Millionen von Autos fahren auf unseren Straßen, und jedes einzelne ist eine potenzielle Quelle für Umweltverschmutzung. Vor allem in Ballungsgebieten kann die Luftverschmutzung, die durch all die Fahrzeuge hervorgerufen wird, große Probleme verursachen.
Zur Lösung dieser Probleme erlassen Kommunen, Länder und die Bundesregierung Gesetze zur Luftreinheit. Inzwischen wurden viele Gesetze verabschiedet, die die Menge an Luftverschmutzung, die ein Auto verursachen darf, eingrenzen. Um diesen Gesetzen zu entsprechen, haben die Automobilhersteller zahlreiche Verbesserungen an Motoren und Kraftstoffsystemen vorgenommen. Zur weiteren Senkung der Emissionen haben sie ein interessantes Gerät entwickelt, das sich Katalysator nennt. Damit werden die Abgase behandelt, bevor sie aus dem Fahrzeug austreten, so dass ein hoher Anteil der Schadstoffe beseitigt wird.
Anordnung des Katalysators im Fahrzeug
In diesem Artikel erfahren Sie, welche Schadstoffe durch einen Motor erzeugt werden und warum und wie ein Katalysator mit den einzelnen Schadstoffen umgeht. Katalysatoren sind verblüffend einfach, so dass ihre große Wirkung um so erstaunlicher ist!
Zur Senkung der Schadstoffemissionen regeln die Motoren moderner Fahrzeuge die zu verbrennende Kraftstoffmenge sehr genau. Sie versuchen, das Verhältnis von Luft zu Brennstoff sehr nah am stöchiometrischen Punkt zu halten, der dem rechnerisch idealen Verhältnis von Luft zu Brennstoff entspricht. Theoretisch wird bei diesem Mengenverhältnis der gesamte Kraftstoff mithilfe des gesamten Sauerstoffs in der Luft verbrannt. Für Benzin beträgt das stöchiometrische Mengenverhältnis etwa 14,7:1, d.h. für jedes Kilo Benzin werden 14,7 Kilo Luft verbrannt. Das Kraftstoffgemisch weicht beim Fahren allerdings erheblich von diesem idealen Mengenverhältnis ab. Manchmal fällt das Gemisch mager aus (bei einem Verhältnis von Luft zu Brennstoff größer als 14,7), dann wieder fällt es fett aus (bei einem Verhältnis von Luft zu Brennstoff kleiner als 14,7). Die maßgeblichen Emissionen eines Fahrzeugmotors sind:
- Stickstoff (N2): Luft besteht zu 78 Prozent aus Stickstoff, und das meiste davon strömt direkt durch den Fahrzeugmotor.
- Kohlendioxid (CO2): ein Verbrennungsprodukt. Der Kohlenstoff im Kraftstoff geht mit dem Sauerstoff in der Luft eine Verbindung ein.
- Wasserdampf (H2O): ein weiteres Verbrennungsprodukt. Der Wasserstoff im Kraftstoff geht mit dem Sauerstoff in der Luft eine Verbindung ein.
Diese Emissionen sind großenteils unschädlich (allerdings gelten Kohlendioxidemissionen als mitverantwortlich für die Erderwärmung). Aber weil der Verbrennungsprozess nie ganz reibungslos abläuft, entstehen in Fahrzeugmotoren auch kleinere Mengen von schädlicheren Emissionen.
- Kohlenmonoxid (CO): ein giftiges Gas, das farblos und geruchlos ist
- Kohlenwasserstoffe oder flüchtige organische Verbindungen: entstehen hauptsächlich durch die Verdunstung von unverbranntem Kraftstoff. Sonnenlicht zerlegt die Stoffe zu Oxidantien, die mit Stickoxiden reagieren und das Ozon am Boden (O3), einen Hauptbestandteil des Smogs, entstehen lassen.
- Stickoxide (NO und NO2, gemeinsam NOx): tragen zu Smog und saurem Regen bei und führen zu Reizungen der Schleimhäute.
Damit sind die drei wichtigsten gesetzlich eingeschränkten Emissionen beschrieben, zu deren Reduzierung die Katalysatoren entwickelt wurden.
