Ein Referat von Markus Traub 9b

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1 Abgaskatalysator Zuerst störte der Lärm... In den zwanziger Jahren begann man, dem Auspuffgeknatter von Automobilen erste Aufmerksamkeit zu schenken. Das Abgas musste vom Motor abgeleitet werden, und ein Knalltopf kam in die Rohrleitung, um den größten Krach zu mildern. An Schadstoffe in Automobilen dachte in dieser Zeit sicher kaum jemand, und so blieb es auch über viele Jahre, vor und nach dem Zweiten Weltkrieg. In den fünfziger Jahren begann man zunächst den Auspufflärm zu verringern, und in den sechziger Jahren drang die Problematik der Luftschadstoffe mehr und mehr in das Bewusstsein. Dieses Bewusstsein für die Umwelt und die Probleme der Luftverschmutzung wurde geprägt und geschärft durch die zunehmende Smogbelastung in Los Angeles in Kalifornien/USA. Aufgrund der besonderen geographischen Bedingungen traten dort erstmals Anfang der vierziger Jahre ernsthafte Luftverschmutzungen auf. Die explosionsartige Zunahme der Bevölkerung führte dazu, dass zunächst erste Maßnahmen zur Senkung von Emissionen der Industrie und offener Feuerstellen getroffen wurden. Diese Maßnahmen brachten jedoch nur vorübergehend Erfolg, so dass eine weitere Verbesserung durch Senkung der HC-Emission von Kraftfahrzeugen notwendig wurde. Dies war wohl die eigentliche Geburtsstunde der kontrollierten Reinigung der Abgase von Fahrzeugen. Ein Referat von Markus Traub 9b Natur & Technik Bereich: KFZ-Technik Thema: Abgaskatalysator BZ Bodnegg 22. Januar 2001

2 Einleitung In dieser Arbeit beschäftige ich mich mit dem Katalysator. Es ist schon aus privaten Gründen ein sehr interessantes Thema, da die Umwelt immer mehr mit Luftverschmutzungen zu kämpfen hat. Aus diesem Grund ist es notwendig, einen Abgaskatalysator im Pkw zu haben, auf den ich später noch näher eingehen werde. Zuerst wird der Begriff Katalysator allgemein erklärt. Anschließend wende ich mich der Geschichte des Katalysators zu. Ich äußere mich über seine Wichtigkeit und beschreibe seinen Arbeitsort näher. Weiterhin gebe ich Arten des Abgaskatalysators bekannt und die chemischen Vorgänge, die in ihm ablaufen, werde ich näher untersuchen. Im Anschluss daran betrachte ich den Drei-Wege- Katalysator. Aufbau, Funktionsweise, Prüfungsweise und Betriebszustände versuche ich sehr anschaulich darzustellen, um im Anschluss daran kurz auf mögliche Schädigung am Drei-Wege- Katalysator und eventuelle Kosten einzugehen. Neben dem Einsatz des Katalysators im Otto-Motor, ist auch der Diesel-Motor sehr gefragt. Ich werde ihn mit Aufbau und Wirkungsweise darstellen. Seite 1

3 Geschichte allgemeiner Begriff, Katalysator: Es 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 H. Davy beobachtet den ersten sogenannten Katalysator. Es ist eine Reaktion von Luft und Wasserstoff oder Kohlenwasserstoff, die durch einen Platin-Draht bewirkt wird Döbereiner bringt das Wasserstoffgas durch Platin-Pulver zur Entzündung. Ende des 19.Jh. Wilhelm Ostwald gibt die noch heute gültige Definition für den Katalysator bekannt Normann entwickelt die Fetthärtung (katalytischer Prozess) Ostwald stellte die Ammoniak-Oxydation auf Das Haber-Bosch-Verfahren wird entwickelt Der Franzose Michel Frenkel entwickelt ein Verfahren zur Dosierung der Auspuffgase von Autos und anderen Fahrzeugen Die Fischer-Tropisch-Synthese, sowie Reppe-Synthese mit Acetylen und Kohlenmonoxid wird entdeckt Roelen stellt die Oxidations-Synthese auf Ziegler und Natta entdecken die Niederdruck- Polymerisation von Olefinen. Des weiteren geben sie Aufschluss zur Entwicklung von Katalysatoren bzw. der industriellen Katalyse ab 1974 Greift man in den USA auf das Patent von Frenkel zurück, als mit der Vorschrift niedriger Abgaswerte der Drei-Wege-Katalysator zur Pflicht wird. ab 1985 Nun wird der Abgaskatalysator auch in Deutschland eingeführt. Seite 2

