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Fahrzeugkatalysator

Fahrzeugkatalysator

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Der Fahrzeugkatalysator, auch kurz Katalysator (umgangssprachlich Kat), dient der Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Durch den Katalysator können die Schadstoffemissionen im Abgas drastisch reduziert werden. Im Allgemeinen wird die gesamte Anlage zur Abgasnachbehandlung als Fahrzeugkatalysator bezeichnet.

Fahrzeugkatalysator mit Wabenkörper aus Keramik

Geschichte

Erfinder des ersten Autoabgaskatalysators war der französische Ingenieur Eugene Houdry. Um 1950, als die Ergebnisse erster Untersuchungen über Smog in Los Angeles veröffentlicht wurden, machte er sich Gedanken über den Einfluss von Autoabgasen auf die Luftverschmutzung und gründete ein spezielles Unternehmen, die Oxy-Catalyst Company, die Abgaskatalysatoren für Benzinmotoren entwickeln sollte – eine Idee, die ihrer Zeit weit voraus war. Er entwickelte den ersten Autoabgaskatalysator und erhielt 1956 ein Patent dafür (US2742437). Allerdings wurden diese ersten Autoabgaskatalysatoren nicht eingesetzt, da sie vom Blei im Antiklopfmittel Tetraethylblei vergiftet wurden.

Später entwickelten John J. Mooney und Carl D. Keith[1] den Drei-Wege-Katalysator bei der Engelhard Corporation, die ihn 1973 in den Markt einführte.[2]

Aufbau

Rhodium, ein möglicher Bestandteil von Katalysatoren.

Der Fahrzeugkatalysator besteht meistens aus mehreren Komponenten. Als Träger dient ein temperaturstabiler Wabenkörper aus Keramik, in der Regel Cordierit oder Metallfolien (z. B. Metalit von Emitec), der eine Vielzahl dünnwandiger Kanäle aufweist. Auf dem Träger befindet sich der so genannte Washcoat. Er besteht aus porösem Aluminiumoxid (Al2O3) sowie aus Sauerstoffspeicherkomponenten, wie zum Beispiel Cer(IV)-oxid, und dient der Vergrößerung der Oberfläche. Durch die hohe Rauheit wird eine große Oberfläche realisiert von bis zu hunderten Quadratmetern pro Gramm. In dem Washcoat sind die katalytisch aktiven Edelmetalle eingelagert. Bei modernen Abgaskatalysatoren sind dies die Edelmetalle Platin, Rhodium und/oder Palladium. Der keramische Träger ist mithilfe spezieller Lagermatten, etwa aus Hochtemperaturwolle, seltener in Kombination mit Drahtgestricken, in einem metallischen Gehäuse, dem so genannten Canning, gelagert.

Spezielle Matten oder ein zusätzliches Metallgehäuse sind bei den Metall-Katalysatoren nicht notwendig. Das Canning ist fest im Abgasstrang des Fahrzeuges verbaut und besitzt zum Teil weitere Anschlussmöglichkeiten für zum Beispiel Lambdasonden oder Thermoelemente. Es gibt auch Metall-Katalysatoren mit integrierten Lambdasonden.

Aufgeschnittener Fahrzeugkatalysator mit metallischem Träger

Wirkungsweise

Die Aufgabe des Fahrzeugkatalysators ist die chemische Umwandlung der Verbrennungsschadstoffe Kohlenwasserstoffe (CmHn), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) in die ungiftigen Stoffe 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.

Arten

Drei-Wege-Katalysator

→ Hauptartikel: Drei-Wege-Katalysator

Bei einem Drei-Wege-Katalysator (auch G-Kat genannt) findet die Oxidation von CO und CmHn sowie die Reduktion von NOx parallel zueinander statt: Es werden CmHn mit O2 zu CO2 und H2O oxidiert, CO mit O2 zu CO2 oxidiert und NOx mit CO zu N2, O2 und CO2 reduziert.

