Der Katalysator

Seit etwa 16 Jahren sind Katalysatoren zur Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen von Ottomotoren bei mehr als 200 Millionen Fahrzeugen im Einsatz. Hauptsächlich werden diese in Ländern wie den USA, Kanada und Japan und seit neuestem in Süd-Korea, Taiwan, Australien, Brasilien und der Europaischen Gemeinschaft eingesetzt. Sie stellen eine erprobte Technologie dar. In jüngster Zeit richtet sich die Aufmerksamkeit auch auf die Schadstoffe aus Verbrennungsmotoren, die nach dem Dieselprinzip arbeiten Aus der Sicht der katalytischen Abgasreinigung werden völlig andere Anforderungen an den Katalysator gestellt, als dies auf dem Dreiwegegebiet (Ottomotor) der Fall ist. Als Grund für diese veränderten Anforderungsbedingungen können die hohe Sauerstoffkonzentration, relativ niedrige Betriebstemperaturen, hoher Schwefelgehalt im Abgas und der zusätzliche Anspruch, Partikel zu reduzieren, genannt werden. Dieselmotoren werden heutzutage in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Unterschieden wird hier meist zwischen stationären Motoren, wie sie zum Beispiel in Blockheizkraftwerken verschiedener Große verwendet werden, und zwischen instationären Anwendungen, was die Beförderung von Lasten und / oder Personen beinhaltet In der Gruppe der instationären Anwendungen werden Dieselmotoren überwiegend im LKW-und Pkw-Bereich eingesetzt. Für diese verschiedenen Anwendungsgebiete wurden im Jahre 1989 weltweit ca. 8 Millionen Dieselmotoren produziert (Abbildung l).

Der Abgaskatalysator

Die wirksamste Methode um die Schadstoffe aus dem Abgas zu bekommen ist die Abgasnachbehandlung mit einem Katalysator. Der Katalysator bewirkt eine chemische Umwandlung der Schadstoffe in unschädliche Stoffe, ohne sich dabei selbst zu verändern.

Die wesentlichen Bestandteile des Katalysators sind
-Der Keramikträger
-Die Zwischenschicht (Trägerschicht für die katalytisch aktive Schicht)
-Die katalytisch aktive Schicht

Der Keramikkörper besteht aus Magnesium-Aluminium-Silikat und hat einen ovalen bzw. kreisförmigen Querschnitt. Ihn durchziehen wabenartig mehrere tausend feine Kanäle, durch die das Abgas strömt. Die Kanäle sind mit einer sehr porösen Zwischenschicht überzogen Dadurch wird die wirksame Oberfläche um etwa Faktor 7000 vergrößert.

Abgase aus Automotoren.

Wenn Benzin optimal verbrennt, entstehen überwiegend Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf. Man kann ihn an kühlen Tagen als weiße Wolken hinter dem Auspuff beobachten. Außerdem entstehen immer noch kleine Mengen anderer Verbrennungsprodukte wie giftige Stickstoffoxide und Kohtenstoffmonooxid. Auch unverbranntes Benzin gelangt mit den Abgasen in die Umwelt.

Um den Schadstoffausstoß so gering wie möglich zu halten, werden die Kraftfahrzeuge mit Abgaskatalysatoren ausgerüstet. Sie bewirken, daß bis zu 90% der giftigen Bestandteile der Abgase in umweitverträglichere Gase umgewandelt werden.

In Dieselmotoren bildet steh bei der Verbrennung außer den bereits genannten Stoffen noch zusätzlich Ruß. Ruß ist fein verteilter Kohlenstoff, der noch gesundheitsschädliche Stoffe enthält. Für einige Kraftfahrzeugtypen werden bereits Rußfilter angeboten, die den Ausstoß von Ruß stark vermindern sollen.

Einfluß der Temperatur

Die katalytischen Reaktionen sind temperaturabhängig und finden nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches statt. Der Abgaskatalysator muss z.B. mindestens 300°C heiß sein damit die Reaktion abläuft.

Welche Stoffe haben katalytische Eigenschaften ?

Grundsätzlich versucht der Chemiker zu jeder Reaktion einen Katalysator zu finden. Zwei typische Katalysatoren sind Platin und die im Körper enthaltenen Enzyme.

Das Alterungsverhalten von Abgaskatalysatoren

An die Haltbarkeit der Autoabgaskatalysatoren werden hohe Anforderungen gestellt. Beispielsweise verlangt die US-Umweltbehörde eine Einhaltung der Grenzwerte über eine Fahrstrecke von 50000 Meilen. Der Autoabgaskatalysator ist das einzige Bauteil in einem Kraftfahrzeug, das eine so hohe Garantieleistung erbringen muss.