4 1993 Es müssen alle Neufahrzeuge mit dem Katalysator ausgerüstet sein. Der Abgaskatalysator im Pkw Im Laufe der Jahre wird sich die Verkehrsdichte weiter erhöhen. Es ist ein drastischer Zuwachs zu verzeichnen. Heute besitzt jeder zweite in Deutschland lebende Bundesbürger ein Auto. Der Grund für diesen Anstieg ist sehr vielfältig, das Auto als Fortschritt in der Industrie, auf dem Arbeitsmarkt, sowie im privaten Bereich ist es nicht mehr wegzudenken. Der Pkw besitzt die Fähigkeit, Lebewesen in kürzester Zeit bequem und sicher von einem Standort zum erwünschten Zielort zu bringen. Auf diese Art und Weise verbraucht das Beförderungsmittel Erdölprodukte und belastet die Umwelt mit schädlichen Abgasen. Ein Beispiel: Ein Pkw besitzt einen 1,8 l Motor und fährt mit 130 km/h. Dabei setzt er zwei Kubikmeter Kraftstoff/Luftgemisch in jeder Minute um. Demzufolge besitzt er die gleiche Menge im Abgas. Davon gibt er bis zu 98% an Stickstoff (72,8%), Wasser(13,1%), Kohlendioxid (10,8%) und Sauerstoff (1,3%) nur 2% vom schädlichen Stickstoffmonoxid, Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid. Selbst dieser Ausstoß ist noch zu viel für die schwer belastete Umwelt. Seite 3

5 Anforderungen an einen Katalysator im Pkw 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. Chemische Vorgänge im Abgaskatalysator 1. Oxidationsreaktion (enthält Platin): 2 CO + O 2 = 2 CO 2 Kohlenstoffmonooxid + Sauerstoff = Kohlendioxid 2. Reduktionsreaktion (enthält Rhodium): 2 NO + 2 CO = N CO 2 Stickstoffmonooxid + Kohlenstoffmonooxid = Stickstoff + Kohlendioxid 3. Oxidationsreaktion: 2 C 2 H O 2 = 4 CO H 2 O Kohlenwasserstoff + Sauerstoff = Kohlendioxid + Wasser Seite 4

6 Arten von Abgaskatalysatoren und ihre Wirkungsweise 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 H 2 O und CO 2 umgewandelt. Hierzu wird extra zur Reaktion Sauerstoff zugeführt. Jetzt spricht man von Oxidation. Daher lässt sich nun erklären, woher der Name des ungeregelten Katalysators kommt. Diesen Katalysator kann man nachträglich einbauen geht man genaustes auf das Umweltproblem in Deutschland ein. Jetzt muss man sich vom teuren verbleiten auf das etwas billigere bleifreie Benzin umstellen. Als Vorsichtsmaßnahme setzt man in den Einfüllstutzen eine Verringerung des Kanals ein, um ein "verkehrtes" Tanken auszuschließen. Bleianteile im Kraftstoff machen alle Katalysatoren unwirksam, d.h.: Blei setzt sich an Platin und Rhodium ab, dadurch kann keine chemischer Reaktion mehr ablaufen, also die Reinigung des Abgases bleibt aus. Das Auto ist nun umweltfreundlicher. Keine starken Umweltgifte, wie Tetraethylblei, Pb(C 2 H 5 ) 4, und Tetramethylblei, Pb(CH 3 ) 4 werden abgegeben, aber die ungewünschten Stickoxide sind noch vorhanden. Seite 5

