Katalysator – Wikipedia

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Ein Dreiwegekatalysator auf einem benzinbetriebenen 1996er Dodge Ram

Strömungssimulation in einem Katalysator

EIN Katalysator ist eine Abgasreinigungsvorrichtung, die giftige Gase und Schadstoffe im Abgas eines Verbrennungsmotors durch Katalyse einer Redoxreaktion (einer Oxidations- und einer Reduktionsreaktion) in weniger giftige Schadstoffe reduziert. Katalysatoren werden normalerweise bei Verbrennungsmotoren verwendet, die entweder mit Benzin oder Diesel betrieben werden – einschließlich Magermotoren sowie Kerosinheizungen und -öfen.

Die erste weit verbreitete Einführung von Katalysatoren erfolgte auf dem US-amerikanischen Automobilmarkt. Um den strengeren Vorschriften der US-Umweltschutzbehörde für Abgasemissionen zu entsprechen, sind die meisten benzinbetriebenen Fahrzeuge ab dem Modelljahr 1975 mit Katalysatoren ausgestattet.[1][2][3][4] Diese “Zweiwege” -Konverter kombinieren Sauerstoff mit Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (C.nH.n) Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H.2Ö). 1981 wurden Zweiwegekatalysatoren durch “Dreiwege” -Konverter, die auch Stickoxide reduzieren, überholt (NEIN
x );[1] Zwei-Wege-Wandler werden jedoch weiterhin für Magermotoren verwendet. Dies liegt daran, dass Dreiwegekonverter entweder eine fette oder eine stöchiometrische Verbrennung erfordern, um erfolgreich zu reduzieren NEIN
x .

Obwohl Katalysatoren am häufigsten für Abgassysteme in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, werden sie auch bei elektrischen Generatoren, Gabelstaplern, Bergbaumaschinen, Lastkraftwagen, Bussen, Lokomotiven, Motorrädern und auf Schiffen eingesetzt. Sie werden sogar bei einigen Holzöfen verwendet, um die Emissionen zu kontrollieren.[5] Dies ist normalerweise eine Reaktion auf staatliche Vorschriften, entweder durch direkte Umweltvorschriften oder durch Gesundheits- und Sicherheitsvorschriften.

Geschichte[edit]

Katalysator-Prototypen wurden erstmals Ende des 19. Jahrhunderts in Frankreich entworfen, als nur wenige tausend “Ölautos” unterwegs waren. Es bestand aus einem inerten Material, das mit Platin, Iridium und Palladium beschichtet war und in einem doppelten Metallzylinder eingeschlossen war.[6]

Einige Jahrzehnte später wurde ein Katalysator von Eugene Houdry, einem französischen Maschinenbauingenieur und Experten für katalytische Ölraffinierung, patentiert.[7] Als die Ergebnisse früherer Smogstudien in Los Angeles veröffentlicht wurden, machte sich Houdry Sorgen über die Rolle von Schornstein- und Autoabgasen bei der Luftverschmutzung und gründete eine Firma namens Oxy-Catalyst. Houdry entwickelte zuerst Katalysatoren für Schornsteine, kurz “Katzen” genannt, und später Katalysatoren für Lagerstapler, die bleifreies Benzin von geringer Qualität verwendeten.[8] Mitte der 1950er Jahre begann er mit der Forschung zur Entwicklung von Katalysatoren für Benzinmotoren für Autos. Für seine Arbeit erhielt er das US-Patent 2,742,437.[9]

Die weit verbreitete Einführung von Katalysatoren erfolgte erst, als strengere Vorschriften zur Emissionskontrolle die Entfernung des Antiklopfmittels Tetraethylblei aus Automobilbenzin erzwangen. Blei ist ein Katalysatorgift und würde einen Katalysator durch Beschichten der Katalysatoroberfläche effektiv verschmutzen.[10]

Katalysatoren wurden von einer Reihe von Ingenieuren weiterentwickelt, darunter Carl D. Keith, John J. Mooney, Antonio Eleazar und Phillip Messina von der Engelhard Corporation.[11][12]Schaffung des ersten Produktionskatalysators im Jahr 1973.[13]

William C. Pfefferle entwickelte Anfang der 1970er Jahre eine katalytische Brennkammer für Gasturbinen, die eine Verbrennung ohne signifikante Bildung von Stickoxiden und Kohlenmonoxid ermöglicht.[14][15]

Konstruktion[edit]

Cutaway eines Metallkernkonverters

Der Aufbau des Katalysators ist wie folgt:

  1. Der Katalysatorträger oder das Substrat. Bei Autokatalysatoren ist der Kern normalerweise ein Keramikmonolith mit einer Wabenstruktur (üblicherweise quadratisch, nicht hexagonal). (Vor Mitte der 1980er Jahre wurde das Katalysatormaterial in frühen GM-Anwendungen auf einem gepackten Bett aus Aluminiumoxidpellets abgeschieden.) Metallfolienmonolithe aus Kanthal (FeCrAl)[16] werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine besonders hohe Wärmebeständigkeit erforderlich ist.[16] Das Substrat ist so strukturiert, dass es eine große Oberfläche erzeugt. Das in den meisten Katalysatoren verwendete Cordierit-Keramiksubstrat wurde von Rodney Bagley, Irwin Lachman und Ronald Lewis bei Corning Glass erfunden und 2002 in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen.[1]
  2. Der Washcoat. Ein Washcoat ist ein Träger für die katalytischen Materialien und wird verwendet, um die Materialien über eine große Oberfläche zu dispergieren. Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid oder eine Mischung aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid können verwendet werden. Die katalytischen Materialien werden vor dem Aufbringen auf den Kern im Washcoat suspendiert. Washcoat-Materialien werden ausgewählt, um eine raue, unregelmäßige Oberfläche zu bilden, die die Oberfläche im Vergleich zur glatten Oberfläche des bloßen Substrats stark vergrößert. Dies maximiert wiederum die katalytisch aktive Oberfläche, die zur Reaktion mit dem Motorabgas zur Verfügung steht. Die Beschichtung muss ihre Oberfläche behalten und das Sintern der katalytischen Metallpartikel auch bei hohen Temperaturen (1000 ° C) verhindern.[17]
  3. Ceroxid oder Ceroxid-Zirkonoxid. Diese Oxide werden hauptsächlich als Sauerstoffspeicherpromotoren zugesetzt.[18]
  4. Der Katalysator selbst ist meist eine Mischung aus Edelmetallen, meist aus der Platingruppe. Platin ist der aktivste Katalysator und wird häufig verwendet, ist jedoch aufgrund unerwünschter zusätzlicher Reaktionen und hoher Kosten nicht für alle Anwendungen geeignet. Palladium und Rhodium sind zwei weitere verwendete Edelmetalle. Rhodium wird als Reduktionskatalysator verwendet, Palladium wird als Oxidationskatalysator verwendet und Platin wird sowohl zur Reduktion als auch zur Oxidation verwendet. Cer, Eisen, Mangan und Nickel werden ebenfalls verwendet, obwohl jedes Einschränkungen aufweist. Nickel ist in der Europäischen Union wegen seiner Reaktion mit Kohlenmonoxid zu giftigem Nickeltetracarbonyl nicht legal.[citation needed]Kupfer kann überall außer in Japan verwendet werden.[clarification needed]

Bei einem Ausfall kann ein Katalysator zu Schrott zurückgeführt werden. Die im Konverter enthaltenen Edelmetalle, einschließlich Platin, Palladium und Rhodium, werden extrahiert.

Platzierung von Katalysatoren[edit]

Katalysatoren benötigen eine Temperatur von 426 ° C (800 Grad Fahrenheit), um effektiv zu arbeiten. Daher werden sie so nahe wie möglich am Motor platziert, oder ein oder mehrere kleinere Katalysatoren (bekannt als “Vorkatzen”) werden unmittelbar nach dem Auspuffkrümmer platziert.

Zweiwege[edit]

Ein 2-Wege-Katalysator (oder “Oxidation”, manchmal auch “Oxi-Cat” genannt) hat zwei gleichzeitige Aufgaben:

  1. Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid: 2 CO + O.2 → 2 CO2
  2. Oxidation von Kohlenwasserstoffen (unverbrannter und teilweise verbrannter Kraftstoff) zu Kohlendioxid und Wasser: C.xH.2x + 2 + [(3x+1)/2] Ö2 → x CO2 + (x + 1) H.2O (eine Verbrennungsreaktion)

Diese Art von Katalysator wird häufig bei Dieselmotoren verwendet, um die Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen zu reduzieren. Bis 1981 wurden sie auch bei Benzinmotoren in Automobilen auf dem amerikanischen und kanadischen Markt eingesetzt. Aufgrund ihrer Unfähigkeit, Stickoxide zu kontrollieren, wurden sie von Dreiwegekonvertern abgelöst.