$ \mathrm {2\ CO\ +\ O_{2}\longrightarrow \ 2\ CO_{2}} $
$ \mathrm {2\ C_{2}H_{6}\ +\ 7\ O_{2}\longrightarrow \ 4\ CO_{2}\ +6\ H_{2}O} $
$ \mathrm {2\ NO+\ 2\ CO\longrightarrow \ N_{2}\ +2\ CO_{2}} $

Voraussetzung dafür ist ein konstant stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis (λ = 1) von 14,7 Gramm Luft pro Gramm Superbenzin (Oktan 95) und 14,8 Gramm Luft pro Gramm Normalbenzin (Oktan 91). Für Ethanol-Kraftstoff gilt zum Beispiel das Verhältnis 9:1. Schon eine geringe Abweichung in den mageren Bereich (λ > 1) bewirkt einen sprunghaften Anstieg der Stickoxidemission nach dem Katalysator, da zu wenig CO für die Reduktion vorhanden ist. Deshalb wird das Gemisch zwischen stöchiometrischem und leicht fettem Verhältnis geregelt. Der Drei-Wege-Katalysator kann nur bei Fahrzeugen mit Ottomotor und Lambdaregelung eingesetzt werden. Bei Diesel- und Magermix-Ottomotoren verhindert der Sauerstoffüberschuss im Abgas die Reduktion des NOx und macht spezielle Katalysatoren erforderlich (siehe NOx-Kat).

Ungeregelter Katalysator

In der Anfangszeit der Katalysatortechnik fanden insbesondere bei preisgünstigen Fahrzeugen mit Ottomotor auch ungeregelte Katalysatoren Verwendung. Hierbei wurde die Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs nicht durch eine Lambdasonde überwacht, sondern lediglich der Abgasstrom durch einen im Aufbau ansonsten dem Drei-Wege-Katalysator ähnlichen platinbeschichteten Keramikblock geleitet. Dementsprechend schlechter war hierbei vor allem der Stickoxidabbau. Insbesondere bei Motoren mit Vergaser war die Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemisches konstruktionsbedingt aufwendig und häufig unpräzise, obwohl dies im Weiteren bald zufriedenstellend mit Drei-Wege-Kat-Nachrüstsätzen von Drittanbietern gelöst werden konnte.

Oxidationskatalysator

Dieselmotor

Dieselmotoren verbrennen kein vorbereitetes Brennstoff-Luft-Gemisch. Der Brennstoff wird innermotorisch in die komprimierte Luft zugegeben. Die Verbrennung selbst verläuft nur lokal stöchiometrisch oder gar unter Sauerstoffmangel. Da der Brennstoff nicht gleichmäßig verteilt wird, führt die Verbrennung in Gänze zu einem hohen Luftüberschuss und damit zu λ > 1. Im Abgas sind daher hohe Sauerstoffkonzentrationen vorhanden. Somit ist die Reduktion von NOx wie beim Drei-Wege-Katalysator nicht möglich. CmHn- und CO-Emission können jedoch durch den Einsatz eines Oxidationskatalysators gemindert werden. Die Oxidationsreaktionen laufen hierbei gleich wie beim Drei-Wege-Katalysator ab. Aufgrund der deutlich niedrigeren Abgastemperaturen im Vergleich zum Ottomotor sind Diesel-Oxidationskatalysatoren oft nahe am Abgaskrümmer verbaut, der Washcoat enthält nur Platin und/oder Palladium.

Die NOx-Minimierung von Dieselmotoren kann zunächst durch innermotorische Maßnahmen, also die gezielte Beeinflussung der Verbrennung zum Beispiel durch teilweise Abgasrückführung, erfolgen. Dies ist jedoch nur in engen Grenzen möglich, da ansonsten die Ruß-Emission ansteigt und die Motorleistung sinkt. In Zukunft soll der vermehrte Einsatz von NOx-Speicherkatalysatoren oder SCR-Katalysatoren den NOx-Ausstoß von Dieselfahrzeugen senken.

Neuere Arbeiten beschäftigen sich mit der Verwendung von Perowskit in Fahrzeugkatalysatoren für Dieselmotoren, die mit Sauerstoffüberschuss betrieben werden, um ihren Wirkungsgrad zu verbessern.[3][4] Der im Abgas enthaltene Sauerstoff verhindert die Nutzung herkömmlicher Abgaskatalysatoren. Die Dotierung perowskithaltiger Katalysatoren mit Palladium erhöht die Beständigkeit gegen Vergiftung durch Schwefel.[5]

Zweitakt-Ottomotor

Auch Zweitakt-Ottomotoren, wie sie zum Beispiel heute noch in Krafträdern mit kleinem Hubraum eingebaut werden, können mit einem Oxidationskatalysator ausgerüstet werden. Ein Oxidationskatalysator kann hier den CO- sowie den beim Zweitakt-Ottomotor beträchtlichen CmHn-Ausstoß mindern. Für ältere Kraftfahrzeuge mit Zweitakt-Ottomotor wie dem Trabant gibt es Nachrüst-Oxidationskatalysatoren. Allgemein gesagt lassen sich die Schadstoffemissionen von Zweitakt-Ottomotoren im Vergleich zu Diesel- und Viertakt-Ottomotoren aufgrund der prinzipbedingten Spülung mit frischem Gemisch und der Verbrennung von Öl jedoch nicht so stark senken.

