Technik für Einsteiger: Teil 4, Abgasreinigung

Warum der Kata-
lysator ein reaktionärer Typ ist
Der Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor. Und wenn etwas verbrennt, bleibt stets etwas zurück. Verfeuert der Motor Benzin und den Sauerstoff der Luft, entsteht Wasser und Kohlendioxid, H2O und CO2. Kein Problem so weit, denn die Kombination aus H2O und CO2 ist so ungefähr das, was jeder in sich reinschluckt, wenn er ein Gläschen Sprudel trinkt. Weil Benzin und Sauerstoff im Motor jedoch
nie vollständig abgefackelt werden, bleiben noch ganz andere Sachen übrig. Viele. Mehr als 200 chemische Verbindungen pustet der Kolben aus dem Brennraum durch den Auspuff, und von denen sind
so einige nicht gerade ungefährlich, nicht gerade gesund. Weshalb nur denjenigen zu empfehlen ist, einen Schlauch vom Auspuff ins Innere ihres Autos zu legen,
die des Lebens überdrüssig und dessen wiederum sicher sind.
Der Abgase wegen. Wobei nicht alles, was hinten rauskommt, Abgas ist, sondern nur der giftige Anteil daran. Der macht ungefähr ein Prozent aus. In der Hauptsache setzt er sich zusammen aus Kohlenmo-
noxid (CO), Kohlenwasserstoffen (HC), und Stickoxiden (NOX). Kohlenmonoxid, farb-
los, geruchlos, unsicht-
bar und brennbar, pappt sich beim Ein-
atmen an das Hämoglobin, die roten Blutkörperchen, besetzt sie und verhindert
so, dass die ihrer eigentlichen Aufgabe
nachkommen, nämlich Sauerstoff zu transportieren. Nicht unmittelbar giftig, wohl aber übel riechend und die Schleimhäute reizend, sind Kohlenwasserstoffe. Sie sind allerdings dafür bekannt und berüchtigt, stark zur Smogbildung beizutragen, reagie-
ren unter Sonneneinstrahlung mit anderen Stoffen und können dann Krebs erregen. Stickoxide, wie CO unsichtbar und geruchlos, schlagen auf Luftröhre und Lunge, deren Gewebe sie, hoch konzentriert, zerstören können.
Andererseits sind diese Stoffe, zum Glück, derart zusammengesetzt, dass man sich ihre chemischen Eigenschaften zu-
nutze machen kann. Sie lassen sich nämlich dazu anregen, untereinander just so
zu reagieren, dass aus den Giften weniger Schädliches entsteht. Und das passiert im Katalysator. Der ist, gemäß seiner Definition in der Chemie, ein Stoff, der Reaktionen anregt und beschleunigt oder intensiviert, ohne dass er selbst an diesen Reaktio-
nen so teilnimmt, dass er sich verändert, dass er verbraucht wird. Insofern mag die Bezeichnung ein wenig in die Irre führen, leitet sich doch der
Begriff Katalysator vom griechischen kata-
lysis ab, was so viel wie Auflösung bedeutet. Nicht auf den Gegenstand, sondern auf die in ihm ablaufenden Prozesse gemünzt, stimmt das mit der Auflösung dann freilich doch.
Abgase gehen
nun mal kein festes Verhältnis ein
Strömt das Abgas durch den Katalysator, passieren sowohl Oxidationen wie auch Reduktionen. Bei der Oxidation reagiert
ein Stoff mit Sauerstoff, wie zum Beispiel bei der Verbrennung der Sprit schon mit Sauerstoff reagiert. Bei der Reduktion, ein der Oxidation entgegengesetzter Prozess, wird aus sauerstoffhaltigen Verbindungen der Sauerstoff entfernt. Er bindet sich an das Reduktionsmittel, das seinerseits ergo
oxidiert. Für die Oxidation wird also Sauerstoff benötigt, für die Reduktion tut’s Kohlenmonoxid, und von beiden Stoffen hat das Abgas ja reichlich zu bieten. Im Kata-
lysator entsteht durch Oxidation aus dem hochgiftigen Kohlenmonoxid (CO) das un-
gefährlichere Koh-
lendioxid (CO2), aus Kohlenwasserstoff (HC) wird ebenfalls durch Oxidation Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2), und
die Stickoxide werden zu Stickstoff (N2)
reduziert. Dieser drei Reaktionen wegen hat sich die Bezeichnung Drei-Wege-Katalysator etabliert. Im Idealfall wandelt ein solcher Katalysator um die 90 Prozent der Schadstoffe im Abgas um. Das allerdings nur, wenn diese Schadstoffe sowie ihre Reaktionspartner in einem bestimmten Ver-
hältnis zueinander, einem bestimmten Gemisch, vorhanden sind. Und das wiederum hängt vom Gemisch ab, das der Motor
verfeuert. Läuft der sehr fett, etwa beim Kaltstart oder unter Volllast, reicht die
Sauerstoffmenge im Abgas nicht hin, um Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid zu oxidieren. Läuft der Motor hingegen zu mager, bereitet die Umwandlung der Stick-
oxide Schwie-rigkeiten, weil es im Abgasstrom am Reduktionsmittel Kohlenmonoxid mangelt. Umgekehrt heißt das: Läuft der Motor fett, ist zwar massenhaft Kohlenmonoxid vorhanden, um das giftige Stickoxid umzuwandeln, aber zu wenig Sauerstoff, um seinerseits das Kohlenmonoxid in den Griff zu bekommen. Wie so oft bei einem Verhältnis: Es ist vertrackt.