7 (Bild zu Einbett-Oxidationskatalysator von voriger Seite) Seite 6

8 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. Die bekommt er durch eine Zulaufleitung. Dennoch besitzt er einen hohen Stickoxidausstoß. Drei-Wege-Katalysator (geregelter Katalysator G-KAT) Seite 7

9 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 %. Mager- oder Denox- Katalysator Das Einsatzgebiet ist der Mager - Motor, beispielsweise das 3-4 l Auto. Dieser Katalysator befindet sich im Entwicklungsstadium, aber das Ziel ist es, im "mageren"(wenig Kraftstoffanteile) Bereich Stickstoffmonoxid, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe noch weiter zu senken, was schließlich ausgestoßen wird. Aufbau eines Drei - Wege - Katalysators Seite 8

10 Lamda-Sonde: Sie misst den Restsauerstoffgehalt im Abgas und dient als Messfühler für das Steuergerät im Fahrzeug. Gehäuse mit Dämpfung: Der keramische Träger ist sehr spröde, was bedeutet, er hat eine hohe Stoßempfindlichkeit. Aus diesem Grund wird eine Dämpfungsschicht (Drahtgeflecht bzw. Matte aus Keramikfasern) eingebaut. Träger (Monolithe): Es werden wabenförmige Körper aus Metall, aber meistens aus Keramik verwendet. Diese Monolithe besitzt mehrere hundert Kanäle mit je 1 cm² in Strömungsrichtung. Die Wandstärke sollte klein bleiben, damit kein hoher Strömungswiderstand entsteht. Die Mindeststärke beträgt ca. 0,3 mm und soll nicht unterschritten werden, da sonst thermische und mechanische Schäden auftreten. Der metallische Träger besitzt die niedrigste Stärke mit ca. 0,05 mm. Dadurch wird er schneller erwärmt und der Kaltstart ist schneller abgasmindernd. Der keramische Monolith erzielt einen geringeren Abgasdruck, das heißt höhere Leistung, geringer Verbrauch, wenn die Baugröße beibehalten wird. Zwischenschicht ( Wash - Coat ): Um eine weitere Vergrößerung der Oberfläche zu erzielen, besitzt der Träger eine Schicht aus Aluminiumoxid. Er ist dadurch 5000 mal größer und die Sauerstoffspeicherfähigkeit erhöht sich. Katalytisch aktive Schicht: Besteht aus zwei Edelmetallen Platin und Rhodium. Diese beiden Stoffe begünstigen einerseits die Oxidationsvorgänge (Platin) und andererseits Reaktionsvorgänge (Rhodium). Beide werden im Verhältnis 5:1 verwendet, wobei die Gesamtmenge bei ca.3,5-8,5g pro Katalysator beträgt. Seite 9

11 Aufbau Der Katalysator selbst besteht im wesentlichen aus einem mit Edelmetall beschichteten Trägerkörper (Monolith), der in geeigneter Weise in einem Metallgehäuse gehalten wird. Der wabenförmige Monolith wird entweder aus einer Keramikmasse extrudiert oder aus Metallfolie gewickelt. Die Trägerkörper werden mit einer Edelmetallmischung - vorzugsweise aus Platin und Rhodium im Verhältnis 5:1 - beschichtet. Die Beschichtungsmenge beträgt g/ft3. Dabei wird zusätzlich eine Zwischenschicht aufgetragen, welche die Oberfläche vergrößert. Das Platin unterstützt bevorzugt die Oxidationsvorgänge und das Rhodium die Reduktion der Stickoxide. Seite 10