NOx-Speicherkatalysator

Moderne Magermix-Ottomotoren arbeiten mit einem Sauerstoffüberschuss zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades. Herkömmliche Katalysatoren können daher nicht eingesetzt werden. Die Oxidation von CO und CmHn ist im Sauerstoffüberschuss (λ > 1) analog zum herkömmlichen Dreiwegekatalysator weiterhin möglich, jedoch müssen Stickoxide (NOx) 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 auch Diesel-PKW in Zukunft mit NOx-Speicherkatalysatoren ausgerüstet.

Um diese Zwischenspeicherung der Stickstoffoxide zu erreichen, werden auf geeigneten Trägern ein Edelmetallkatalysator wie Platin und eine NOx-Speicherkomponente, die meistens ein Erdalkalimetall wie Barium ist, aufgebracht. In der mageren, das heißt sauerstoffreichen, Atmosphäre werden die Stickstoffoxide unter der 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 NOx-Moleküle wieder in den Abgasstrom abgegeben und durch die in der fetten Atmosphäre vorhandenen reduzierenden Komponenten wie CmHn – unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe – und/oder CO weiter reduziert werden. Der Speicherkat kann NOx nur in einem Temperaturbereich von 250 bis 500 Grad Celsius speichern. Das Temperaturfenster wird durch dreiflutige Abgasrohre oder Auspuffbypässe erreicht.

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 Magermixmotoren zu minimieren und gültige Grenzwerte der Euro-Normen einzuhalten. Die Aufnahmekapazität (circa 60 bis 90 Sekunden) wird durch einen NOx-Sensor überwacht.

Schwefelproblematik: Da es in Deutschland keinen völlig schwefelfreien Kraftstoff gibt, müssen Fahrzeuge mit Magermix-Ottomotor und Speicherkat mit Super-Plus-Kraftstoff (Schwefelgehalt max. 10 ppm) betrieben werden. Im Speicherkat kommt es trotzdem zu einer ungewollten Einlagerung des Schwefels und dadurch zu einer Vergiftung des Speichermaterials durch Sulfatbildung. Um den Schwefel herauszulösen und wieder in Schwefeldioxid umzuwandeln (SO2), muss die Abgastemperatur in regelmäßigen Abständen auf 650 Grad erhöht werden. Das wird erreicht durch Zündverstellung in Richtung „spät“. Dieselkraftstoff weist immer einen max. Schwefelgehalt von 10 ppm auf. Beim Dieselmotor wird die notwendige Temperatur durch kurzzeitige Erhöhung der Einspritzmenge erreicht.

SCR (Selektive Katalytische Reduktion)

Ein weiteres Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden ist die Selektive katalytische Reduktion. Hierbei wird kontinuierlich eine wässrige Harnstofflösung (Handelsname AdBlue), zum Beispiel mittels Dosierpumpe, in den Abgasstrom eingespritzt, aus welcher durch Hydrolyse Wasser und Ammoniak entstehen. Das so entstandene Ammoniak reduziert die Stickoxide im Abgas zu normalem Stickstoff (N2). Das SCR-Verfahren wird inzwischen in zahlreichen Nutzfahrzeugen eingesetzt, um vor allem die Abgas-Grenzwerte nach Euro V und Euro VI zu unterschreiten.

Erfüllung der heutigen Abgasgrenzwerte

Durch drastische Verkürzung der Kaltlaufphase konnten die Emissionen der Fahrzeuge erheblich gesenkt werden. Die Kaltstartphase kann durch folgende Maßnahmen verkürzt werden:

  • möglichst motornahe Katalysatormontage, zum Beispiel direkt hinter dem Abgaskrümmer. Diese Maßnahme erfordert sehr wärmebeständige Werkstoffe sowie eine sehr gute Anströmung des Katalysators
  • Lufteinblasung vor Katalysator, um durch eine exotherme Reaktion (Nachverbrennung der restlichen Kraftstoffanteile) den Katalysator schneller aufzuheizen.
  • Doppelwandige Abgasrohre, damit die heißen Abgase nicht so schnell abkühlen können
  • elektrisch beheizter Katalysator,
  • Spätzündung.

Bei den meisten Serienfahrzeugen (ca. 60 %) hat sich die motornahe Katalysatoranordnung durchgesetzt, da dies die kostengünstigste und kraftstoffsparendeste Methode ist.