Ein Fahrzeug sollte bekanntermaSSen fahrbar sein
Am effektivsten arbeitet der Kat, wenn er von vornherein wenig Dreck zu entsorgen hat. Erstens, weil er mit der geringen
Menge weniger Mühe hat. Zweitens, weil diese geringe Menge in ihrer Zusammensetzung auch für die drei ablaufenden
Reaktionen im Schnitt den besten Kompromiss bietet. Optimal dafür wäre, wenn der Motor ein Gemisch verbrennt, bei dem auf ein Kilogramm Benzin 14,7 Kilogramm Luft kommen, wenn er also ein Gemisch verbrennt, dessen Kraftstoff-Luftverhältnis dem Wert Lambda 1 entspricht. Wäre theo-
retisch kein Problem, die Einspritzanlage so zu programmieren, dass das Gemisch von diesem idealen Wert nicht abweicht (siehe MOTOR-
RAD 1/2006).
Praktisch jedoch ist das sehr wohl ein Problem. Weil ein Mo-
torrad ein Fahrzeug ist, und ein Fahrzeug sollte bekanntermaßen fahrbar sein, nicht nur irgendwie, sondern möglichst gut. Genau dieser guten Fahrbarkeit stünde aber eine Konstantregelung um Lambda 1 entgegen. Zunächst mal würde so eine Mühle gar nicht erst anspringen, weil der Motor beim Start, beim Kalt-
start zumal, ein verdammt fettes Gemisch braucht, eins zu drei. Genauso benötigt er bei Vollgas wie auch schon unter hoher Last im Verhältnis mehr Benzin.
Andererseits gefällt es keinem, wenn sein Motorrad säuft wie ein Loch. Weshalb die Entwickler darauf bedacht sind, die Maschine so abzustimmen, dass sie in weiten Bereichen möglichst mager läuft. Auch weil das im Schnitt die Entstehung von Rohemissionen, der Abgase, die den Brennraum verlassen, eindämmt. Also wieder nicht Lambda 1. Im Hinblick auf die Fahrbarkeit in allen möglichen Situationen regelt die Motorsteuerung die Ge-
mischzusammensetzung denn
auch nicht in erster Linie aufgrund der
Abgaswerte. Die kommen erst in einem zweiten Schritt ins Spiel. Das Kennfeld des Motors bestimmt sich zunächst aus Drehzahl und Last, die ein Sensor an der Kurbelwelle und einer an der Drosselklappe erfassen. Dieser Kombination werden andere Werte zugeordnet – Motortemperatur, Außentemperatur, Luftdruck, Abgas – und daraus die ideale Einspritzmenge berechnet (siehe MOTORRAD 1/2006).
Um die Zusammensetzung der Roh-
emissionen zu ermitteln, wird eine so
genannte Lambdasonde verwendet. Die steckt kurz vor dem Katalysator im Auspuff und misst den Restsauerstoff im Abgas. Sie macht das, indem sie diesen mit
dem Sauerstoffgehalt der Luft – knapp
21 Prozent – in Relation setzt. Dazu besitzt die Lambdasonde eine Elektrode, die in den Abgasstrom ragt, und eine andere an der Außenluft. Dazwischen befindet sich ein speziell behandeltes Keramikteil, das bei Temperaturen über 300 Grad die negativ geladenen Atome des Sauerstoffs leitet. Und zwar von außen nach innen, von da, wo mehr Sauerstoff-Ionen vorhanden sind, nach da, wo es weniger gibt.
