Abgas und Abgasreinigung

Die Abbildung Mitte links zeigt den Schadstoffausstoß eines Ottomotors mit und ohne Katalysator in Abhängigkeit vom Lambdawert.
Die Bedeutung des Lambdawertes wurde bereits im Kapitel Kraftstoffe erläutert: Der Lambdawert (die Luftzahl) beschreibt das Kraftstoff-Luftverhältnis im Verbrennungsraum des Motors. λ = 1 entspricht dem stöchiometrischen Verhältnis von Kraftstoff und Sauerstoff. λ > 1 entspricht einem Luftüberschuss = „mageres Gemenge“; λ < 1 entspricht einem Luftmangel = „fettes Gemenge“.
Ohne Katalysator liegt das Minimum des HC- und CO-Ausstoßes bei λ ≈ 1,1. In diesem Bereich erreicht jedoch die NO_x-Emission ihr Maximum. Dies erklärt sich dadurch, dass bei optimaler Kraftstoffverbrennung die Temperatur im Brennraum besonders hoch ist und deshalb vermehrt Luftstickstoff zu Stickoxiden verbrennt. Da der Kraftstoff durch den ausreichend vorhandenen Luftsauerstoff vollständig oxidiert wird, steht er nicht zur Reduktion von Stickoxiden zur Verfügung.

Wirkungen des Katalysators, die sich aus der Abbildung ablesen lassen:

Die Abbildung zeigt, dass die Schadstoffreduzierung durch den Katalysator nur in einem sehr engen Bereich des Kraftstoff-Luftverhältnisses optimal wirksam ist. Man bezeichnet diesen Bereich als „λ-Fenster“, es liegt bei λ 0,995 – 1,0. Bei dieser Gemengezusammensetzung im Verbrennungsraum reicht der bei der Reduktion der Stickoxide frei werdende Sauerstoff aus, um die HC und das CO zu oxidieren.

Die Abbildung Mitte rechts zeigt Aufbau und Arbeitsweise eines Katalysators im Ottomotor. Man sollte hier zuerst eine gewisse Begriffsverwirrung bereinigen. Für Schülerinnen und Schüler ist heute, entsprechend dem allgemeinen Sprachgebrauch, das in das Abgassystem eingebaute Keramikgerät der „Katalysator“. Entsprechend der Definition für Katalysatoren in der Chemie, sind aber nur die Metalle in der aktiven Schicht Katalysatoren.
Der Abgaskatalysator besteht aus vier Komponenten: dem Träger, der Zwischen- oder Trägerschicht, der katalytisch aktiven Schicht und dem Gehäuse.
Der Träger ist mit mehreren tausend Kanälen durchzogen, durch die das Abgas strömt. Zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche wird der Träger mit einer porösen Zwischenschicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) versehen. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche um das 7.000-fache. Die katalytisch aktive Schicht wird auf die Zwischenschicht gedampft und enthält die eigentlichen Katalysatoren Platin, Rhodium und Palladium
(≈ 2 g). Platin begünstigt die Oxidationsvorgänge, Rhodium die Reduktionsvorgänge. Die Metalle reagieren aber nicht selbst, sie bringen nur die Reaktion in Gang, bzw. verringern die Aktivierungsenergie der Reaktionen, wie das folgende Diagramm zeigt.

Abbildungen unten Mitte und links: Die geringere Belastung mit Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid im Diesel-Abgas liegt an der Verbrennung mit Luftüber­schuss. Jedoch enthalten Diesel-Abgase noch Rußpartikel (PM = particle matter), die teilweise mit den anderen Schadstoffen beladen sind. Zur Schwefelbeladung siehe Abschnitt „Schadstoffe im Abgas“. Die Belastung der Diesel-Abgase mit Partikeln und Stickoxiden kann mit geeigneten Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung um mehr als 90 % reduziert werden.

Zur Entfernung dieser Rußbelastung wird ein keramischer oder metallischer Partikelfilter (DPF = Dieselpartikelfilter) in das Abgassystem eingebaut, der die Rußteilchen zurückhält. Gleichzeitig wirkt er als Oxidationskatalysator, der mithilfe des Sauerstoffüberschusses aus dem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch, mit dem Dieselmotoren arbeiten, einige der Schadstoffe oxidiert.

Der Partikelfilter muss jeweils nach mehreren Hundert Kilometern regeneriert werden, da er sich mit dem Kohlenstoff belädt und den Abgasgegendruck damit erhöht. Bei der Regeneration wird der Ruß mit dem noch im Abgas vorhandenen Sauerstoff zu CO₂ oxidiert. Dies erfordert bestimmte Bedingungen, z. B. hohe Temperaturen oder Zusatzstoffe, die die Rußverbrennung bei tieferen Temperaturen ermöglichen. Der Abbrand erfolgt während des Fahrbetriebes.