12 Funktionsweise des geregelten Abgaskatalysators 1. Es laufen Oxidations- und Reduktionsvorgänge gleichzeitig ab. 2. Bei dem Oxidationsvorgang wird Sauerstoff und bei der Reduktion wird Kohlenmonoxid benötigt. 3. Die drei Schadstoffe und die beiden Reaktionspartner müssen in einem bestimmten Verhältnis stehen, um eine hohe Umwandlung erreichen zu können. Wenn das Gemisch mager ist, dann besitzt es die größte Umwandlungsrate für Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannter Kohlenwasserstoff (HC), weil wesentlich viel Restsauerstoff sich im Abgas befindet. Wenn zu wenig CO und HC sich im Abgas befindet, dann sinkt die Umwandlungsrate für das Stickstoffoxid. Die Lamnda - Sonde spielt eine sehr wichtige Rolle im Abgassystem. Sie misst den Restsauerstoffgehalt im Abgaskanal. Das Luftverhältnis sollte ungefähr gleich eins liegen. Dieses entspricht einer optimalen Verbrennung und einem sehr guten Konvertierungsgrad (Umwandlungsgrad). Die Sonde misst die niedrige Spannung, die sich im Abgas in Form von Restsauerstoff befindet und gibt den Meßbetrag an das Steuergerät weiter. Dort wird es ausgewertet und gibt dann die Befehle an die Einspritzanlage weiter. 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. Seite 11

13 Abgaszusammensetzung in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoffverhältnis Die Abbildung zeigt die Konzentration der drei Abgasbestandteile CO, HC und NO x sowie den spezifischen Kraftstoffverbrauch b e in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff- Verhältnis Lambda. Für die vollständige Verbrennung von 1 kg Kraftstoff werden 14,7 kg Luft benötigt. Bei diesem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,7:1 spricht man vom stöchiometrischen Gemisch; in diesem Fall ist Lambda = 1. Es ist klar zu erkennen, dass - unabhängig davon, welches Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt ist - nicht alle drei Abgaskomponenten gleichzeitig verringert werden können. Bei Abweichungen von Lambda = 1 kommt es nach der Abbildung zu mehr oder weniger starken Änderungen der Werte für CO, HC und NO x. Im Falle Lambda < 1 arbeitet der Motor im "fetten" Bereich, also mit hohen Verbrauch. Bei Lambda > 1 Wird der Motor im "mageren" Bereich, also sparsam, betrieben. Die Abbildung zeigt außerdem, dass die in den 70er Jahren durch die Abmagerung im Leerlauf entwickelte Reduzierung des CO-Ausstoßes zwangsläufig zu einem Anstieg der NO x - Emissionen geführt hat. Seite 12

14 Anschlussrohre An die Katalysatorkörper der beschriebenen Art werden nun Anschlussrohre angeschweißt. Ein wichtiges Bauteil ist hierbei das vordere Rohr. In diesem Rohr wird der Abgasstrom in den Katalysator geführt, in dem die chemischen Umsetzungen ablaufen. Diese verlaufen um so intensiver, je höher die Temperaturen sind. Um nun auf dem Weg zum Katalysator möglichst wenig Wärme aus dem Abgas zu verlieren, werden Abgaskrümmer und vordere Rohre in zunehmendem Maße isoliert. Am Katalysator oder im Bereich des Vorrohrs wird eine Sonde angebracht, die den Sauerstoffgehalt des Abgases misst. Diese sogenannte Lambda-Sonde steuert je nach Höhe des Sauerstoffanteils die Gemischaufbereitung so, dass der Motor möglichst mit stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch (Lambda = 1) läuft. Einflutige Abgasanlage Zweiflutige Abgasanlage Seite 13

15 Lambdasonde Die Lambda Sonde dient zur Regelung der Abgaszusammensetzung und wird in Fahrzeugen mit geregelten Katalysator eingebaut. Sie ist in das Katalysatorgehäuse oder den Abgaskrümmer eingeschraubt. Verschiedene Ausführungen: 1. Nicht beheizbare Sonde (viele Schlitze -A-) 2. Beheizbare Sonde (Bohrung -B-) 3. Beheizbare Sonde (wenige Schlitze -C-) Seite 14