Dreiwege[edit]

Dreiwegekatalysatoren haben den zusätzlichen Vorteil, die Emission von Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO) zu steuern2) (beide zusammen abgekürzt mit NEIN
x und nicht mit Lachgas zu verwechseln (N.2O)), die Vorläufer von saurem Regen und Smog sind.[19]

Seit 1981 werden in den USA und Kanada “Dreiwege” -Katalysatoren (Oxidations-Reduktions-Katalysatoren) in Fahrzeugemissionskontrollsystemen verwendet. Viele andere Länder haben ebenfalls strenge Emissionsvorschriften für Fahrzeuge erlassen, die tatsächlich Dreiwegekonverter für benzinbetriebene Fahrzeuge erfordern. Die Reduktions- und Oxidationskatalysatoren sind typischerweise in einem gemeinsamen Gehäuse enthalten; In einigen Fällen können sie jedoch separat untergebracht werden. Ein Dreiwegekatalysator hat drei Aufgaben gleichzeitig:[19]

Reduktion von Stickoxiden zu Stickstoff (N.2)

Oxidation von Kohlenstoff, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid

Diese drei Reaktionen treten am effizientesten auf, wenn der Katalysator Abgas von einem Motor erhält, der leicht über dem stöchiometrischen Punkt läuft. Bei der Benzinverbrennung liegt dieses Verhältnis zwischen 14,6 und 14,8 Gewichtsteilen Luft zu einem Gewichtsteil Kraftstoff. Das Verhältnis für Autogas- (oder Flüssiggas-LPG-), Erdgas- und Ethanol-Kraftstoffe kann für jeden erheblich unterschiedlich sein, insbesondere bei Kraftstoffen auf Sauerstoff- oder Alkoholbasis, wobei e85 ungefähr 34% mehr Kraftstoff erfordert und eine modifizierte Abstimmung des Kraftstoffsystems und Komponenten erfordert bei der Verwendung dieser Kraftstoffe. Im Allgemeinen sind Motoren mit 3-Wege-Katalysatoren mit einem computergesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem mit geschlossenem Regelkreis ausgestattet, das einen oder mehrere Sauerstoffsensoren verwendet.[citation needed] Obwohl zu Beginn des Einsatzes von Dreiwegekonvertern Vergaser mit Rückkopplungsgemischregelung eingesetzt wurden.

Dreiwegekonverter sind wirksam, wenn der Motor in einem engen Band von Luft-Kraftstoff-Verhältnissen nahe dem stöchiometrischen Punkt betrieben wird, so dass die Abgaszusammensetzung zwischen fett (überschüssiger Kraftstoff) und mager (überschüssiger Sauerstoff) schwankt. Der Umwandlungswirkungsgrad sinkt sehr schnell, wenn der Motor außerhalb dieses Bandes betrieben wird. Bei magerem Motorbetrieb enthält das Abgas überschüssigen Sauerstoff und die Reduzierung von NEIN
x wird nicht bevorzugt. Unter fetten Bedingungen verbraucht der überschüssige Kraftstoff den gesamten verfügbaren Sauerstoff vor dem Katalysator, so dass nur im Katalysator gespeicherter Sauerstoff für die Oxidationsfunktion verfügbar bleibt.

Motorsteuerungssysteme mit geschlossenem Regelkreis sind für den effektiven Betrieb von Dreiwegekatalysatoren erforderlich, da für einen effektiven Betrieb ein kontinuierlicher Ausgleich erforderlich ist NEIN
x Reduktion und HC-Oxidation. Das Steuerungssystem muss das verhindern NEIN
x Reduktionskatalysator wird nicht vollständig oxidiert, füllt jedoch das Sauerstoffspeichermaterial wieder auf, so dass seine Funktion als Oxidationskatalysator erhalten bleibt.

Dreiwegekatalysatoren können Sauerstoff aus dem Abgasstrom speichern, normalerweise wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager wird.[20] Wenn aus dem Abgasstrom nicht genügend Sauerstoff verfügbar ist, wird der gespeicherte Sauerstoff freigesetzt und verbraucht (siehe Cer (IV) oxid). Ein Mangel an ausreichend Sauerstoff tritt entweder auf, wenn Sauerstoff von abgeleitet wird NEIN
x Eine Reduzierung ist nicht verfügbar oder wenn bestimmte Manöver wie harte Beschleunigung das Gemisch über die Fähigkeit des Konverters hinaus anreichern, Sauerstoff zu liefern.

Unerwünschte Reaktionen[edit]

Im Dreiwegekatalysator können unerwünschte Reaktionen auftreten, wie z. B. die Bildung von duftendem Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Die Bildung von jedem kann durch Modifikationen des verwendeten Washcoats und der verwendeten Edelmetalle begrenzt werden. Es ist schwierig, diese Nebenprodukte vollständig zu beseitigen. Schwefelfreie oder schwefelarme Kraftstoffe eliminieren oder reduzieren Schwefelwasserstoff.

Wenn beispielsweise eine Kontrolle der Schwefelwasserstoffemissionen gewünscht wird, wird dem Washcoat Nickel oder Mangan zugesetzt. Beide Substanzen blockieren die Absorption von Schwefel durch den Washcoat. Schwefelwasserstoff entsteht, wenn der Washcoat während eines Niedertemperaturteils des Betriebszyklus Schwefel absorbiert hat, der dann während des Hochtemperaturteils des Zyklus freigesetzt wird und der Schwefel sich mit HC verbindet.

