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Abgas

  

Der Abgas-Katalysator - Otto und Diesel Kat

siehe auch CO | HC | NOx | Lambdaregelung

 

 Was ist eigentlich ein Katalysator?

Ein Katalysator ist ein Stoff, 

der eine chemische Reaktion hervorruft 

und/oder beschleunigt, 

ohne selbst daran teilzunehmen.

Auch ein Abgas-Katalysator im Ottomotor und Dieselmotor sorgt für eine chemische Reaktion. Mehr dazu im Artikel.

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Katalysator (Kat) mit Lambdasonde

Katalysator mit Lambdasonde

Verbrennungsprodukte

Bei der Verbrennung von Kraftstoff mit Hilfe des Luftsauerstoffs entsteht im Motor Wasser und CO2. Da die Verbrennung aber nicht ganz vollständig abläuft, entstehen noch weitere Verbrennungsprodukte, die wir als Abgas bezeichnen. Der Abgasbestandteil macht ungefähr 1% aus. Bei Benzinmotoren entsteht hauptsächlich: CO, HC und NO, NO2 (zusammengefasst zu NOx). Bei Dieselmotoren kommen noch Rußpartikel und Schwefeldioxyd hinzu. Lesen Sie hierzu auch unsere Seiten über die Abgase (HC, CO, NOx, SO2, PM) und über die Lambdaregelung. Der Katalysator hilft nun, die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe in Wasser und CO2 zu verwandeln. Der Katalysator ist dabei am effektivsten, wenn eine Abgaszusammensetzung vorhanden ist.

 

Katalysator-Arten

    Einbett-Oxydations-Katalysator

er wird auch als ungeregelter Katalysator (U-Kat) oder Oxydationskatalysator bezeichnet. Im U-Kat werden die Schadstoffe HC und CO mit dem Restsauerstoff oder durch zusätzlich eingebrachte Luft in H2O und CO2 umgewandelt. Eine Reduktion der Stickoxyde findet nicht statt. Er ist eigentlich nur noch in vielen älteren Benzin-Fahrzeugen zu finden. 

Als Diesel-Kat wird er sehr motornah eingebaut, da hier die Abgastemperaturen häufig sehr niedrig sind. Es werden Metallträger-Kats verwendet, die vorne dünne Folien, zum besseren Anspringen haben und hinten dickere Folien zur besseren Speicherfähigkeit besitzen und somit bessere Konvertierung gewährleisten.

    Doppelbett-Katalysator

2 Katalysatoren werden in Reihe geschaltet, der erste ist ein Reduktionskatalysator zur Aufspaltung der Stickoxyde in Sauerstoff und Stickstoff. Hierfür ist ein sauerstoffarmes Abgas erforderlich. Der zweite ist ein Oxydationskatalysator der HC und CO2 wie oben beschrieben umwandelt. Hier wird häufig mit Sekundärlufteinblasung gearbeitet, um ein sauerstoffreiches Abgas zur Nachverbrennung zu erhalten. Die Sekundärlufteinblasung ist besonders in der Warmlaufphase des Motors wichtig zur Reduzierung der HC-Werte. Auch dieser Kat wird heute nicht mehr verwendet, da er die Stickoxyde nur ungenügend vermindert.

    Drei-Wege-Katalysator

Der geregelte Drei-Wege-Katalysator, auch G-Kat  genannt, gehört heute zur Standardausrüstung eines Otto-Pkws. Die Umwandlungsrate der Abgase (Konvertierungsrate) liegt über 90%. Im weiteren Verlauf beschreibe ich diesen Katalysator-Typ. Das "geregelt" bezieht sich übrigens auf das Motormanagement mit seiner Verbrennung und nicht auf den Kat selbst.

 verschiedene Arten von Kats

Katalysator-Systeme


 

    Mager- oder Denox-Katalysator (NOx-Adsorber)

Denox-Kats findet man bei Dieselfahrzeugen und bei der Benzindirekteinspritzung.

Diesel arbeiten mit Luftüberschuss, die Benzin-DI im Magermodus ebenso. Ein herkömmlicher Katalysator hat hier Schwierigkeiten bei der Reduzierung der Stickoxide. Ein DeNOx-Kat ist immer ein komplexes System. Voraussetzung für den Adsorber ist schwefelarmer Diesel und aschearmes Motoröl.

