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Katalysator

Glossar

Bezug zum Kraftfahrzeug

Abgasnachbehandlung, Abgasnorm
Maschine, Motor
Abgasanlage, Lambdasonde, Einspritzanlage

 

Allgemeine Beschreibung

Ein Katalysator ist zunächst ein Beschleuniger von chemischen Prozessen. Katalysatoren im Kraftfahrzeugbereich werden zur Abgasnachbehandlung eingesetzt, um die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe durch beschleunigte chemische Prozesse in umweltneutrale Stoffe zu oxidieren bzw. reduzieren.

 

Es hat sich in der Entwicklung gezeigt, dass die Abgase eines Kraftfahrzeugs aus immer den gleichen Stoffen bestehen. Diese Stoffe kommen während des Betriebs des Motors in verschiedenen prozentualen Anteilen im Gesamtabgas vor. Die Anteile können mit Hilfe der variablen Einstellung der Einspritzanlage oder des Vergasers verändert werden. Ziel ist eine Verbrennung mit dem stöchometrischen Luft- / Kraftstoff verhältnis von 14,7kg Luft zu 1kg Kraftstoff bei mit Motorenbenzin betriebenen Motoren. Ist dieses Verhältnis erreicht, finden alle Moleküle des Kraftstoffs einen Reaktionspartner in der Luft und eine nahezu schadstofffreie Verbrennung ist möglich. Da die verschiedenen Betriebszustände eines Motors eine permanente Änderung in der Motoreinstellung bedingt, um dieses Verhältnis zu erreichen, ist der Abgasnachbehandlung eine Lambdasonde vorgeschaltet, die den Restsauerstoffgehalt des Abgases misst. Der nachgeschaltete Katalysator übernimmt dann die „Endreinigung“ des Abgases.

 

Allerdings handelt es sich nicht um eine Reinigung im Sinne einer Filtrierung oder Ähnlichem. Ein Katalysator verursacht chemische Reaktionen, die auch ohne Katalysator durch die natürlichen Vorgänge stattfände; dieser Prozess dauert aber um ein Vielfaches länger. Katalysatoren werden heute auch bei mit Diesel betriebenen Motoren eingesetzt. Hier werden ebenfalls chemische Reaktionen durchgeführt, um ein weniger schadstoffreiches Abgas zu erhalten. Ein immer zu 100% schadstofffreies Abgas ist aufgrund der komplexen technischen Zusammenhänge und der technischen Möglichkeiten (zumindest heute) nicht möglich. Daher produzieren auch Fahrzeuge mit der strengsten Abgasnorm immer noch Schadstoffe, die letzten Endes von der Natur abgebaut werden müssen.

 

Die Wirkungsweise kann bei Fahrzeugen mit nur einer Lambdasonde nur bei der Abgasuntersuchung festgestellt werden. Fahrzeuge mit Monitorsonde können in gewissen Grenzen eine Eigendiagnose durchführen und „bemerken“ eine mangelnde Wirkungsweise des Katalysators. Häufige Ursachen für das Versagen eines Katalysators sind:

  • Verkleinerung der aktiven Schicht und der wirksamen Oberfläche durch Schmelzvorgänge von ϑ > 800°C
  • Chemische Reaktion mit Fremdstoffen, die die aktive Schicht zerstören (Kraftstoff, ÖlÖl, deren Additive)
  • Ablagerungen auf der aktiven Schicht (Blei, Schwefel)

 

Funktionsbeschreibung

Katalysatoren sind prinzipiell immer nach einem ähnlichen Muster aufgebaut. Hier gibt es vier wichtige Bausteine, die den Katalysator letzten Endes bilden:

  • Gehäuse

    Das Gehäuse stellt die äußere Hülle des Katalysators dar. Hier wird er gegen mechnaische Einflüsse von außen geschützt. Das Gehäuse hat auf der Innenseite wahlweise eine Dämpfung oder ein Drahtgeflecht, um bei einem eventuell vorhandenen Keramikträger die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen auszugleichen. Bei einem Träger aus Metall kann auf diese Maßnahme verzichtet werden.
  • Träger

