Katalysator

Der Katalysator (umgangssprachlich Kat) dient der Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Durch den Katalysator können die Schadstoffemissionen im Abgas drastisch reduziert werden.

Aufbau

Der Fahrzeugkatalysator besteht meistens aus mehreren Komponenten. Als Träger dient ein temperaturstabiler Wabenkörper aus Keramik (Monolith) oder Metallträger (Metalit), der mit einer Vielzahl dünnwandiger Kanäle durchzogen ist. Auf dem Träger befindet sich der so genannte Washcoat. Er besteht aus sehr porösem Aluminiumoxid (Al₂O₃) und dient zur Vergrößerung der Oberfläche sowie aus Sauerstoff-Speicherkomponenten wie zum Beispiel Ceroxid. Durch die hohe Oberflächenrauhigkeit wird eine sehr große Oberfläche realisiert (bis zu mehrere tausend Quadratmeter). In dem Washcoat sind die katalytisch aktiven Edelmetalle eingelagert. Bei modernen Abgaskatalysatoren sind dies die Edelmetalle Platin, Rhodium und Palladium. Der keramische Träger ist mit Hilfe spezieller Matten in einem metallischen Gehäuse, dem so genannten Canning, gelagert. Das Canning ist fest im Abgasstrang des Fahrzeuges verbaut und besitzt zum Teil weitere Anschlussmöglichkeiten für zum Beispiel Lambdasonden oder Thermoelemente.

Wirkungsweise

Die Wirkungsweise beruht auf katalytischen Reaktionen. Die Aufgabe des Fahrzeugkatalysators ist die chemische Umsetzung der Verbrennungsschadstoffe Kohlenwasserstoffe (H_mC_n), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NO_x) zu Kohlenstoffdioxid (CO₂), Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂) durch Oxidation beziehungsweise Reduktion. Je nach Betriebspunkt des Motors und bei optimalen Betriebsbedingungen können Konvertierungsraten nahe 100 % erreicht werden.

Je stärker der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren optimiert wird, desto höher ist die Verbrennungstemperatur, denn der Wirkungsgrad η ist stets kleiner (1 - T_min/T_max). Bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen jedoch zunehmend mehr Stickoxide NO_x, die beispielsweise maßgeblich an der Bildung von Sommersmog beteiligt sind. Durch ständige Weiterentwicklung der Katalysatortechnologie wird die Wirkungsweise der Katalysatoren an die geänderten Motoremissionen angepasst.

Arten

Drei-Wege-Katalysator

Bei einem Drei-Wege-Katalysator finden die Oxidation von CO und H_mC_n sowie die Reduktion von NO_x parallel zueinander statt. Voraussetzung dafür ist ein konstantes Luft-Kraftstoff-Gemisch im stöchiometrischen Verhältnis (λ = 1) von 14,7 Gramm Luft pro Gramm Benzin-Kraftstoff. Für Ethanol-Kraftstoff gilt zum Beispiel das Verhältnis 9:1. Der Drei-Wege-Katalysator kann nur bei Fahrzeugen mit Ottomotor und Lambdaregelung eingesetzt werden.

Diesel-Oxidationskatalysator

Dieselmotoren verbrennen ein mageres Gemisch (λ > 1), das heißt, im Abgas sind hohe Sauerstoffkonzentrationen vorhanden. Daher ist die Reduktion der NO_x nicht möglich. Die NO_x-Minimierung kann zunächst nur durch innermotorische Maßnahmen, also die gezielte Beeinflussung der Verbrennung zum Beispiel durch teilweise Abgasrückführung, erfolgen. Dies ist jedoch nur in engen Grenzen möglich, da sonst die Ruß-Emission ansteigt und die Motorleistung sinkt. Auf Grund der deutlich niedrigeren Abgastemperaturen im Vergleich zum Ottomotor sind Diesel-Oxidationskatalysatoren oft nahe am Abgaskrümmer verbaut, der Washcoat enthält nur Platin und/oder Palladium. Solche Katalysatoren sind derzeit bei Motorrädern bedeutungslos, da es de facto keine nennenswerten Stückzahlen an Diesel-Motorrädern gibt.

NO_x-Speicherkatalysator und SCR (Selektive Katalytische Reduktion)

Moderne Magermix-Motoren arbeiten in einem Sauerstoffüberschuss zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades. Herkömmliche Katalysatoren können daher nicht eingesetzt werden. Die Oxidation von CO und H_mC_n ist im Sauerstoffüberschuss (λ > 1) analog zum herkömmlichen Dreiwege-Katalysator weiterhin möglich, jedoch müssen Stickoxide (NO_x) zwischengespeichert werden. Deren katalytische Reduktion gelingt nur in einem stöchiometrischen bis fetten Abgasgemisch. Diese neuen Motoren benötigen daher eine weiterentwickelte Art von Katalysatoren mit zusätzlichen chemischen Elementen, die eine Speicherung von Stickoxiden ermöglichen. Um die zukünftigen Abgasnormen einzuhalten, werden Diesel-PKW in Zukunft mit NO_x-Speicherkatalysatoren ausgerüstet.

