Fijnstof is slecht voor het milieu en slecht voor de gezondheid van burgers. De uitstoot van roetdeeltjes door dieselmotoren wordt daarom door de overheid met boetes en subsidies aangepakt. Oudere voertuigen met een te hoge emissie komen niet meer door de keuring en worden in sommige gevallen geweerd uit stadscentra. Nieuwe auto’s en vrachtwagens worden intussen verplicht voorzien van roetfilters en andere symptoombestrijders om de uitstoot te verminderen.

Ir. Michael Boot doet al vijf jaar onderzoek naar schonere dieselmotoren. Hij besloot om niet mee te gaan met de ‘oplossingen die met plakband op de uitlaat worden vastgezet’. De jonge onderzoeker richt zich liever op de kern van het probleem, namelijk het mengproces van brandstof en zuurstof in de motorcilinder. In zijn proefschrift ‘Approaches to improve mixing in compression ingnition engines’ beschrijft Boot de drie strategieën die hij koos om het mengproces te verbeteren waardoor de uitstoot van roet afneemt. Hoewel ze los toepasbaar zijn, kunnen ze in de juiste verhouding elkaar wel versterken. Een: zorg voor een brandstof die bij compressie minder snel ontbrandt en daardoor langer tijd heeft om te mengen met zuurstof. Twee: spuit de brandstof eerder in. Drie: ontwerp een injector die de brandstof fijner vernevelt.

Boot: “Ruim de helft van het proefschrift gaat over een brandstofaanpak om het mengproces te verbeteren. Dat gaat via twee manieren. Als eerste kun je aan de diesel een component toevoegen waar zuurstof al in de moleculen zit. Hierdoor is de brandstof van nature al gedeeltelijk gemengd. Een tweede manier om het mengproces te verbeteren, is het gebruik van cyclische moleculen. Die zijn laag reactief waardoor meer tijd ontstaat tussen brandstofinjectie en zelfontsteking. Dankzij die extra tijd mengen brandstof en zuurstof beter. Uiteindelijk is gekozen voor een combinatie, namelijk cyclische moleculen met een zuurstofatoom aan het molecuul.”

De zoektocht naar cyclische moleculen gebeurde met ‘reverse engineeren’. “We hebben ons een denkbeeldige vraag gesteld. Een motor loopt de bar binnen, wat wil hij bestellen? Zijn favoriete drankje is niet dieselbrandstof. Wat hij wel heel lekker vindt, zijn die cyclische moleculen. Want die leiden tot zeer lage uitstoot van roet- en NOx of stikstofoxide. In samenwerking met Scheikundige Technologie kwamen we erachter dat die moleculen gemaakt kunnen worden uit lignine. Dat is eigenlijk de lijm die de celwanden van plantenafval bijeen houdt. Lignine is het belangrijkste afvalproduct van de papierindustrie en raffinaderijen die cellulose omzetten naar bio-ethanol. Het is goedkoop te produceren. We gaan binnenkort een spin-off bedrijf opstarten, Cyclox, om die kennis te valoriseren. We hebben al octrooien aangevraagd.”

De automobielindustrie is al ruim vijftien jaar op zoek naar een ideale combinatie tussen de benzine- en dieselmotor. De methode van Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) combineert het hoge rendement van een diesel met de benzinemotor die geen roetuitstoot heeft. Ook Boot zocht in die richting voor zijn tweede benadering. “Je kunt ook meer mengtijd realiseren door eerder brandstof te injecteren, halverwege de compressieslag. Dan zijn de temperaturen dusdanig dat de brandstof wel verdampt, maar dat het te koud is voor zelfontsteking. Deze toepassing kent echter een belangrijk nadeel. Omdat de temperatuur en druk relatief laag zijn, spuit je een deel van de brandstof tegen de cilinderwand aan. Dat leidt tot allerlei problemen. De diesel sijpelt langs de zuigerveren in het blok en dat zorgt voor olieverdunning waardoor de motor kapot gaat. We hebben het twee keer meegemaakt met onze testmotor.”

De derde strategie berust op een mechanische verandering. Een plug & play-variant van de brandstofinjector die gemakkelijk in te bouwen valt in bestaande dieselmotoren. “Het probleem van het mengproces begint deels bij de injectortip. Het inspuiten van brandstof hangt samen met de grootte en het aantal gaatjes in die tip. Als ze brandstof vernevelen in de cilinder ontstaan conussen. Tussen die conussen zit lucht die bij verbranding niet meedoet. Het zou daarom veel beter zijn om een wolk te creëren. Maar simpelweg meer gaatjes maken is niet de oplossing. De injectortip wordt daar zwakker van. Bovendien zullen de productiekosten erg duur worden.

Bij toeval lag hier in het lab een filter voor de emissieapparatuur, een cilinder met een halve bol erop. Behalve om dingen tegen te houden, kun je die in omgekeerde richting ook gebruiken om iets toe te voegen. Toen begon het lampje te branden. Samen met voormalig afstudeerder ir. Jos Reijnders heb ik onderzocht of je er een nevelwolk mee kunt maken. Dat lukte. We hebben er direct octrooi op aangevraagd. We doen nu duurtesten met onze injectortip. Dat gebeurt in de openlucht en in een kamer met hoge druk. Hij heeft al 500.000 geïnjecteerd. Dat lijkt veel, maar als je een miljoen kilometer wilt afleggen met een vrachtwagen, praat je over honderden miljoenen injecties. Als we in het lab de miljoenste injectie zonder haperingen bereiken, bouwen we onze tip dit najaar in de testmotor voor een duurtest van een uur. Mocht dat slagen, dan halen we een veiligheidsfactor van praktisch honderd.”

De ontwikkelde injectortip heeft een belangrijk voordeel. Hij werkt bij een lagere druk dan gebruikelijk. Dat zorgt voor minder brandstofverbruik. Maar ook het brandstofcircuit, het duurste deel van de motor, kan dan veel goedkoper worden gemaakt. De nieuwe injectortip heeft nog fundamenteel onderzoek nodig. Toch kan de introductie ervan snel verlopen, verwacht Boot. Zeker wanneer truckfabrikanten zoals DAF interesse tonen.

Niet alleen de injectortip wordt steeds concreter. Boot is met de gemeente Eindhoven en enkele transporteurs in gesprek om een proef te starten. In het derde kwartaal van 2010 zouden de eerste vrachtwagens op biodiesel met lignine door de milieuzone in het stadscentrum kunnen koersen. Boot: “We willen onderzoeken of onze biodiesel merkbare gevolgen heeft. Trekt een vrachtwagen langzamer op, start de motor moeilijk bij kou, gaat er iets kapot? Dat soort vragen. Dat ze minder roet uitstoten, onderzoek we nog in het lab op de rollerbank, maar daar ben ik intussen wel van overtuigd. Wij kunnen een oude dieselmotor dezelfde uitstoot geven als een nieuwe motor met nabehandeling. En de uitstoot van een nieuwe motor gelijk houden als we daar de nabehandeling afhalen. Wij pretenderen niet dat we de roetuitstoot vele malen lager maken. Met een roetfilter mag je gewoon de milieuzone in, maar wij pakken het probleem aan bij de bron in plaats van een plakbandoplossing op de uitlaat.”(FvO)/.