit een stelsel van kleine kanaaltjes met poreuze wanden. Het uitlaatgas kan wel door deze wanden, maar de deeltjes niet. Op een gegeven moment zitten er zoveel deeltjes tegen de wand, dat het filter zijn werk niet meer doet. Dan moet het geregenereerd worden.

Dit kan op 2 manieren. Via de passieve manier reageren de deeltjes op een lage temperatuur met zuurstofdioxide (NO2). Via de actieve regeneratie reageren ze op een hoge temperatuur met zuurstof (O2). Die hoge temperatuur wordt bereikt door diesel in te spuiten in de filter, waarmee dit schoon brandt.

Fase IV

Fase IV is ongeveer gelijk aan de Amerikaanse TIER 4 final. Tussen fase IIIB en fase IV zat maar 3 of 4 jaar. Veel fabrikanten hebben voor fase IIIB hun motoren dan ook zo aangepast, dat ze geen heel grote aanpassingen meer hoefden te doen om aan fase IV te voldoen.

In fase IV moet de uitstoot van NOx fors naar beneden worden gebracht. Bijna niemand ontkomt nu nog aan SCR met Adblue. Alleen bij motoren onder 75 pk lukt nog om zonder SCR de motoren voldoende schoon te krijgen.

Dit lukt omdat bij deze vermogens de eisen iets minder streng zijn dan bij grotere vermogens. Dan gaat het vooral om de uitstoot van HC en NOx. Er wordt in deze fase nog meer aandacht besteed aan een optimale verbranding, bijvoorbeeld door hogere inspuitdrukken in het common rail- systeem. Deze drukken lopen nu op tot 2.500 bar. Het is wel weer een fase waarin fabrikanten weer kunnen werken aan een optimaal brandstofverbruik. Dat was in de vorige fases niet altijd mogelijk, omdat het schoonmaken van de uitlaatgassen prioriteit had en soms een hogere hoeveelheid brandstof vroeg, waardoor de motoren niet altijd optimaal konden lopen.

Fase V

De fases I tot en met IV zijn ver van tevoren vastgesteld. In 2016 is pas de laatste fase bekendgemaakt, die in 2018 van start zou gaan, maar dat is uiteindelijk 2019 en voor sommige vermogensklassen 2020 geworden. Fase V is alleen een Europese norm. De Amerikanen gaan met hun EPA norm niet verder dan TIER 4 Final (onze fase IV).

Fase V gaat ook gelden voor vermogens tot 25 pk en vanaf 750 pk. Voor deze beide categorieën is het de eerste emissienorm, ze gaan dan ook minder ver dan voor de overige vermogensklassen. Het is voor deze overige klassen de PM die verder omlaag moet. Dat betekent dat eigenlijk iedereen nu een DPF toepast.

Agco Power heeft hiervan een bijzondere versie, de Soot Catalyst (SC). Het motormanagement regelt dat de motor altijd met een optimale temperatuur draait om de deeltjes te verbranden. Daardoor wordt het inspuitmoment veranderd als dat niet meer het geval is, bijvoorbeeld wanneer er minder vermogen gevraagd wordt. Alleen als de trekker langdurig op een laag vermogen draait, is het nodig om de SC schoon te branden.

En nu?

Wat betekent 20 jaar wetgeving voor motoremissies? De uitstoot van stikstofoxiden (NOx) en deeltjes (PM) is met 95% omlaag gebracht, de uitstoot van koolwaterstoffen (HC) met 85%, terwijl de uitstoot van koolmonoxide (CO) met 25 tot 30% omlaag ging. Dat heeft wel veel gevraagd. De motoren zijn fors duurder geworden en door het noodzakelijke gebruik van meer elektronica, filters en onderdelen ook kwetsbaarder. Maar zijn we er nu?

Het lijkt dat de dieselmotoren nu niet veel schoner meer kunnen. Er wordt nu gekeken naar de brandstof zelf. Het gebruik van synthetische diesel, bijvoorbeeld HVO, kan nog weer wat minder emissie opleveren en ook het gebruik van methaan kan daavoor zorgen. De industrie is verder naarstig op zoek naar alternatieven, bijvoorbeeld met elektrisch aangedreven trekkers en zelfrijders. Die stroom kan komen uit accu’s, maar ook met behulp van waterstof uit een brandstofcel. Duidelijk is dat de inspanningen voor een schoner milieu nog niet aan hun eind zijn.

Arend-Jan Blomsma