Een diesel zonder de damp

Dieselmotoren produceren de stikstofoxiden waarvan vooral de grote steden last hebben. Mazda heeft daarvoor een schone dieselmotor ontwikkeld. Maar waarschijnlijk is nabehandeling van de uitlaatgassen praktischer.

Skyactiv-D dieselmotor van Mazda, met een lage compressieverhouding van 1 op 14.
Skyactiv-D dieselmotor van Mazda, met een lage compressieverhouding van 1 op 14. Foto Mazda

De vier grote steden schreven eind vorig jaar een bezorgde brief aan staatssecretaris Mansveld van Infrastructuur en Milieu. Belangrijkste boodschap: we vrezen dat we niet kunnen voldoen aan de Europese normen voor luchtkwaliteit die per 1 januari 2015 ingaan. Vooral de stikstofoxiden zijn een probleem, schreven de steden. Dieselmotoren zijn de bekendste veroorzakers van dit goedje, dat de luchtwegen irriteert en onder meer tot smog leidt. Stikstofoxiden vormen de meest brandende dieselkwestie nadat roetfilters hadden afgerekend met de uitstoot van kleine deeltjes – het vorige grote probleem van de dieselmotor. Ze werden in 2009 verplicht voor nieuwe dieselauto’s.

Stikstofoxiden zijn moeilijker te bestrijden. Ze worden in de dieselmotor gevormd als bij de hoge temperatuur in de verbrandingskamer de stikstof uit de lucht oxideert tot voornamelijk NO en NO2. Al die oxiden worden meestal aangeduid als NOx. Op de rollenbanktest slagen de diesels vaak wel voor hun emissie-examen, maar in de praktijk is het resultaat veel slechter. Uit TNO-praktijktests uit 2012 bleek dat de werkelijke NOx-uitstoot soms wel drie keer zo hoog was als de toen geldende Euro 5-normen voor diesels toestonden – waarschijnlijk een van de redenen voor de hardnekkige aanwezigheid van NOx in de lucht. Een vergelijking met benzineauto’s viel dramatisch uit: het onderzoek leerde dat diesels op de weg soms wel 22 keer zoveel NOx produceren als benzineauto’s, die zich in de praktijk wél keurig aan de Euronormen bleken te houden.

In september vorig jaar werden de Euro 6-normen van kracht en werden de duimschroeven nog verder aangedraaid. Een dieselauto mag per afgelegde kilometer nog maar 80 milligram NOx produceren, flink wat minder dan de 180 milligram die onder Euro 5 nog was toegestaan. Voor benzineauto’s zijn de eisen nog strenger: 60 milligram per kilometer – dat was onder Euro 5 trouwens ook al zo.

Nu heeft een benzinemotor het wat schadelijke emissies betreft ook wel een stuk gemakkelijker. Door een bijzondere samenloop van omstandigheden kunnen de schadelijke uitlaatgassen koolmonoxide (CO), onverbrande koolwaterstoffen (HC) en NOx elkaar goeddeels uitschakelen in de geregelde drieweg katalysator waarmee elke benzinemotor is uitgerust. Een dieselmotor produceert veel minder koolmonoxide en onverbrande koolwaterstoffen. Dat is mooi, maar daarmee vervalt de mogelijkheid zo’n drieweg katalysator te gebruiken. Omdat een diesel wel zuiniger is dan een benzinemotor – en dus minder CO2 uitstoot – is hij lang door de Europese milieuautoriteiten ontzien, maar daar lijkt nu een einde aan te komen. Eerst werden de kleine deeltjes aangepakt, nu moeten de stikstofoxiden eraan geloven.

Maar hoe? Er is een aantal mogelijkheden. Om te beginnen kun je een deel van het uitlaatgas (vooral bestaand uit CO2) terugvoeren in de cilinder. Die ‘uitlaatgasrecirculatie’ (EGR) vermindert het zuurstof- en stikstofgehalte van de gecomprimeerde lucht, wat ook tot minder NOx leidt. Geen fraaie oplossing, want het rendement van de motor gaat achteruit en de productie van kleine deeltjes neemt weer iets toe. Maar die kunnen worden opgevangen in het roetfilter en de productie van NOx vermindert met 30 procent.

Dat is niet genoeg. Daarom wordt in kleinere diesels wel een systeem toegepast waarin de NOx wordt opgevangen en tijdelijk in het uitlaatsysteem wordt opgeslagen. Op gezette tijden, bijvoorbeeld tijdens een rit op een buitenweg, wordt de NOx-voorraad omgezet in stikstof door een extra dosis brandstof toe te voeren.

