Uitlaatgasnabehandeling: ontwerp, werking en diagnose

Hier vindt u waardevolle en nuttige tips voor garages over het thema ontwerp, werking en diagnose van de uitlaatgasnabehandeling.

Belangrijke veiligheidsinstructie
De volgende technische informatie en praktische tips zijn door HELLA ontwikkeld om autogarages bij hun werkzaamheden professioneel te ondersteunen. De op deze website beschikbare informatie mag alleen worden gebruikt door vakmensen die in de desbetreffende materie zijn opgeleid.

 

Ontwerp en werking van de uitlaatgasnabehandeling: Basisprincipes

Met uitlaatgasnabehandeling worden de processen bedoeld waarbij de uitlaatgassen mechanisch, katalytisch of chemisch worden gereinigd nadat zij de verbrandingskamer hebben verlaten.

 

Nabehandeling vindt plaats om de bij de verbranding geproduceerde verontreinigende stoffen om te zetten in onschadelijke uitlaatgassen. Onderdelen van de uitlaatgasnabehandeling zijn onder andere katalysatoren en roetfilters. Tegenwoordig kunnen beide componenten zowel op een benzinemotor met directe inspuiting als op een dieselmotor worden geïnstalleerd.

 

In het uitlaatgaskanaal kunnen bijvoorbeeld de volgende systemen worden geïnstalleerd om de uitstoot van verontreinigende stoffen te verminderen:

 

 

Benzinemotor

  • Driewegkatalysator
  • NOx-opslagkatalysator (armmengselmotoren)
  • Benzine-roetfilter (motoren met directe inspuiting)

 

Dieselmotor

  • Oxidatiekatalysator
  • Roetfilter
  • NOx-opslagkatalysator
  • SCR-katalysator

Katalysator

De katalysator die tegenwoordig het meest wordt gebruikt in conventionele benzinemotoren, is de geregelde driewegkatalysator. De katalysator heeft tot taak de verontreinigende stoffen die afkomstig zijn van het verbrandingsproces van de brandstof, door middel van een chemische reactie om te zetten in niet-giftige uitlaatgassen. In combinatie met de motorbesturing en de lambdasonde wordt het lucht-brandstofmengsel nauwkeurig geregeld, zodat de katalysator de hoeveelheid verontreinigende stoffen kan reduceren. Het optimale werktemperatuurbereik van katalysatoren ligt tussen 400 en 800 °C.

Opbouw

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.

Werking

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.

Video's over het thema

Katalysator

In onze video crash course geven wij u inzicht op het onderwerp katalysatoren

Roetfilter voor dieselmotoren

Roetfilters worden in het uitlaatkanaal van dieselmotoren geïnstalleerd om de roetuitstoot te verminderen. Het dieselroetfilter (DPF) slaat de vaste deeltjes op die in de motor niet volledig worden verbrand. Deze zogenoemde nanodeeltjes zijn zeer schadelijk voor mens en milieu. De binnenkant van het roetdeeltjesfilter bestaat uit een keramisch filter met een groot aantal kleine kanaaltjes. Deze kanalen met poreuze wanden worden afwisselend gesloten en verdeeld in inlaat- en uitlaatkanalen. De uitlaatgassen stromen door de filterwanden, waarbij de roetdeeltjes zich op de filterwanden afzetten. De poreuze wanden zorgen voor een goed filtereffect en een hoge mate van afscheiding. Het toenemend aantal opgehoopte roetdeeltjes verhoogt de tegendruk in het uitlaatsysteem. De belasting- of stromingsweerstand van het roetfilter wordt bewaakt door de motorbesturing. Een drukverschilsensor registreert de gegevens vóór en achter het roetfilter en geeft deze informatie door aan de motorbesturing. Als het drukverschil een bepaalde waarde overschrijdt, start de regeleenheid een regeneratie om de deeltjes te verbranden.

 

Voor de verbranding van de roetdeeltjes moet de uitlaatgastemperatuur in het roetfilter worden verhoogd tot 600 – 650 °C. Daartoe spuit het motorbesturingssysteem tijdens de actieve regeneratie extra brandstof in of voert inspuiting achteraf uit, waardoor de uitlaatgastemperatuur stijgt.

 

Afhankelijk van het voertuig en het systeem kan de regeneratie om de 400-700 km worden uitgevoerd.

 

Om temperatuurbereiken boven 700°C te voorkomen, wordt de temperatuur bewaakt door een uitlaatgastemperatuursensor die zich net vóór het roetfilter bevindt.

 

De as die tijdens de regeneratie ontstaat, wordt niet volledig verwijderd door de uitlaatgasstroom en hoopt zich daarom op in het filter. Hierdoor kan het filter verstopt raken en moet het worden gereinigd of vervangen. Dit resulteert in vervangingsintervallen voor het filter, bijvoorbeeld om de 120.000 km.