Ist die Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft, so wird seitens der Motorelektronik kurzzeitig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch eingestellt (circa zwei Sekunden). In diesem kurzen, fetten Zyklus werden die im Katalysator zwischengespeicherten Stickoxide zu Stickstoff reduziert und damit der Katalysator für den nächsten Speicherzyklus vorbereitet. Durch dieses Vorgehen ist es auch möglich, die Schadstoffemissionen sparsamer Magermix-Motoren zu minimieren und gültige Grenzwerte der geltenden Abgasnorm einzuhalten. Die Aufnahmekapazität (circa 60 bis 90 Sekunden) wird durch einen NO_x-Sensor überwacht.

Um diese Zwischenspeicherung der Stickstoffoxide zu erreichen, werden auf geeigneten Trägern ein Edelmetallkatalysator wie Platin und eine NO_x-Speicherkomponente, die meistens ein Erdalkalimetall wie Barium ist, aufgebracht. In der mageren, das heißt sauerstoffreichen, Atmosphäre werden die Stickstoffoxide unter der katalytischen Wirkung des Edelmetallkatalysators aufoxidiert, unter Ausbildung von Nitraten wie beispielsweise Bariumnitrat im Katalysator absorbiert und somit aus dem Abgasstrom entfernt. Durch das regelmäßige kurzzeitige „Anfetten“ laufen diese Reaktionen in der entgegengesetzten Richtung ab, wodurch die NO_xe wieder in den Abgasstrom abgegeben und durch die in der fetten Atmosphäre vorhandenen, reduzierenden Komponenten wie H_mC_n – unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe – oder CO weiter reduziert werden. Der Speicherkat kann NO_x nur in einem Temperaturbereich von 250° bis 500° Celsius speichern. Das Temperaturfenster wird durch dreiflutige Abgasrohre oder Auspuff-Bypässe erreicht.

Schwefelproblematik: Da es in Deutschland keinen komplett schwefelfreien Kraftstoff gibt, müssen diese Fahrzeuge mit Super-Plus-Kraftstoff (Schwefelgehalt 8 ppm) betrieben werden. Im Speicherkat kommt es zu einer ungewollten Einlagerung des Schwefels und dadurch zu einer Vergiftung des Speichermaterials durch Sulfatbildung. Um den Schwefel herauszulösen und wieder zu Schwefeldioxid umzuwandeln (SO₂), muss die Abgastemperatur auf 650° Celsius erhöht werden. Das wird erreicht durch Zündverstellung in Richtung „spät“. Ein weiteres, angestrebtes und mittlerweile marktreifes Verfahren zur Reduktion der Stickoxide ist die Selektive katalytische Reduktion. Hierbei wird kontinuierlich eine wässrige Harnstofflösung, zum Beispiel mittels einer Dosierpumpe, in den Abgasstrom eingespritzt, aus welcher durch Hydrolyse Wasser und Ammoniak entstehen. Das somit entstandene Ammoniak ist in der Lage, die Stickoxide im Abgas zu Stickstoff zu reduzieren.

Bei Motorrädern findet diese Art von Katalysator derzeit keine Verwendung, da noch keine entsprechenden Motoren verbaut werden.

Weiterentwicklung

Der Schwerpunkt heutiger Forschung liegt insbesondere in der Verkürzung der Kaltlaufphase, da ein Großteil der Gesamtschadstoffemission innerhalb der ersten drei Minuten nach Motorstart entsteht. In dieser Zeit ist der Katalysator aufgrund der fehlenden Betriebstemperatur von 250 bis 300°C fast funktionslos. Die Kaltstartphase kann durch folgende Maßnahmen verkürzt werden.

• möglichst motornahe Katalysatormontage (zum Beispiel direkt hinter dem Abgaskrümmer)
• Lufteinblasung vor Katalysator bei Fettbetrieb (Erzeugung einer Flamme, die den Katalysator aufheizt)
• elektrisch beheizter Katalysator
• elektrisch beheizbare Lambdasonde (schneller emissionsoptimierter Motorbetrieb)
• Spätzündungen

Als Nachrüstlösung (primär für ältere Fahrzeuge) bieten sich so genannte Kaltlaufregler an. Neben dem Effekt einer besseren Umweltverträglichkeit in der Kaltlaufphase ist damit im Regelfall auch eine Einstufung in eine bessere Schadstoffklasse verbunden, was bei Pkw eine teils deutliche Ersparnis bei der Kfz-Steuer zur Folge haben kann.

Weblinks

• http://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/abgas/katalysator.htm – Katalysator-Typen und Diagramme

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