Ein Katalysator ist ein Stoff,
der eine chemische Reaktion hervorruft
und/oder beschleunigt,
ohne selbst daran teilzunehmen.
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Der Abgas-Katalysator |
siehe auch CO | HC | NOx | Lambdaregelung |
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Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine chemische Reaktion hervorruft und/oder beschleunigt, ohne selbst daran teilzunehmen.
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 Katalysator mit Lambdasonde |
Bei der Verbrennung von Kraftstoff mit Hilfe des Luftsauerstoffs entsteht Wasser und CO2. Da die Verbrennung 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 meine Seiten über die Abgase (HC, CO, NOx, SO2, PM) und über die Lambdaregelung. Der Katalysator hilft nun, die Schadstoffe in Wasser und CO2 zu verwandeln. |
Katalysatorarten
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.
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.
Der 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. |
Katalysator-Systeme
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Diesen Kat 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.
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.
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.
siehe Bericht FAP und Diesel Abgas
Aufbau des Kats Der Katalysator besteht aus vier
Komponenten: dem Träger Keramikkatalysator Als Träger werden sogenannte Monolithe (AlMg-Silikat
= Keramik) oder Metallträger verwendet. 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 Metallkatalysator - 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. 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. 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. 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 des Kats Funktion des Kats Der Katalysator hilft, wie bereits
erwähnt, die
Schadstoffe in Wasser und CO2 zu verwandeln. 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: 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: Verkleinerung der Oberflächen durch
Sintervorgänge bei Temperaturen oberhalb von 800°C bis zum Abschmelzen Chemische Reaktionen mit Fremdstoffen
(Kraftstoff, Öladditive), die katalytische Schicht wird zerstört Abdeckung der aktiven Schicht durch z.B.
Blei und Schwefel aus Kraftstoff und Öl.
Nachtrag: 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? siehe auch CO | HC
| NOx | Lambdaregelung
| Dieselabgas | Dieselabgastechniken
| Quellen für Text und Bilder:
Prüfungslehrgang Abgasuntersuchung, dpa Johannes Wiesinger
26.08.10
Besucher:
Da bei
Metallträgern, die Gefahr des Durchbrennens oder einer mechanischen
Beschädigung geringer ist, kann die Wandstärke viel dünner ausgelegt werden
(ca. 0,05 mm).
Daraus ergeben sich die folgenden Ergebnisse, die
sich auch im Diagramm widerspiegeln:
Weitere Infos zur Abgasthematik finden Sie im
Gelben Heft von BOSCH.