Verwendung finden Metallträger. Sie sind entweder mit kleinen Querschnitten oder mit strukturierten Kanälen versehen. Eine Desulfatierung durch Aufheizung des Kats von Zeit zu Zeit ist erforderlich. Weitere Einzelheiten finden Sie auch auf der Seite Diesel Abgas. Von Emitec gibt es einen Vorturbolader-Metallträger-Kat, der HC und CO effektiv umsetzt. 
NOx Kat
  • V-Katalysator

Das V steht hier für Vorturbolader aber auch für Voroxidationskatalysator. Dieser erhöht den den CO2-Anteil des NOx  (Diesel) und verbessert die Oxidation der Kohlenstoffpartikel sowie die Reduktion des NOx. Im Verbund folgt dann dahinter ein Harnstoff-Kat, der SCR-Kat und ein Oxi-Kat. Siehe dazu die Seite über Diesel Abgas.

  • Kalium-Katalysator

Einsatz bei Bei Benzin-DI-Motoren zur Kühlung des Denox-Kats und zur Ausweitung des Magerbereichs. Die Metallträgerbeschichtung besteht aus Kalium. Ein Kühler ist somit nicht erforderlich.

  • Partikelfilter

siehe Bericht FAP und Diesel Abgas

Aufbau des Kats

Der Katalysator besteht aus vier Komponenten:

  • dem Träger

Als Träger werden sogenannte Monolithe (AlMg-Silikat = Keramik) oder Metallträger verwendet. 

  3-Wege-Katalysator

Keramik-Katalysator

Keramikträger

Wichtig ist eine möglichst große Oberfläche, um große Abgasmengen verarbeiten zu können.

Der Träger ist mit mehreren tausend Kanälen durchzogen, durch die das Abgas strömt.

Um den Strömungswiderstand möglichst klein zu halten, ist der Monolith sehr dünnwandig (ca. 0,3 mm).

 

Vorteile des Keramikträgers:

  • bessere Rückgewinnung der Edelmetalle,

  • kostengünstiger,

  • konstantere Betriebstemperatur 

 

Metall-Katalysator

Metallkatalysator

Metallträger

Da bei Metallträgern, die Gefahr des Durchbrennens oder einer mechanischen Beschädigung geringer ist, kann die Wandstärke viel dünner ausgelegt werden (ca. 0,05 mm). 

 

Vorteile des Metallträgers:

  • stoßunempfindlicher,
  • hitzebeständiger,
  • schnellere Aufheizzeit,
  • geringerer Abgasgegendruck. 

 

Der Metallträger Metalit besteht aus sehr dünnen Stahlfolien (0,03 bis 0,08 mm). Er eignet sich für verschiedene Kat-Arten.

 

  • der Zwischenschicht (Wash-Coat oder Trägerschicht)

Zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche ist der Keramikträger mit einer Schicht aus Aluminiumoxyd (Al2O3) versehen. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche um das 7000fache. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit wird ebenso erhöht.

  • der katalytisch aktiven Schicht

Auf die Zwischenschicht wird die aus den Edelmetallen Platin und Rhodium und auch Palladium bestehende katalytisch aktive Schicht aufgedampft. Das Platin begünstigt die Oxidationsvorgänge, das Rhodium die Reduktionsvorgänge. Die Metalle reagieren aber nicht selbst, sie rufen nur die Reaktion hervor. Das Verhältnis Platin zu Rhodium beträgt etwa 5:1. die Gesamtmenge der beiden Edelmetalle liegt pro Katalysator zwischen 4 und 9 Gramm. 

  • dem Gehäuse mit Dämpfung

Da der keramische Träger sehr spröde ist und auch eine andere Wärmedehnung als das Gehäuse aufweist, wird er in eine Dämpfungsschicht, ein Drahtgestrick oder eine Keramikfasermatte, eingebettet. Metallträger benötigen die Dämpfungsschicht nicht.

Schematischer Aufbau eines Kats   

schematischer Aufbau des Kats

 

Funktion des Kats

Der Katalysator hilft, wie bereits erwähnt,  die Schadstoffe in Wasser und CO2 zu verwandeln.

  • Aus CO wird durch Oxidation CO2
  • Aus HC wird durch Oxidation H2O und CO2
  • Aus NOx wird durch Reduktion N2.

Deshalb sprechen wir auch von einem 3-Wege-Katalysator!