16 Zusammenfassung Der Dreiwegekatalysator in Verbindung mit einer über eine Sauerstoffsonde geregelten Gemischaufbereitung stellt heute das wirksamste Mittel zur Reduzierung der schädlichen Bestandteile im Abgas von Ottomotoren dar. Seit vielen Jahren haben sich diese Katalysatoren über große Laufstrecken und unter schwierigsten thermischen und mechanischen Bedingungen weltweit bewährt. Weit über 90% aller in der Bundesrepublik neu zugelassenen Personenkraftwagen sind heute bereits schadstoffarm; weltweit fahren schon über 80 Millionen Fahrzeuge mit dem geregelten Dreiwegekatalysator. Der für den Betrieb von Katalysatorfahrzeugen notwendige Einsatz von bleifreiem Kraftstoff hat sich auch auf das Verschleiß- und Alterungsverhalten anderer Bauteile wie Schalldämpfer und Zündkerzen positiv ausgewirkt. Seite 15

17 Prüfungsweise des Abgaskatalysators im Otto Motor In einer Fachwerkstatt, kann man genau beobachten, wie ein Kfz - Meister oder ein andere Mitarbeiter, der den entsprechenden Fachlehrgang besitzt, eine Abgasuntersuchung durchführt. Man umgeht die Lamda-Sonde mit einem Codierungsstecker. Das Au- Messgerät wird an das Fahrzeug angeschlossen. Durch einen weiteren Steckanschluss findet man Zugang zum Steuergerät (Steuer- und Verwaltungsorgan von Daten), wo man ein Auslesegerät (TECH 1oder TECH 2) anschließt. Somit kann man vergleichen, wie die Soll-und Ist-Werte zueinander stehen, wenn der Motor die Betriebstemperatur erreicht hat. Sollten die Istwerte im Toleranzbereich der Soll-Werte liegen, so hat das Fahrzeug die Abgasprüfung bestanden. Seite 16

18 Praktisches Beispiel für die Arbeitstemperatur eines Abgaskatalysator bis zu seiner Zerstörung Es kommt darauf an, wie die Laufleistung eines Motors ist. Wenn man dies berücksichtigt, kann man direkte Aussagen über die Arbeitstemperatur eines Katalysator zu jedem Motor treffen. Zur Veranschaulichung möchte ich gern ein Beispiel nennen. Ein Kraftfahrzeug besitzt eine Motorlaufleistung von ca km. Nach einem Kaltstart von ca s startet der Abgaskatalysator sein Programm. Nun besitzt er eine Temperatur von ca. 280 C. Der Katalysator arbeitet bis ca. 820 C optimal. Der günstigste Punkt für seine Arbeitsweise, wo die umweltfreundlichsten Werte liegen, sind 600 C. In Abhängigkeit der mittleren thermischen Alterung erfolgt eine geringe Vergiftung des Abgaskatalysators. Sollte die Wärmeausdehnung zu hoch sein (meist ältere Modelle, wobei die Zwischenschicht [Wash coat] porös ist (hervorgerufen durch Erschütterungen oder thermische Alterungsprozesse) oder sich schon abgelöst hat), kommt es zu einer Überhitzung. Der Katalysator heizt sich nun von Schicht zu Schicht bei einer Temperatur von ca. 850 C-1200 C immer mehr auf. Bei ca C erweicht der Träger und bei ca.1600 C ist der Träger vollständig geschmolzen. Es ist kein Monolithe mehr vorhanden, dieses führt zur totalen Zerstörung des Abgaskatalysators. Seite 17

19 Arten der Schädigung 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 800 C nicht mehr betreiben, um weitere Schäden zu vermeiden. 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. 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. Kosten Beim Austausch bei einer Motorlaufleistung von ca km oder bei frühzeitiger Aufgabe der Wirkungsweise des Abgaskatalysators kostet ein einfacher Katalysator bis zu 1000,- DM, der Drei-Wege-Katalysator hingegen ca ,- DM mit Einbau und Mehrwertsteuern. Diese Angaben wurden von einer Fachwerkstatt getroffen. Seite 18

