Drei-Wege-Katalysator

Drei-Wege-Katalysator
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Lambda-Sonde		Katalysator

Diese Seite wird bearbeitet von: Henrik Siebert.

Was ist ein Katalysator und wozu braucht man ihn?

Aufgeschnittener Metall Katalysator für ein Auto.jpg

Definition: Unter einem Katalysator versteht man im allgemeinen einen Stoff, der eine chemische Reaktion beschleunigt, ohne dabei selber verbraucht zu werden.

Die Luftverschmutzung nimmt von Jahr zu Jahr beträchtlich zu, das Auto ist dabei neben wachsender Industrie und Städte ein wichtiger Faktor, 60% der Waldflächen sind in Deutschland bereits geschädigt.

Ein Abgaskatalysator dient dazu, die Abgase aus z.B. einem Automotor nachzubehandeln bzw. umweltverträglicher zu machen, sprich, Schadstoffe zu reduzieren.

Im Dreiwege-Katalysator reagieren die drei unerwünschten Abgaskomponenten (Kohlenwasserstoffe, Stickstoffoxide und Kohlenmonoxid) zu den Stoffen Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff.

Was passiert im Katalysator?

Bei einer optimalen Verbrennung des Benzins entstehen vorwiegend Kohlendioxid und Wasserdampf. Hinzukommen zu einem gewissen Anteil Stickstoffoxide und Kohlenmonoxid. Unverbranntes Benzin gelangt mit den Abgasen auch in die Umwelt.

Kohlenmonoxid sowie Kohlenwasserstoffe werden im Katalysator oxidiert, Stickstoffmonoxid reduziert.

Diese Reaktionen verlaufen voneinander abhängig.

Die Abgaszusammensetzung muss im stöchiometrischen Bereich liegen, um eine gleichzeitige Minderung der Schadstoffe zu erzielen.

Um das zu erreichen, ist ein annähernd konstantes Luft-Kraftstoff-Gemisch bei allen Lastzuständen des Motors nötig, was mit einer einfachen Gemischsteuerung nicht zu erreichen wäre.

Ein geschlossener Regelkreis wird benötigt. Dieser soll sicherstellen, daß permanent die richtige Menge Sauerstoff für die Verbrennung zugeführt wird.

Mit einem neuartigen Sauerstoffsensor, der Lambda-Sonde (λ-Sonde), hatte man nun einen sogenannten “geregelten Kat." gebaut.

Lambda ist eine Luftverhältniszahl und gibt an, wie weit der theoretische Luftbedarf erreicht ist.

Die gleichzeitige Umwandlung der drei Schadstoffkomponenten in Verbindung mit der geregelten Gemischbildung stellt der sogenannte Dreiwegekatalysator dar. Er gilt zur Zeit noch als wirksamstes Abgasreinigungssystem.

Aufbau des Dreiwegekatalysators

Für die katalytische Abgasnachbehandlung werden Edelmetalle wie z.B. Platin und Rhodium verwendet. Durch ein Herabsetzen der Reaktionsgeschwindigkeit können die Reaktionen also schon bei wesentlich niedrigeren Temperaturen ablaufen.

Der Trägerkörper ist wabenförmig und besteht entweder aus gewickelter Metallfolie oder aus einer Keramikmasse.

Er wird mit einer Edelmetallmischung, meistens aus Platin und Rhodium, im Verhältnis 5:1 beschichtet.

Die Beschichtungsmenge ist ziemlich dünn, beträgt 40-50 g/ft3 (1 foot =0,3 Meter).

Zur Oberflächenvergrößerung, wird eine Zwischenschicht aufgetragen, welche die Oberfläche vergrößert.

Durch das Platin werden vor allem die Oxidationsvorgänge unterstützt und durch das Rhodium die Reduktion der Stickstoffoxide.

Ein Katalysator beschleunigt chemische Reaktionen, ohne sich selbst dabei zu verbrauchen.

Der bei benzinbetriebenen Pkw eingesetzte Katalysator verwendet als aktive Beschichtung Edelmetalle wie Platin, Rhodium und zum Teil auch Palladium.

Er ist in der Lage, alle drei gesetzlich limitierten Abgaskomponenten (drei Wege) »Kohlenmonoxid, »Kohlenwasserstoff und »Stickoxide mit einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent abzubauen, wenn der Motor mit einem optimalen Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, wofür die Lambda-Sonde sorgt.

Der Drei-Wege-Katalysator muss für

- Kohlenmonoxidumsetzung in Kohlendioxid

- Kohlenwasserstoffumsetzung in Kohlendioxid und Wasserdampf

- Stickoxidzerlegung in Stickstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid

..wirksam sein. Beim „geregelten“ Drei-Wege-Katalysator wird durch eine Lambda-Sonde das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Bereich um Lambda = 1 gehalten.

Die Konvertierungsraten liegen dabei für alle drei oben genannten Prozesse über 90 %. <p>Bei einem Drei-Wege-Katalysator (auch G-Kat genannt) findet die Oxidation von CO und HmCn sowie die Reduktion von NOx parallel zueinander statt.