(Grundlegend: Was macht der KAT? Wie arbeitet er? wurde bisher 5747 mal gelesen ... Druckversion)

Der Katalysator

Benzin besteht im wesentlichen aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff. Wenn das Benzin im Motor verbrannt wird, verbindet sich der Kohlenstoff mit dem Luftsauerstoff zu Kohlendioxid (chemische Kurzformel CO2), und der Wasserstoff vereinigt sich mit Sauerstoff zu Wasser (H20). Aus einem Liter Benzin entstehen rund 0,9 Liter Wasser, das Sie aber gewöhnlich nicht sehen, da es durch die Verbrennungswärme unsichtbardampfförmig dem Auspuff entweicht. Nur bei kaltem Motor, zumal in der kalten Jahreszeit sehen Sie weiße Auspuffwolken vom kondensierenden Wasser.

Diese Verbrennungsprodukte bilden sich, wenn Luft und Kraftstoff im optimalen Verhältnis (14,7:1) gemischt sind. Das ist leider fast nie der Fall. Deshalb entstehen auch Schadstoffe.

Was stößt der Motor aus ?

• Kohlenmonoxid (CO) ist wohl die bekannteste Verbindung, denn der CO-Gehalt im Abgas wird bei der Abgas-Sonderuntersuchung gemessen. Es entsteht um so mehr, je fetter, also kraftstoffreicher das Benzin/ Luft-Gemisch ist. Mageres Gemisch, genaue Zündung und gleichmäßige Gemischverteilung im Verbrennungsraum ermöglichen einen niedrigen CO-Anteil.
• Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) entstehen, wenn die von der Zündkerze entzündete Flammenfront an kalten Wandungen und engen Winkeln im Brennraum erlöscht. Der HC-Anteil ist z.T. bereits durch die Motorkonstruktion bestimmt, er kann später nur gering beeinflußt werden.
• Stickoxide (NOx) bilden sich vor allem durch den zu über 1/4 in der Verbrennungsluft enthaltenen Stickstoff. Ihr Anteil ist besonders hoch bei einerAuslegung des Motors fürgeringen Kraftstoffverbrauch und geringen COsowie HC-Ausstoß: Hohe Verbrennungstemperaturen und mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch.
• Bleiverbindungen werden dem bleihaltigen Kraftstoff als Antiklopfmittel zugesetzt. Rund 75% davon werden zum Auspuff hinausgeblasen. Beim Calibra ist verbleiter Kraftstoff kein Thema, denn er darf als Katalysator-Fahrzeug nur mit bleifreiem Benzin gefahren werden.
• Schwefeldioxid (S02) bildet sich lediglich bei den Dieselmotoren.
• Kohlenmonoxid ist giftig und kann beim Einatmen in geschlossenen Räumen zum Tod führen. In der Luft verbindet sich das Kohlenmonoxid relativ schnell mit Sauerstoff zu dem ungiftigen Kohlendioxid (C02),
• Die Kohlenwasserstoff-Verbindungen sind der Übersichtlichkeit wegen zusammengefaßt, wobei die Bandbreite von harmlos bis möglicherweise krebserregend reicht. In der Luft sind die Kohlenwasserstoffe mit den Stickoxiden für Bildung von Smog (schwer lösbare Abgasnebelwolken) verantwortlich.
• Stickoxide können bei entsprechender Konzentration zu Reizungen der Atmungsorgane führen.
• Die Bleiverbindungen lagern sich in der Umgebung ab und werden u.a. mit der Nahrung im Körper aufgenommen. Das ist bei höheren Konzentrationen gesundheitsgefährlich. Deshalb wurde schon vor Jahren der Bleigehalt im verbleiten Kraftstoff reduziert und der Verkauf von bleifreiem Benzin steuerlich gefördert.

Achtung: Weltweit sorgen immer mehr Feuerstellen dafür, daß zunehmend Kohlendioxid freigesetzt wird. Der eher abnehmende Baum- und Pflanzenbestand schafft es nicht mehr, alles Kohlendioxid in Sauerstoff umzuwandeln. Der Rest verteilt sich in der Atmosphäre. Er verstärkt dort zusammen mit anderen Stoffen eine für reflektierendes Sonnenlicht undurchlässige Schicht, Fachleute erkennen eine Klimaveränderung (Treibhaus-Effekt).

Der Anteil der in der Atmosphäre vorhandenen Schadstoffe, die auch für die Bildung von saurem Niederschlag verantwortlich sind, ist wie folgt (auf ganze Zahlen gerundet):

• Schwefelverbindungen (SO2): 35% natürlicher Ursprung, 65% menschliche Aktivität - davon 97% Kraftwerke, Industrie und Heizung, 3% Verkehr (Dieselfahrzeuge).
• Stickoxide (NOx): 95% natürlicher Ursprung, 5% menschliche Aktivitäten (knapp die Hälfte Verkehr).