Dieselmotoren [edit]

Für Selbstzündungsmotoren (dh Dieselmotoren) ist der am häufigsten verwendete Katalysator der Dieseloxidationskatalysator (DOC). DOCs enthalten Palladium, Platin und Aluminiumoxid, die alle Partikel (PM), Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid mit Sauerstoff katalytisch oxidieren, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden.

Diese Konverter arbeiten häufig mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent, wodurch Dieselgeruch praktisch beseitigt und sichtbare Partikel reduziert werden. Diese Katalysatoren reduzieren sich nicht NEIN
x weil jedes vorhandene Reduktionsmittel zuerst mit der hohen Konzentration von O reagieren würde2 in Dieselabgas.

Reduzierung in NEIN
x Emissionen von Selbstzündungsmotoren wurden zuvor durch die Zugabe von Abgas zur einströmenden Luftladung, die als Abgasrückführung (AGR) bezeichnet wird, angegangen.

Im Jahr 2010 haben die meisten leichten Dieselhersteller in den USA ihren Fahrzeugen katalytische Systeme hinzugefügt, um die neuen Emissionsanforderungen des Bundes zu erfüllen. Es gibt zwei Techniken, die für die katalytische Reduktion von entwickelt wurden NEIN
x Emissionen unter mageren Abgasbedingungen, selektive katalytische Reduktion (SCR) und die NEIN
x Adsorber.

Anstelle von Edelmetall enthaltend NEIN
x Absorber, die meisten Hersteller wählten unedle Metall-SCR-Systeme, die ein Reagenz wie Ammoniak verwenden, um die zu reduzieren NEIN
x in Stickstoff. Ammoniak wird dem Katalysatorsystem durch Einspritzen von Harnstoff in das Abgas zugeführt, das dann thermisch zersetzt und zu Ammoniak hydrolysiert wird. Die Harnstofflösung wird auch als Diesel Exhaust Fluid (DEF) bezeichnet.

Dieselabgase enthalten relativ viel PM. Katalysatoren entfernen nur 20–40% PM, sodass Partikel durch eine Rußfalle oder einen Dieselpartikelfilter (DPF) gereinigt werden. In den USA müssen alle leichten, mittelschweren und schweren Straßenfahrzeuge, die mit Diesel betrieben werden und nach dem 1. Januar 2007 gebaut wurden, die Emissionsgrenzwerte für Dieselpartikel erfüllen, was bedeutet, dass sie effektiv mit einem 2-Wege-Katalysator und ausgestattet sein müssen ein Dieselpartikelfilter. Solange der Motor vor dem 1. Januar 2007 hergestellt wurde, muss das Fahrzeug nicht über das DPF-System verfügen. Dies führte Ende 2006 zu einem Anstieg der Lagerbestände der Motorenhersteller, sodass sie bis weit in das Jahr 2007 hinein Fahrzeuge vor DPF verkaufen konnten.[21]

Magere Ottomotoren[edit]

Bei Magerverbrennungsmotoren mit Fremdzündung wird ein Oxidationskatalysator auf die gleiche Weise wie bei einem Dieselmotor verwendet. Die Emissionen von Magermotoren mit magerer Verbrennung sind den Emissionen eines Dieselzündungsmotors sehr ähnlich.

Installation[edit]

Viele Fahrzeuge verfügen über einen eng gekoppelten Katalysator in der Nähe des Abgaskrümmers des Motors. Der Wandler erwärmt sich aufgrund seiner Exposition gegenüber den sehr heißen Abgasen schnell und kann so unerwünschte Emissionen während der Aufwärmphase des Motors reduzieren. Dies wird erreicht, indem die überschüssigen Kohlenwasserstoffe verbrannt werden, die aus der für einen Kaltstart erforderlichen extra reichen Mischung resultieren.

Bei der Einführung der Katalysatoren verwendeten die meisten Fahrzeuge Vergaser mit einem relativ hohen Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Sauerstoff (O.2) Die Gehalte im Abgasstrom waren daher im Allgemeinen nicht ausreichend, damit die katalytische Reaktion effizient ablaufen konnte. Die meisten Konstruktionen der damaligen Zeit enthielten daher eine Sekundärlufteinspritzung, die Luft in den Abgasstrom einspritzte. Dies erhöhte den verfügbaren Sauerstoff und ermöglichte es dem Katalysator, wie beabsichtigt zu funktionieren.

