Abgase und Abgaskatalysatoren
Die Abgase eines modernen Verbrennungsmotors bestehen hauptsächlich aus
- Stickstoff (etwas über 72%)
- Wasserdampf (um 11%) und
- Kohlenstoffdioxid (um 12%).
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.
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Schadstoffe
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| 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.
Die bedeutensten Schäden durch Stickstoffoxide
Auf den Menschen
- Stickstoffdioxid reizt und schädigt die Atmungsorgane.
- Stickstoffmonooxid wirkt schon in geringsten Mengen katalytisch auf die Ozonbildung in Bodennähe bei bestimmten Witterungsbedingungen (hohe UV-Strahlung). Eine hohe Ozonbelastung in Bodennähe führt zu Atemwegsbeschwerden bis hin zu entzündlichen Reaktionen in den Atemwegen.
- Stickoxide tragen bei ungünstiger Wetterlage auch zum Smog bei. Die damit einhergehende Beeinträchtigung der Gesundheit ist nicht zu unterschätzen. Allerdings spielen sehr viele Faktoren für die Smogbildung eine Rolle.
Auf die Umwelt und dadurch natürlich auch indirekt auf den Menschen
- Da Nichtmetalloxide mit Wasser (Regenwasser) die entsprechenden Säuren bilden, sind die Stickoxide auch für den Sauren Regen verantwortlich.
- Stickoxide sind klimawirksam und verstärken die Erderwärmung.
- Distickstoffmonooxid wirkt (indirekt) extrem ozonschichtzerstörend in der Stratosphäre.
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.
Die bedeutensten Schäden durch Kohlenstoffmonooxid
Auf den Menschen
- Da sich Kohlenstoffmonooxid sehr gut an der Stelle des Hämoglobins anlagern kann, wo normalerweise der Sauerstoff sich anlagert, ist es ein extrem gefährliches Blut- bzw. Atemgift. Es gibt immer wieder Todesfälle, die durch das Einatmen von Kohlenstoffmonooxid zurückzuführen sind.
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.
Die bedeutensten Schäden durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe
Auf den Menschen
- Ruß steht im dringenden Verdacht krebserregend zu sein. Pollen lagern Rußteilchen an, wodurch die Verweildauer in der Lunge und auf Schleimhäuten verlängert wird und die allergene Wirkung voll greifen kann.
Auf die Umwelt und dadurch natürlich auch indirekt auf den Menschen
- Kohlenwasserstoffradikale wirken zudem ebenfalls auf den katalytischen Prozess der Ozonbildung in Bodennähe ein.
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.
