Wie funktioniert ein Autokatalysator?

Während des Betriebs des Verbrennungsmotors werden Abgase in die Atmosphäre abgegeben, die nicht nur eine der Hauptursachen für Luftverschmutzung, sondern auch eine der Ursachen für viele Krankheiten sind.

Diese Gase, die aus den Abgassystemen von Fahrzeugen stammen, bestehen aus äußerst schädlichen Elementen, weshalb moderne Autos mit einem speziellen Abgassystem ausgestattet sind, in dem notwendigerweise ein Katalysator vorhanden ist.

Der Katalysator zerstört schädliche Abgasmoleküle und macht sie für Mensch und Umwelt so sicher wie möglich.

Was ist ein Katalysator?

Der Katalysator ist eine Art Gerät, dessen Hauptaufgabe darin besteht, schädliche Emissionen aus Abgasen von Kraftfahrzeugmotoren zu reduzieren. Die Katalysatorvorrichtung ist einfach. Dies ist ein Metalltank, der in die Abgasanlage eines Autos eingebaut ist.

Im Tank befinden sich zwei Rohre. Der „Eingang“ des Wandlers ist mit dem Motor verbunden, und Abgase strömen durch ihn, und der „Ausgang“ ist mit dem Resonator der Abgasanlage des Fahrzeugs verbunden.

Wenn Motorabgase in den Katalysator eintreten, treten darin chemische Reaktionen auf. Sie zerstören schädliche Gase und verwandeln sie in sichere Gase, die in die Umwelt freigesetzt werden können.

Aus welchen Elementen besteht der Katalysator?

Um die Funktionsweise eines Autokatalysators etwas klarer zu machen, betrachten wir die Hauptelemente. Ohne auf Details einzugehen, listen wir nur die Hauptelemente auf, aus denen es besteht.

Substrat

Das Substrat ist die innere Struktur des Katalysators, auf die der Katalysator und die Edelmetalle aufgetragen werden. Es gibt mehrere Arten von Substraten. Ihr Hauptunterschied ist das Material, aus dem sie hergestellt sind. Meistens ist es eine inerte Substanz, die aktive Partikel auf ihrer Oberfläche stabilisiert.

Abdeckung

Das aktive Katalysatormaterial besteht üblicherweise aus Aluminiumoxid und Verbindungen wie Cer, Zirkonium, Nickel, Barium, Lanthan und anderen. Der Zweck der Beschichtung besteht darin, die physikalische Oberfläche des Substrats zu erweitern und als Basis zu dienen, auf der die Edelmetalle abgeschieden werden.

Edelmetalle

Die im Katalysator vorhandenen Edelmetalle dienen zur Durchführung einer äußerst wichtigen katalytischen Reaktion. Häufig verwendete Edelmetalle sind Platin, Palladium und Rhodium, aber in den letzten Jahren haben viele Hersteller begonnen, Gold zu verwenden.

Gehäuse

Das Gehäuse ist die äußere Hülle der Vorrichtung und enthält das Substrat und andere Elemente des Katalysators. Das Material, aus dem das Gehäuse normalerweise hergestellt wird, ist Edelstahl.

Rohre

Rohre verbinden den Katalysator des Fahrzeugs mit der Abgasanlage und dem Motor des Fahrzeugs. Sie bestehen aus Edelstahl.

Wie funktioniert ein Autokatalysator?

Für den Betrieb des Verbrennungsmotors ist es wichtig, dass in seinen Zylindern ein stabiler Verbrennungsprozess des Luft-Kraftstoff-Gemisches stattfindet. Während dieses Prozesses entstehen schädliche Gase wie Kohlenmonoxid, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und andere.

Wenn das Auto keinen Katalysator hat, passieren all diese extrem schädlichen Gase, nachdem sie vom Motor in den Abgaskrümmer freigesetzt wurden, die Abgasanlage und gelangen direkt in die Luft, die wir atmen.

Wenn das Fahrzeug über einen Katalysator verfügt, gelangen die Abgase durch die Wabe des Substrats vom Motor zum Schalldämpfer und reagieren mit Edelmetallen. Durch eine chemische Reaktion werden Schadstoffe neutralisiert und nur ein harmloses Abgas, das hauptsächlich aus Kohlendioxid besteht, gelangt aus dem Abgassystem in die Umwelt.

Aus dem Chemieunterricht wissen wir, dass ein Katalysator ein Stoff ist, der eine chemische Reaktion auslöst oder beschleunigt, ohne sie zu beeinflussen. Katalysatoren nehmen an Reaktionen teil, sind aber weder Reaktanten noch Produkte einer katalytischen Reaktion.

