Volgend jaar wordt er waarschijnlijk een nieuwe test ingevoerd voor controle van roetfilters in de APK. In dit artikel gaan we in op het hoe en waarom achter de nieuwe test en wat de veranderingen inhouden voor de APK-keuring. En we laten in een praktijkvoorbeeld zien dat je een defect roetfilter er met een deeltjesteller wél uitpikt.
Door Gerrit Kadijk / Foto’s TNO, AMT
Lees verder
Met de invoering van roetfilters is de deeltjesemissie van dieselpersonenauto gedaald van 20 - 30 mg/km naar ongeveer 1 mg/km. Roetdeeltjes van moderne dieselauto’s zijn zo klein dat ze optisch nauwelijks waarneembaar zijn. Met traditionele APK-rookmeters worden dan ook geen meetbare rookemissies meer gevonden. Dat leidt ertoe dat een naar verhouding kleine groep dieselvoertuigen met defect of verwijderd roetfilter in grote mate de gemiddelde
uitlaatfijnstofemissie van alle dieselauto’s bepaalt. Dit was in 2012 aanleiding voor het Ministerie van I&W om TNO te vragen op welke alternatieve wijze roetfilters van dieselvoertuigen in de APK getest kunnen worden. Met de nieuwe APK-deeltjestest kunnen die voertuigen met sterk verhoogde deeltjesemissie eenvoudig en snel worden opgespoord.
Wat is er mis met de rookemissietest?
De rookmeter of opaciteitsmeter is ongeveer 70 jaar geleden ontwikkeld voor diesels zonder roetfilter. Traditionele rookmeters meten de lichtabsorptie (k-waarde) van uitlaatgas en het meetbereik ligt tussen 0 en 10 m-1. In een vrije acceleratietest was oorspronkelijk sprake van relatief hoge rookemissies: 2 tot 4 m-1. Door verbeterde motorconcepten is de rookemissie van voertuigen zonder roetfilter gedaald tot waarden tussen 0,30 en 0,50 m-1 en bij constant toerental is de visuele rookemissie zelfs geheel verdwenen. Ook moderne diesels met defect roetfilter hebben in de regel hele lage rookemissieniveaus: 0,05 tot 0,20 m-1. Daardoor is zelfs een verbeterde rookmeter met een nauwkeurigheid van +/- 0,10 m-1 onvoldoende in staat defecte roetfilters op te sporen.
Daarnaast zijn er onvolkomenheden in de testprocedure. Eén daarvan is de niet reproduceerbare bediening van het gaspedaal tijdens de acceleraties. Bij moderne dieselauto’s wordt de reactie op het gaspedaal bovendien elektronisch geregeld. Verder wordt de uitvoering van een vrije acceleratietest als lastig ervaren omdat die gepaard gaat met veel lawaai en grote hoeveelheden uitlaatgas die speciale rookgasafzuiging vereisen.
Hoog filtratierendement
Roetfilterelementen zijn gemaakt van siliciumcarbide of cordieriet en vangen 95 tot 99 procent van de deeltjes die de motor uitstoot af. Ter illustratie enkele getallen: de deeltjesmassa-uitstoot, of PM-emissie, van een motor (zonder roetfilter) van een dieselpersonenauto ligt in de buurt van 20 - 25 mg/km, maar kan bij slecht onderhoud oplopen tot meer dan 100 mg/km. Door toepassing van het roetfilter daalt deze veelal naar 0,3 – 0,6 mg/km. Bij de meeste voertuigen is de uitlaatpijp aan de binnenkant dan ook brandschoon en is de metaalstructuur zichtbaar. In een vrije acceleratietest wordt dan een rookemissiewaarde van 0,00 m-1 gemeten.
Met de nieuwe APK-deeltjestest kunnen die voertuigen met sterk verhoogde deeltjesemissie eenvoudig en snel worden opgespoord.
Eisen aan een APK-emissietest
Een APK-testprocedure moet aan een aantal eisen voldoen. Ten eerste moet de test goed uitvoerbaar zijn en weinig tijd kosten. Verder zijn reproduceerbaarheid en kwaliteit belangrijk en mag de test niet te duur zijn. Ook moet de prijs van nieuwe meetapparatuur op een aanvaardbaar niveau liggen, bij voorkeur niet meer dan € 5.000. De belangrijkste eis is echter dat de testprocedure duidelijk onderscheid maakt tussen voertuigen die goed- of afgekeurd moeten worden. Al met al was het een complexe opdracht die de afgelopen jaren veel aandacht heeft gehad, niet alleen binnen TNO maar voor alle betrokken partijen.
