Beitrag So 23. Sep 2012, 09:28

11. Der Katalysator

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Schnittzeichnung eines Katalysators.
1 Elastisches Metallgewebe
2 Keramikkörper mit Edelmetallbeschichtung
3 Lambda-Sonde.


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Die chemischen Reaktionen im Katalysator
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Allgemeine Beschreibung

Die wesentlichen Bestandteile des Kraftstoffs sind die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff. Wenn der Kraftstoff im Motor verbrannt wird, verbindet sich der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff zu Kohlendioxid (chem. Kurzformel C02). Der Wasserstoff vereinigt sich mit Sauerstoff zu Wasser (H20). Aus einem Liter Kraftstoff entstehen ca. 0,9 Liter Wasser, welches gewöhnlich aber nicht sichtbar ist, da es durch die Verbrennungswärme im gasförmigem Zustand die Abgasanlage verläßt. In den Wintermonaten ist die Bildung von weißen Abgaswolken durch das kondensierende Wasser zu beobachten.

Was stößt der Motor aus ?

Kohlenmonoxid (CO) ist die wohl bekannteste Verbindung, denn der CO-Gehalt wird bei der Leerlaufeinstellung gemessen. Es entsteht um so mehr, je fetter, also kraftstoffreicher das Kraftstoff-/Luft-Gemisch ist. Mageres Gemisch, genaue Zündeinstellung und gleichmäßige Gemischverteilung im Verbrennungsraum ermöglichen einen niedrigen CO-Anteil.

Kohlenmonoxid ist giftig und kann beim Einatmen in geschlossenen Räumen zum Tod führen. In der Luft verbindet sich das Kohlenmonoxid relativ schnell mit Sauerstoff zu dem ungiftigem Kohlendioxid (CO,).

Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) entstehen, wenn die von der Zündkerze entzündete Flammenfront an kalten Wandungen und engen Winkeln im Brennraum erlöscht. Zu fettes oder zu mageres Gemisch erhöht den Ausstoß der Kohlenwasserstoffe. Der HC-Anteil ist zum Teil bereits durch die Motorkonstruktion bestimmt, er kann später nur in gerigem Maße beeinflußt werden.

Die Kohlenwasserstoff-Verbindungen sind der Übersichtlichkeit wegen zusammengefaßt, wobei die Bandbreite von harmlos bis möglicherweise krebserregend reicht. In der Luft sind die Kohlenwasserstoffe mit den Stickoxiden für die Bildung von Smog (schwer auflösbare Abgasnebelwolken) verantwortlich.

Stickoxide (NO x) bilden sich vor allem durch den zu über 3/4 in der Verbrennungsluft enthaltenen Stickstoff. Ihr Anteil ist besonders hoch bei einer Auslegung des Motors für geringen Kraftstoffverbrauch und geringen CO- sowie HC-Ausstoß: Hohe Verbrennungstemperaturen und mageres Kraftstoff-/Luft-Gemisch.

Stickoxide können bei entsprechender Konzentration zu Reizungen der Atmungsorgane führen.

Bleiverbindungen werden dem herkömmlichen verbleiten Kraftstoff als Antiklopfmittel beigemengt. Ungefähr 75% der Beimischung verlassen den Brennraum in unverändeter Form durch die Abgasanlage.

Die Bleiverbindungen lagern sich in der Umgebung ab und werden u. a. mit der Nahrung im Körper aufgenommen, aber nicht mehr ausgeschieden. Das dies bei höheren Konzentrationen gesundheitsschädlich ist, versteht sich von selbst.

Katalysator und Lambda-Sonde

Wer das Wissen aus dem Chemie-Unterricht nicht mehr parat hat: Ein "Katalysator" ist ein Stoff oder in unserem Fall ein Bauteil, welches eine chemische Reaktion bei einer niedrigeren Temperatur als im Normalfall erforderlich einleitet oder beschleunigt, wobei der Katalytische Stoff sich bei der Reaktion nicht verändert.

Der Katalysator hat große Ähnlichkeit mit einem Auspufftopf. Darin sitzt ein Keramikkörper (Bei moderneren Katalysatoren kommen Metallwaben zum Einsatz), welcher aus einer Vielzahl kleiner Zellen besteht. Die so vergrößerte Oberfläche dieser Zellen ist mit einer dünnen Edelmetallschicht belegt, bestehend aus insgesamt jeweils ca. 2 Gramm Palladium, Platin und Rhodium.

Mit dem Dreiwege-Katalysator rückt man den Schadstoffen Kohlenmonoxid, den Kohlenwasserstoffen und den Stickoxiden zu Leibe. Wird der Katalysator einfach (ohne jegliches Regelungssystem) ins Abgassysteme eingesetzt, verringert sich der Schadstoffausstoß sofort um ca. 65%.

Wirksamer jedoch ist die Umsetzung der Schadstoffe, wenn die Zusammensetzung des Kraftstoff-/Luft-Gemisches beeinflußt werden kann. Das geschieht mit Hilfe der Lambda-Sonde; Diese mißt den Sauerstoff-Anteil im Abgas.