    Bei der Wahl des Materials für den Träger müssen Vorteile verschiedener Werkstoffe abgewägt werden, um einen für das Endprodukt möglicht hohe Qualität zu erreichen. In jedem Fall muss der Träger eine möglichst große Oberfläche für die aktive Schicht bieten, um große Abgasmengen und somit einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Sichergestellt wird das durch einen kanalartigen Aufbau. Tausende von kleinsten Kanälen durchziehen den Träger und ermöglichen dem Abgas einen möglichst widerstandsfreien Weg.
    • Keramikträger

      Der Grundwerkstoff ist Keramik. Keramik hat den Vorteil, dass in erster Linie eine sehr konstante Betriebstemperatur gehalten werden kann. Somit ist die Einhaltung der strengen Abgasnormen sehr gut möglich. Im Falle des Recyclings lassen sich aus der Keramik die Edelmetalle leichter zurückgewinnen, wodurch erheblich Kosten eingespart werden können. Kosten werden auch bereits bei der Herstellung gespart, da sich keramische Träger günstiger Herstellen lassen.
    • Metallträger

      Der Grundwerkstoff ist Metall. Metall hat den Vorteil, dass es im Gegensatz zu Keramik stoß- und hitzebeständiger ist. Das Durchbrennen und somit ein Ineffektivwerden des Trägers und der aktiven Schicht ist eher unwahrscheinlich und die Lebensdauer ist größer. Durch die mechanische Beständigkeit kann ein Träger aus Metall mit wesentlich geringeren Wandstärken produziert werden, wodurch sich ein geringerer Widerstand für das Abgas ergibt. Auch wird ein solcher Träger schneller durch das durchströmende Abgas aufgeheizt.
  • Wash coat

    Der Wash coat oder auch Zwischenschicht ist eine zusätzliche Oberflächenvergrößerung zwischen dem Träger und der aktiven Schicht. Der Träger an sich hat eine glatte Oberfläche; durch die Zwischenschicht wird nochmals Material aufgebracht, dass eine sehr gebrochene Struktur hat und die Oberfläche stark aufrauht. Dadurch kann eine Oberflächenvergrößerung mit dem Faktor 7000 erreicht werden.
  • Aktive Schicht

    Die aktive Schicht besteht aus auf die Zwischenschicht aufgedampftem Platin und Rhodium. Diese beiden Edelmetalle verursachen bei der Durchströmung von Abgas chemische Reaktionen des Abgases ohne selbst an der Reaktion beteiligt zu sein. So muss ein Katalysator theoretisch niemals ersetzt werden, da das gesamte Abgas den Katalysator wieder verlässt (kein Filtereffekt) und kein Material aus dem Katalysator abgebaut wird. Platin und Rhodium haben ein Mischungsverhältnis von 5:1 und machen eine Masse von insgesamt 4g - 9g der Gesamtmasse des Katalysators aus. Durch das Platin werden Oxidationen und durch das Rhodium Reduktionen hervorgerufen.
     

Das Abgas eines Verbrennungsmotors besteht im Wesentlichen aus folgenden Stoffen:

  • Kohlenmonoxid (CO)
  • Kohlenwasserstoff (CxHy)
  • Stickoxid (NOx)

Aufgabe des Katalysators ist nun aus diesen drei für die Umwelt gefährlichen Stoffen Unbedenkliche zu „machen“. Diese Schadstoffe werden mit Hilfe von Oxidationen und Reduktionen zu Wasser und Kohlendioxid umgewandelt. Folgende chemische Reaktionen ergeben sich:

  • 2C8H18 + 25O2 ⇒ 16CO2 + 18H2O
  • 2CO + O2 ⇒ 2CO2
  • CO + 2NO ⇒ 2CO2 + N2

Im praktischen Betrieb ergibt sich für einen Katalysator nun das Problem, dass es Betriebszustände mit fetten und auch mit mageren Gemisch gibt. Je nachdem steht mehr oder weniger Sauerstoff für die Reaktionen zur Verfügung:

  • Mageres Gemisch

    Hohe Umwandlungsrate für CO und HC, weil Sauerstoffüberschuss herrscht. Je weniger CO und HC zur Verfügung steht, desto schlechter kann NOx umgewandelt werden.
  • Fettes Gemisch

    Hohe Umwandlungsrate für NOx, weil viel CO zur Verfügung steht. CO und HC können aufgrund von Sauerstoffmangel nicht oder nur schlecht umgewandelt werden.
 
 
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