Zoektocht naar geschikte meetmethode
In de eerste jaren na 2012 is onderzoek gedaan naar bestaande testprocedures met verbeterde rookmeters. Na verloop van tijd bleek dat defecte of verwijderde roetfilters niet (goed) opgespoord konden worden door het meten van lichtabsorptie tijdens de vrije acceleratietesten. Dieseldeeltjes van moderne motoren zijn zo klein dat ze optisch nauwelijks waarneembaar zijn. Ook bleek het laser-scatter meetprincipe niet geschikt omdat een robuuste kalibratieprocedure voor deze meetapparatuur niet beschikbaar is. In Zwitserland werd evenwel een deeltjesteller toegepast die sinds 2014 vrijwillig kon worden ingezet voor metingen aan mobiele machines voor de tunnelbouw. Met een prijs van € 25.000,- was deze te kostbaar, maar het bleek wel de sleutel tot de oplossing voor de APK.
Wat meet een deeltjesteller?
Een deeltjesteller meet de deeltjesconcentratie in een gas. Deze concentratie wordt uitgedrukt in aantal deeltjes per kubieke centimeter (#/cm3). Nu wordt al sinds 2011 in rollenbanktesten voor de EU-typekeuring het aantal roetdeeltjes gemeten. De hierbij gemeten waarde (#/cm3) wordt omgerekend naar het aantal deeltjes per kilometer (#/km). De PN-limietwaarde van een dieselpersonen- of -bestelauto is 6,0 * 1011 #/km, ofwel 600 miljard deeltjes voor iedere gereden kilometer. Een PN-meting is extreem gevoelig waardoor de kleinste lekkages van het roetfilter opgespoord kunnen worden. Helaas zijn de deeltjestellers die worden gebruikt voor typekeuringsmetingen op de rollenbank niet passend en veel te duur voor gebruik in APK-keuringstations.
Ontwikkeling van de specificaties
In de ontwikkeling van de APK-deeltjestest was de grootste uitdaging de specificatie van een goedkope deeltjesteller die met voldoende nauwkeurigheid de deeltjesconcentratie in onverdund uitlaatgas kan vaststellen. In 2017 is dit vraagstuk opgepakt door het Ministerie van I&W, vertegenwoordigers van de Zwitserse organisatie VERT, NMi, RDW, TNO, Duitsland en België en een groot aantal fabrikanten van deeltjestellers. In twee jaar tijd heeft dit geleid tot de specificatie en de kalibratieprocedures van een deeltjesteller voor gebruik in de periodieke autokeuringen. NMi heeft, als keuringsinstantie van APK-meetapparatuur, de specificatie van de deeltjesteller opgesteld. Ondertussen hebben diverse fabrikanten een prototype APK-deeltjesteller beschikbaar. Zodra NMI hiervoor een typegoedkeuring afgeeft, kan de productie van start. Verwachting is dat medio 2020 door het NMi gecertificeerde deeltjestellers op de Nederlandse markt worden aangeboden. Als meerdere fabrikanten een APK-deeltjestellers in hun programma hebben en als de prijs redelijk is, kan door het ministerie het besluit worden genomen om de roetdeeltjestest verplicht te stellen voor de APK.
Specificatie van de APK-deeltjesteller
Uitlaatgas van dieselauto’s bevat zowel vaste als vloeibare (of vluchtige) deeltjes. Al bij de ontwikkeling van de deeltjesmeting voor de typekeuring is besloten alleen vaste deeltjes te meten omdat vloeibare deeltjes de reproduceerbaarheid van de meting sterk beïnvloeden. Vloeibare deeltjes moeten in de deeltjesteller worden verwijderd met een Volatile Particle Remover (VPR). Daarnaast is vastgelegd dat vaste deeltjes met een grootte van 23, 50 en 80 nanometer (nm) met een bepaalde nauwkeurigheid moeten worden gemeten. Een deeltjesteller meet ook grotere deeltjes. Om praktische redenen is er voor gekozen om de nauwkeurigheid alleen bij die drie deeltjesgroottes te specificeren. Deze groottes zijn representatief voor uitlaatgas en worden ook door de deeltjesteller op de rollenbank gemeten.
Twee technologieën
De twee tot nu toe gebruikte meetprincipes van deeltjestellers zijn de Condensation Particle Counter (CPC) en de Diffusion Charger (DC). Beide technologieën hebben voor- en nadelen en een fabrikant van meetapparatuur maakt op basis van eigen overwegingen een keuze. Het minimale vereiste meetbereik van de deeltjesteller is 5.000 tot 5.000.000 #/cm3. Verder is de conditionering in de monsternameleiding erg belangrijk omdat condensatie van water, dat normaal als waterdamp in uitlaatgas zit, de deeltjesmeting volledig verstoort. Door verwarming van de monsternameleiding of directe verdunning met droog uitlaatgas wordt condensatie van water in de monsternameleiding voorkomen.
