Abgaskatalyse bei Kraftfahrzeugen

Eine Hauptquelle fur die Schadstoffbelastung der Luft ist der Kfz-Verkehr. Die Abgase eines Viertakt-Ottomotors bestehen zu etwa 99% aus N2, C02, H20 und 02. Das restliche Prozent entfallt auf die Schadstoffe Kohlenmonoxid CO (0,85%), Stickoxide NOx (0,08%) und Kohlenwasserstoffe (Abk.: KW; 0,05%). CO, NOx und KW sind smogbildende Kom – ponenten und – wie bereits ausgefuhrt – z. T. auBerordentlich gesundheitsgefahrdend. Sie sind mitverantwortlich fur den Sauren Regen und die Waldschaden.

Die besondere Spezifik der Autoabgasbehandlung besteht darin, CO und KW oxidativ in C02 bzw. C02/H20 und die Stickoxide NO/N02 reduktiv in N2 zu uberflihren. Bei der Nachverbrennung von Kfz-Abgasen in einem Abgaskatalysator mussen demnach Oxida­tions – und Reduktionsreaktionen in einer technologisch schlussigen Weise miteinander gekoppelt werden.

Als Losung hat sich heute der Dreiwegekatalysator durchgesetzt und bewahrt, an dessen Edelmetalloberflache die nachfolgenden Hauptreaktionen mit hoher Geschwindigkeit ab­laufen (Gl. 5-47 bis 5-49).

CmHn + (m + n/4) 02 ———— ► m C02 + n/2H20 (5-47)

CO + У2О2 —— ► C02 (5-48)

NO + CO —— ► C02 + ^N2 (5-49)

Fur die Oxidationen (Gl. 5-47, 5-48) ist ein Luft(Sauerstoff)-uberschuss und fur die Re-

Подпись: Abbildung 5.5 Schadstoffemission eines Verbrennungsmotors bei verschiedenen Luft/Kraft- stoff-Verhaltnissen (Luft- zahlen X).
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duktion (Gl. 5-49) ein Luft(Sauerstoff)-unterschuss notwendig. Die Oxidationen verlaufen umso vollstandiger, je sauerstoffreicher das Brennstoffgemisch ist. Da bei hoheren 02- Konzentrationen auch das CO zu C02 oxidiert wird, steht es fur die Reduktion des NO (Gl. 5-49) nicht mehr zur Verfugung. Die Umwandlungsrate fur NO ist in diesem Fall sehr ge- ring. Arbeitet man mit einem sauerstoffarmen Brennstoffgemisch, so werden CO und KW ungeniigend oxidiert und die NO-Umwandlung ist dementsprechend hoch. Um beiderseitig optimale Umwandlungsgrade zu erreichen, fiihrt man die katalytische Nachverbrennung des Abgases innerhalb eines bestimmten Bereichs der 02-Konzentration durch. Fur den optimalen Sauerstoffanteil im Treibstoff-Luft-Gemisch sorgt die sogenannte Lamdasonde (Sauerstoffsonde), die vor dem Katalysator in den Abgasstrom als Messftihler eingebracht wird. Die Lamdasonde arbeitet nach dem Prinzip eines Sauerstoffkonzentrationselements. Sie misst den Sauerstoffanteil im Abgas und regelt die Zusammensetzung des in den Motorverbrennungsraum gelangenden Benzin-Luft-Gemischs. Das Verhaltnis von zuge – fuhrter Sauerstoffmenge zum Sauerstoffbedarf bei vollstandiger Verbrennung bezeichnet man als Luftzahl oder X,-Wert. Bei optimaler Zusammensetzung des Gemischs ist X = 1. Bei Luftoberschuss (mageres Gemisch) ist X > 1, bei Treibstoffuberschuss (fettes Gemisch) ist X < 1. Der Bereich, in dem die optimalen Bedingungen fur die ablaufenden Oxidationen und Reduktionen erreicht werden, wird als X-Fenster bezeichnet (Abb. 5.5).

Der geregelte Dreiwegekatalysator besteht aus einem wabenformigen, von unzahligen Ka – nalen durchzogenen Keramikkorper, auf dem eine Al203-Schicht zur OberflachenvergroBe – rung aufgebracht ist. Die Aluminiumoxidschicht ist mit katalytisch aktiven Edelmetallen (Platin/Rhodium, etwa 1-3 Gramm pro Katalysator) uberzogen. Im Neuzustand beseitigen die gegenwartig eingesetzten Dreiwegekatalysatoren bei der optimalen Betriebstemperatur von ca. 600°C etwa 98% der in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe. Katalysatorgifte (01- und Treibstoffreste, Metallabrieb) und Uberhitzungen reduzieren ihren Wirkungsgrad.