Dieselmotor – veelbelovende moderne technologie, of milieukiller?

Ons buurland Duitsland werd vroeger beschouwd als een echt dieselland, maar zelfs in de thuishaven van BMW en Volkswagen daalt het marktaandeel van dieselmotoren in nieuwe auto’s al maandenlang. Volgens officiële statistieken waren dieselauto’s goed voor 46,3% van de nieuwe registraties in de eerste helft van 2017. In het voorgaande jaar was dit 50,2%. Het afgasschandaal, waarin de hoeveelheid stikstofoxiden, CO2-uitstoot en fijnstofvervuiling van uitlaatgassen werd gemanipuleerd, hebben een debat op gang gebracht over een mogelijk verbod. Dit veroorzaakt onzekerheid bij kopers. Maar hoe werkt een dieselmotor eigenlijk? En waar is alle kritiek op gebaseerd? De auto-experts van Carpardoo zetten de zaken haarfijn op een rij.

Hoe werkt een dieselmotor?

Een dieselmotor is een zelfontsteker en verschilt van een benzinemotor omdat er geen mengsel van brandstof en lucht geïnjecteerd wordt. In plaats daarvan wordt de lucht tijdens de compressiecyclus sterk samengeperst, wat resulteert in een temperatuurstijging. De compressie verwarmt het gas tot tussen de 700 en 900 graden Celsius, wat voldoende is om de brandstof die kort voor het bovenste dode punt (BDP) van de zuiger geïnjecteerd wordt te ontsteken. Daarom heeft een dieselmotor ook geen bougies nodig. In plaats daarvan worden er meestal gloeibougies (gloeipluggen) gebruikt, die de cilinder en de verbrandingskamer verwarmen om een te ondersteunen bij een koude start. Deze functioneren ondertussen bijzonder snel en bereiken temperaturen tot 1200°C. Het langzaam voorverwarmen van de verbrandingskamer en wachten met het starten van de motor is bij moderne dieselmotoren dus ook niet meer nodig.

Een dieselmotor gebruikt tussen de 33% en 45% van de energie die in de brandstof is opgeslagen. De overige energie – ongeveer 60% – gaat verloren in de vorm van warmte en licht. Het rendement mag misschien laag lijken, maar ligt toch beduidend hoger dan dat van een benzinemotor. Dit komt door de hogere verbrandingstemperaturen.

Waar is de dieselkritiek op gebaseerd?

Tijdens het verbrandingsproces reageren de chemische elementen koolstof en waterstof met de zuurstof in de inlaatlucht. Ze oxideren tot kooldioxide en water. Het is echter niet mogelijk om deze ideale volledige verbranding in de praktijk ook te realiseren, zodat de stikstof die in de lucht aanwezig is ook reacties aangaat en gedeeltelijk wordt omgezet in stikstofoxiden. Deze nitreuze gassen zijn schadelijk voor de gezondheid, en vormen een van de hoofdpunten van kritiek op diesel. Toen het Duitse Milieuagentschap in april 2017 nieuwe gegevens publiceerde waaruit bleek dat zelfs moderne dieselvoertuigen de voorgeschreven EU-grenswaarden voor stikstofoxide vele malen overschrijden, veroorzaakte dit een vloedgolf aan protest.

Het dieselschandaal ontstond toen ontdekt werd dat Volkswagen in september 2015 miljoenen auto’s had gemanipuleerd. Volkswagen bekende dit uiteindelijk ook. De controle-eenheden van de betrokken voertuigen waren in staat om te herkennen of de auto zich in een testsituatie of een normale rijsituatie bevond, en paste zich daaraan aan. De reputatie van de Duitse autofabrikanten heeft enorm geleden onder het dieselschandaal. In de huidige EcoTest van de Duitse automobilistenbond ADAC werden 188 dieselmodellen van twaalf verschillende autofabrikanten onderzocht. Vele voertuigen slaagden er niet in om (relatief) schone uitlaatgassen te produceren. Auto’s van fabrikanten buiten Duitsland presteerden nog slechter en stoten zelfs tot vijf keer zoveel schadelijke stoffen uit. Alle geteste voertuigen waren moderne Euro 6-dieselmotoren, die sinds 2013 op de markt zijn.

Welke technische oplossingen zijn er?

De brandstofinjectie is de laatste jaren aanzienlijk verbeterd om de verbranding te optimaliseren. Het doel is om een zo homogeen mogelijk brandstof-luchtmengsel te creëren. Dit wordt mogelijk gemaakt met een hoge injectiedruk die zorgt voor fijne verstuiving. Op het moment biedt de technologie uitkomst met common-rail-systemen en pompverstuivers. Maar er liggen ook andere technologieën op tafel. Emissies kunnen bijvoorbeeld worden teruggebracht door klepregelsystemen, variabele compressie, waterinjectie, een nauwkeurigere afstelling van de turbolader, het hergebruiken van de restwarmte, uitlaatgasrecirculatie en het koelen van de inlaatlucht. Veel onderzoek blijft zich richten op injectietechnologie. Injecties onder hogere druk en meerdere injecties per milliseconde zouden kunnen leiden tot een betere vermenging met lucht. Het nadeel van dit onderzoek schuilt in de verbrandingsresten, die worden dan ook kleiner, en het microscopisch fijne stof zou zo klein kunnen worden dat ze niet meer uit de uitlaatgassen kunnen worden gefilterd. Het inademen van deze deeltjes kan kanker veroorzaken bij mensen.