Water en ureum

Betrouwbaarder en effectiever is een systeem dat al geruime tijd in stationaire motoren en vrachtwagens wordt toegepast: selective catalytic reduction (SCR). Het komt erop neer dat de NOx wordt geneutraliseerd door aan de uitlaatgassen een mengsel van gedistilleerd water en ureum toe te voegen. De NOx wordt dan afgebroken tot gewoon stikstof en water. Het procedé werkt ook in de praktijk goed, het nadeel is dat de auto er een tankje bij krijgt waar de ureumoplossing in zit (bij tankstations verkrijgbaar onder de naam AdBlue). Per duizend kilometer heb je ongeveer twee liter nodig en het idee is dat de voorraad ureum bij een servicebeurt wordt bijgevuld. Om aan de Euro 6-normen te voldoen hebben veel fabrikanten van personenwagens (waaronder Audi, BMW, Mercedes, Citroën en Peugeot) hun modellen maar met zo’n tankje uitgerust. Het lijkt erop dat ook de rest van de autowereld voor die oplossing gaat kiezen.

Maar is dat echt de enige methode? Zou het niet mogelijk zijn de uitstoot van stikstofoxiden bij de bron te bestrijden? In de verbrandingskamer dus? Dat zou goedkoper en minder omslachtig zijn.

De Japanse autofabriek Mazda meldt dat zij dat inderdaad voor elkaar hebben gekregen. In hun nieuwe ‘Skyactive-D’- dieselmodellen is de compressieverhouding flink verlaagd: tot 1 op 14. Normaal is rond de 1 op 18. Een lage compressie leidt tot een lagere temperatuur in de verbrandingskamer en daardoor ook tot minder stikstofoxiden. En dat is nog maar één van de voordelen, zegt Mazda. De verlaagde compressieverhouding betekent ook dat het motorblok, de zuigers, drijfstangen en krukas lichter kunnen worden geconstrueerd – wat een dieselmotor met hogere toerentallen, en een lichtere en zuinigere auto mogelijk maakt. Of de auto ook in de praktijk zuiniger is dan de concurrentie is nog niet duidelijk.

Maar dure nabehandeling van de uitlaatgassen is niet nodig en in sommige commentaren werd al gesproken van de ‘wedergeboorte van de diesel’. Wel rijst de vraag waarom de concurrentie ook niet op dat simpele idee kwam. Daar zijn een paar redenen voor. De eerste is dat een lagere compressieverhouding en een lagere temperatuur van de samengeperste lucht ook tot een slechte koude start en matige ontbranding bij deellast leiden. Mazda zegt dat ze die problemen hebben opgelost met speciale inspuiters, die uit verschillende openingen tot wel 9 keer per compressieslag een straaltje diesel de cilinder in kunnen spuiten. Verder wordt de temperatuur in de verbrandingskamer zonodig verhoogd door heet uitlaatgas in de cilinder terug te zuigen. Daartoe laat de Mazda ook de uitlaatklep even open staan als via de inlaatklep lucht wordt aangezogen.

Met die ingrepen slaagde Mazda voor het Euro 6-examen, een hele prestatie gezien de eenvoud van de oplossing. Maar in de VS gaat het minder goed. De introductie van de nieuwe Mazdadiesel is daar al enige keren uitgesteld. De fabriek vertelt niet waarom, maar in de autowereld wordt gespeculeerd dat de Mazda’s niet aan de strenge Amerikaanse emissie-eisen kunnen voldoen zonder het vermogen van de auto’s flink terug te schroeven. Een auto waarin toch een ureumtankje is ingebouwd zou een oplossing kunnen zijn – want dan is een hogere compressie en een hoger vermogen weer wél mogelijk. Maar dan zou er van het speciale van de Mazda-oplossing weinig overblijven.

Op de achtergrond speelt natuurlijk ook die andere kwestie: de uitstoot van broeikasgas CO2. Diesels scoren hier goed, want ze zijn zuiniger dan benzineauto’s. Voornaamste oorzaak: hun hoge compressie. Dieselonderzoeker Bart Somers, verbonden aan de TU Eindhoven: „Een lagere compressieverhouding betekent onvermijdelijk dat de efficiency omlaag gaat. Dat vind ik dus een stap terug, want vermindering van de CO2-productie gaat steeds belangrijker worden. Daar heb je zeer zuinige motoren voor nodig.”

Nu zijn er voor de CO2-uitstoot van auto’s nog geen wettelijke maximumnormen. Er zijn wel Europese richtlijnen, maar die gelden voor de gemiddelde CO2-emissie van de gehele vloot die een bepaalde fabrikant produceert, niet voor afzonderlijke auto’s. En verder zijn er belastingvoordelen voor zuinige auto’s. Maar de druk neemt toe, en in richtlijnen en doelstellingen worden steeds lagere hoeveelheden CO2 per kilometer genoemd. Dat zijn allemaal gunstige omstandigheden voor de dieselmotor.

Of er ook voor diesels met een lage compressieverhouding een plaats is in die zuinigheidsrace is nog een open vraag. De dieselauto met een ureumtankje lijkt op dit moment de beste papieren te hebben: een hoge compressieverhouding, dus zuinig, en met een lage NOx-uitstoot, dus betrekkelijk schoon. Daar zijn ook de grote steden mee geholpen – al zal het nog lang duren voordat ze het aan hun luchtkwaliteit kunnen merken.