Als Nachrüstlösung (primär für ältere Fahrzeuge mit serienmäßiger Euro 1 Einstufung) bieten sich so genannte Aufrüstkats an. Neben dem Effekt einer besseren Umweltverträglichkeit sowohl in der Kaltlaufphase als auch im warmen Betriebszustand (im Gegensatz zum Kaltlaufregler) ist damit im Regelfall auch eine Einstufung in eine bessere Schadstoffklasse verbunden, was eine teils deutliche Ersparnis bei der Kfz-Steuer zur Folge haben kann.

Weiterentwicklung

Um zukünftige, noch strengere Abgasgrenzwerte einzuhalten, sind derzeit verschiedene Entwicklungsschritte bei den Katalysatoren notwendig:

  • verbesserte Beschichtungen, um je nach Anwendung Stickoxide (NOx) bereits während der Kaltstartphase zwischenzuspeichern und dann bei warmem Katalysator in unkritische Abgase umwandeln zu können.
  • durch Herstellung extrem dünnwandiger Katalysator-Monolithe gilt es ein schnelleres Anspringen des Katalysators zu erreichen und gleichzeitig den Abgasgegendruck zu reduzieren (damit verbunden geringerer Kraftstoffverbrauch).
  • durch Herstellung von Querrillen und/oder Durchbrüchen in den Katalysator-Monolithen erzeugt man turbulente Strömungsprofile und kann damit einen verbesserten Stoffaustausch der schädlichen Abgasmoleküle mit den Edelmetallen erreichen (die kleinen und langen Kanäle herkömmlicher Katalysator-Monolithe erzeugen nämlich ein laminares Strömungsprofil). Querrillen und/oder Durchbrüche gibt es bereits bei den Metall-Katalysatoren, die auch schon in der Großserie eingesetzt werden.

Abgasgesetzgebung

In Teilen der USA waren Katalysatoren seit 1974 (damals noch ungeregelt) vorgeschrieben. In Europa schrieb zuerst die Schweiz im Alleingang ab 1986 für alle Neuwagen Katalysatoren vor; andere Länder wie Österreich und Schweden zogen bald nach. Ende 1984 beschloss Deutschland, den Einbau von Katalysatoren in Neufahrzeugen ab 1989 zur Auflage zu machen. Durch steuerliche Anreize ist der Einsatz von Katalysatoren deutlich beschleunigt worden, ab 1993 wurden dann wirklich nur noch Neufahrzeuge mit 3-Wege-Katalysator zugelassen.

Im Zuge der Verbreitung von Fahrzeugkatalysatoren wurde am Randstreifen von Autobahnen eine geringe Konzentration Edelmetall festgestellt. Dies deckt sich mit früheren Untersuchungen in den USA. Ursachen sind hauptsächlich der Verlust von Katalysatormaterial bei Zerstörung des Katalysators durch Motorfehlfunktion sowie sehr geringe Verluste beim normalen Betrieb. Eine biogene Wirkung auf den menschlichen Organismus ist bisher nicht nachgewiesen worden. Heutige Fahrzeugkatalysatoren werden durch ein Diagnosesystem überwacht. Bei Fehlfunktion des Katalysators wird der Fahrer zum Besuch einer Werkstatt aufgefordert.

Gebrauchte Katalysatoren werden gesammelt. Das Edelmetall wird zurückgewonnen und wiederverwertet.

Kritik

In der Kritik stehen durch Fahrzeugkatalysatoren verursachte Emission von Platinaerosolen (angeblich 50 Billionen Platinatome pro gefahrenem Kilometer), Freisetzungen von Schwefeltrioxid, Schwefelwasserstoff und Cyanwasserstoff (Blausäure) sowie die in für Katalysatoren notwendigem bleifreiem Benzin beigemischten Antiklopfmittel Methyl tert-butyl ether (MTBE), das mit Zink-Dithio-Phosphat aus dem Motorenöl sehr giftige Folgeverbindungen erzeugen kann, und Benzol.

Siehe auch

Literatur

Günter Albert Ulmer: Wie gefährlich ist der Katalysator?. Günter Albert Ulmer, Tuningen 1996, ISBN 3-924191-52-2 (Die aktuelle Reihe 4).

Weblinks

Commons: Catalytic converters – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Vorlage:Commonscat/WikiData/Difference

Einzelnachweise

  1. ↑ Nachruf Carl D. Keith
  2. ↑ referenceforbusinnes.com
  3. ↑ Science 2010, 327, 1624
  4. ↑ Abstract zu Science 2010, 327, 1624
  5. ↑ Chemical and Engineering News, Vol. 88, Nr. 13, March 29, 2010, p. 11
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