Deeltjesmeting in de APK-test
Een deeltjesmeting begint met de bepaling van de deeltjesconcentratie in buitenlucht. Deze ligt meestal tussen 3 en 5 duizend #/cm3. Vervolgens wordt de monsternameleiding in de uitlaatpijp van een testvoertuig met stationair draaiende motor geplaatst. De motor mag ook worden gestart nadat de monsternameslang in de uitlaat is geplaatst. In geval van een goed werkend roetfilter zal de deeltjesemissie dalen tot minder dan duizend #/cm3. Bij voertuigen zonder roetfilter ligt de deeltjesemissie tussen 1 en 15 miljoen #/cm3. Hieruit blijkt dat roetfilters de deeltjesconcentratie in uitlaatgas bij stationair toerental kunnen reduceren van enkele miljoenen naar minder dan duizend #/cm3. Als een roetfilter lekt of verwijderd is, neemt de deeltjesconcentratie direct na bemonstering van het uitlaatgas sterk toe.
Goede relatie met rollenbanktest
De nieuwe deeltjestest moet eenvoudig, snel en doeltreffend zijn. Een korte meting bij stationair toerental voldoet aan die eisen. Verder blijkt de gemeten deeltjesconcentratie bij stationair toerental een goede correlatie te hebben met de deeltjesemissie in de NEDC-cyclus op de rollenbank.
Zoals gemeld vindt de APK-test bij stationair toerental plaats. Dat mag met koude motor, de meeste roetfilters filteren namelijk goed en de deeltjesemissie is dan al ver beneden de APK-limietwaarde.
Nadat de monsternameleiding in de uitlaat is geplaatst en de deeltjesteller 15 seconden is gestabiliseerd wordt de gemiddelde deeltjesemissie in de volgende 15 seconden bepaald. Het is de verwachting dat meer dan 80 procent van de APK-testen met koude motor uitgevoerd kan worden. Pas als de limietwaarde wordt overschreden, is ook de conditionering van de motor van belang.
Hoe conditioneer je?
Conditionering bestaat uit twee delen: het opwarmen van de motor en het sluiten van de EGR-klep. Om de motor op te warmen, volstaat een korte rit. Voor het sluiten van de EGR-klep is een paar minuten geduld vaak voldoende. Na enige tijd stationair draaien sluit de motor namelijk veelal de EGR-klep (taxi-mode). Ook mag een EOBD-tester worden gebruikt die de EGR-klep actief kan sluiten.
Waarom moet de EGR-klep dicht?
Door EGR wordt in de verbrandingskamer een gedeelte van de inlaatlucht vervangen door uitlaatgas. Doordat dan bij de verbranding minder zuurstof beschikbaar is, stijgt de deeltjesemissie sterk. Als nominale testconditie is gekozen voor gesloten EGR-klep en warme motor omdat de PN-emissies dan het laagst zijn en het maakt voertuigen onderling redelijk vergelijkbaar. Ook hebben voertuigen met een gemanipuleerd EGR-systeem zo geen onterecht voordeel.
Twee APK-limietwaarden
De eerste dieselvoertuigen met roetfilter (Euro 3-, 4- en 5a-modellen) zijn in de typegoedkeuringstest alleen op PM getest. Voor deze voertuigen wordt de APK-PN-limietwaarde 1.000.000 #/cm3. Vanwege de gebruikelijke restvoorraden zijn alle voertuigen die tot en met 31-12-2014 op naam zijn gezet in deze categorie ingedeeld. Voor voertuigen met tenaamstelling vanaf 1-1-2015 werden in de typegoedkeuringstest op de rollenbank zowel de PM als PN-emissies gereglementeerd en gemeten. Voor deze voertuigen en voor Euro VI-trucks en -bussen wordt de APK-PN-limietwaarde 250.000 #/cm3.
Praktijkvoorbeeld uit onderzoek
TNO onderzocht een Euro 5b-dieselvoertuig met kilometerstand 212.000. Het voertuig is bij de dealer aangeboden met het verzoek de APK-rookemissietest met een conventionele rookmeter uit te voeren en de algehele conditie van het roetfilter te beoordelen. De dealer kwam met het volgende resultaat: “De auto voldoet aan alle APK-emissiecriteria. Er zijn geen EOBD-foutcodes. De gemeten k-waarde van de rookemissietest ligt tussen 0,05 en 0,21 m-1. Het uitlezen van het motormanagement met de merktester geeft geen aanwijzing dat er iets mis is met het roetfilter.” De conclusie van de dealer was: “Roetfilter in orde”. En dat klopt op basis van de gebruikte testmethoden.
APK-testopstelling met deeltjesteller (links) en rookmeter (rechts). Met een Euro 5b voorbeeldauto leek in een APK-keuring niets aan de hand. Pas na meting met de deeltjesteller bleek de auto bijna vijftig maal zoveel deeltjes uit te stoten als de typegoedkeuringstest toestaat.
