Themen:
- Allgemeines
- Dreiwege-/Oxidationskatalysatorbetrieb
- Arbeitstemperaturen
- Betrieb des NOx-Katalysators
- Altern und seine Ursachen
Gesamt:
Der Name Katalysator stammt ursprünglich vom griechischen Wort Katalyse (was Auflösung bedeutet). Um den Umweltauflagen gerecht zu werden, ist seit Ende 1992 ein Katalysator erforderlich. Abgase enthalten Schadstoffe: CO (Kohlenmonoxid), NOx (Stickoxide) und CH (unverbrannte Kohlenwasserstoffe). Diese Stoffe werden zu unschädlichen Stoffen (oxidiert). Daher der Name Oxidationskatalysator.
In der Chemie ist ein Katalysator ein Stoff, der eine chemische Reaktion auslöst und diese beschleunigt oder verlangsamt, ohne dabei selbst eine Veränderung zu erfahren.
Dreiwege-/Oxidationskatalysatorbetrieb:
Ein Katalysator ist kein Filter, sondern kann als Konversionselement betrachtet werden, dem Edelmetalle wie Platin, Rhodium oder Paladium zugesetzt wurden. Kommen die Abgase damit in Kontakt, kommt es zu einer sehr schnellen chemischen Reaktion. Die Moleküle der schädlichen Gase werden zersetzt und mit anderen Molekülen verbunden, wodurch ein unschädliches Gas entsteht. Der Katalysator ist in der Lage, die Abgase um 90 % zu reinigen. Allerdings geht dies mit einem höheren Verbrauch und einer geringeren Leistung einher. Dies liegt daran, dass im Abgasweg ein gewisser Luftwiderstand entsteht.
Stoffe in den Abgasen:
- CO2: Kohlendioxid (in hohen Konzentrationen schädlich für Umwelt, Mensch und Tier)
- CO: Kohlenmonoxid (unvollständig verbranntes Gas, ebenfalls gesundheitsschädlich)
- CH: Kohlenwasserstoffe (unverbrannte Benzinteile)
- O2: Sauerstoffanteile (die nicht an der Verbrennung beteiligt waren)
- NOx: Stickstoffverbindung (die nur bei sehr hohen Verbrennungstemperaturen entsteht).
Der Katalysator wandelt die 3 schädlichen Komponenten CO, HC und NOx in 3 harmlose Komponenten um: CO2, H2O und N2. Von hier stammt auch der Name Drei-Wege-Katalysator.
Um dem Katalysator O2 und CO hinzuzufügen, damit die Umwandlung stattfinden kann, muss das Einspritzmuster des Motors angepasst werden. Um O2 zu bilden, muss das Gemisch mager sein (weniger Kraftstoff, mehr Luft). Um CO zu bilden, muss das Gemisch fett sein (mehr Kraftstoff, weniger Luft). Letzteres ist bei Magergemischmotoren nicht der Fall, siehe Kapitel NOx-Katalysator weiter unten auf der Seite.
Indem immer etwas zu viel und etwas zu wenig Kraftstoff in die Zylinder eingespritzt wird, entsteht immer ein fettes und mageres Gemisch. Der Überschuss an CO und O2 landet somit im Katalysator. Im Katalysator reagiert das Platin mit CO und HC. Das Rhodium sorgt für die Reduzierung von NOx. Dies erklärt auch, warum bei der Messung an der Lambdasonde eine schwankende Spannung gemessen wird. Dort schwankt die Spannung zwischen 0,2 und 0,8 Volt (von niedrig nach fett usw.). Das Motormanagementsystem (die ECU) des Autos regelt dies selbst. Es muss also nichts angepasst werden.
| Schädliche Substanz: | Hinzufügen von: | Ergebnisse in: |
| CO+ | O2 = | CO2 |
| HC+ | O2 = | CO2 + H2O |
| NOx+ | CO = | N2 + CO2 |
Um dem Katalysator O2 und CO hinzuzufügen, damit die Umwandlung stattfinden kann, muss das Einspritzmuster des Motors angepasst werden. Um O2 zu bilden, muss das Gemisch mager sein (weniger Kraftstoff, mehr Luft). Um CO zu bilden, muss das Gemisch fett sein (mehr Kraftstoff, weniger Luft). Letzteres ist bei Magergemischmotoren nicht der Fall, siehe Kapitel NOx-Katalysator weiter unten auf der Seite.