Die Stärke dieses Ionenstroms, dieses Spannungsunterschieds von Innen- und Außenelektrode, hängt ausschließlich vom Sauerstoffgehalt des Abgases ab. Ist er niedriger, was heißt, dass der Motor fett läuft, resultiert das in einer Sondenspannung von 800 bis 1000 Millivolt. Dem-
gegenüber liegt an der Sonde nur eine Spannung von maximal 150 Millivolt an, wenn der Motor mager läuft, deshalb auch mehr Sauerstoff im Abgas verbleibt.
So eine Sonde
führt ein spannendes Leben
Diese Spannungsdifferenzen kabelt die Sonde an das Steuergerät, das daraus seine Schlüsse zieht und die Einspritzmenge so nachreguliert, dass sich das Gemisch
in einem Fenster um den Wert Lambda 1 einpegelt, zwischen Lambda 0,98 und 1,01. Geregelt wird streng genommen folglich gar nicht der Katalysator, obwohl der als geregelter Katalysator, als G-Kat, bezeichnet wird. Geregelt wird die Gemischzusammensetzung durch die Einspritzung. Entscheidender Vorteil im Vergleich zum ungeregelten, zum U-Kat, weil über die permanente Kontrolle und Korrektur der Einspritzmenge gewährleistet ist, dass der Motor genau den Stoff erhält, mit dem
er zum einen ordentlich Qualm hat, ohne es zum anderen unordentlich qualmen zu lassen. Weil sich mit dem je nach Fahrsituation unterschiedlich aufbereiteten Gemisch natürlich auch der Sauerstoffgehalt des Abgases ändert (bis zwei Prozent bei fettem Lauf, darüber mager), verändern sich damit die chemischen Reaktionen im Katalysator. Einmal werden die Oxidations-, einmal die Reduktionsvorgänge begünstigt.
Obwohl nur etwas größer als eine Halbliter-Dose Bier, muss ein Katalysator im
Inneren eine möglichst große Oberfläche haben, auf der die chemischen Reaktionen ablaufen können. Dazu wird ein sehr dünnwandiges Aluminium wabenförmig gefaltet und in Strömungsrichtung in die Dose
gesteckt. Aluminium wird, anders als beim Auto, wo Keramik zum Einsatz kommt, deshalb verwendet, weil ihm Vibrationen weniger anhaben. Und sehr dünn wird es verarbeitet, um den Strömungswiderstand möglichst gering zu halten.
Auf diesen Träger kommt eine Zwi-
schenschicht aus Aluminiumoxid. Aufgrund von deren pickeliger Struktur vergrößert sich die Oberfläche um das bis zu 7000-
fache. So wie ein mensurierender Korpsstudent mit Hackfresse viel mehr Rasierschaum auf seinem heldenhaften Antlitz unterbringt als einer mit ohnehin glattem, ebenmäßigem Teint. Darauf liegt dann die eigentlich katalytische, chemisch aktive, bis zu neun Gramm schwere Schicht aus den Edelmetallen Platin und Rhodium im Verhältnis fünf zu eins. Wobei das Platin sich um die Oxidationen kümmert, das Rhodium sich der Reduktion widmet. Das Ganze steckt kurz nach dem Krümmer
in einem Gehäuse im Auspuff. Dort sorgt
der heiße Abgasstrom nicht nur dafür, dass der Kat ordentlich was zu tun hat. Er bringt ihn auch auf
seine Betriebstemperatur. Die liegt je nach Konstruktion zwischen 400 und 800 Grad.
Demnächst
schneller als 50 mit weniger Dreck
Das ist insofern von Bedeutung, als es bislang für Motorräder nicht von Bedeutung war. Bei der Ermittlung des Schadstoff-
ausstoßes nämlich, wie er im Rahmen von Euro 2 geregelt ist, beginnt die Messung erst sechseinhalb Minuten nach dem Start, dann, wenn Motor und Katalysator schon schön warm gelaufen sind. Und schneller als 50 km/h brauchte die Mühle auf dem Rollenprüfstand auch nicht laufen. Was mit den allgemeinen Gepflogenheiten kraduellen Unterwegsseins relativ wenig, um nicht zu sagen: gar nix zu tun hat.
Damit allerdings wird bald Schluss sein. Denn dieses Jahr verschärft Euro 3 nicht nur die Grenzwerte, sondern ebenfalls das Messprozedere drastisch. Gemessen wird sofort nach dem Kaltstart, und trotz dieses Handikaps dürfen Neumaschinen nur noch etwa ein Drittel an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff und die Hälfte an Stick-
oxiden hinten rausblasen (siehe Kasten unten). Zudem müssen Motorräder künftig alle zwei Jahre im Rahmen der Hauptun-
tersuchung eine Abgasuntersuchung über sich ergehen lassen. Des großen Reine-
machens wegen.