Der katalysator
Der Katalysator
Gliederung:
1. Definition
2. Otto-Motor
2.1. Aufbau
2.2.
Funktionsweise
2.3. chemische Vorgänge
2.4. Arten der Katalysatoren
2.5.
Arten der Schädigung
3. Diesel-Motor
4. Bio-Katalysator
Definition:
ist eine Substanz, die die Geschwindigkeit einer Reaktion verändert, ohne selbst in der
Reaktion eine bleibende chemische Änderung zu erfahren. Er kann die
Reaktionsgeschwindigkeit stark beschleunigen und besitzt keinen Einfluss auf das
Gleichgewicht des Endproduktes.
Der Otto-Motor:
Anforderungen:
- Er muß über einen großen Temperaturbereich arbeiten.
- Seine Aktivität darf er nicht bei Einwirkung von verschiedenen Benzinzusätzen, die
als Katalysatorgifte wirken können, verlieren.
- Der Abgaskatalysator muss stabil genug sein, um turbulente Störungen der
Auspuffgase und mechanische Erschütterungen beim Fahren überstehen zu können
Aufbau:
Der Katalysator besteht aus vier Komponenten:
. dem Träger
Als Träger werden sogenannte Monolithe (AlMg-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: stoßtunempfindlicher, hitzebeständiger, schnellere Aufheizzeit,
geringerer Abgasgegendruck
. der Zwischenschicht (Wash-Coat oder Trägerschicht)
Zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche ist der Keramikträger mit einer Schicht aus
Aluminiumoxyd (Al203) versehen. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche um das
7000fache. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit wird ebenso erhöht.
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.
dem 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.
>Lambda -Sonde:
Sie misst den Restsauerstoffgehalt im Abgaskanal.
Das Luftverhältnis sollte ungefähr gleich
eins liegen. Dieses entspricht einer optimalen Verbrennung und einem sehr guten Konvertierungsgrad (Umwandlungsgrad).
Sie stellt sich so ein, dass ein Gemisch magerer oder fetter wird.
Der Katalysator hat die Fähigkeit, während der Magerphase Sauerstoff zu speichern und
dies bei der Fettphase zur Oxidation von HC und CO zur Verfügung steht. Dadurch
werden über 90 % an Schadstoffen umgewandelt.
Funktionsweise:
Der Katalysator benötigt zum einwandfreien Arbeiten eine Mindestbetriebstemperatur,
Sobald diese Temperatur erreicht ist, beginnt die katalytische Schadstoffminderung und
erreicht in kürzester Zeit ihren höchsten Wirkungsgrad.
Dies geschieht in der Regel 30-90s
nach dem Kaltstart. Dabei wird Wärme freigesetzt. Unterhalb von 320 0C ist diese
Umwandlung der Schadstoffe im Abgas verschwindend gering. Das Kraftstoff-Luftgemisch
wird durch den Mikrocontroller (Motorsteuerung) in Abhängigkeit der
Abgaszusammensetzung (über die Lambdasonde gemessen) und auf den Idealwert
(Lambda=l) geregelt, um einen hohen Wirkungsgrad des Katalysators und damit einen
niedrigen Schadstoffgehalt zu erreichen.
Im Endeffekt misst die Lambdasonde vor dem Katalysator den Restsauerstoffgehalt im Abgas.
Diese Messwerte werden laufend an des Motorsteuergerät übertragen, welches diese Messdaten in seine laufenden Berechnungen mit einbezieht.
Der beste Arbeitsbereich liegt in etwa zwischen 400 und 8000C.
Chemischen Vorgänge:
1. Oxidationsreaktion (enthält Platin):
2 CO + 02 =2 C02
Kohlenstoffmonooxid + Sauerstoff= Kohlendioxid
2. Reduktionsreaktion (enthält Rhodium):
2N0+2C0=N2+2C02
Stickstoffmonooxid + Kohlenstoffmonooxid Stickstoff+ Kohlendioxid
3. Oxidationsreaktion:
2 C2H6 +702=4 C02 + 6 WO
Kohlenwasserstoff+ Sauerstoff= Kohlendioxid + Wasser
Arten:
a.) Einbett-Oxidations-Katalysatoren: (ungeregelter Katalysator U-KAT)
Im U-KAT wird der schädliche CH ( Kohlenwasserstoff) und CO (Kohlenstoffmonoxid) mit dem Restsauerstoff des Abgases oder der zusätzlich eingebrachten Luft in 1120 und C02 umgewandelt.
Hierzu wird extra zur Reaktion Sauerstoff zugeführt. Jetzt spricht man von
Oxidation. Daher der Name des ungeregelten Katalysators. Eine Reduktion der Stickoxyde findet nicht statt Er ist eigentlich nur noch in vielen älteren
Fahrzeugen zu finden
b.) Doppelbett-Katalysator:
Hierbei werden zwei Katalysatoren in Reihe angebracht. Der Erste von ihnen ist ein
Reduktionskatalysator, der Stickoxide in Stickstoff und Sauerstoff aufspaltet.
