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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Wie funktioniert eim Katalysator

Die Bedeutung des Wortes

Eigentlich (oder chemisch) bezeichnet man mit Katalysator jede Substanz, die die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion senkt. Die Wirkungsweisen unterschiedlicher Katalysatoren können dabei sehr verschieden sein. Es gibt reine "Oberflächenkatalysatoren" (wie etwa im Auto), aber auch sehr viel komplexere Verbindungen, wie etwa Enzyme, die in Organismen (auch dem Menschen) als Katalysatoren zum Einsatz kommen. Katalysatoren verändern dabei nicht die Lage eines chemischen Gleichgewichts oder die Energiebilanz, sondern lediglich die Geschwindigkeit der Reaktion. Das heißt, dass ein Katalysator eigentlich nur ein "Beschleuniger" ist.

Der Katalysator im PKW

Einleitung

Der Katalysator im PKW dient zur Reinigung der Abgase. Der gewöhnliche Otto-Motor (Benzinmotor), wie er in vielen PKW zum Einsatz kommt, verbrennt Benzin oder Super(plus), um aus der chemischen Energie des Kraftstoffs Bewegungsernergie zu erzeugen, d.h. das Auto zu bewegen. Bei der Verbrennung von Benzin entstehen allerdings eine Reihe von Schadstoffen. Dies sind neben Kohlendioxid, das maßgeblich am Treibhauseffekt beteiligt ist und sich NICHT abtrennen lässt, vor allem Stickoxide, Kohlenmonoxid und Schwefeldioxid. Schwefeldioxid lässt sich ebenfalls nur mit erheblichen Aufwand abtrennen und verbleibt deshalb in den Abgasen. Da allerdings Schwefeldioxid zu einem erheblichen Teil zum sauren Regen beiträgt und bei der Verbrennung der dem Benzin zugesetzten Schwefelverbindungen entsteht, hat der Gesetzgeber den Schwefel-Gehalt von Benzin und Super(plus) deutlich begrenzt. D.h. Benzine sind Gemische, die allerlei verschiedene Stoffe enthalten und für die schwefelhaltigen Substanzen gelten seit einiger Zeit relativ niedrige Grenzwerte.

Stickoxide tragen ebenfalls zum sauren Regen bei und sind außerdem gesundheitlich nicht ganz unbedenklich. Zusätzlich führen sie an sonnigen Tagen zu einer verstärkten Ozonbildung in der Luft und tragen so zum Sommersmog bei. Kohlenmonoxid trägt nicht zum sauren Regen oder irgendeinem anderen Umweltproblem bei, ist allerdings recht giftig, was zu erheblichen Gefahren in Garagen und Tiefgaragen bei laufenden Motoren und schlechter Lüftung führen kann. Da sowohl Stickoxide als auch Kohlenmonoxid recht einfach zu zerstören sind, hat der Gesetzgeber verbindliche Grenzwerte für diese beiden Gase in Autoabgasen vorgeschrieben.

Zerstörung von Kohlenmonoxid und Stickoxiden

Kohlenmonoxid entsteht bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Verbindungen (etwa Öl, Benzin, Diesel, Kohle,...) wenn eine zu schlechte Belüftung des Brennraumes vorliegt. Bei ausreichender Belüftung würde Kohlenmonoxid entweder gar nicht gebildet oder sofort mit dem Sauerstoff der Luft weiter zu Kohlendioxid verbrannt. Kohlenmonoxid ist also eine Folge unvollständiger Verbrennungen im Otto-Motor und sollte sich einfach vermeiden lassen, indem man den Luftanteil am Kraftstoff-Luft-Gemisch erhöht. Außerdem ist Kohlenmonoxid brennbar und sollte sich deshalb auch unter Zugabe von Luft verbrennen und sich so nachträglich entfernen lassen. Nebenbei wäre also die Verbrennung vollständiger und der magerer laufende Motor würde weniger Benzin verbrauchen.

