siehe auch CO | HC | NOx | Lambdaregelung | 

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

• Mager- oder Denox-Katalysator (NO_x-Adsorber)

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 DeNO_x-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 NO_x  (Diesel) und verbessert die Oxidation der Kohlenstoffpartikel sowie die Reduktion des NO_x. 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

Metallkatalysator

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.

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.