Abgase und Abgaskatalysatoren

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Die Abgase eines modernen Verbrennungsmotors bestehen hauptsächlich aus

  • Stickstoff (etwas über 72%)
  • Wasserdampf (um 11%) und
  • Kohlenstoffdioxid (um 12%).

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Die Zusammensetzung der Abgase sind beim Ottomotor (Benzinmotor) und beim Dieselmotor etwas unterschiedlich. So auch die emittierten Schadstoffe:

Beim Ottomotor sind ca. 1 % der Abgase Schadstoffe, beim Dieselmotor sind es ca. 0,2 [1]. Diese entstehen vor allem aufgrund der hohen Temperatur im Verbrennungsmotor.

Schadstoffe

 

Ottomotor   Dieselmotor
- vorwiegend Kohlenstoffmonooxid   - vorwiegend Stickstoffoxide
- Stickstoffoxide   - Kohlenstoffmonooxid
- unverbrannte Kohlenwasserstoffe   - unverbrannte Kohlenwasserstoffe
    - Schwefeldioxid
Anmerkung: Stickoxide (NOx) ist die Sammelbezeichnung für die Oxide des Stickstoffs. Im engeren Sinne werden meistens die beiden Stickstoffoxide Stickstoffmonooxid und Stickstoffdioxid gemeint.    

Kraftfahrzeuge mit Benzinmotor besitzen einen so genannten geregelten Dreiwegekatalysator (G-KAT), der die drei problematischsten Schadstoffe (Stickstoffoxide, Kohlenstoffmonooxid unverbrannte Kohlenwasserstoffe) in unbedenkliche Stoffe wie Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser(dampf) durch Oxidation und Reduktion umwandelt. Der Vergaser eines Motors regelt die Luftzufuhr für die Verbrennung des Benzins. Die Lambda-Sonde des Dreiwegekatalysators misst den Sauerstoffanteil im Abgas und regelt die günstigste Kraftstoffzufuhr. Liegt zu viel Sauerstoff vor (mageres Gemisch), so ist die Reduktion gestört. Bei zu viel Kraftstoff (fettes Gemisch) ist keine vollständige Oxidation möglich.

 

Als Katalysator wird eine Platin-Rhodium-Legierung verwendet.

Der ab 1986 eingeführte Katalysator machte damals die Verwendung von bleifreiem Kraftstoff nötig, da Blei die katalytische Wirkung von Platin verhindert. Blei diente damals als Antiklopfmittel des Kraftstoffes.

Die Funktionsweise des Katalysators ist aber auch von der Temperatur der Abgase abhängig. Optimal arbeitet er bei ca. 600°C. Nach einem Kaltstart und bei sehr hohen Temperaturen (z.B. bei rasanter Autofahrt) laufen die Umsetzungen zu schadstoffarmen Produkten nur unvollständig ab.

Bei Dieselmotoren kann der G-Kat nicht verwendet werden, da der Sauerstoffüberschuss im Abgas die Reduktion des Stickstoffmonooxids verhindert. Stattdessen werden so genannte NOx-Katalysatoren verwendet. Der erhöhten Rußbildung bei Dieselmotoren versucht man mit Hilfe von Dieselrußfiltern zu begegnet.

Reaktionen im Katalysator

Stickoxide

Die Luft, die vom Vergaser angesaugt wird, besteht bekanntlich hauptsächlich aus Stickstoff. Normalerweise ist Stickstoff reaktionsträge. Man sagt auch: Stickstoff ist ein inertes Gas. Bei den hohen Temperaturen im Motor allerdings reagiert der Stickstoff mit dem Sauerstoff der Luft zu verschiedenen Stickstoffoxiden.

Bei gemäßigtem Fahrstil reagiert Stickstoffmonooxid mit Kohlenstoffmonooxid (welches als Schadstoffgas ebenfalls im Motor entsteht) im Katalysator zu einem Großteil zu Stickstoff und Kohlenstoffdioxid, welche beide ja unbedenklich sind:

2 NO(g)  + 2 CO(g)  →  N2 (g)  +  2 CO2(g)

 

Kohlenstoffmonooxid

Bei den Verbrennungstemperaturen im Motor wird Benzin, das aus Kohlenwasserstoffen besteht, auch zu Kohlenstoffmonooxid umgewandelt.

 

Kohlenstoffmonooxid wird mit Hilfe des Katalysators in Kohlenstoffdioxid umgewandelt:

2 CO(g)  + O2(g)  →   2 CO2(g)

 

Unverbrannte und teilverbrannte Kohlenwasserstoffe

Einige Stoffe des Benzins werden nicht vollständig verbrannt. Auf diese Weise entsteht Ruß. Die Rußbildung tritt vor allem beim Dieselmotor auf, da er bei niedrigeren Temperaturen und höherem Druck arbeitet. In diesem Zusammenhang spielt das Boudouard-Gleichgewicht eine entscheidende Rolle.

Der 3-Wege-Katalysator wandelt auch die unverbrannten oder teilverbrannten Kohlenwasserstoffe wie folgt um:

2 C8H18(g)  + 25 O2(g)  →   16 CO2(g)  +  18 H2O(g)       ΔH < 0

 

 

Neben diesen drei Schadstoffen entstehen aber auch noch andere bedenkliche Stoffe: Aldehyde (insbesondere Formaldehyd ist krebserregend) und Schwefeldioxid, welches auf den Sauren Regen Einfluss nimmt.

Selbstverständlich ist Kohlenstoffdioxid (Hauptprodukt bei der Verbrennung im Motor) als Treibhausgas ein generelles Problem.

 

Anhand des Vergleichs von Diesel- und Ottomotoren werden wir das Thema "chemisches Gleíchgewicht" im Hinblick auf das oben schon erwähnte Boudouard-Gleichgewicht erörtern und so einen Übergang zum nächsten Thema schaffen.

 

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[1] Quelle der Zahlen: NGK, www.ngk.de, am 15.02.15 abgerufen.

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