Katalysator
Aufbau:
der Keramikträger
die Zwischenschicht ( wash- coat), die Trägerschicht
die katalytische aktive Schicht
Der Keramikträger aus Magnesium- Aluminium- Sillikat hat einen ovalen oder kreisförmigen Querschnitt. Ihn durchziehen mehrere tausend wabenartige Kanäle, durch die das Abgas strömt. Diese Kanäle sind mit einer sehr porösen Zwischenschicht versehen. Dadurch wird die wirksame Oberfläche des Kat um das ca. 7000 fache vergrößert. Auf diese Zwischenschicht wird die katalytisch wirkende Schicht aus Platin, Rhodium und Palladium aufgedampft. (~ 2 g) aufgedampft.
Da der Wabenartige Keramikkörper Stoßempfindlich ist, wird er mit einen warmfesten Drathgestrick eingebettet und dieses ist mit Stahlblech umgeben.
Wirkungsweise
Folgende chemische Umwandlung gehen im Kat vor sich:
NOx soll reduziert werden zu Stickstoff (N), Sauerstoff wird frei.
CO soll oxidiert werden zu CO , Sauerstoff wird verbraucht.
CH- Verbindungen sollen oxidiert werden zu CO und H O. Sauerstoff wird verbraucht.
Die meisten verwendeten KAT sind Einbett- Dreiweg- KAT. In diesen werden alle 3 chem. Umwandlungen in einen Gehäuse gleichzeitig ablaufen. Es ist erforderlich, dass die Zusammensetzung des Kraftstoff- Luft - Gemisches etwa den Mischungsverhältnis l= 1 entspricht, wegen der günstigen Abgaszusammensetzung, der bei der Reduktion der Stickoxide freiwerdende Sauerstoff muss ausreichend zur Oxidation der CH- und CO- Anteile im Abgas. Diese günstige Abgaszusammensetzung ergibt sich nur in einem engen Bereich des Luftverhältnisses, welcher als l- Fenster oder als Katalysatorfenster bezeichnet wird. Nur im Bereich des l- Fensters kann der KAT die Schadstoffe bestmöglich umwandeln. Ein fetteres Gemisch hat eine Anstieg der CO- und CH- Anteile im Abgas zur Folge. Ein mageres Gemisch führt zu einem Anstieg der Stickoxide.
Eine genaue Gemischzusammensetzung kann nur in einem geschlossenen Regelkreis erreicht werden, bei dem die Abgaszusammensetzung durch eine l-Sonde überwacht und bei Abweichungen vom Luftverhältnis l = 1 die Gemischzusammensetzung korrigiert wird. In diesem Fall spricht man von einem geregelten Katalysator . Die Konvertierungsrate (Umwandlungsrate) erreicht 90%95%.
Ungeregelter Katalysator
Vor dem Katalysator ist keine l-Sonde eingebaut, die Abgaszusammensetzung wird nicht geregelt. Die Gemischzusammensetzung wird zwar den verschiedenen Betriebszuständen des Motors entsprechend gesteuert, jedoch wird die Abgaszusammensetzung nicht überwacht. Ungeregelte
Katalysatoren erreichen im Mittel eine Konvertierungsrate von etwa 60%.
Betriebsbedingungen
Eine nennenswerte Umwandlung der Schadstoffe findet im Katalysator erst oberhalb einer Temperatur von etwa 250 °C statt. Diese Temperatur wird daher auch 'Anspringtemperatur' genannt. Der günstigste Temperaturbereich des Katalysators beträgt 400 °C. ..800 °C. Oberhalb etwa 800 °C setzt eine thermische Alterung der katalytisch aktiven Schicht ein, die bei Temperaturen oberhalb etwa 1000 °C zur Wirkungs- losigkeit des Katalysators führt. Gelangt unverbranntes Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Katalysator, z. B. infolge schadhafter Zündkerzen, so kann die Temperatur auf über 1200 °C ansteigen; der Katalysator wird zerstört.