Indem immer etwas zu viel und etwas zu wenig Kraftstoff in die Zylinder eingespritzt wird, entsteht immer ein fettes und mageres Gemisch. Der Überschuss an CO und O2 landet somit im Katalysator. Im Katalysator reagiert das Platin mit CO und HC. Das Rhodium sorgt für die Reduzierung von NOx. Dies erklärt auch, warum beim Messen eine schwankende Spannung gemessen wird Lambdasonde wird gemessen. Dort schwankt die Spannung zwischen 0,2 und 0,8 Volt (von niedrig nach fett usw.). Das Motormanagementsystem (die ECU) des Autos regelt dies selbst. Es muss also nichts angepasst werden.
Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, dass die Stoffe unter anderem alle in CO2 umgewandelt werden. CO2 gilt heute als umweltgefährdender und für die globale Erwärmung verantwortlicher Stoff. Allerdings atmet ein Mensch auch CO2 aus. Dieser wird von Bäumen und Pflanzen wieder in O2 (Sauerstoff) umgewandelt. Zu viel CO2 hat eine schädliche Wirkung. Die Bäume und Pflanzen sind in der Minderheit und können nicht alles in O2 umwandeln. Bei Verbrennungsmotoren sollte der CO2-Gehalt möglichst hoch sein. Das klingt verrückt, denn man würde meinen, dass dieser so niedrig wie möglich gehalten wird. Die Sache ist so; Je höher der CO2-Gehalt, desto weniger CO und HC werden freigesetzt. CO und HC sind beim Einatmen direkt gesundheitsschädlich. Der CO2-Ausstoß lässt sich nur durch den Umstieg auf alternative Kraftstoffe, kleinere (sparsamere) Verbrennungsmotoren und leiseres Fahren senken.
Arbeitstemperaturen:
Die nützliche Wirkung des Katalysators beginnt ab einer Temperatur von 250 Grad und erreicht ihr Maximum bei einer Temperatur von 450 Grad. Nach dem Starten des Motors dauert es eine Weile, bis die reinigende Wirkung einsetzt. Der Katalysator wird so nah wie möglich am Abgaskrümmer montiert, da er früher seine Arbeitstemperatur erreicht. Abgastemperaturen zwischen 800 und 1000 Grad sorgen für eine schnellere thermische Alterung, was die Lebensdauer verkürzt und damit die aktive Oberfläche verringert.
Es gibt auch Katalysatoren mit einem Heizelement, das dafür sorgt, dass der Katalysator nach einem Kaltstart noch schneller die Temperatur erreicht. Dieser kann sich dann nach dem Einschalten des Motors noch schneller regulieren, was zu saubereren Abgasen führt
Um den Katalysator nach einem Kaltstart möglichst schnell aufzuwärmen, a Sekundärluftpumpe.
Betrieb des NOx-Katalysators:
Es wurde bereits erläutert, dass NOx durch den Katalysator reduziert werden kann, indem zusätzliches CO im Abgas erzeugt wird. Dies ist nur möglich, um die Mischung fetter zu machen. Bei den Magermotoren unter anderem von Volkswagen (FSI) und BMW (Efficient Dynamics) laufen die Motoren bei Teillast und niedrigen Drehzahlen immer mit einem Gemisch mit Luftüberschuss (also mager, nie fett). Mit einem normalen Dreiwegekatalysator ist es daher unmöglich, NOx in N2 + CO2 umzuwandeln. Um das NOx aus den Abgasen zu entfernen, ist ein spezieller NOx-(Speicher-)Katalysator mit einer speziellen Bariumkomponente erforderlich. Dieser Katalysator enthält neben der Bariumkomponente auch Edelmetalle wie Platin und Rhodium.
Der Drei-Wege-Katalysator wandelt die CO- und HC-Werte wie zuvor beschrieben in CO2 und H2O um. Das NOx wird durch den NOx-Katalysator umgewandelt. Zur ständigen Überwachung der Werte sind zusätzliche Temperatursensoren und ein NOx-Sensor erforderlich.
Das Bild unten zeigt eine Abgasanlage, wie sie von VW, BMW (und immer mehr anderen Marken) verwendet wird.