Einige Dreiwegekatalysatorsysteme haben Lufteinspritzsysteme, wobei die Luft zwischen den ersten (NEIN
x Reduktion) und zweite Stufe (HC- und CO-Oxidation) des Konverters. Wie bei Zweiwegekonvertern liefert diese eingespritzte Luft Sauerstoff für die Oxidationsreaktionen. Manchmal ist auch ein stromaufwärtiger Lufteinspritzpunkt vor dem Katalysator vorhanden, um nur während der Aufwärmphase des Motors zusätzlichen Sauerstoff bereitzustellen. Dadurch entzündet sich unverbrannter Kraftstoff im Abgastrakt und verhindert so, dass er den Katalysator überhaupt erreicht. Diese Technik reduziert die Motorlaufzeit, die der Katalysator benötigt, um seine “Licht-Aus” – oder Betriebstemperatur zu erreichen.

Die meisten neueren Fahrzeuge verfügen über elektronische Kraftstoffeinspritzsysteme und benötigen keine Lufteinspritzsysteme in ihren Abgasen. Stattdessen liefern sie ein präzise gesteuertes Luft-Kraftstoff-Gemisch, das schnell und kontinuierlich zwischen magerer und fetter Verbrennung wechselt. Sauerstoffsensoren überwachen den Sauerstoffgehalt des Abgases vor und nach dem Katalysator, und das Motorsteuergerät verwendet diese Informationen, um die Kraftstoffeinspritzung so einzustellen, dass die erste (NEIN
x Reduktionskatalysator wird nicht mit Sauerstoff beladen, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass der zweite Katalysator (HC- und CO-Oxidation) ausreichend sauerstoffgesättigt ist.

Eine Katalysatorvergiftung tritt auf, wenn der Katalysator abgashaltigen Substanzen ausgesetzt ist, die die Arbeitsflächen beschichten, so dass sie nicht mit dem Abgas in Kontakt kommen und reagieren können. Die auffälligste Verunreinigung ist Blei, sodass Fahrzeuge mit Katalysatoren nur mit bleifreiem Kraftstoff betrieben werden können. Andere übliche Katalysatorgifte sind Schwefel, Mangan (hauptsächlich aus dem Benzinadditiv MMT) und Silizium, das in den Abgasstrom gelangen kann, wenn der Motor ein Leck aufweist, das Kühlmittel in den Brennraum lässt. Phosphor ist eine weitere Katalysatorverunreinigung. Obwohl Phosphor in Benzin nicht mehr verwendet wird, wurde es (und Zink, ein weiterer Katalysator mit niedrigem Katalysatorgehalt) bis vor kurzem häufig in Verschleißschutzadditiven für Motoröl wie Zinkdithiophosphat (ZDDP) verwendet. Ab 2004 wurde in den API SM- und ILSAC GF-4-Spezifikationen eine Grenze für die Phosphorkonzentration in Motorenölen festgelegt.

Abhängig von der Verunreinigung kann eine Katalysatorvergiftung manchmal rückgängig gemacht werden, indem der Motor über einen längeren Zeitraum unter einer sehr schweren Last betrieben wird. Die erhöhte Abgastemperatur kann die Verunreinigung manchmal verdampfen oder sublimieren und sie von der katalytischen Oberfläche entfernen. Eine Entfernung von Bleiablagerungen auf diese Weise ist jedoch aufgrund des hohen Siedepunkts von Blei normalerweise nicht möglich.

Jeder Zustand, der dazu führt, dass ungewöhnlich hohe Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe – roher oder teilweise verbrannter Kraftstoff – den Konverter erreichen, erhöht tendenziell seine Temperatur erheblich, was das Risiko eines Einschmelzens des Substrats und der daraus resultierenden katalytischen Deaktivierung und einer starken Abgasbeschränkung mit sich bringt. In der Regel sind die vorgeschalteten Komponenten des Abgassystems (Verteiler- / Verteilerbaugruppe und zugehörige Klemmen, die anfällig für Rost / Korrosion und / oder Ermüdung sind, z. B. das Abplatzen des Abgaskrümmers nach wiederholtem Wärmezyklus), das Zündsystem, z. B. Spulenpakete und / oder primäre Zündkomponenten (z. B. Verteiler) Kappe, Kabel, Zündspule und Zündkerzen) und / oder beschädigte Kraftstoffsystemkomponenten (Einspritzdüsen, Kraftstoffdruckregler und zugehörige Sensoren) – seit 2006 wird Ethanol häufig in Kraftstoffmischungen verwendet, in denen Kraftstoffsystemkomponenten, die nicht mit Ethanol kompatibel sind, verwendet werden können Beschädigung eines Katalysators – dazu gehört auch die Verwendung einer dickeren Ölviskosität, die vom Hersteller nicht empfohlen wird (insbesondere bei ZDDP-Gehalt – dies schließt Mischungen mit “hoher Laufleistung” ein, unabhängig davon, ob es sich um herkömmliches oder synthetisches Öl handelt), Öl- und / oder Kühlmittellecks (z. B. durchgebrannter Kopf) Dichtung inklusive Motorüberhitzung). Fahrzeuge, die mit OBD-II-Diagnosesystemen ausgestattet sind, sollen den Fahrer auf einen Fehlzündungszustand aufmerksam machen, indem sie die Kontrollleuchte “Motor prüfen” auf dem Armaturenbrett aufleuchten lassen oder blinken, wenn die aktuellen Fehlzündungsbedingungen schwerwiegend genug sind, um den Katalysator möglicherweise zu beschädigen.