Instructie

Om de roetbelasting van het roetdeeltjesfilter te berekenen, gebruikt de motorbesturing de signalen van de drukverschilsensor, de temperatuursensoren voor en na het roetdeeltjesfilter en de luchtmassameter. Daarom worden de signalen als één eenheid beschouwd.

Video's over het thema

Dieselroetfilter

De video geeft een opfrissing van de kennis: U wordt wegwijs gemaakt in de feiten over structuur, functie en de juiste testprocedures. Ons gemeenschappelijk doel: vermindering van de uitstoot!

Regeneratie

Afhankelijk van de voertuigfabrikant en het systeem kunnen verschillende regeneratieprocedures voor roetfilters worden uitgevoerd.

 

Passieve regeneratie
Passieve regeneratie vindt plaats zodra de uitlaatgastemperatuur in het roetfilter een waarde van 350 - 500 °C bereikt tijdens ritten op de snelweg bij verhoogde snelheden.

 

Actieve regeneratie
De actieve regeneratie wordt uitgevoerd door het motormanagement. Wanneer de belastingsgrens van het roetfilter wordt bereikt, verhoogt de motorregeling de temperatuur van de uitlaatgassen naar 600-650 °C om de roetdeeltjes te verbranden.

 

Geforceerde regeneratie
Dit type regeneratie kan door een werkplaats worden uitgevoerd via een diagnoseapparaat volgens gespecificeerde instructies.

Gecombineerd roetfilter

Roetfilter en oxidatiekatalysator kunnen in een enkele behuizing worden gemonteerd als een roetfilter met katalytische coating. In deze combinatie is de katalysator vóór het roetfilter gemonteerd. Zo wordt de functie van een dieseloxidatiekatalysator en dieselroetfilter in één component gecombineerd. Hierdoor kunnen koolwaterstof (HC) en koolmonoxide (CO) worden omgezet in water (H2O) en kooldioxide (CO2) en roetdeeltjes uit het uitlaatgas worden gefilterd. Een andere taak van de oxidatiekatalysator is het aanpassen van de verhouding tussen stikstof (NO) en stikstofdioxide (NO2) om een passieve regeneratie van het DPF-filter mogelijk te maken en de prestaties van de SCR-katalysator te verhogen. Als de uitlaatgassen door de katalysator stromen, wordt hun temperatuur verhoogd door chemische processen. Met de uitlaatgasstroom wordt warmte overgedragen naar het roetfilter. Dit betekent dat de katalysator het roetfilter helpt op te warmen.

NOx - opslagkatalysator

De NOx-opslagkatalysator wordt gebruikt in dieselmotoren en benzinemotoren met directe inspuiting. De katalysator heeft een katalytische coating van stoffen zoals kaliumoxide of bariumoxide die stikstofoxidemoleculen binden. Zodra de opslagkatalysator een bepaalde absorptiecapaciteit heeft bereikt, stelt het motorbesturingssysteem het lucht-brandstofmengsel rijker in, waardoor de uitlaatgastemperatuur stijgt. De gewijzigde samenstelling van de uitlaatgassen leidt tot regeneratie, waarbij de stikstofoxiden (NOx) worden gereduceerd tot stikstof (N2) en water (H2O).

SCR-katalysator

Selective Catalytic Reduction (SCR - selectieve katalytische reductie) is een van de nieuwste en meest geavanceerde ontwikkelingen op het gebied van uitlaatgasreductie voor motorvoertuigen. Deze technologie is sinds 2014 in gebruik en voldoet aan de EURO 6-emissienorm. Door ureum (AdBlue) aan de uitlaatgasstroom toe te voegen, worden de stikstofoxiden (NOx) in de NOx-opslagkatalysator door middel van een selectieve katalytische reactie omgezet in stikstof (N2), waterdamp (H2O) en een kleine hoeveelheid CO2. Het ontwerp van een NOx-katalysator is hetzelfde als dat van een oxidatiekatalysator.

Sensoren voor uitlaatgasnabehandeling

Moderne nabehandelingssystemen voor uitlaatgassen bestaan niet alleen uit de componenten van het uitlaatsysteem, maar vereisen ook diverse sensoren die de samenstelling van de uitlaatgassen bewaken en hun informatie doorgeven aan de motorbesturingseenheid.

Lambdasonde

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

Uitlaatgastemperatuursensor

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.

Drukverschilsensor

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.

Stikstofoxidesensor

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.

Diagnose van het uitlaatsysteem: Foutopsporing

Voordat de diagnose van de regelapparaten op het voertuig wordt gestart, moet een visuele inspectie van het gehele uitlaatsysteem worden uitgevoerd. Externe schade is meestal al merkbaar door een veranderd geluidsgedrag en kan worden veroorzaakt door scheuren of doorroesten van buizen, aansluitingen of geluiddempers. Geluid afkomstig van de binnenkant van de systeemonderdelen kan worden gelokaliseerd door te schudden of te kloppen op het onderdeel. Uiteraard moeten in dit verband ook de vaste schroefverbindingen, reflectieplaten en rubberen bevestigingen worden gecontroleerd. Hierbij moeten ook de uitlaatgassensoren niet worden vergeten, die over het gehele traject van het systeem kunnen zijn gemonteerd. Bedrading of elektrische stekkerverbindingen kunnen beschadigd zijn door omgevingsinvloeden zoals vuil, water of strooizout.