In diesem Katalysator werden die NOx-Gase in kaltem Zustand gespeichert. Die anderen Abgase können ihren Weg durch den Auspuff fortsetzen. Während der sauerstoffreichen Phase werden die NOx-Gase in der Bariumkomponente gespeichert. Das NOx sammelt sich an (genau wie Ruß in einem Partikelfilter gespeichert wird). Mit der Zeit wird der Katalysator gesättigt. In diesem Moment ist es voller NOx. Anschließend muss der Katalysator regeneriert werden. Der NOx-Sensor erkennt dies und sendet ein Signal an die ECU. Zu diesem Zeitpunkt wird das Gemisch angereichert, insbesondere um den NOx-Katalysator zu regenerieren. Dies geschieht erst, wenn der NOx-Katalysator eine Temperatur von 800 Grad erreicht hat (dies wird vom Temperatursensor registriert und ebenfalls an das Motorsteuergerät weitergeleitet). Durch die vorübergehende Anreicherung wird zusätzliches CO freigesetzt. Mit Hilfe dieses CO kann durch die Platin- und Rhodiumkomponenten eine Umwandlung zu N2 + CO2 erfolgen. Nach der Regeneration läuft der Motor wieder mit magerem Gemisch, bis der Katalysator wieder gesättigt ist.
Auch bei diesem System kann es zu Störungen kommen. Wenn das Auto nur über kurze Strecken gefahren wird (was sich negativ auf das gesamte Auto auswirkt), kann der NOx-Katalysator seine Arbeitstemperatur nicht erreichen. Sobald es gesättigt (voll) ist, muss es regeneriert werden. Nur wenn der Temperatursensor weiterhin eine zu niedrige Temperatur misst, wird das Steuergerät das Gemisch niemals anreichern. Befindet sich der Katalysator nicht auf Betriebstemperatur, können die Platin- und Rhodiumkomponenten noch keine Umsetzung bewirken. Zu diesem Zeitpunkt leuchtet die Motorfehlerleuchte auf und die Ursache wird beim Scannen des Fahrzeugs aufgedeckt. Anschließend wird der Katalysator mit Hilfe des Prüfschranks oder einer flotten Probefahrt regeneriert. Daher ist es am besten, gelegentlich eine längere Strecke zu fahren (z. B. 50 km oder mehr auf der Autobahn) und am besten eine Strecke mit höherer Geschwindigkeit. Der Katalysator erreicht dann problemlos seine Arbeitstemperatur.
Heutzutage verwenden Dieselmotoren das SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction). angewandt. Dieser SCR-Katalysator speichert auch NOx, es gibt aber auch einen AdBlue-Dosiersystem hinzugefügt zu.
Altern und seine Ursachen:
- Benzin: Ein Drei-Wege-Katalysator kann nur mit bleifreiem Benzin betrieben werden. Wird bleihaltiges Benzin getankt, haftet es in einer dünnen Schicht am Edelmetall, was den Kontakt mit den Abgasen verringert und nach einiger Zeit sogar unmöglich macht. Eine chemische Reaktion kann dann nicht mehr stattfinden. Der Katalysator ist nun außer Betrieb und muss ersetzt werden. Das ist eine kostspielige Angelegenheit. Um eine bestimmte Klopfgrenze zu erreichen, wurde verbleites Benzin beigemischt. Da heutzutage Klopfsensoren zum Einsatz kommen, wurde Blei aus dem Kraftstoff entfernt.
- Auch im Innenraum hat Öl eine verheerende Wirkung. Bei starker Ölleckage, beispielsweise an den Kolbenringen, Ventilführungen oder am Turbo, kann viel Öl in den Katalysator gelangen. Außerdem bildet sich durch das Öl eine Schicht auf dem Edelmetall, die dann ihre Wirksamkeit verliert.
- Kurzstreckenfahrten: Bei vielen Kurzstreckenfahrten erreicht der Katalysator selten oder nie seine Betriebstemperatur. Die unverbrannten HC (Benzin)-Rückstände haften an der Keramikoberfläche. Bei längerer Fahrt werden diese HC-Rückstände dennoch verbrannt. Bei weiterer Kurzstreckenfahrt haften diese HC-Rückstände auch im Innenraum, wodurch der Katalysator mit der Zeit an Wirksamkeit verliert.
Der zweite Lambdasensor (Sprungsensor) misst oft, ob der Katalysator die Gase richtig umgewandelt hat. Altert der Katalysator oder ist der Innenraum defekt, misst dieser zweite Lambdasensor dies. Anschließend leuchtet eine Fehlerleuchte auf dem Armaturenbrett auf. Dann ist ein Austausch des Katalysators erforderlich. Weitere Informationen zur Lambdasonde finden Sie auf der Seite Lambdasonde.
