Katalysator: Verringerung von Schadstoffen

Katalysator: Verringerung von Schadstoffen

 

Bei der Verbrennung von Kraftstoffen entstehen neben den unschädlichen Gasen Kohlendioxid (CO₂) und Wasserdampf (H₂O) auch umwelt- und gesundheitsschädigende Stoffe wie vor allem Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (C_mH_n), Stickoxide (NO_x) und Rußpartikel.

 

Zur Verringerung des Ausstoßes der gasförmigen Schadstoffe hat sich als wirkungsvollste und technisch einfachste Maßnahme der Einsatz von Katalysatoren bewährt. Sie ermöglichen eine chemische Reaktion schon bei relativ niedrigen Temperaturen oder sie erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit, ohne selbst verbraucht zu werden. Im Wesentlichen laufen bei der katalytischen Abgasreinigung folgende Reaktionen ab: durch Zugabe von Sauerstoff wird Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Kohlenwasserstoff zu Kohlendioxid und Wasserdampf, Stickoxide werden durch Reaktion mit Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und elementarem Stickstoff (N₂).

 

 Abgaskatalysatoren

 

Technologisch haben sich der geregelte Drei-Wege-Katalysator für den Ottomotor und der Oxidationskatalysator für den Dieselmotor durchgesetzt. Um die Kontaktfläche zwischen Abgas und Katalysator möglichst groß zu halten, verwendet man als Trägermaterial keramische oder metallische Wabenkörper. Auf diese wird zunächst eine Zwischenschicht, der Washcoat, aufgebracht, welche die Oberfläche des Katalysatorträgers um ein Vielfaches erhöht. Der eigentliche Katalysator aus Edelmetall wird anschließend aufgedampft. Der beschichtete Keramikkörper wird mit einem Drahtgestrick in ein Edelstahlgehäuse eingeschlagen und der metallische Wabenkörper direkt in sein Gehäuse eingeschweißt. Für die oben beschriebenen chemischen Reaktionen im Katalysatorbett muss beim Drei-Wege-Katalysator die Abgaszusammensetzung optimal geregelt werden. Dies wird erreicht, wenn die zur Verbrennung des Kraftstoffes zugeführte Luftmenge gleich der theoretisch erforderlichen Menge ist. Die Beeinflussung der Abgaszusammensetzung erfolgt über die Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vor der Verbrennung, bei der mithilfe der Lambdasonde der Sauerstoffgehalt des Abgases gemessen wird. Bei Abweichungen des Lambdawertes (Luftverhältnis) vom Sollwert wird über ein elektronisches Steuergerät die Gemischbildung korrigiert.

 

Der Einsatz des Oxidationskatalysators ist zwar wesentlich einfacher, aber auch weniger effektiv. Da der Dieselmotor mit sehr großem Luftüberschuss betrieben wird, ist hier nur der Umsatz von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen erfolgreich; eine katalytische Verminderung von Stickoxiden ist derzeit noch nicht serienreif. Der im Dieselabgas enthaltene Sauerstoffanteil reicht aus, um die chemische Reaktion ohne weitere Maßnahmen zu ermöglichen. Eine Regelung der Gemischbildung wie beim Ottomotor wäre beim Dieselmotor auch unpraktisch, da hier die Motorleistung von der eingespritzten Kraftstoffmenge abhängt.

 

 Rußfilter

 

Die Verminderung partikelförmiger Abgasbestandteile (Ruß) insbesondere beim Dieselmotor ist nicht durch den Einsatz von Abgaskatalysatoren durchführbar. Rußpartikel werden mithilfe temperaturbeständiger Filtermedien mechanisch aus dem Abgas herausgefiltert, ohne dass sich die Abgaszusammensetzung nennenswert ändert. In der Praxis haben sich Filtermonolithe aus Kordierith-Keramik durchgesetzt. Diese sind von einer Vielzahl wechselseitig verschlossener Kanäle durchzogen, wodurch das Abgas gezwungen wird, durch die porösen Wände des Keramikkörpers zu strömen. Die Partikel lagern sich an der Keramikoberfläche und in den Poren ab, sodass sich mit zunehmender Betriebsdauer der Filter zusetzt und der Abgasgegendruck ansteigt. Das Filterelement muss in regelmäßigen Abständen gereinigt werden; der angesammelte Ruß wird verbrannt. Die dazu erforderliche Energie wird entweder durch elektrische Heizelemente oder kraftstoffbetriebene Brenner zugeführt. Um ein zuverlässiges Abbrennen zu gewährleisten, wird in der Praxis auf kraftstoffbetriebene Brenner zurückgegriffen, wobei ein sehr hoher Aufwand an Steuer- und Regelungstechnik nötig ist. Filtersysteme, die z.B. in Omnibussen eingesetzt werden, bestehen in der Regel aus zwei parallel geschalteten Filterelementen, von denen eines ausgebrannt wird, während das andere sich im Einsatz befindet. Zur Zeit befinden sich auch Brennerelemente in der Entwicklung, die die Regenerierung eines Filters bei gleichzeitigem Motorbetrieb ermöglichen (Vollstromregenerierung). Der Einsatz von Rußfilter erstreckt sich zur Zeit auf Nutzfahrzeuge mit speziellen Aufgaben, z.B. Lkw im Tunnelbau, Kommunalfahrzeuge, Gabelstapler und Baumaschinen.

 

Da sich die Grenzwerte der aktuellen und wahrscheinlich auch der künftigen Abgasnormen noch mit motorischen Maßnahmen erreichen lassen, haben sich Rußfilter aufgrund des hohen Aufwandes im Straßenverkehr noch nicht durchgesetzt.