Mehr Luft im Benzin-Luft-Gemisch könnte zwar helfen den Verbrauch eines Motors zu senken, hätte aber den Nachteil, dass in größerem Umfang der Stickstoff der Luft "verbrennt", wodurch mehr Stickoxide entstünden. Das Dilemma ist also, dass man entweder einen niedrigen Verbrauch und einen geringen Kohlenmonoxidaustoß bei hohem Stickoxidausstoß oder einen geringen Stickoxidgehalt bei höherem Verbrauch und höherem Kohlenmonoxidausstoß erreichen kann. Zu allem Überfluss lässt sich keines der beiden Gase völlig vermeiden. Es bleibt also nur eine Möglichkeit: Kohlenmonoxid und Stickoxide müssen aus den Abgasen abgetrennt werden. Da aber ein Filter sehr kompliziert wäre und außerdem irgendwann voll ist, stellt sich die Frage, was stattdessen getan werden könnte. Die Antwort lautet Katalysator, ein "Gerät", dass Kohlenmonoxid und Stickoxide zerstört, statt sie zu filtern.

Funktionsweise des Katalysators

Wie gesagt ist der Katalysator KEIN Filter, sondern ein "Zerstörer". Er baut im Auspuff Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Stickoxide zu Stickstoff und Sauerstoff ab. Nebenbei werden noch unverbrannte Kraftstoffreste zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt.

Der Katalysator wird im Auspuff nahe am Motor installiert. Er besteht aus einem porösen Keramik-Körper ähnlich einem Schwamm aber hart wie eine Fußbodenfliese, der mit einer sehr dünnen Schicht eines Edeltmetalls bzw. einer Edelmetalllegierung (Platin, RHodium, Iridium und deren Gemische) überzogen wird. Durch diesen "Schwamm", dessen Poren alle einen Edelmetallüberzug haben, strömen nun die Abgase. Die eigentlich aktive Substanz ist das Edelmetall. Die Keramik dient lediglich als Träger, der durch seine große Oberfläche eine möglichst hohe Aktivität des Katalysators durch guten Kontakt der Abgase mit dem Metall gewährleistet.

Da die Umwandlung von Stickoxiden in Stickstoff und Sauerstoff durch das Metall katalysiert wird, kann genauso auch die Bildung von Stickoxiden aus Sauerstoff und Stickstoff katalysiert werden, d.h. unter "falschen" Bedingungen kann der Katalysator Stickoxide produzieren, statt sie zu vernichten. Da Stickstoff, der etwa 78 % der Luft ausmacht, im Motor nicht verbrannt wird (und wenn, dann zu Stickoxiden) bestehen auch die Abgase zu einem erheblichen Teil aus Stickstoff. Wenn nun in den Abgasen auch noch ein erheblicher Teil Sauerstoff enthalten ist, dann baut der Katalysator die im Motor gebildeten Stickoxide zwar ab, produziert aber gleichzeitig neue aus dem Stickstoff und dem Sauerstoff der Luft und kann so den Stickoxid-Anteil der Abgase nicht oder nur wenig verringern. Deshalb ist es erforderlich, nur genau so viel Sauerstoff in den Brennraum gelangen zu lassen, wie zur Verbrennung absolut nötig ist. Um das sicher zu stellen, befindet sich zwischen Motor und Katalysator die sogenannte Lambdasonde. Sie überwacht den Sauerstoff-Gehalt der Abgase und sorgt dafür, dass die elektronische Motorsteuerung im Bedarfsfall die Luftzufuhr reduziert oder die Kraftstoffzufuhr erhöht, um den Sauerstoff vollständig zu verbrennen. Deshalb war der Kraftstoffverbrauch der ersten Katalysator-Fahrzeuge auch erheblich höher, als der der vergleichbaren Autos ohne Katalysator. Dieses Problem hat die Industrie jedoch mittlerweile durch pfiffigere Elektronik gut im Griff.