Energie

Katalysator

Dieses Kapitel überschreitet die Fächergrenze zur Chemie. Da heute vielfach fächerübergreifende Themen für die Unterrichtspraxis empfohlen werden, bietet sich das Thema Katalysator als ein schönes Beispiel an.

Katalysator

1. Die Luftzahl λ ("Lambda")

Nach Erkenntnissen der Chemie werden im (unter Idealbedingungen) laufenden Verbrennungsmotor im Verhältnis genau 1 kg Kraftstoff zusammen mit 14,7 kg Luft verbrannt (stöchiometrisch korrektes Kraftstoff-Luftverhältnis). Man beachte besonders auch für die Luft die Angabe in der Masseneinheit kg, also nicht in einer der vielleicht erwarteten Volumeneinheiten „Liter“ oder „m³“. Mit λ bezeichnet man nun das Verhältnis von tatsächlich zugeführter Luftmasse zu der Luftmasse, die entsprechend der momentanen Kraftstoffzufuhr gemäß dem stöchiometrisch korrekten Verhältnis eigentlich zuzuführen wäre:

		tatsächlich zugeführte Luftmasse
λ	=	--------------------------------------------------------
		theoretisch erforderliche Luftmasse

→ Wenn also die „korrekte“ Luftmasse zugeführt wird, hat λ den Wert 1.
→ Bei einem Überschuss an Kraftstoff (Gemisch „fetter“, tatsächlich zugeführte Luftmasse ist im Verhältnis zur Kraftstoffmenge zu niedrig) ergibt sich demnach ein Wert von λ < 1.
→ Bei einem Überschuss an Luft (Gemisch „magerer“, tatsächlich zugeführte Luftmasse ist im Verhältnis zur Kraftstoffmenge zu hoch) tritt ein Wert von λ > 1 auf.

2. Auswirkungen verschiedener λ-Werte

Herkömmliche Ottomotoren ohne Direkteinspritzung erreichen ihre Höchstleistung bei einem leicht zu fetten Gemisch bei λ ca. 0,85 – 0,95, also bei 5 bis 15 % Luftmangel. Umgekehrt haben sie den geringsten Kraftstoffverbrauch bei λ ca. 1,1 – 1,2, also bei einem mageren Gemisch von 10 bis 20 % Luftüberschuss (siehe Diagramm).

Das zweite Diagramm zeigt die Schadstoffzusammensetzung im Rohabgas des Motors. Man erkennt, dass im angestrebten Fall „λ = 1“ noch keineswegs alle Schadstoffanteile minimal sind. Aber die für „λ = 1“ vorliegende Zusammensetzung ist genau die für die Nachbereitung mit einem Katalysator erwartete. Nur dann können die angestrebten chemischen Vorgänge im Innern des Katalysators korrekt ablaufen. Wenn also aus den oben erwähnten Gründen (vorübergehende maximale Leistungsanforderung; Wunsch nach besonders sparsamer „magerer“ Motorauslegung) oder während der Aufwärmphase nach dem Kaltstart die Bedingung „λ = 1“ nicht eingehalten werden kann, müssen weitere Maßnahmen rund um den Katalysator getroffen werden. So erfordert beispielsweise ein Motor mit Direkteinspritzung und der Möglichkeit zum sparsamen „Schichtladebetrieb“ im Leerlauf- und Teillastbereich einen speziellen zweiten NO_X-Speicherkatalysator.

3. Chemische Abläufe im Katalysator

Die hier betrachteten vom Motor produzierten Schadstoffe sind:

Kohlenmonoxid (CO) | Stickoxide (NO_X) | Kohlenwasserstoffe (C_XH_Y)

Der Katalysator wandelt die Schadstoffe in die folgenden ungiftigen Endprodukte um:

Wasserdampf (H₂O) | Kohlendioxid (CO₂) | Stickstoff (N₂)

Der Name „Dreiwegekatalysator“ für den inzwischen üblichen Katalysator mit Lambda-Regelung ergibt sich aus seinen drei Aufgabenbereichen:

aus CO wird durch Oxidation CO₂| aus HC wird durch Oxidation H₂O und CO₂| aus NO_X wird durch Reduktion N₂

Definition: Katalysator

Unter Katalysator versteht man in der Physik und Chemie einen Stoff, der chemische Reaktionen ermöglicht oder ihre Geschwindigkeit beeinflusst, ohne selbst verändert zu werden.

Reaktionsgleichungen im Dreiwegkatalysator

(1) 2 CO + O₂ → 2 CO₂
(2) 2 C₂H₆ + 7 O₂ → 4 CO₂ + 6 H₂O
(3) 2 NO + 2 CO → N₂ + 2 CO₂
(4) 2 NO₂ + 2 CO → N₂ + 2 CO₂ + O₂

Arbeitsweise

(Zitat: Aus Bosch, gelbe Reihe) Schadstoffe im Abgas

4. Betriebsbedingungen des Katalysators

Die geschilderten Vorgänge beginnen erst ab einer Betriebstemperatur von über 300 ºC zu laufen. Die optimale Katalysatortemperatur ist 400 – 800 ºC. Daher ist es wichtig, diese schnell zu erreichen und im Betrieb diesen Bereich auch nach oben nicht zu verlassen, da zu hohe Temperaturen wiederum zu einer vorschnellen Alterung führen. Daher muss in der Warmlaufphase schnell diese optimale Temperatur erreicht werden. Man kann dazu bei herkömmlichen Motoren ohne Direkteinspritzung den Zündwinkel in Richtung „spät“ verstellen sowie die Technik der „Sekundärlufteinblasung“ verwenden. Dabei wird in den Abgaskrümmer „künstlich“ Frischluft zugeführt. Die während der Warmlaufphase hohen Anteile unverbrannten Kraftstoff-Luft-Gemisches im Abgas werden mit diesem zusätzlichen Luftsauerstoff verbrannt und erzeugen eine höhere Temperatur im Abgasstrang. Bei Motoren mit Direkteinspritzung ist eine zweite „Nacheinspritzung“ während des Arbeitstaktes möglich. Dieser Kraftstoff verbrennt sehr spät und heizt ebenfalls die Abgase auf, sodass der Katalysator schnell in den erforderlichen Temperaturbereich kommt.

5. Einbaulage des Katalysators

Nach der Warmlaufphase soll die Temperatur des Katalysators im Optimalbereich von ca. 400 ºC bleiben. Daher ist eine Einbaulage zu weit vom Motor entfernt ungünstig. Der Katalysator sitzt üblicherweise hinter dem Abgaskrümmer in direkter Motornähe.

Der folgende Text sowie die folgenden Grafiken stammen von https://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/abgas/katalysator.html:

6. Aufbau von Katalysatoren

Der Katalysator besteht aus vier Komponenten:

Träger

Als Träger werden sogenannte Monolithe (AIMg-Silikat = Keramik) oder Metallträger verwendet. 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). 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 Keramikträgers: bessere Rückgewinnung der Edelmetalle, kostengünstiger, konstantere Betriebstemperatur

Vorteile des Metallträgers: stoßunempfindlicher, hitzebeständiger, schnellere Aufheizzeit, geringerer AbgasgegendruckDer Metallträger Metalit besteht aus sehr dünnen Stahlfolien (0,03 – 0,08 mm). Er eignet sich für verschiedene Katalysator-Arten.

Zwischenschicht (Wash-Coat oder Trägerschicht)

Zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche ist der Keramikträger mit einer Schicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) versehen. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche um das 700fache. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit wird ebenso erhöht.

Katalytisch aktive 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.

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.

Video zum Katalysator

Zurück zur Übersicht