Vorschriften[edit]

Die Emissionsvorschriften variieren erheblich von Gerichtsstand zu Gerichtsstand. Die meisten Ottomotoren in Nordamerika sind seit 1975 mit Katalysatoren ausgestattet.[1][2][3][4] und die Technologie, die in nicht-automobilen Anwendungen verwendet wird, basiert im Allgemeinen auf automobiler Technologie.

Die Vorschriften für Dieselmotoren sind ähnlich unterschiedlich, wobei sich einige Rechtsordnungen darauf konzentrieren NEIN
x Emissionen (Stickoxid und Stickstoffdioxid) und andere, die sich auf Partikelemissionen (Rußemissionen) konzentrieren. Diese regulatorische Vielfalt ist für Hersteller von Motoren eine Herausforderung, da es möglicherweise nicht wirtschaftlich ist, einen Motor so zu konstruieren, dass er zwei Vorschriften erfüllt.

Die Vorschriften zur Kraftstoffqualität variieren je nach Land. In Nordamerika, Europa, Japan und Hongkong sind Benzin und Dieselkraftstoff stark reguliert, und komprimiertes Erdgas und LPG (Autogas) werden auf Regulierung überprüft. In den meisten Teilen Asiens und Afrikas sind die Vorschriften häufig lax: An einigen Stellen kann der Schwefelgehalt des Kraftstoffs 20.000 ppm (parts per million) erreichen. Jeglicher Schwefel im Kraftstoff kann zu SO oxidiert werden2 (Schwefeldioxid) oder sogar SO3 (Schwefeltrioxid) in der Brennkammer. Wenn Schwefel über einen Katalysator gelangt, kann er im Katalysator weiter oxidiert werden, dh SO2 kann weiter zu SO oxidiert werden3. Schwefeloxide sind Vorläufer von Schwefelsäure, einem Hauptbestandteil des sauren Regens. Während es möglich ist, dem Katalysatorwaschmantel Substanzen wie Vanadium zuzusetzen, um die Schwefeloxidbildung zu bekämpfen, verringert eine solche Zugabe die Wirksamkeit des Katalysators. Die effektivste Lösung besteht darin, den Kraftstoff in der Raffinerie weiter zu raffinieren, um schwefelarmen Diesel zu produzieren. Die Vorschriften in Japan, Europa und Nordamerika beschränken die in Kraftstoffen zulässige Schwefelmenge stark. Die direkten finanziellen Kosten für die Herstellung eines solchen sauberen Kraftstoffs können jedoch die Verwendung in Entwicklungsländern unpraktisch machen. Infolgedessen leiden Städte in diesen Ländern mit hohem Fahrzeugverkehr unter saurem Regen.[citation needed] Dies beschädigt Stein- und Holzarbeiten an Gebäuden, vergiftet Menschen und andere Tiere und schädigt lokale Ökosysteme zu sehr hohen finanziellen Kosten.

Negative Aspekte[edit]

Katalysatoren beschränken den freien Abgasstrom, was sich insbesondere bei älteren Fahrzeugen negativ auf die Fahrzeugleistung und den Kraftstoffverbrauch auswirkt.[22] Da die Vergaser früherer Autos nicht in der Lage waren, das Kraftstoff-Luft-Gemisch präzise zu steuern, konnten die Katalysatoren der Autos überhitzen und brennbare Materialien unter dem Auto entzünden.[23] Ein Test von 2006 mit einem Honda Civic von 1999 zeigte, dass das Entfernen des serienmäßigen Katalysators eine Leistungssteigerung von 3% zur Folge hatte. Ein neuer Metallkernkonverter kostete das Auto nur 1% PS im Vergleich zu keinem Konverter.[24] Für einige Leistungsbegeisterte fördert diese bescheidene Leistungssteigerung bei sehr geringen oder keinen Kosten das Entfernen oder “Ausnehmen” des Katalysators.[22][25] In solchen Fällen kann der Wandler durch einen eingeschweißten Abschnitt eines normalen Rohrs oder ein angeflanschtes “Testrohr” ersetzt werden, das angeblich prüfen soll, ob der Wandler verstopft ist, indem verglichen wird, wie der Motor mit und ohne Wandler läuft. Dies erleichtert die vorübergehende Neuinstallation des Konverters, um einen Emissionstest zu bestehen.[24] Im Laufe der Zeit können Katalysatoren auch mit Ruß aus dem Verbrennungsprozess “aufgestaut” werden, was ihre Fähigkeit beeinträchtigt, giftige Gase effektiv zu waschen. Diese Ablagerungen können mit zahlreichen Kraftstoffsystemreinigern wie Redex und Cataclean entfernt werden.[26]