Lambda ist die "Luftzahl" - das Verhältnis der Luftmenge zur Kraftstoffmenge im angesaugten Gemisch. Der Katalysator kann nur dann richtig arbeiten, wenn die Luftzahl Lambda dem Wert 1 möglichst nahe kommt. Der Lambda-Wert wird anhand des Restsauerstoffs im Abgasgemisch gemessen. Weicht die Messung vom Idealwert ab, gibt das elektronische Steuergerät der Kraftstoff-Einspritzanlage den Befehl zur unverzüglichen Korrektur: Anreichern bei zu magerem Gemisch; Abmagern des Kraftstoff-/Luft-Gemisches, wenn dieses zu fett wird.

Die Regelung arbeitet im Bereich von x=0,8 bis x=1,2 (x=Lambda) in schnell wechselnder Folge: Luftüberschuß zur Verbrennung der Kohlenwasserstoffe, Luftmangel zur Verringerung der Stickoxide. Die aus dieser Mischung entstehenden Abgase gelangen in den Katalysator, wo eine nahezu vollständige Umwandlung in ungiftige Stoffe (Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff) erfolgt.

In der Warmlaufphase bleibt die Anlage ungeregelt und richtet sich nach einem vorgegebenem mittleren Lambda-Wert; Das Gleiche gilt, wenn die Vollast-Anreicherung aktiviert ist.

Im Einzelnen beträgt die Verringerung der Schadstoffe bei geregeltem Katalysator: Kohlenmonoxid 85%, Kohlenwasserstoffe 80%, Stickoxide 70%. Hierbei wurde bereits berücksichtigt, das der Wirkungsgrad das Katalysators mit zunehmender Arbeitsdauer abnimmt.

Ehe der Katalysator arbeiten kann, muß er eine Arbeitstemperatur von etwa 300"C erreicht haben, dies ist im Normalfall bereits nach weniger als ca. 3 Min. der Fall. Etwa gleichlang dauert es, bis die LambdaSonde ihre "Anspringtemperatur" erreicht hat.

Katalysator und Lambda-Sonde sind aller sehr stark überhitzungsempfindlich. Steigen die Temperaturen im Katalysator über 900°C, setzt eine verstärkte frühzeitige Alterung ein, ab ca. 1.200°C wird seine Wirkung auf Dauer zerstört, Ähnliches gilt auch für die Lambda-Sonde. Solch hohe Temperaturspitzen können z. B. bei Zündaussetzern auftreten, hierbei wird unverbranntes Gemisch durch die hohe im Katalysator vorherrschende Temperatur gezündet. Ebenfalls gefährlich für Lambda-Sonde und Katalysator ist ein verstellter Zündzeitpunkt mit den daraus resultierenden hohen Abgastemperaturen.

Seine Wirkung kann der Katalysator nur in Verbindung mit bleifreiem Kraftstoff entfalten. Die Bleianteile im verbleiten Kraftstoff bedecken die Edelmetallschicht und gehen mit mit ihr chemische Verbindungen ein. Der Katalysator wird "vergiftet" und muß nach mehrmaliger Betankung des Wagens mit verbleitem Kraftstoff ausgetauscht werden.

Mit zunehmender Lebensdauer verliert der Katalysator ebenfalls an Wirksamkeit. Dennoch hält er unter normalen Betriebsbedingungen (fast) so lange wie der Motor. Bei Überhitzung des Katalysators schmilzt der Keramikkörper - er schrumpft und macht sich durch Klapper-Geräusche im Metallgehäuse sowie mangelnde Motorleistung (aufgrund des erhöhten Abgas-Gegendrucks) bemerkbar. Die Einwandfreie Funktion eines Katalysators kann mittlerweile an vielen Tankstellen ermittelt werden, welche eine Abgas-Sonderuntersuchung durchführen können (Da hier keine Bescheinigung ausgefertigt werden muß und obendrein keine Plakette geklebt wird, ist es sogar möglich, über den Preis zu verhandeln ! ).

Besondere Vorsichtsmaßnahmen bei Fahrzeugen mit Katalysator

In der Betriebsanleitung sind zahlreiche Hinweise für KatalysatorFahrzeuge ausgeführt. Besonders gefährlich ist unverbranntes Gemisch, welches sich im heißen Katalysator entzündet und so die Temperaturen in gefährliche Höhen treiben kann. Hier die wichtigsten Punkte:

1. Das Anrollenlassen, Anschieben oder Anschleppen ist problemlos, wenn der Anlasser wegen einer entleerten Batterie den Motor nicht zur Mitarbeit überreden kann (Bei Fahrzeugen mit Automatik-Getriebe sind die besonderen Hinweise in der Bedienungsanleitung zu beachten !).

2. Kann durch Zündaussetzer oder Fehlzündungen ein Defekt an der Zündanlage nicht ausgeschlossen werden, so ist diese unverzüglich zu überprüfen

3. Im Hochsommer nach wochenlanger Trockenheit beim Parken das Fahrzeug nicht über trockenem Laub, Heu o. ä. leicht entzündlichen Stoffen abstellen. Unter besonders ungüstigen Umständen könnte es zu einer Entzündung kommen.

4. Beim Auftragen von Unterbodenschutz ist darauf zu achten, das nichts hiervon an das Metallgehäuse des Katalysators gelangt.

5. Gelegentlich ist bei augebocktem Fahrzeug der Zustand der Hitzeschutzbleche zu überprüfen. Sind diese beschädigt oder verlorengegangen, so ist sofort Abhilfe zu schaffen.