Diagnose van de regelapparaten

De werking van het injectiesysteem of de uitlaatgasnabehandeling kan alleen worden gecontroleerd met een geschikt diagnoseapparaat.

 

De werking van de afzonderlijke componenten voor uitlaatgasnabehandeling wordt bewaakt door sensoren en doorgegeven aan de bijbehorende hogerliggende systeemregeleenheid. Eventuele fouten worden opgeslagen in het foutgeheugen van de motorbesturingseenheid en kunnen met een geschikt diagnoseapparaat worden uitgelezen. Afhankelijk van het voertuig en het systeem kunnen extra functies zoals een parameter- of actuatortest worden geselecteerd en vervolgens worden weergegeven of uitgevoerd in het diagnoseapparaat. De gegevens van de ECU-communicatie vormen de basis voor de eigenlijke probleemoplossing en een succesvolle reparatie. Bovendien kunnen de emissiewaarden worden gecontroleerd en geëvalueerd via een meting aan de uitlaatpijp.

 

De volgende diagnose-informatie wordt gepresenteerd met een Mercedes-Benz E350 24V CDI (212) en een Volkswagen Golf 5 Plus als voorbeeld.

Storingsgeheugen motorbesturing uitlezen

Met deze functie kunnen de in het storingsgeheugen opgeslagen foutcodes worden uitgelezen en gewist. Daarnaast kan er informatie over de foutcodes worden opgeroepen.

 

In ons voorbeeld werd een defecte NOx-sensor herkend, waardoor foutcode P220317 in het foutgeheugen werd opgeslagen.

 

  • P220317 / NOx-sensor 1 bank 1
  • Kortsluiting naar plus / spanningsgrenswaarde overschreden

Parameters uitlezen

Met deze functie kunnen actuele meetwaarden, zoals motortoerental, temperatuur of de status van afzonderlijke uitlaatgascomponenten worden geselecteerd en weergegeven.

 

  • SCR-katalysator / NOx-sensoren
  • Functietest katalysator / vergelijking lambdasondes
  • Laadtoestand roetfilter / drukverschilsensor

Systeeminformatie

Voor de foutopsporing kan systeemspecifieke informatie uit de voertuiginformatie worden gebruikt. Hier kan bijvoorbeeld een systeemoverzicht van de uitlaatgasnabehandeling worden gebruikt voor verdere foutopsporing.

Uitlaatpijpmeting

Met de uitlaatpijpmeting kunnen de uitgestoten uitlaatgassen direct aan de uitlaatlijn worden geregistreerd en geëvalueerd. Defecten in het uitlaatsysteem of in de uitlaatgasnabehandeling worden opgespoord en kunnen worden opgenomen in de verdere probleemoplossing.

Hoe nuttig is dit artikel voor jou?

Helemaal niet nuttig

Zeer nuttig

Vertel ons alstublieft wat u niet leuk vond.
Bedankt! Maar voordat u weggaat!

Schrijf je in voor onze gratis HELLA TECH WORLD-nieuwsbrief om op de hoogte te blijven van de nieuwste technische video's, adviezen voor autoreparaties, trainingen, marketingcampagnes, diagnostische tips en leuke winacties!

Meer informatie over onze nieuwsbrief weergeven Meer informatie over onze nieuwsbrief uitschakelen

Schrijf je in voor onze gratis HELLA TECH WORLD-nieuwsbrief om op de hoogte te blijven van de nieuwste technische video's, adviezen voor autoreparaties, trainingen, marketingcampagnes, diagnostische tips en leuke winacties!

Samen krijgen we auto's snel weer op de weg!

Met uw aanmelding voor de nieuwsbrief hebt u de mogelijkheid om de nieuwe HELLA Werkplaatskalender 2024 nu naar uw werkplaats opgestuurd te krijgen. Zolang de voorraad strekt!

Gegevensbescherming | Uitschrijven

Let op:
Je wordt pas op de nieuwsbrief ingeschreven nadat je op de bevestigingslink hebt geklikt in de kennisgevingsmail die je binnenkort gaat ontvangen!

Gegevensbescherming | Uitschrijven

We zijn er bijna!

Het enige wat je hoeft te doen, is je aanmelding te bevestigen!
We hebben een e-mail gestuurd naar your email address.

Controleer je inbox en klik op de bevestigingslink om HELLA TECH WORLD-updates te kunnen ontvangen.

Verkeerde e-mail of geen bevestiging ontvangen?
Klik hier om e.e.a. opnieuw in te voeren.