In vielen Ländern ist es illegal, einen Katalysator aus einem anderen Grund als seinem direkten und sofortigen Austausch zu entfernen oder zu deaktivieren. In den Vereinigten Staaten beispielsweise ist es ein Verstoß gegen Section 203 (a) (3) (A) des 1990 geänderten Clean Air Act für eine Fahrzeugreparaturwerkstatt, einen Konverter aus einem Fahrzeug zu entfernen oder einen Konverter zu veranlassen aus einem Fahrzeug entfernt, außer um es durch einen anderen Konverter zu ersetzen,[27] und Abschnitt 203 (a) (3) (B) macht es für jede Person illegal, Teile zu verkaufen oder zu installieren, die ein Abgasreinigungssystem, ein Gerät oder ein Konstruktionselement umgehen, besiegen oder außer Betrieb setzen würden. Fahrzeuge ohne funktionierende Katalysatoren bestehen im Allgemeinen keine Emissionsprüfungen. Der Kfz-Ersatzteilmarkt liefert Hochleistungswandler für Fahrzeuge mit verbesserten Motoren oder deren Besitzer eine Abgasanlage mit einer Kapazität bevorzugen, die über dem Lagerbestand liegt.[28]

Aufwärmphase[edit]

Fahrzeuge mit Katalysatoren emittieren in den ersten fünf Minuten des Motorbetriebs den größten Teil ihrer Gesamtverschmutzung. Zum Beispiel, bevor sich der Katalysator ausreichend erwärmt hat, um voll wirksam zu sein.[29]

1995 führte Alpina einen elektrisch beheizten Katalysator ein. Als “E-KAT” bezeichnet, wurde es im B12 5,7 E-KAT von Alpina verwendet, der auf dem BMW 750i basiert.[30]Heizschlangen in den Katalysatorbaugruppen werden unmittelbar nach dem Starten des Motors elektrifiziert, wodurch der Katalysator sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht wird, um das Fahrzeug für die LEV-Kennzeichnung (Low Emission Vehicle) zu qualifizieren.[31] BMW führte später denselben beheizten Katalysator ein, der gemeinsam von Emitec, Alpina und BMW entwickelt wurde.[30] in seinem 750i im Jahr 1999.[31]

Einige Fahrzeuge enthalten eine Vorkatze, einen kleinen Katalysator vor dem Hauptkatalysator, der sich beim Starten des Fahrzeugs schneller erwärmt und die mit Kaltstarts verbundenen Emissionen verringert. Eine Pre-Cat wird am häufigsten von einem Autohersteller verwendet, wenn versucht wird, die ULEV-Bewertung (Ultra Low Emissions Vehicle) zu erreichen, z. B. beim Toyota MR2 Roadster.[32]

Umweltbelastung[edit]

Katalysatoren haben sich als zuverlässig und effektiv bei der Reduzierung schädlicher Auspuffemissionen erwiesen. Sie weisen jedoch auch einige Mängel bei der Verwendung und auch nachteilige Umweltauswirkungen in der Produktion auf:

  • Ein mit einem Dreiwegekatalysator ausgestatteter Motor muss am stöchiometrischen Punkt laufen, was bedeutet, dass mehr Kraftstoff verbraucht wird als bei einem Magermotor. Dies bedeutet ungefähr 10% mehr CO2 Emissionen aus dem Fahrzeug.
  • Die Herstellung von Katalysatoren erfordert Palladium oder Platin. Ein Teil der weltweiten Versorgung mit diesen Edelmetallen wird in der Nähe von Norilsk, Russland, hergestellt, wo die Industrie (unter anderem) dazu geführt hat, dass Norilsk hinzugefügt wurde Zeit Liste der am stärksten verschmutzten Orte des Magazins.[33]
  • Teile von Katalysatoren und die extreme Hitze der Wandler selbst,[34] kann Waldbrände verursachen, insbesondere in trockenen Gebieten.[35][36][37]