Die meisten modernen Autos sind mit Drei-Wege-Katalysatoren (G-Kat) ausgestattet. „Drei Wege“ bezieht sich auf die drei gesetzlich eingeschränkten Emissionen, zu deren Reduzierung der Katalysator beiträgt: Kohlenmonoxid, flüchtige organische Verbindungen und NOx-Moleküle. Der G-Kat arbeitet mit zwei verschiedenen Katalysatortypen: Reduktionskatalysator und Oxidationskatalysator. Beide Typen haben einen Keramikträger, der mit einem katalytischen Metall – in der Regel Platin, Rhodium und/oder Palladium – beschichtet ist. Damit wird ein Körper geschaffen, der dem Abgasstrom eine möglichst große Oberfläche aussetzt und gleichzeitig die Menge des (sehr teuren) katalytischen Metalls möglichst gering hält.
Ein Drei-Wege-Katalysator: Achten Sie auf die zwei getrennten Katalysatoren
In Katalysatoren werden hauptsächlich zwei Strukturen eingesetzt: Wabenstrukturen und Keramikkugeln. Die meisten Fahrzeuge verwenden heute die Wabenstruktur.
Katalysator mit Wabenstruktur aus Keramik
Der Reduktionskatalysator bildet die erste Stufe des G-Kat. Unter Einsatz von Platin und Rhodium werden die NOx-Emissionen gesenkt. Geraten NO- oder NO2-Moleküle mit dem katalytischen Metall in Berührung, wird das Stickstoffatom aus dem Molekül gezogen und gebunden. Dadurch wird Sauerstoff in Form von O2 frei. Die Stickstoffatome verbinden sich mit anderen Stickstoffatomen, die ebenfalls an den Katalysator gebunden sind, und bilden N2.
Der Oxidationskatalysator bildet die zweite Stufe des G-Kat. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid werden durch Verbrennung (Oxidation) über einer katalytischen Platin- und Palladiumschicht reduziert. Diese katalytische Schicht fördert die Reaktion von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen mit dem restlichen Sauerstoff im Abgas.
Zum Beispiel:
2CO + O2 => 2CO2
Aber woher kommt dieser Sauerstoff?
Die dritte Stufe besteht aus einem Regelsystem, das den Abgasstrom überwacht und anhand dieser Informationen das Kraftstoff-Einspritzsystem regelt. Ein Sauerstoffsensor wird vor den Katalysator montiert, damit er sich näher am Motor befindet als der Katalysator. Dieser Sensor meldet an den Motorcomputer, wie viel Sauerstoff das Abgas enthält. Der Motorcomputer kann die Sauerstoffmenge im Abgas durch Veränderungen im Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis heben oder senken. Mit diesem Regelschema kann der Computer dafür sorgen, dass der Motor nah am stöchiometrischen Punkt läuft. Ebenso sorgt er für ausreichend Sauerstoff im Abgas, damit der Oxidationskatalysator die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und CO verbrennen kann.
Der Katalysator leistet einen entscheidenden Beitrag zur Verringerung der Luftverschmutzung, kann aber noch stark verbessert werden. Eines der größten Probleme besteht darin, dass der Katalysator nur bei ziemlich hohen Temperaturen funktioniert. Bei einem Kaltstart trägt der Katalysator fast überhaupt nichts zur Reduzierung der schädlichen Abgase bei.
Eine einfache Lösung für dieses Problem wäre demnach, den Katalysator näher am Motor einzubauen. Damit gelangen heißere Abgase in den Katalysator, der dadurch schneller warm wird. Diese extrem hohen Temperaturen können aber auch die Lebensdauer des Katalysators verkürzen. Die meisten Automobilhersteller bringen den Katalysator unter dem Beifahrersitz an. Damit ist er weit genug vom Motor entfernt, dass die Temperaturen für den Motor unschädlich sind.
Ein Vorwärmen des Katalysators ist eine gute Möglichkeit zum Abbau von Emissionen. Am einfachsten geht das mit Widerstandsheizern. Leider erbringen die 12-Volt-Systeme in den meisten Fahrzeugen nicht genug Energie oder Leistung, um den Katalysator schnell genug aufzuheizen. Die meisten Leute würden auch keine Wartezeiten von mehreren Minuten in Kauf nehmen, bis der Katalysator aufgeheizt ist und sie ihr Fahrzeug starten können. Hybridautos, die mit großen Hochspannungsbatterien ausgestattet sind, können genügend Leistung erbringen, um den Katalysator sehr schnell aufzuheizen.
|