Es gibt zwei Stufen, durch die schädliche Gase in den Katalysator gelangen: Reduktion und Oxidation. Wie es funktioniert?

Wenn die Betriebstemperatur des Katalysators 500 bis 1200 Grad Fahrenheit oder 250 bis 300 Grad Celsius erreicht, passieren zwei Dinge: Reduktion und unmittelbar danach die Oxidationsreaktion. Das klingt etwas kompliziert, bedeutet aber in Wirklichkeit, dass die Moleküle einer Substanz gleichzeitig Elektronen verlieren und empfangen, weshalb sich ihre Struktur ändert.

Die im Katalysator auftretende Reduktion (Sauerstoffaufnahme) zielt darauf ab, Stickoxid in ein umweltfreundliches Gas umzuwandeln.

Wie funktioniert der Automobilkatalysator in der Rückgewinnungsphase?

Wenn Lachgas aus dem Abgas des Autos in den Katalysator gelangt, beginnen Platin und Rhodium darin, die Zersetzung von Stickoxidmolekülen zu beeinflussen, wodurch das schädliche Gas völlig harmlos wird.

Was passiert in der Oxidationsphase?

Die zweite Stufe, die im Katalysator stattfindet, wird als Oxidationsreaktion bezeichnet, bei der unverbrannte Kohlenwasserstoffe durch Mischen mit Sauerstoff in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt werden (Oxidation).

Die im Katalysator ablaufenden Reaktionen verändern die chemische Zusammensetzung der Abgase und die Struktur des Atoms, aus dem sie bestehen. Wenn Moleküle schädlicher Gase vom Motor zum Katalysator gelangen, werden sie in Atome getrennt. Atome rekombinieren wiederum zu Molekülen zu relativ harmlosen Substanzen wie Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser und werden über ein Abgassystem an die Umwelt abgegeben.

Die Haupttypen von Katalysatoren, die in Benzinmotoren verwendet werden, sind zwei: Zweiwege und Dreiwege.

Doppelseitig

Ein doppelwandiger (zweiseitiger) Katalysator erfüllt gleichzeitig zwei Aufgaben: Er oxidiert Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und oxidiert Kohlenwasserstoffe (unverbrannten oder teilweise verbrannten Kraftstoff) zu Kohlendioxid und Wasser.

Diese Art von Autokatalysator wurde in Diesel- und Benzinmotoren verwendet, um die schädlichen Emissionen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid bis 1981 zu verringern. Da er jedoch keine Stickoxide umwandeln konnte, wurde er nach 81 Jahren durch Dreiwegekatalysatoren ersetzt.

Dreiwege-Redoxkatalysator

Wie sich herausstellte, wurde diese Art von Automobilkatalysator 1981 eingeführt und ist heute in allen modernen Autos verbaut. Der Dreiwegekatalysator führt drei Aufgaben gleichzeitig aus:

• stellt Stickstoffmonoxid in Stickstoff und Sauerstoff wieder her;
• oxidiert Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid;
• oxidiert unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser.

Da dieser Katalysatortyp sowohl die Reduktions- als auch die Oxidationsschritte der Katalyse übernimmt, erfüllt er seine Aufgabe mit einem Wirkungsgrad von bis zu 98 %. Das bedeutet, wenn Ihr Auto mit einem solchen Katalysator ausgestattet ist, wird es die Umwelt nicht mit schädlichen Emissionen belasten.

Arten von Katalysatoren in Dieselmotoren

Bei Dieselfahrzeugen war bis vor kurzem einer der am häufigsten verwendeten Katalysatoren der Dieseloxidationskatalysator (DOC). Dieser Katalysator verwendet Sauerstoff im Abgasstrom, um Kohlenmonoxid in Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe in Wasser und Kohlendioxid umzuwandeln. Leider ist dieser Katalysatortyp nur zu 90% wirksam, und es gelingt ihm, den Geruch von Diesel zu beseitigen und sichtbare Partikel zu reduzieren, aber er ist nicht wirksam bei der Reduzierung der NO x -Emissionen.

Dieselmotoren emittieren Gase, die einen relativ hohen Anteil an Partikeln (Ruß) enthalten, der hauptsächlich aus elementarem Kohlenstoff besteht, den DOC-Katalysatoren nicht verarbeiten können. Daher müssen die Partikel mit sogenannten Partikelfiltern (DPF) entfernt werden.

Wie werden Katalysatoren gewartet?