Kraftfahrzeuge mit Katalysatoranlage müssen mit bleifreiem Kraftstoff betrieben werden, da sich sonst Blei auf der katalytisch-aktiven Schicht ablagern und diese unwirksam machen würde. Auch Rückstände aus dem Motoröl können sich in den Poren der katalytisch- aktiven Schicht ablagern und zu einer "Vergiftung" des KAT führen.
Aufbau:
Die l-Sonde besteht aus einem gasundurchlässigen Keramikkörper, der innen und außen mit einer dünnen gasdurchlässigen Platinschicht überzogen ist. Zum Schutz vor Verschmutzung durch Verbrennungsrückstände ist die äußere Platinschicht mit einer porösen Keramikschicht überzogen. Der Keramikkörper ist zusätzlich durch ein mit mehreren Schlitzen versehenes Metallrohr gegen Stöße geschützt. Die Außenfläche der Sonde ist dem Abgasstrom ausgesetzt, sie ist über ihre Platinschicht mit dem Sondengehäuse ( -) verbunden. Die Innenfläche der Sonde steht mit der Außenluft in Verbindung, sie ist über ihre Platinschicht mit dem nach außen geführten Anschluß ( + ) verbunden.
Wirkungsweise der Lambda-Sonde
Die l -Sonde ist als Meßfühler im Abgasstrom vor dem Katalysator eingebaut; je nach Abgaszusammensetzung gibt die l -Sonde ein entsprechendes Spannungssignal an den Regler im elektronischen Steuergerät. Das Steuergerät bestimmt hieraus ein Signal an die Einspritzanlage wodurch die Gemischzusammensetzung so geändert wird, dass sie dem Luftverhältnis l=1 entspricht. Die angepasste Gemischzusammensetzung hat eine entsprechende Abgaszusammensetzung zur Folge.
Das von der l -Sonde abgegebene Spannungssignal ist abhängig von dem im Abgas enthaltenen Restsauerstoff. Im Abgas sind auch bei Kraftstoffüberschuss noch Sauerstoffanteile enthalten, z. B. bei l= 0,95 etwa noch 0,2 Vol. %0,3 Vol. % Sauerstoff. Der Keramikwerkstoff der Sonde wird ab etwa 300°C für Sauerstoffionen leitend. Bei verschieden großen Sauerstoffanteilen auf Luft- und Abgasseite der Sonde entsteht eine elektrische Spannung, die Sondenspannung . Bei magerem Gemisch beträgt die Sondenspannung um 100 mV. Im Bereich l= 1 ändert sich die Sondenspannung fast sprunghaft und erreicht bei fettem Gemisch 800 mV1000 mV. Die starke Anderung der Sondenspannung im Bereich l = 1 ermöglicht es, dass die Sonde schon geringe Abweichungen vom Luftverhältnis l = 1 am veränderten Sauerstoffanteil im Abgas erkennt. Neben dem Sauerstoffanteil im Abgas ist für die Sondenspannung auch die Temperatur des Keramikkörpers maßgebend, da seine Leitfähigkeit für Sauerstoffionen mit der Temperatur zunimmt. Bei Temperaturen unter 300°C bleibt die Sonde abgeschaltet. Bei optimaler Betriebstemperatur von etwa 600°C reagiert sie dagegen schon innerhalb 50 ms. Die höchste Temperatur der Sonde soll 850°C900°C nicht überschreiten.
Nach dem Start des Motors soll die l -Sonde möglichst schnell ihre Mindestbetriebstemperatur von etwa 300 °C erreichen. Zur Verkürzung dieser Phase enthält die Sonde meist ein Heizelement, das den Keramik- körper schon in 20 s. ..30 s nach dem Start auf die erforderliche Temperatur bringt. Während des Betriebs hält das Heizelement die l.-Sonde auf Betriebstemperatur.
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