Uitlaatgasnabehandeling: ontwerp, werking en diagnose

De katalysator bestaat uit een honingraatvormig keramisch of metalen lichaam met enkele duizenden kanalen. Op de kanalen wordt een tussenlaag (wash coat) van aluminiumoxide aangebracht, waardoor het oppervlak ongeveer 7000 maal wordt vergroot. Bovendien wordt een katalytische laag met de edelmetalen rhodium, palladium en platina op de tussenlaag gedampt. In de roestvrijstalen behuizing wordt de katalysator op zijn plaats gehouden door een isolatiemat, die tegelijkertijd de thermische uitzetting compenseert.

De schadelijke uitlaatgassen van de motor worden via het uitlaatspruitstuk naar de katalysator gevoerd en stromen door de kanalen van de honingraatvormige drager die van metaal of keramiek is gemaakt. Het contact van de uitlaatgassen met de katalytische laag brengt een chemische reactie op gang.

Op de edelmetalen platina en palladium worden koolmonoxide en koolwaterstoffen geoxideerd tot kooldioxide, en op rhodium worden stikstofoxiden gereduceerd tot stikstof (N2). De term driewegkatalysator betekent dat drie chemische omzettingen gelijktijdig naast elkaar plaatsvinden zodra de bedrijfstemperatuur is bereikt. Zo worden koolmonoxide (CO), koolwaterstoffen (HC) en stikstofoxiden (NOx) omgezet in stikstof (N2), kooldioxide (CO2) en water (H2O).

De werking van de katalysator wordt bewaakt door een tweede lambdasonde, ook wel monitorsensor genoemd, die zich achter de katalysator bevindt. Deze monitorsonde meet het zuurstofgehalte in de uitlaatgassen en geeft deze meetwaarden door aan de regeleenheid. De regeleenheid vergelijkt de waarden van de katalysatorsondes voor en na en kan zo de werking van de katalysator evalueren. Indien beide waarden bijna even hoog zijn, kan worden geconcludeerd dat de katalysator een lage zuurstofopslagcapaciteit heeft en dat dit te wijten is aan een defecte katalysator.

De lambdasonde bepaalt het resterende zuurstofgehalte in het uitlaatgas en geeft de motorregeling een elektrisch signaal om de samenstelling van het mengsel te regelen. Voor een ideaal rendement van de katalysator is een optimale verbranding nodig. Deze wordt bij een benzinemotor bereikt bij een mengselsamenstelling van 14,7 kg lucht op 1 kg brandstof (stochiometrisch mengsel). Dit optimale mengsel wordt met de Griekse letter λ (lambda) aangeduid. Met lambda wordt de luchtverhouding tussen de theoretische luchtbehoefte en de daadwerkelijk toegevoerde hoeveelheid lucht uitgedrukt:

λ = toegevoerde hoeveelheid lucht: theoretische hoeveelheid lucht = 14,7 kg: 14,7 kg = 1

Bij moderne voertuigmodellen worden er op verschillende plaatsen in het uitlaatsysteem van zowel diesel- als benzinevoertuigen uitlaattemperatuursensoren ingebouwd. De uitlaatgastemperatuursensor meet de temperatuur, bijvoorbeeld voor de katalysator of het roetfilter, en meldt deze in de vorm van een spanningssignaal aan het motorregelapparaat. Het motorregelapparaat heeft deze informatie nodig om de samenstelling van het mengsel of de regeneratie van het roetfilter te regelen en zo de uitstoot effectief te verminderen. Daarnaast helpen hogetemperatuursensoren de componenten in het gebied van de hete uitlaatgasstroom tegen kritische oververhitting te beschermen.

De uitlaatgasdruksensor, ook verschildruksensor genoemd, is bij dieselmotoren nodig voor de controle van het roetfiltersysteem. Door toenemende roet- en asafzettingen verandert de verschildruk in het roetfilter. De drukverschilsensor meet het drukverschil tussen het uitlaatgas aan de inlaat- en uitlaatzijde van het roetfilter. Deze meetwaarde heeft de elektrische motorbesturing nodig als extra informatie voor het berekenen van het tijdstip voor regeneratie van het roetfilter. Op deze wijze vormt deze sensor een nieuw onderdeel van de regelsystemen voor de uitstoot van schadelijke stoffen voor dieselmotoren, gebaseerd op de Europese emissiewetgeving.

De NOx-sensor (stikstofoxidesensor) bestaat uit een sonde en een besturingseenheid die via een kabelboom permanent met elkaar zijn verbonden als één eenheid. Deze sensoreenheid is geïnstalleerd in het uitlaatgaskanaal en wordt gebruikt om stikstofoxiden in de uitlaatgasstroom te detecteren. De NOx-sensor is een belangrijk onderdeel van het nabehandelingssysteem voor NOx-reductie dat wordt gebruikt in dieselvoertuigen met op ureum gebaseerde SCR-systemen (Selective Catalytic Reduction) en dat ervoor zorgt dat de strenge emissiewaarden vanaf Euro-norm 5 worden aangehouden. Zo zorgt de NOx-sensor voor een optimale dosering van AdBlue via het motorsysteem en dus voor een doeltreffende vermindering van de voor het milieu schadelijke stikstofoxiden. Als het SCR-systeem over een upstream- en downstream-NOx-sensor beschikt, heeft de downstream-sensor de taak het effect van de SCR-katalysator te controleren.