Übersicht Lambdasonde Funktion und Aufbau Einsatzgebiete KFZ-Katalysator Oxidationskatalysator Speicherkatalysator SCR-Kat 2

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2 Übersicht Lambdasonde Funktion und Aufbau Einsatzgebiete KFZ-Katalysator Oxidationskatalysator Speicherkatalysator SCR-Kat 2

3 Lambdasonde Misst den Restsauerstoffgehalt in einem Abgas Vergleicht diesen mit der Umgebungsluft (20,8 % O 2 ) Gibt eine Spannung zwischen 0 1 Volt aus 0,5 Volt Lambdaspannung Luft- Kraftstoffgemisch ist stöchiometrisch λ=1 U< 0,5 V Gemisch zu mager λ>1 U> 0,5 V Gemisch zu fett λ<1 3

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5 Funktion und Aufbau Zirkoniumdioxid wird O 2- Ionen durchlässig bei > 650 C O 2- Ionen diffundieren von hoher Konz. zu niedriger Elektroden aus gasdurchlässigem Platin Elektronen werden von der Kathode abgegeben 5

6 Reaktionen im Detail 6

7 Zirkoniumdioxid Spannung berechenbar durch Nernst- Gleichung Spannug wird über die beiden Platinelektroden abgenommen 7

8 Zirkondioxid im Detail Ionenleitung durch Wanderung von Kristalldefekten Hohe Defektkonzentration und hohe thermische Energie bei Temperaturen > 1000 C Erzeugt bei T>1000 C erst nennenswerte Leitfähigkeit 8

9 Zirkoniumdioxid Feststoffelektrolyt O 2- Ionen durchlässig Fluoritstruktur (CaF 2 -Typ) Beim Abkühlen kubisch tetragonal monoklin Y 2 O 3 stabilisiert das System in der kubischen Struktur Y 2 O 3 + Zr Zr + O O 2 Y Zr + 2 ZrO 2 + V ö (Defektgleichung) 9

10 Aufbau der YSZ Keramik YSZ = Yttria-stabilized zirconia Yttrium dotiertes Zikroniumdioxid 10

11 Eigenschaften der YSZ Arbeitet schon ab 350 C zuverlässig keine Phasenübergänge mehr O 2 diffundiert aus dem Abgas durch die Sauerstofflücken kein Vergleich mit der Umgebungsluft mehr notwendig 11

12 Breitbandlambdasonde Referenz bester Verhältnisse in der Sonde selbst Vergleich mit Referenz, Außenluft und Abgas direkt in der Sonde größerer und genauerer Messbreich 12

13 Einsatzgebiete Verbrennungsmotor Heizungsanlagen Je strenger die Abgasnormen, je mehr Sonden werden eingesetzt von vor und hinter dem Katalysator bis zu einer Sonde pro Zylinder 13

14 Grundlagedes Katalysators ideale Verbrennung: C 8 H ,5 O 2 8 CO H 2 O niemals reiner Kraftstoff niemals vollständige Verbrennung viele Nebenreaktionen Nebenprodukte: CO, C, C x H y, NO x = N 2 O, NO, N 2 O 2, N 2 O 3, NO 2, N 2 O 4, N 2 O 3, N 2 O 5 14

15 Benzin/Diesel Vergleich C-Ketten von 4-10 Zündtemp.: 300 C Fremdzünder gezielte Verbrennung Nebenprodukte: CO, C x H y, NO, NO 2 C-Ketten von Zündtemp.: 220 C Selbstzünder mit Direkteinspritzung nicht gezielte Verbrennung Nebenprodukte: C, CO, C x H y, NO, NO 2 15

16 Giftigkeit der Abgase CO hoch giftig, blockiert den Sauerstofftransport im Blut 2 NO 2 + H 2 O HNO 3 + HNO 2 Ruß als noch nicht bewiesener Krebsauslöser bei hoher Exposition 16

17 Aufbau eines Katalysator Trägermaterial aus AlMg- Silikat als Wabenkörper mit großer Oberfläche Washcoat beschichtet mit Al 2 O 3 Ce 2 O 3 zur weiteren Oberflächenvergrößerung und O 2 -Speichermögl. Beschichtung mit Pt, Rh, Pd begünstigt: Oxd. & Red. 17

18 mikroskopische Betrachtung 18

19 Reaktionen im Kat. (Ottomotor) Pt/Pd (Oxidation): 2 CO + O 2 2 CO 2 2 C 2 H 6 +7 O 2 4 CO H 2 O Rh (Reduktion): 2 NO + 2 CO 2 N CO 2 19

20 Oxidationskat. (Dieselmotor) Oxidationsreaktionen gleich dem Benzin Katalysator durch zu hohen O 2 -Anteil im Abgas kann keine Reduktion von NO x stattfinden daher wird auch kein Rh benötigt Lösungsansatz zur NO x Reduktion, Abgasrückführung Leistungsverlust und stärkere Rußbildung 20

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22 NO x Speicherkatalysator Speicherung der NO x Emissionen nachgeschaltete Reduktion oder Oxidation Trägermaterial mit Katalysatorsubstanz (Pt) und Speichermaterial (BaCO 3 ) wird durch Sauerstoff zu NO 2 oxidiert 2 BaCO NO 2 + O 2 2 Ba(NO 3 ) CO 2 22

23 NO x Speicherkatalysator NO 2 wird bei geringere O 2 Konz. desorbiert Anwesenheit von Reduktionsmitteln wie CO, C x H y reduziert NO 2 zu N 2 und H 2 O aufwendige Regelung des O 2 -Stromes funktioniert nur bei C 23

24 SCR Katalysator SCR (selektive katalytische Reduktion) Reduktion der NO x Emissionen durch Ammoniak Trägermaterial welches teilweise Ammoniak Speicher kann Einspritzung einer 32,5% Harnstofflösung ("AdBlue ) vor dem SCR-Kat Hydrolyse des Harnstoffs 24

25 Reaktionen im SCR-Kat. Hydrolyse des Harnstoffes (H 2 N) 2 CO + H 2 O 2 NH 3 + CO 2 Reduktion der NO x Emissionen auf dem Trägermaterial NH 3 + NO x N 2 + H 2 O 25

26 schematische Ansicht 26

27 Einsatz und Nachteile SCR-Kat. zusätzliche Regelung der Harnstoffeinspritzung notwendig Adblue Tankstellennetz Zusatzgewicht durch einen weiteren Tank Einsatz bis jetzt nur in Nutzfahrzeugen im Fernverkehr 27

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29 Quellenangaben sonde.svg peg peg Riedel/Janiak Anorganische Chemie 7. Auflage 29