Aufgrund der äußeren Lage und der Verwendung wertvoller Edelmetalle wie Platin, Palladium und Rhodium sind Katalysatoren ein Ziel für Diebe. Das Problem tritt besonders häufig bei neueren Lastkraftwagen und SUVs auf, da sie eine hohe Bodenfreiheit und leicht zu entfernende Anschraubkatalysatoren aufweisen. Geschweißte Konverter sind ebenfalls diebstahlgefährdet, da sie leicht abgeschnitten werden können.[38][39][40]Rohrschneider werden häufig verwendet, um den Konverter leise zu entfernen[41][42] Andere Werkzeuge wie eine tragbare Säbelsäge können jedoch häufig andere Komponenten des Fahrzeugs beschädigen, z. B. die Lichtmaschine, die Verkabelung oder die Kraftstoffleitungen. Daher gibt es gefährliche Folgen. Steigende Metallpreise in den USA während des Rohstoffbooms der 2000er Jahre führten zu einem deutlichen Anstieg des Konverterdiebstahls.[43] Der Austausch eines Katalysators kann mehr als 1.000 US-Dollar kosten.[44] Dieser Betrag erhöht sich (manchmal stark), wenn das Fahrzeug beim Entfernen des Konverters weiter beschädigt wurde.

Diagnose[edit]

In verschiedenen Ländern ist jetzt eine On-Board-Diagnose erforderlich, um die Funktion und den Zustand des Emissionskontrollsystems, einschließlich des Katalysators, zu überwachen. On-Board-Diagnosesysteme haben verschiedene Formen.

Temperatursensoren werden für zwei Zwecke verwendet. Das erste dient als Warnsystem, typischerweise bei Zweiwegekatalysatoren, wie sie manchmal noch bei LPG-Gabelstaplern verwendet werden. Die Funktion des Sensors besteht darin, vor einer Katalysatortemperatur zu warnen, die über der Sicherheitsgrenze von 750 ° C (1.380 ° F) liegt. Neuere Katalysatorkonstruktionen sind weniger anfällig für Temperaturschäden und halten anhaltenden Temperaturen von 900 ° C stand.[citation needed] Temperatursensoren werden auch zur Überwachung der Katalysatorfunktion verwendet: In der Regel werden zwei Sensoren eingebaut, einer vor und einer nach dem Katalysator, um den Temperaturanstieg über dem Katalysatorkern zu überwachen.

Der Sauerstoffsensor ist die Basis des Regelungssystems eines funkengezündeten Rich-Burn-Motors. Es wird jedoch auch zur Diagnose verwendet. In Fahrzeugen mit OBD II ist nach dem Katalysator ein zweiter Sauerstoffsensor eingebaut, um das O zu überwachen2 Ebenen. Das Ö2 Die Füllstände werden überwacht, um die Effizienz des Brennprozesses zu überprüfen. Der Bordcomputer vergleicht die Messwerte der beiden Sensoren. Die Messwerte werden durch Spannungsmessungen gemessen. Wenn beide Sensoren den gleichen Ausgang oder das hintere O anzeigen2 Wenn “schaltet”, erkennt der Computer, dass der Katalysator entweder nicht funktioniert oder entfernt wurde, und betätigt eine Störungsanzeigelampe und beeinträchtigt die Motorleistung. Es wurden einfache “Sauerstoffsensorsimulatoren” entwickelt, um dieses Problem zu umgehen, indem die Änderung am Katalysator mit Plänen und vormontierten Geräten simuliert wird, die im Internet verfügbar sind. Obwohl diese für den Straßengebrauch nicht legal sind, wurden sie mit gemischten Ergebnissen verwendet.[45] Ähnliche Vorrichtungen legen einen Versatz auf die Sensorsignale an, wodurch der Motor eine sparsamere Magerverbrennung ausführen kann, die jedoch den Motor oder den Katalysator beschädigen kann.[46]

NEIN
x Sensoren sind extrem teuer und werden im Allgemeinen nur verwendet, wenn ein Selbstzündungsmotor mit einem SCR-Wandler (Selective Catalytic Reduction) ausgestattet ist oder a NEIN
x Absorber in einem Rückkopplungssystem. Bei Anschluss an ein SCR-System können ein oder zwei Sensoren vorhanden sein. Wenn ein Sensor eingebaut ist, ist er ein Vorkatalysator. Wenn zwei eingebaut sind, ist der zweite Nachkatalysator. Sie werden aus den gleichen Gründen und auf die gleiche Weise wie ein Sauerstoffsensor verwendet. Der einzige Unterschied besteht in der zu überwachenden Substanz.[citation needed]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ ein b c d Palucka, Tim (Winter 2004). “Das Unmögliche tun”. Erfindung & Technologie. 19 (3). Archiviert von das Original am 3. Dezember 2008. Abgerufen 14. Dezember 2011.
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Weiterführende Literatur[edit]

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  • Srinivasan Gopalakrishnan. GB 2397782 :: “Verfahren und Synthesizer für die molekulare Konstruktion von Materialien”. 13. März 2002.

Externe Links[edit]


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