Tijdens koude start, een automotor stoot veel meer fijnstof en andere vervuilende stoffen uit dan tijdens warme omstandigheden. Dit komt omdat een koude katalysator veel minder efficiënt is bij lage uitlaatgastemperaturen. Dus wat is het antwoord? Verwarm de kat voor met microgolven. Wetenschappers van Empa hebben de eerste microgolfconverterverwarming ontwikkeld voor toepassingen in personenauto's.

Verbrandingsmotoren liggen momenteel onder vuur - keer op keer. Het eerste probleem was dieselroet, maar dat zou verholpen kunnen worden met roetfilters. Vervolgens, weer met de diesel schadelijke stikstofoxiden kwamen in beeld, die (vermoedelijk) werd aangepakt met ingewikkelde uitlaatgasnabehandelingssystemen. Wat in het dieseldebat vaak over het hoofd wordt gezien:benzinemotoren dragen bij aan de uitstoot van fijnstof in de steden, te, vooral op plaatsen waar veel motoren koud starten. 90 procent van alle verontreinigende stoffen wordt geproduceerd in de eerste minuut na een koude start van een moderne benzinemotor.

Of om het anders te zeggen:de eerste 500 meter op de weg vervuilen de lucht net zo veel als de volgende 5, 000 kilometer op voorwaarde dat het voertuig non-stop zou worden gereden. Katalysatoren die zo snel mogelijk opwarmen of – nog beter – de uitlaatgassen al tijdens de eerste motortoerentallen efficiënt reinigen, zijn dus essentieel voor een verdere significante verbetering van de luchtkwaliteit. Potis Dimopoulos Eggenschwiler, een specialist in uitlaatgasbehandeling bij Empa's Automotive Powertrain Technologies Laboratory en zijn team, heeft de afgelopen twee jaar gewerkt aan een oplossing voor het koudestartprobleem. Met het ontwikkelde systeem wordt een aanzienlijke vermindering van luchtverontreiniging in stedelijke gebieden verwacht, gezien de hoge frequentie van koude starts en de lage afgelegde afstanden. Het project wordt gefinancierd door de Zwitserse National Science Foundation (SNSF) en het Federale Bureau voor Milieu (FOEN).

De warmteoverdrachtseigenschappen van een katalysator moeten worden aangepast om een ​​snelle verwarming tot 300 graden Celsius mogelijk te maken met een zo laag mogelijk energieverbruik. Ten slotte, deze energie moet worden geleverd door het voedingssysteem van het voertuig. Dimopoulos Eggenschwiler stelt een structuur met open poriën voor met een speciale coating, die binnen tien seconden kan worden opgewarmd door een kleine magnetronzender - net zoals de magnetron thuis. Terug in 2012, het Empa-team ontwikkelde al een bijzonder efficiënte katalysator:een keramische gietvorm van polyurethaanschuim die de uitlaatgassen effectiever laat wervelen en minder tegendruk genereert dan een katalysator met zijn conventionele honingraatstructuur.

Keramiek uit de 3D-printer

De op schuim gebaseerde katalysator leidde vervolgens tot het volgende idee:een polyedrische reticulaire structuur gemaakt van dunne keramische stutten die slechts een kleine hoeveelheid edelmetaal nodig heeft om een ​​hoge conversie van verontreinigende stoffen te bereiken. "Allereerst, we zochten een ideale structuur op de computer, " zegt Dimopoulos Eggenschwiler. "Een structuur die snel opwarmt, versnelt chemische reacties en belemmert de gasstroom zo min mogelijk. Daarna begonnen we de structuur opnieuw te maken in keramiek." Specialisten van de Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana (SUPSI) in Lugano construeerden het op de computer ontworpen rooster met behulp van stereolithografie, een soort 3D-print van vloeistoffen en UV-licht. Experts van Empa hebben het keramiek vervolgens gecoat met siliciumcarbide, zirkoniumoxide en aluminiumoxide – en de actieve katalysatorstoffen bestaande uit platina, rhodium en palladium. EngiCer SA, een bedrijf uit Ticino, ging uit van de productie van de eerste kleine series en verklaarde interesse te hebben om de capaciteit te vergroten als de marktvraag groot genoeg zou zijn. Aan boord is ook de Zwitserse katalysatorfabrikant HUG Engineering AG.

Aan de verwachtingen voldaan

Wat waarschijnlijk 's werelds eerste 3D-geprinte katalysator voor uitlaatgassen is, voldeed aan de verwachtingen in veldtesten:in de uitlaat van Empa's modelgasreactor reinigde de veelvlakvormige kat de verontreinigende stoffen zelfs nog effectiever dan de op schuim gebaseerde katalysator uit 2012. In de nasleep van hun succesvolle eerste laboratoriumtests met kleine modelkatten, de onderzoekers zijn nu in gesprek met industriële partners om een ​​van deze katalysatoren op ware grootte te integreren in een testvoertuig. De eerste toepassing voor het testen van deze nieuwe ontwikkelingen op de rollenbank en op de weg in een echt voertuig wordt momenteel geprojecteerd.

De volgende stap voor Dimopoulos Eggenschwiler zal zijn om de magnetronverwarming op te nemen. "Het is belangrijk dat we niet de hele keramische structuur opwarmen, " zegt hij. "We willen slechts enkele segmenten van de katalysator opwarmen door de microgolven die worden gegenereerd door het gebruik van kostbaar batterijvermogen. Zodra de chemische reacties beginnen, alle andere onderdelen warmen vanzelf op." Volgens de uitlaatgasspecialist een tot twee kilowatt kan gemakkelijk tien tot twintig seconden van de accu van een voertuig worden afgeleid. "Dat zou genoeg moeten zijn." Zodra de motor draait, het uitlaatgas en de chemische reacties in de katalysator genereren voldoende warmte om de temperatuur hoog te houden, op welk moment de magnetron kan worden uitgeschakeld. Koudestartemissies zouden dus binnenkort tot het verleden kunnen behoren.