20 Der Oxydationskatalysator im Diesel Motor Aufbau Er besitzt fast den gleichen Aufbau, wie der Oxidationskatalysator beim Otto-Motor. Hierbei besitzt der Keramikkörper zur Vergrößerung der Oberfläche eine Beschichtung aus Aluminiumoxid (Wash-coat Effekt). Diese Trägerschicht ist der eigentliche Katalysator. Er besteht aus 1-2 g Platin, die vielfältig verteilt im ganzen Körper auf dem Aluminiumoxid liegen, um eine Vergrößerung der chemischen Reaktion zu erzielen. Der Hersteller gibt eine Lebensdauergarantie die bei normalen Betriebsbedingungen der Fahrzeuglebensdauer entspricht. Eine Funktionsprüfung durch die Werkstatt ist noch nicht möglich. Deshalb ist nur eine Sichtprüfung über Zustand und Vorhandensein vorgeschrieben. Durch den Einsatz des Oxidationskatalysators verringert sich der Ausstoß von Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid, die Stickoxide sowie die Rußpartikel, aber der Verbrauch steigt um 4 %, dies ergab eine Messstudie von verschiedenen Dieselfahrzeugen. Hervorgerufen durch Wirkung der Energieerhaltungssätze. Erklärung der Wirkungsweise: Die Wirkung des Katalysators beschränkt sich nur auf zwei Schadstoffarten. Zu einem ist es das Kohlenmonoxid und des weiteren die unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Kohlendioxid. Obwohl sich im Abgas ein Überschuss an Sauerstoff befindet, kann nur ein geringer Teil von Stickoxiden umgewandelt werden. Der Rußanteil der sich immer im Abgas befindet, kann bei einer Abgastemperatur von 550 C verändert werden. Diese Temperatur erreicht der Diesel - Katalysator sehr selten, weil der optimale Arbeitsbereich sich bei ca C befindet. Seite 19

21 Er schafft es aber, die Rußpartikel in haftend lösliche Kohlenwasserstoffe (Reaktion mit Platin) umzuwandeln. Demzufolge kommt es zu einem geringen Partikelausstoß und der Dieselgeruch wird vermindert. Die niedrige Arbeitstemperatur von 170 C, im Gegensatz zum Otto- Katalysator von ca. 250 C, hat zur Folge, dass dieses sauerstoffreiche Abgas früher vorhanden ist. Der Partikelausstoß erhöht sich bei über 340 C drastisch. Im Abgas befindet sich noch ein hoher Schwefelgehalt. Es bilden sich Sulfate und Schwefelsauerstoffverbindungen. Man müsste dies senken, denn dann wird der Partikelausstoß noch geringer. Seite 20

22 Ausblick Da der Abgaskatalysator noch nicht hundertprozentig umweltfreundlich arbeitet, anfällig ist und nicht gleich beim Zünden des Kraftstoffs zu arbeiten beginnt, sind Weiterentwicklungen und eventuelle Alternativen gefragt. Jetzt wird eine Lösung gebraucht, wie der Schadstoffausstoß völlig beseitigt werden kann. Die Häufigkeit der Ansätze zur Beseitigung der schädlichen Abgabe sind sehr vielfältig. Entweder müßte man die Einspritzmenge minimieren, wie zum Beispiel es der Mager-Mix-Motor bereits tut, oder die Reaktionsfläche weiter vergrößern. Weiterhin gibt es Versuchsprojekte mit dem Ziel der Gemischänderung. Dort hat man im Diesel-Motor den sogenannten Bio-Diesel verwendet. Dieser Treibstoff wird von Rapspflanzen bezogen, die als Futterpflanze der landwirtschaftlichen Viehnutzung dient. Es ist aber auch schon eine Versuchsreihe mit flüssigen Wasserstoff zum Antreiben der Fahrzeuge gestartet worden. Bei diesen Autos gibt es noch ein Problem der Aufbereitung und den Aufbewahrungsbehältern. Diese Art der Speicherung setzt eine Temperatur bis minus 235 C voraus, denn dort ist der Wasserstoff erst flüssig, der später verbrannt wird, z.b. Mercedes-Benz hatte ein Fahrzeug 1994 umgebaut. Es scheiterte doch an der Aufbereitung von H 2 und die ständige Kühlung des Kraftstoffbehälters. Seite 21

