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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 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
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 Motormangement mit seiner Verbrennung und nicht auf den Kat
selbst.
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.
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.
Als Träger werden sogenannte Monolithe (AlMg-Silikat
= Keramik) oder Metallträger verwendet.
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
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 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
(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.
Weitere Infos zur Abgasthematik finden Sie im
Gelben Heft von BOSCH.
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.
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.
