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Der Abgas-Katalysator - Otto und Diesel Kat
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siehe auch
CO |
HC
| NOx
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Lambdaregelung
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Abgas
Was ist eigentlich ein Katalysator?
In einem Katalysator befinden sich chemische Elemente, die chemische Reaktionen hervorrufen und/oder beschleunigen, ohne selbst daran teilzunehmen.
Auch der
Abgas-Katalysator im Ottomotor oder Dieselmotor
sorgt für solch eine chemische Reaktion.
Mehr dazu im
Artikel.
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Katalysator mit Lambdasonde
Verbrennungsprodukte im Motor
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.
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-WegeKatalysator, auch G-Kat
genannt, gehört heute zur Standardausrüstung eines Otto-Pkws. Die
Umwandlungsrate der Abgase (Konvertierungsrate) liegt über 90%. Im weiteren
Verlauf wird dieser Katalysator-Typ beschrieben. Das "geregelt" bezieht sich
übrigens auf das Motormanagement 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.
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V-Katalysator
Das V
steht hier für Vorturbolader aber auch für Voroxidationskatalysator. Dieser
erhöht den den NO2-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
Video:
(von TheSimpleChemics)
Aufbau des Kats
Der Katalysator besteht aus vier
Komponenten:
Als Träger werden sogenannte
Monolithe (AlMg-Silikat = Keramik) oder Metallträger verwendet.
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Keramik-Katalysator
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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:
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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.
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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.
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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.
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.
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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.
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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.
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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.
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
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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
|
Lambdaregelung
| Dieselabgas
|
Dieselabgastechniken
|
Lesen Sie auch wie man einen
ddefekten Katalysator erkennt
und wie
Kats recycelt werden
Quellen für Text und Bilder: Prüfungslehrgang
Abgasuntersuchung der TAK, Europa, Internet, dpa
Autor: Johannes Wiesinger
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