Ein Katalysator ist in der Chemie ein Stoff, der eine chemische Reaktion einleitet oder beschleunigt. Dabei bleibt der Katalysator in seiner Zusammensetzung unverändert.

Im Auto verstehen wir unter dem Katalysator ein mit den Edelmetallen Platin und Rhodium beschichtetes Keramik-Bauteil samt der Umhüllung, die einem Auspufftopf ähnelt. Das auf Drahtgeflecht gelagerte KeramikBauteil ist von mehreren tausend parallel verlaufenden Kanälen durchzogen. Auf die Wandungen der Kanäle ist eine Zwischenschicht zur Oberflächenvergrößerung (der sogenannte wash-coat) aufgetragen. Er vergrößert die aktive Katalysatorfläche etwa auf die Größe eines Fußballfeldes.

Die katalytisch wirkenden Substanzen sind Platin (5 Teile) und Rhodium (1 Teil). Von diesen Edelmetallen enthält der Katalysator 2-3 Gramm. Wobei das Platin die Oxidation und das Rhodium die Stickoxid-Reduktion unterstützt.

Mit dem Dreiwege-Katalysator rückt man den Schadstoffen Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff und den Stickoxiden zu Leibe:

• Es werden Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe durch Oxidation mit Sauerstoff zu Kohlendioxid (CO2) umgewandelt.
• Zum Abbau der Stickoxide wird ein Mittel gebraucht, welches den Sauerstoff entzieht. Wie aus der Reaktionsgleichung in der Zeichnung links zu sehen ist, kann der Schadstoff Kohlenmonoxid dieses Mittel sein. Dabei entsteht Stickstoff (N2) und wieder C02. Beides ungefährlich.

Achtung: Im einzelnen beträgt die Verringerung der Schadstoffe beim geregelten Katalysator: Kohlenmonoxid 85%, Kohlenwasserstoffe 80%, Stickoxide 70%. Dabei ist berücksichtigt, daß der Katalysator mit zunehmender Laufleistung einen Teil seiner Wirkung einbüßt.

Im Zusammenhang mit dem Katalysator tauchen oft weitere Begriffe auf: >Einbett<-Katalysator bedeutet, daß der Keramikkörper des Katalysators in ein geschlossenes Gehäuse (mit einer Metallwolle Zwischenlage) eingebettet ist. Ein >Zweiwege<-Katalysator kann nur zwei Schadstoffen im Abgas zu Leibe rücken, der »Dreiwege«-Katalysator (im Calibra eingebaut) dagegen drei.

Der Katalysator arbeitet nur in einem schmalen Bereich bei stöchiometrischem Kraftstoff/Luft-Verhältnis (X = 1) mit hohem Wirkungsgrad. Die größte Schwierigkeit bei der Katalysatortechnik ist es, dieses Verhältnis (l = 1) in jedem Betriebszustand des Motors durch die Lambda-Regelung einzuhalten. Schon eine Abweichung von 1 % beeinflußt den Wirkungsgrad des Katalysators erheblich.

Ehe der Katalysator arbeiten kann, muß er eine >Anspringtemperatur« von etwa 300oC erreichen. Die sind bereits nach 25-80 Sekunden erreicht; im Stadtverkehr können aber auch drei Minuten vergehen, ehe die notwendige Temperatur erreicht ist. Der Katalysator ist aber auch überhitzungsempfindlich. Steigen die Temperaturen im Kat über 900'C, setzt eine verstärkte Alterung ein. Ab 1200'C wird seine Wirksamkeit auf Dauer zerstört.

Für den Katalysator ist bleifreier Kraftstoff unbedingt erforderlich. Blei würde die große Oberfläche im Katalysator schnell verstopfen, und die Abgase könnten die katalytisch wirkenden Substanzen nicht mehr erreichen. Versuche haben gezeigt, daß bereits nach einer bleihaltigen Tankfüllung Kohlenmonoxid kaum noch abgebaut wird. Nach 2-3 Tankfüllungen werden auch die restlichen Schadstoffe nicht mehr abgebaut. Der Katalysator ist vergiftet.

Achtung: Die Edelmetalle im Katalysator können zurückgewonnen werden, sobald der Kat ausgedient hat. Die Deutsche Autokat Recycling (DAR) sammel Alt-Kats bei den Kfz-Werkstätten und anderen Firmen ein, um sie für andere Teile aufzuarbeiten, beispielsweise für Schmuck. Für Alt-Kats werden von manchen Werkstätten geringe Vergütungen bezahlt.

Die Lambda-Sonde (auch Sauerstoffsonde bzw. 02-Sonde genannt) ist vor dem Katalysator in das Auspuffrohr eingeschraubt. Die Sonderkeramik der Sonde ist außen dem Abgas ausgesetzt und steht an ihrer Innenseite mit der Umgebungsluft in Verbindung.