Um Probleme mit dem Katalysator zu vermeiden, ist es wichtig zu wissen, dass:

• Die durchschnittliche Katalysatorlebensdauer beträgt ca. 160000 km. Nachdem Sie diese Strecke zurückgelegt haben, müssen Sie darüber nachdenken, den Konverter auszutauschen.
• Wenn das Fahrzeug mit einem Katalysator ausgestattet ist, sollten Sie keinen verbleiten Kraftstoff verwenden, da dies die Wirksamkeit des Katalysators verringert. Der einzig geeignete Kraftstoff ist in diesem Fall bleifrei.

Zweifellos sind die Umwelt- und Gesundheitsvorteile dieser Geräte enorm, aber zusätzlich zu ihren Vorteilen haben sie auch ihre Nachteile.

Einer ihrer größten Nachteile ist, dass sie nur bei hohen Temperaturen arbeiten. Mit anderen Worten, wenn Sie das Auto starten, trägt der Katalysator fast nichts zur Reduzierung der Abgasemissionen bei.

Erst wenn die Abgase auf 250-300 Grad Celsius erhitzt sind, beginnt es effizient zu arbeiten. Aus diesem Grund haben einige Automobilhersteller Schritte unternommen, um dieses Problem zu lösen, indem sie den Katalysator näher an den Motor herangeführt haben. Dies verbessert einerseits die Leistung des Geräts, verkürzt jedoch seine Lebensdauer, da es in der Nähe des Motors sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

In den letzten Jahren wurde beschlossen, den Katalysator in einem Abstand unter den Beifahrersitz zu stellen, der es ihm ermöglicht, effizienter zu arbeiten, ohne hohen Motortemperaturen ausgesetzt zu sein.

Weitere Nachteile von Katalysatoren sind häufiges Verstopfen und Anbrennen des Kuchens. Ein Ausbrennen tritt normalerweise dadurch auf, dass unverbrannter Kraftstoff in die Abgasanlage gelangt und in der Katalysatorzuführung entzündet wird. Verstopfungen treten am häufigsten aufgrund von schlechtem oder ungeeignetem Benzin, normalem Verschleiß, Fahrstil usw. auf.

Dies sind nur geringfügige Mängel angesichts der enormen Vorteile, die wir durch die Verwendung von Automobilkatalysatoren erhalten. Dank dieser Geräte sind die schädlichen Emissionen von Kraftfahrzeugen begrenzt.

Einige Kritiker argumentieren, dass Kohlendioxid auch eine schädliche Emission ist. Sie glauben, dass ein Katalysator in einem Auto nicht benötigt wird, weil solche Emissionen den Treibhauseffekt verstärken. Wenn ein Auto keinen Katalysator hat und Kohlenmonoxid in die Luft abgibt, verwandelt sich dieses Oxid in der Atmosphäre selbst in Kohlendioxid.

Wer hat den Katalysator erfunden?

Obwohl Katalysatoren erst Ende der 1970er Jahre massiv auftraten, begann ihre Geschichte viel früher.

Als Vater des Katalysators gilt der französische Chemieingenieur Eugene Goudry, der seine Erfindung 1954 unter dem Namen „Exhaust Catalytic Converter“ patentieren ließ.

Vor dieser Erfindung hat Goodry das katalytische Cracken erfunden, bei dem große komplexe organische Chemikalien in harmlose Produkte getrennt werden. Dann experimentierte er mit verschiedenen Arten von Kraftstoff, sein Ziel war es, ihn sauberer zu machen.

Die tatsächliche Verwendung von Katalysatoren in Kraftfahrzeugen erfolgte Mitte der 1970er Jahre, als strengere Vorschriften zur Emissionskontrolle eingeführt wurden, die die Entfernung von Blei aus dem Abgas aufgrund von Benzin geringer Qualität vorschreiben.

Fragen und Antworten:

Wie überprüfe ich das Vorhandensein eines Katalysators in einem Auto? Schauen Sie dazu einfach unter das Auto. Neben dem Hauptschalldämpfer und dem kleinen Schalldämpfer (der Resonator, der vor der Abgasanlage sitzt) ist der Katalysator eine weitere Glühbirne.

Wo ist der Katalysator im Auto? Da der Katalysator unter Hochtemperaturbedingungen arbeiten muss, befindet er sich so nah wie möglich am Abgaskrümmer. Es ist vor dem Resonator.

Was ist ein Katalysator im Auto? Dies ist ein Katalysator - eine zusätzliche Glühbirne in der Abgasanlage. Sie ist mit keramischem Material gefüllt, dessen Waben mit Edelmetall überzogen sind.