Er benötigt für
seine Funktion sauerstoffarmes Abgas. Der Zweite ist ein Oxidationskatalysator, der
Sekundarluft für seine Arbeitsweise benötigt.
Dennoch besitzt er einen hohen Stickoxidausstoß und ist somit nicht zufrieden stellend.
c.) Mager-oder Denox-Katalysator:
Das Einsatzgebiet ist der Mager - Motor oder Dieselmotor, beispielsweise das 3 - 4 1 Auto.
Da ein Diesel auch mit Luftüberschuss arbeitet, können herkömmliche Kats die Stickoxyde
nur unzureichend umwandeln.
Dieser Katalysator befindet sich im Entwicklungsstadium, aber das Ziel
ist es, im "mageren"(wenig Kraftstoffanteile) Bereich Stickstoffmonoxid,
Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe noch Weiter zu senken
d.) Drei-Wege-Katalysator: (geregelter Katalysator G-KAT)
Heutzutage wird er gleich vom Hersteller in das Fahrzeug mit eingebaut.
Der G-KAT besitzt eine Umwandlungsrate von ca.90 %, bei den anderen
beiden liegt diese bei ca. 40-50 %.
Arten der Schädigung
a.
) Thermische Alterung: Es ist eine Verkleinerung der Oberfläche des Abgaskatalysators
hervorgerufen durch Sintervorgänge (Durchlassvorgänge). Dies läuft bei höheren
Temperaturen schneller ab, demzufolge sollte man ihn oberhalb von
8000C nicht mehr betreiben, um weitere Schäden zu vermeiden.
b.) Chemische Vergiftung: Die katalytisch wirksame Schicht wird durch chemische Reaktion
mit Fremdstoffen, z.B. Kraftstoff- und Öladditive, unbrauchbar gemacht.
Der Grund ist
der, dass sich diese Stoffe dort ablagern.
c.) Mechanische Vergiftung: Die aktive Schicht (Platin / Rhodium) wird durch Stoffe aus dem
Kraftstoff oder Motoröl, z.B. Blei, Schwefel oder Metallverbindung, einfach abgedeckt. Dies
führt ebenfalls zur Unwirksamkeit des Arbeitsvorganges.
Diesel-Motor:
. 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 8O0/O der nicht oder nur teilweise verbrannten
Kohlenwasserstoffe (HC) in Wasserdampf (H20) und Kohlendioxid (C02)
umgewandelt.
. Aus dem giftigen Kohlenmonoxid (CO) wird ebenfalls Kohlendioxid (C02).
. 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.
. Außerdem entstehen beim Diesel noch Rußpartikel, die mit einem entsprechenden
Filter zurück gehalten werden können
Bio-Katalysatoren:
Enzyme sind Proteine, die chemische Reaktionen beschleunigen.
Nach den jeweils katalysierten chemischen Reaktionen kann man mehrere große Gruppen von
Enzymen unterscheiden, z. B. hydrolytische, oxidierende und reduzierende Enzyme.
Hydrolytische Enzyme beschleunigen Reaktionen, bei denen Moleküle unter
Wasseranlagerung in einfachere Grundbausteine zerlegt werden. Die oxidierenden Enzyme,
auch Oxidasen genannt, setzen Oxidationsreaktionen in Gang, und reduzierende Enzyme
sorgen für Reduktionsreaktionen, bei denen Sauerstoff abgespalten wird.
Daneben kennt man
viele Enzyme, die andere Reaktionen katalysieren
Manche Enzyme, beispielsweise Pepsin und Trypsin, die der Verdauung von Fleisch dienen,
katalysieren viele verschiedene Reaktionen; andere, so die Urease, sind höchst wählerisch und
setzen nur eine einzige Reaktion in Gang. Wieder andere setzen Energie frei, die das Herz
schlagen lässt und auch den anderen Muskeln die Kontraktion ermöglicht. Viele Enzyme
setzen Zucker und weitere Nährstoffe zu den Verbindungen um, die der Organismus braucht,
um Gewebe aufzubauen, verbrauchte Blutzellen zu ersetzen und viele andere Tätigkeiten
auszuführen.
Enzyme arbeiten höchst effizient. Eine winzige Enzymmenge bringt bei Körpertemperatur
chemische Reaktionen zuwege, die man mit den üblichen Mitteln der Chemie nur durch
Einsatz aggressiver Chemikalien und bei hohen Temperaturen in Gang setzen könnte. Etwa
30 Gramm reines, kristallines Pepsin würden beispielsweise ausreichen, um innerhalb
weniger Stunden mehr als zwei Tonnen Hühnereiweiß abzubauen.
5-7-2004
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