• Durch den unterschiedlichen Sauerstoffgehalt in Abgas und Außenluft erzeugt die Sonde eine Spannung, die bei einem bestimmten Rest-Sauerstoffgehalt im Abgas steil ansteigt. Dieser Spannungssprung findet genau bei einem Kraftstoff/Luft-Verhältnis von k = 1 statt. Bei Sauerstoff mangel (k kleiner 1), also bei fettem Gemisch, beträgt die Spannung 0,9-1,1 Volt. Bei magerem Gemisch (k größer 1) werden um 0,1 Volt erreicht.
• Die Lambda-Signale werden zum Steuergerät der Einspritzung geleitet. Von dort aus wird die Gemischaufbereitung beeinflußt, um das Kraftstoff/Luft-Verhältnis möglichst nahe an k = 1 zu halten.
• Die Lambda-Sonde reagiert auf Sauerstoffschwankungen in Abhängigkeit ihrer Betriebstemperatur unterschiedlich schnell: Bei 300'C hat sie ca. 1 Sekunde, bei 6000C hat sie weniger als 50 Millisekunden Reaktionszeit.
• Durch eine eingebaute Heizung wird die günstigste Betriebstemperatur von ca. 6000C schneller erreicht. Eine Lambda-Sondenheizung besitzen alle Calibra-Motoren.

In der Betriebsanleitung sind zahlreiche Hinweise für Katalysator-Fahrzeuge aufgeführt. Besonders gefährlich ist unverbranntes Gemisch, das sich im heißen Katalysator entzündet und so die Temperaturen in gefährliche Höhen ansteigen läßt. Folge: Der Katalysator kann teilweise schmelzen und wird dadurch funktionsunfähig.

Deshalb:

• Das Anrollenlassen, Anschieben oder Anschleppen des Wagens ist problemlos, wenn der Anlasser wegen einer leeren Batterie den Motor nicht zum Laufen brachte.
• Anschleppen über lange Distanzen - was z. B. bei defekter Zündung der Fall sein könnte - ist nicht zulässig. Denn so gerät eine große Menge unverbrannter Kraftstoff in die Abgasanlage, was besonders bei noch betriebswarmem Kat schädliche Folgen hat.
• Lassen Zündaussetzer oder Fehlzündungen auf einen Defekt an der Zündanlage schließen, diese sofort überprüfen (lassen). Auf der Weiterfahrt hohe Drehzahlen vermeiden.
• Ungefährlich sind kleine Mengen unverbrannten Gemisches, besonders, wenn sie in den kalten Kat gelangen. Das passiert oft bei Werkstattarbeiten, wie z. B. Messen des Kompressionsdrucks.
• Zu einem Überhitzen des Kat kann es auch bei Dauervollgas nicht kommen, denn der höhere Gasdurchsatz wirkt gewissermaßen kühlend auf den Katalysator. Dieser ist nämlich durch die >Nachverbrennung< in seinem Innern stets viel heißer als die vom Motor kommenden Abgase.

Außerdem:

• Im Hochsommer nach wochenlanger Trockenheit beim Parken den Wagen nicht über trockenem Laub, Heu o.ä. abstellen. Unter besonders ungünstigen Umständen könnte es zu einer Entzündung unter dem Wagen kommen.
• Beim Auftragen von Unterbodenschutz darf nichts davon an den Katalysator oder die Hitzeschutzschilde über der Auspuff anlage geraten.
• Kontrollieren Sie gelegentlich bei aufgebocktem Fahrzeug, ob die Hitzeschutzbleche nicht beschädigt oder verloren gegangen sind.

Was sonst noch wissenswert ist:

• Hoher Ölverbrauch ist für den Kat weitgehend unschädlich. Da Motoröl wie Kraftstoff aus Kohlenwasserstoffen besteht, behandelt der Kat verbranntes öl genauso wie verbrannten Kraftstoff.
• Additive in Kraftstoffen und Motorölen schädigen den Kat nicht. Ganz sicher ist das, wenn die Betriebsstoffe von Opel freigegeben sind.
• Defekte an Kat oder Lambda-Sonde lassen sich leider nur in recht aufwendigen Abgastests nachweisen. Ein thermisch beschädigter Katalysator ist dagegen an Klappergeräuschen zu erkennen. Der Keramik-Träger des Kat schrumpft durch das teilweise Schmelzen, was zur Folge hat, daß er sich lose im Blechmantel bewegt.

Achtung: Kat-Fahrzeuge machen gelegentlich durch stechenden Geruch auf sich aufmerksam. Was da übel riecht, sind kleinste Mengen aus bekannten Schwefelverbindung H2S (Schwefelwasserstoff), die im Katalysator entstehen können. In den im Auto auftretenden Konzentrationen ist dieses Gift jedoch völlig unschädlich. Abhilfe: Keine. Versuchsweise an einer anderen Tankstelle tanken, um weniger schwefelhaltigen Kraftstoff zu erwischen.

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