Abgaskatalysator

Autor: Hans Lohninger

Ein wichtiger Punkt bei der Anwendung des Katalysators ist die Regelung der Treibstoffzusammensetzung (Luft-Benzin-Verhältnis). Ist das Treibstoff-Luft-Gemisch zu fett (Überschuss an Benzin), so werden Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe schlecht abgebaut, ist es zu mager, werden die Stickoxide nicht mehr ausreichend reduziert. Es gibt also einen kleinen Bereich der Treibstoffzusammensetzung, in dem der Abgaskatalysator optimal funktioniert:

Woraus besteht nun ein solcher Abgaskatalysator und wie ist seine Wirkung?

Der Katalysator als Bauelement ist im Wesentlichen ein rohrförmiger Wabenkörper aus Keramik oder Metall, durch den die Auspuffgase geleitet werden. Die unzähligen Kanäle des Wabenkörpers sind mit Aluminiumoxid und Ceroxid beschichtet, um einerseits eine hohe Oberfläche zu erreichen und andererseits für vorübergehenden Bedarf zusätzlichen Sauerstoff zur Verfügung zu haben. Die eigentliche katalytische Reaktion erfolgt an sehr fein verteilten Edelmetallpartikeln (Platin, Rhodium und/oder Palladium), die in das Aluminiumoxid eingelagert sind. Auf das Volumen bezogen enthält ein Katalysator typischerweise rund 1.7 g/L Edelmetalle.

Ein moderner geregelter Katalysator (Drei-Wege-Katalysator oder G-Kat) reduziert gleichzeitig den Gehalt an Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden (NO_x). CO und die Kohlenwasserstoffe werden oxidiert, die Stickoxide werden reduziert:

2 CO + O₂ 2 CO₂
4 C_mH_n + (4m+n) O₂ 4m CO₂ + 2n H₂O
2 NO + 2 CO N₂ + 2 CO₂

Ein besonderes Problem stellt der starke Rückgang der NO_x-Konversionsrate im mageren Bereich dar, da man einerseits - um den Benzinverbrauch zu reduzieren - den Motor möglichst im mageren Bereich betreiben möchte, aber andererseits der dadurch bedingte starke Anstieg von NO_x nicht mehr akzeptabel ist. Eine Lösung dafür besteht in der Zwischenspeicherung der Stickoxide im Katalysator. Der Motor wird dabei für ca. eine Minute im (gewünschten) mageren Bereich betrieben, die entstehenden Stickoxide werden in dieser Zeit durch im Katalysator eingelagertes Bariumcarbonat als Bariumnitrat gebunden. Danach wird der Motor für wenige Sekunden im fetten Gemischbereich betrieben. Das dabei entstehende CO-H₂-C_mH_n-Gemisch dient zur Reduktion des Nitrats zu Stickstoff, der an die Umwelt abgegeben wird. Damit wird die Speicherfähigkeit für NO_x regeneriert und der Motor kann wieder für eine Minute im Magerbetrieb laufen.

Für größere Dieselmotoren, wie sie in Lastkraftwagen eingesetzt werden, ist auch die Entwicklung eines Katalysators zur selektiven Reduktion der Stickoxide durch Ammoniak im Gang. Um nicht Ammoniak direkt mitführen zu müssen, wird eine wässrige Harnstofflösung (32.5 Gew.-%) in das heiße Auspuffrohr gesprüht in dem sich dann der Harnstoff zu Ammoniak zersetzt.