En nu de deeltjestest
TNO herhaalde de rookemissietest met een verbeterde rookmeter en vond k-waarden tussen 0,15 en 0,26 m-1. Vervolgens is de deeltjestest bij stationair toerental uitgevoerd en de gemeten deeltjesconcentratie was 2,1 miljoen #/cm3. Dit is ruim acht keer zo hoog als de toekomstige APK-PN-limietwaarde van 250,000 #/cm3! Daarna is de auto in twee identieke NEDC-testen op de rollenbank getest. Gemiddeld resultaat: PM: 13,3 mg/km en PN 2,9 * 1013 #/km. De PM-emissie was dus drie keer zo hoog als de PM-limietwaarde van 4,5 mg/km op de NEDC-test en de PN-limietwaarde was 48 keer zo hoog als de PN-limietwaarde van 6.0 * 1011 #/km. Omdat dit voertuig meer dan 160.000 km heeft gereden, heeft dat geen consequentie voor de typekeuring.
Factor 3000 minder!
Uit dit voorbeeld blijkt dat de huidige APK-testmethodiek (EOBD en rookemissietest) dit defecte roetfilter niet detecteert omdat de rooklimietwaarde van 0.51 m-1 relatief hoog is. De nieuwe deeltjestest detecteert wel een defect roetfilter. Naderhand is het defecte roetfilter door de dealer vervangen door een nieuw exemplaar. Daarna werd bij stationair toerental een deeltjesemissie van 700 #/cm3 (zevenhonderd in plaats van 2,1 miljoen!) gemeten.
De limietwaarde in de nedc is 600 miljard deeltjes per km
Opsporen van de oorzaken
Het opsporen van een defect roetfilter in de werkplaats is tot op heden dus niet (goed) mogelijk. De nieuwe deeltjesmeting verandert dat. Voor het vaststellen van de oorzaak van het defecte roetfilter is aanvullend onderzoek naar gebruikscondities en de technische conditie van de motor nodig. Dat kan ingewikkeld zijn.
Wie is Gerrit Kadijk?
Als zoon van een garagehouder sleutelde Gerrit Kadijk veel in zijn tienerjaren. Hij voltooide de MTS Autotechniek en was instructeur wielvoertuigen in militaire dienst. Voor hij in 1988 de overstap maakte naar het onderzoekslaboratorium voor verbrandingsmotoren van TNO in Delft, was hij receptionist in een garagebedrijf. Hij deed HTS-werktuigbouw in de avonduren en werkt al sinds 2007 aan onderzoeksprojecten gericht op het meten van praktijkemissies. Vanaf 2012 gaf hij bij TNO leiding aan de ontwikkeling van de nieuwe APK-deeltjestest. Nu dat is afgerond, heeft hij zijn aandacht verlegd naar de NOx-emissies van oudere benzineauto’s.
Aandacht voor de motorconditie
Als de motor een verhoogde deeltjesemissie heeft, wordt het roetfilter extra belast en moet dit vaker geregenereerd worden. De conditie van de turbo en brandstofinjectoren vragen dan aandacht. Tot op heden is in de TNO-praktijk gebleken dat niet alleen oude roetfilters defect raken. Zelfs voertuigen in de garantieperiode, en binnen de duurzaamheidseisen, bleken defecte roetfilters te hebben. De deeltjesmeting maakt het mogelijk de conditie van het roetfilter over langere tijd te monitoren door metingen op verschillende tijdstippen (jaarlijks) te herhalen. Op deze wijze wordt inzichtelijk of een defect in de tijd groter wordt. Met de nieuwe deeltjesmeting in de garagepraktijk ontstaat meer inzicht in de frequentie en de oorzaken van defecte roetfilters.
En benzinemotoren met roetfilter (GPF)?
Sinds 2018 verschijnen ook benzinevoertuigen met roetfilter (GPF) op de weg. In de ontwikkeling van de deeltjesteller is hier al rekening mee gehouden. De deeltjesteller is ook geschikt om benzinemotoren te testen. Eerste verkennende metingen bij benzineauto’s met GPF laten zien dat het PN-emissiegedrag van DI-benzinemotoren anders is dan bij diesels. Voor invoering in de APK is nader onderzoek nodig. Pas dan kunnen de APK-testcondities en limietwaarden voor benzineauto’s worden vastgesteld.
Ontwikkelingen in het buitenland
Duitsland heeft al in 2017 besloten tot invoering van een APK-deeltjestest in 2021 en is bezig met een soortgelijke ontwikkeling. België wil het voorbeeld van Nederland volgen. Verder hebben andere EU-lidstaten, maar ook Zuid-Korea, Chili, Bolivia, Mexico, Peru en Japan belangstelling getoond. CITA heeft, als mondiaal opererende organisatie van partijen verantwoordelijk voor de uitvoering van APK-testen, de ontwikkelde deeltjestest omarmd.