De geïnjecteerde diesel ontsteekt door de gastemperatuur van de perslucht.
Afbeelding: Tosaka @wikimedia.org (CC BY 3.0)

Een andere aanpak richt zich op het efficiëntere afbreken van stikstofoxiden via de katalysator, alsook bijvoorbeeld op het sneller bereiken van de bedrijfstemperatuur. Fabrikanten hebben echter geen oren naar het achteraf inbouwen (retrofitten) van SCR-katalysatoren in gemanipuleerde auto’s vanwege de hoge kosten. Dit kan tot wel 1.500 euro per auto kosten. Dit type katalysator gebruikt ureum, dat als AdBlue-vloeistof in een aparte tank wordt vervoerd. De stikstofoxiden kunnen door bepaalde chemische reacties weer worden omgezet in eenvoudige stikstof. Deze oplossing heeft als nadeel dat er een extra tank nodig is voor de AdBlue-vloeistof. Ook dient de bestuurder deze tank regelmatig bij te vullen. Het vertrouwen dat mensen dit trouw doen is laag, en dus werken onderzoekers momenteel aan een oplossing die ook werkt als mensen hun verantwoordelijkheid niet nakomen.

Volgens rapporten van de Duitse nieuwssite welt.de werken wetenschappers van het Jülich Institute for Energy and Climate Research met een bijzonder interessante aanpak. De katalysator absorbeert in eerste instantie stikstofoxiden in poreuze structuren. Wanneer de absorptiecapaciteit is bereikt, worden de stikstofoxiden omgezet in ammoniak. Ammoniak is vervolgens nodig om de volgende stikstofoxiden te neutraliseren. Als het reservoir is opgebruikt, begint het proces weer volledig opnieuw. De technologie werkt met nieuwe materialen die in keramische hoge temperatuur brandstofcellen gebruikt worden. Gerenommeerde autofabrikanten en katalysatorfabrikanten zijn bij het onderzoek betrokken, maar het is voorlopig nog onduidelijk of en wanneer het systeem klaar zal zijn voor de markt.

Vermindering van stikstofoxidenwaarden door middel van elektrificatie

Ander technologische vooruitgang is gericht op het gebruiken van extra technologie – bij in zogenaamde “milde-hybrideauto’s” helpt een 48 V-elektromotor om de dieselmotor schoner te maken. Vooral bij het optrekken produceren dieselmotoren bijzonder vee stikstofoxiden. Dan zorgt de elektromotor ervoor dat de dieselmotor minder belast wordt en toch de nodige energie krijgt. Deze aanpak zou de uitstoot van nitreuze gassen met meer dan 60 procent kunnen verminderen.

Het sneller bereiken van de bedrijfstemperatuur van de katalysator

Dieselhybriden bieden een mogelijke oplossing maar veroorzaken op hun beurt ook weer een nieuw probleem. Omdat de motor vaak minder toeren maakt of zelfs helemaal tot stilstand komt, koelt deze zo sterk af dat gewone SCR-katalysators niet meer werkt en helemaal niet starten. Een elektrisch verwarmingselement, de zogenaamde ‘Emicat’, is bedoeld om dit probleem dan weer de wereld uit te helpen. De SCR-katalysator die de gassen van de motor opvangt bereikt dan sneller zijn bedrijfstemperatuur. Een injectie van AdBlue zou er daarnaast voor moeten zorgen dat de uitstoot van stikstofoxide met nog eens 14% wordt verminderd.

Nieuwe, verbeterde brandstof

De ontwikkeling van nieuwe brandstoffen is al in volle gang. Onderzoekers experimenteren momenteel met     , een organische verbinding die het ontstaan van verontreinigende stoffen gedurende de verbrandingsfase onderdrukt. De nieuwe brandstof zou aanzienlijk minder stikstofoxiden moeten uitstoten en zowel roetvrij alsook CO2-neutraal zijn.

Heeft de diesel nog toekomst?

De verschillende manipulaties die tijdens de uitlaatgastests aan het licht zijn gekomen hebben zonder twijfel vragen opgeworpen over de toekomstige levensvatbaarheid van dieselmotoren. In plaats van bestaande potentiële oplossingen consequent na te gaan, heeft de industrie de voorkeur gegeven aan een eenvoudigere oplossing – bedrog. Dit gedrag draagt er nu toe bij dat de toekomst van diesel niet alleen van technische aspecten afhangt, maar het lot van dieselmotoren ook in de handen van de politiek en de media ligt. Tot nu toe hebben zowel de automobielindustrie als de meeste overheden de verdere ontwikkeling van dieselmotoren ondersteund. Maar hoe lang deze steun zal duren, kan niet met zekerheid worden gezegd. Sommige politici zien dieselvoertuigen alleen als overbruggingstechnologie, terwijl anderen stemmen al de kop van diesel op het schavot willen zien. Het kan goed zijn dat alle toekomstige auto’s dus ofwel hybride zijn, ofwel alleen een elektrische motor hebben. Naar schatting zullen plug-in hybrideauto’s en elektrische auto’s samen goed zijn voor ongeveer 70% van de nieuwe autoregistraties in 2030. Het Duitse Milieuagentschap stelt vast dat moderne Euro 6-dieselmotoren momenteel gemiddeld 507 in plaats van de toegestane 80 mg/kilometer aan stikstofoxiden uitstoten. Koren op de molen van dieselcritici.