23 Beispiel eines Nachrüstsystems: Das System besteht aus dem HJS-KAT 2000 und einer prozessorgesteuerten Lambda-Reglung der Gemischbildung. Der G-KAT entspricht der innovativen Technik und der bewährten Qualität von HJS. Sensoren, Kabelbaum und Steckverbindungen sind im Fahrzeugbau verwendete Komponenten. Die Nachrüstsysteme enthalten alle Bauteile, die zum Einbau der Regelung und des Katalysators erforderlich sind. Die Regelung des Katalysators entspricht den Anforderungen der Richtlinie für elektrische- und elektronische Ausrüstungskomponenten im Kraftfahrzeug elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Seite 22

24 Der Katalysator allgemein Das Wort Katalysator stammt aus dem Griechischem, wo Katalysis = Auflösung bedeutet. In der Chemie verseht man unter Katalysatoren Stoffe, die chemische Reaktionen beschleunigen oder verzögern, ohne sich dabei selbst zu verändern. Die Abgase enthalten als Schadstoffe: Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxide (Nox), und unverbrannter Kohlenwasserstoff (HC), während der Benzinmotor daneben noch Bleiverbindungen produziert und beim Diesel die Rauchintensität eine nicht zu unterschätzende Umweltbelastung darstellt. Kohlenmonoxid und Stickstoffoxide können bei bestimmten Wetterverhältnissen zur Bildung von Smog beitragen. (Das Wort Smog wurde durch zusammenziehen von engl. >smoke< (Rauch) und >fog< (Nebel) gebildet.) Bei einem verhältnismäßig mageren Luft/Kraftstoffgemisch sind die Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff Verhältnisse in den Abgasen niedrig. Wird das Gemisch zu mager, dann steigt der Kohlenwasserstoffgehalt wieder durch da Ausfallen von Verbrennungen. Bei einem niedrigen HC und CO-Gehalt ist der Nox-Gehalt aber gerade hoch, die infolge der hohen Temperatur im Brennraum und des Sauerstoffüberschusses. Die Bedingungen zur Bildung von Stickstoffoxiden sind gerade: ausreichende Reaktionszeit, genügend Sauerstoff und eine Temperatur von wenigstens 2000 C. Die Verwendung von bleifreiem Benzin macht die Abgase schon erheblich weniger umweltbelastend, ändert aber nichts an der Erzeugung von Kohlenmonoxid, unverbrannter Kohlenwasserstoff, und Stickstoffoxid. Um deren schädlichen Einfluss zu beschränken, kann man einen Dreiwegekatalysator verwenden. Dieser funktioniert nur mit bleifreiem Benzin. Einen Katalysator kann man als Auspufftopf verstehen, in dem Edelmetalle, wie Platin, Rhodium oder Palladium angebracht sind. Sobald die Abgase damit in Berührung kommen, erfolgt eine sehr schnelle Reaktion, bei der die Abgase zu 90% gereinigt werden. Das geschieht aber zu Lasten eines höheren Verbrauchs und einer geringeren Leistung. Seite 23

25 Der Dreiwegekatalysator wirkt auf die drei Schadstoffe ein: Unverbrannter Kohlenwasserstoff (HC) wird durch Oxidation mit Sauerstoff umgesetzt in unschädliches Kohlendioxidgas (CO²) und Wasserdampf (H2O) -Kohlenmonoxid (CO) wird zu unschädlichem Kohlendioxidgas (CO²) verbrannt. -Stickstoffoxid (Nox) wird durch Kohlenmonoxid (CO) zersetzt. N verlässt den Auspuff als reiner Stickstoff. Freiwerdender Sauerstoff verbrennt Kohlenmonoxid (CO), das als unschädliches Kohlendioxidgas (CO²) ausströmt. Die reinigende Reaktion beginnt erst, wenn im Katalysator eine Temperatur von 300 C herrscht. Die Funktion des Katalysators ist optimal beim Luft/Kraftstoffverhältnis von 1:14,7. Seite 24