Die Reinigung von Kfz-Abgasen
Experimente:
Versuch: Modellversuche zum Abgaskatalysator
Aufgeschnittener Autokatalysator. Er besteht aus
3 Keramikeinheiten,
von denen eine freigelegt und halbiert ist
(Foto: Daggi)
Ausführliches Material zur katalytischen Abgasreinigung sowie die Anleitungen zu
Modellexperimenten entnimmst du unserer Webseite
"Abgasreinigung".
Ein Mittelklassewagen mit warmgelaufenem Motor produziert schädliche Abgase. Pro Kilometer Fahrtstrecke entstehen 500 ml (bzw. 2 g) Stickoxide NOx. Gleichzeitig entstehen noch 9 g Kohlenstoffmonooxid, dazu noch weitere Schadstoffe wie Aldehyde, nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (CH) und polykondensierte Aromaten (PAK). (Siehe auch die Webseite Zusammensetzung der Kfz-Abgase.) Diese Schadstoffe kannst du selbst nachweisen (-> Abgasuntersuchung).
Mit der Stickoxidmenge, die ein Mittelklassewagen bei 1 km Fahrt emittiert, kann man 50-100
000 m3 Luft verunreinigen. Grund für diese hohe Zahl: NOx ist bereits
im ppb-Bereich als Katalysator bei der Bildung von bodennahem
Ozon und von Fotosmog beteiligt. In der Stratosphäre wirkt NOx als
Katalysator bei der Ozonzerstörung durch
Chloratome mit.
Alles Gründe, um die Stickoxid-Emission zu vermeiden. Dazu gibt es verschiedene
Möglichkeiten:
Zunächst kann man durch eigenes Verhalten als Präventivmaßnahme die
Stickoxidkonzentration im Abgas verringern. Denn Stickoxide bilden sich in Kfz vor
allem bei hohen Temperaturen aus den Elementen Stickstoff und Sauerstoff, die mit
der Verbrennungsluft zugeführt werden. Deshalb ist der NOx-Ausstoß bei Vollgas
wesentlich höher als bei moderater Fahrweise. Gänzlich lässt sich die NOx-Bildung
jedoch nicht vermeiden, wie auch der Nachweis von
Stickoxiden in der Kerzenflamme zeigt.
Deshalb ist als Sekundärmaßnahme die Abgasreinigung wichtig. Hierzu bedient man
sich eines Dreiwege-Katalysators. Die Bezeichnung beruht auf der Tatsache, dass die
drei wichtigsten Schadstoffe (CO, CH, NOx) aus den Abgasen über drei
Reaktionswege oxidativ entfernt werden.
| 1. | CH4 + 2 NO2 ———> CO2 + N2 + 2 H2O |
| 2. | 4 CO + 2 NO2 ———> 4 CO2 + N2 |
| 3. | 2 CO + O2 ———> 2 CO2 |
Es handelt sich um Redoxreaktionen, bei denen CO und unverbrannte Reste von CH
(Kohlenwasserstoffe) durch NOx und Sauerstoff zu CO2 und Wasser oxidiert werden.
Die Stickoxide werden dabei zu Stickstoff reduziert (-> Versuch).
Die Schadstoffkonzentrationen verringern sich bei Einsatz eines
Abgasreinigungssystems mit Katalysator allerdings nur auf 5-10 %. Grund ist: Die
Katalysatoren können, da sie nur vorgegebene Gleichgewichte schneller einstellen,
nicht für vollständigen Umsatz sorgen. Außerdem benötigen sie dazu eine gewisse
Reaktionsdauer, die die Verweilsdauer der Reaktionsmischung im Katalysator-Raum
überschreitet.
Bei Erhöhung der Autozahl um den Faktor 10-20 wird die Maßnahme wirkungslos.
Deshalb muss man ständig wirksamere Katalysatoren suchen. Aber auch durch die
Konstruktion neuer Motoren will man für höhere Leistung bei niedrigerem
Treibstoffverbrauch und niedrigeren Verbrennungstemperaturen und Betriebsdruck
sorgen. Dazu braucht man auch andere Treibstoffe, die z. B. klopffester sind.
Stets muss die Mischung von Benzin und Luft stimmen. Die Lambda-Sonde misst den Sauerstoffgehalt des Abgases und sorgt für optimale Gemischzusammensetzung (beschrieben durch den Lambda-Wert). Die Lambda-Sonde ist eine metalloxidische Elektrode (vor allem ZrO2), deren Potential von der Sauerstoffkonzentration abhängt.
Bei Dieselfahrzeugen kommt noch die Rußfilteranlage zur Abgasreinigung hinzu.
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