Die Reaktionen sind in Wirklichkeit etwas umfangreicher, da die unverbrannten Kohlenwasserstoffe nicht nur als C2H6 sondern auch in vielen anderen Verbindungen im Kraftstoff enthalten sind. Die bisherige Darstellung reicht jedoch völlig aus, die wesentlichen Erkenntnisse zur Erklärung des 3-Wege-Kats abzuleiten:

  • Im Katalysator laufen sowohl Oxydations- als auch Reduktionsvorgänge ab.
  • Für die Oxydation wird Sauerstoff benötigt, für die Reduktion Kohlenmonoxyd.
  • Die Schadstoffe CO, HC, NOx und die Reaktionspartner O2 und CO müssen in einem bestimmten Verhältnis vorhanden sein, damit eine möglichst hohe Konvertierungsrate erzielt wird.
Daraus ergeben sich die folgenden Ergebnisse, die sich auch im Diagramm widerspiegeln:
  • Bei magerer Gemischzusammensetzung hat der Kat eine hohe Umwandlungsrate für CO und HC, weil viel Restsauerstoff im Abgas ist.
  • Bei zu niedrigen CO- und HC-Mengen im Abgas sinkt aber die Umwandlungsraten von NOx
  • Umgekehrt ist die Konvertierungsrate von NOx bei fettem Gemisch hoch, da genügend CO zur Reduktion im Abgas vorhanden ist.
  • Dafür sinkt aber dann die Umwandlung von CO und HC wegen des geringen Sauerstoffanteils im Abgas.

 

Konvertierungsrate

Konvertierungsrate (festes Mischungsverhältnis)

Damit der Katalysator die hohen Konvertierungsraten überhaupt erreichen kann, muss das Motormanagement dafür sorgen, dass der Lambdawert und somit das Gemisch in einem engen Bereich um Lambda = 1 (Lambdafenster) eingehalten wird. Dem Steuergerät hilft hier als Sensor die Lambdasonde, die den Restsauerstoffgehalt des Abgases nach dem Katalysator misst. Lesen Sie hierzu meine Lambdasondenseiten.

Zur Auslösung der chemischen Reaktionen benötigt der Kat aber auch eine Mindesttemperatur, die sogenannte Anspringtemperatur. Um eine 50% Konvertierungsrate zu erreichen, muss die Temperatur des Kats bereits 250 bis 280°C erreicht haben. Diese Temperatur erreicht der Kat ca. 30 - 90 s nach dem Kaltstart. Deshalb wird der Katalysator möglichst nahe am Ansaugrohr verbaut. Gealterte Kats springen erst bei höheren Temperaturen an. Der beste Arbeitsbereich liegt in etwa zwischen 400 und 800°C. 

Die folgenden Katalysatorschäden sind typisch:

  • Thermische Alterung

Verkleinerung der Oberflächen durch Sintervorgänge bei Temperaturen oberhalb von 800°C bis zum Abschmelzen

  • Chemische Vergiftung

Chemische Reaktionen mit Fremdstoffen (Kraftstoff, Öladditive), die katalytische Schicht wird zerstört

  • Mechanische Vergiftung

Abdeckung der aktiven Schicht durch z.B. Blei und Schwefel aus Kraftstoff und Öl.

 

Ergänzungen: 

  • Weil Dieselmotoren mit Luftüberschuss betrieben werden, eignen sie sich nicht für die Verwendung von geregelten Dreiwege-Katalysatoren.

  • Sie sind mit einem Oxydationskatalysator ausgerüstet.

  • Im Oxydationskatalysator werden etwa 80% der nicht oder nur teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) in Wasserdampf (H2O) und Kohlendioxid (CO2) umgewandelt.

  • Aus dem giftigen Kohlenmonoxid (CO) wird ebenfalls Kohlendioxid (CO2).

  • Stickoxide (NOX) können wegen des Luftüberschusses nicht im Katalysator reduziert werden.

  • Hierfür ist eine Abgasrückführung erforderlich, welche durch Abkühlung des Brennraums die Entstehung der Stichoxide verringert.

  • siehe hierzu auch die Seiten zum Dieselmotor

Darf ein Auto mit Kat angeschleppt werden?

Autos mit Katalysator sollten jedenfalls nicht zu lange angeschleppt werden. Springt der Wagen nach einer kurzen Abschleppphase nicht an, können unverbrannte Kraftstoffe (HC) in den Katalysator gelangen. Davor warnt jedenfalls Reinhold Bruners vom TÜV Rheinland in Köln.
In einem solchen Fall sollte besser gleich nach der Ursache gesucht werden, warum der Wagen nicht anspringt. Ob der Kat bei der solchen Aktion Schaden genommen habe, könne erst bei der folgenden Abgasuntersuchung festgestellt werden. Ein nur kurzes Anschleppen ist nach Bruners' Worten allerdings auch für Wagen mit «Kat» unproblematisch.

siehe auch CO | HC | NOx | LambdaregelungDieselabgas | Dieselabgastechniken |


Quellen für Text und Bilder: Prüfungslehrgang Abgasuntersuchung der TAK, Europa, Internet, dpa


Autor: Johannes Wiesinger

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