Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Fahrzeugkatalysator

Fahrzeugkatalysator

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.

Aufbau

Der Fahrzeugkatalysator besteht meist aus mehreren Komponenten. Als Traeger dient ein temperaturstabiler Wabenkoerper aus Keramik (Monolith) oder Metalltraeger Metalit, der mit einer Vielzahl duennwandiger Kanaele durchzogen ist. Auf dem Traeger befindet sich der so genannte Washcoat. Er besteht aus sehr poroesem Aluminiumoxid (Al2O3) und dient zur Vergroeßerung der Oberflaeche sowie aus Sauerstoffspeicherkomponenten wie z.B. Ceroxid. Durch die hohe Oberflaechenrauhigkeit wird eine sehr große Oberflaeche 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 Traeger ist mithilfe spezieller Matten in einem metallischen Gehaeuse, dem so genannten Canning, gelagert. Das Canning ist fest im Abgasstrang des Fahrzeuges verbaut und besitzt zum Teil weitere Anschlussmoeglichkeiten für z. B. Lambdasonden oder Thermoelemente.

Wirkungsweise

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

Je staerker der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren optimiert wird, desto höher ist die Verbrennungstemperatur, denn der Wirkungsgrad η einer Waermekraftmaschine ist stets kleiner (1 - Tmin/Tmax). Bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen jedoch zunehmend mehr Stickoxide NOx, die beispielsweise maßgeblich an der Bildung von Sommersmog beteiligt sind. Durch staendige Weiterentwicklung der Katalysatortechnologie wird die Wirkungsweise der Katalysatoren an die geaenderten Motoremissionen angepasst.

Drei-Wege-Katalysator

Bei einem Drei-Wege-Katalysator finden die Oxidation von CO und HmCn sowie die Reduktion von NOx parallel zueinander statt. Voraussetzung dafuer ist ein konstantes Luft-Kraftstoff-Gemisch im stoechiometrischen 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. Bei einem Dieselmotor verhindert der Sauerstoffueberschuss im Abgas die Reduktion des NOx und macht spezielle Katalysatoren erforderlich.

Duengeeffekt

In einer Ende 2005 abgeschlossenen Untersuchung an 30 Fahrzeugtypen vom TÜV und Botanikern des Nees-Institut für Biodiversitaet der Pflanzen von der Universitaet Bonn ergab sich, dass Drei-Wege-Katalysatoren in hohem Maße Stickstoff in Form von Ammoniak freisetzen. Der Anteil von Ammoniak im Leerlauf ergab bis zu 25 ppm (parts per million) und bei höheren Drehzahlen steigen die Werte je nach Fahrzeugtyp auf das Drei- bis Zehnfache. Die Messungen erfolgten an der Auspuffspitze.

Die Kraftfahrzeuge verteilen den Ammoniak als feinverteilte Guelle entlang der Straßen und in die Städte. Dieser ungewollten Duengung folgen stickstoffliebende Moose und Flechten.

Schon vor zehn Jahren ergaben Luftmessungen in Schweizer Tunneln immer höhere Ammoniakwerte. Die selbst von den Forschern nicht erwarteten Ergebnisse klaeren das bislang unverstandene Auftreten vom Moos Orthotrichum diaphanum an Mauern und Baeumen in Staedten zur selben Zeit. Urspruenglich war das Moos nur an Betoneinfassungen von landwirtschaftlichen Misthaufen zu finden. Die Duengung lockt auch Flechten wie zum Beispiel die Gelbflechte entlang der Verkehrsnetze in die Städte. Die Gelbflechte war früher nur im landwirtschaftlichen Biotop zu finden, vorzugsweise auf den Daechern der Viehstaelle.

Ammoniak verbindet sich in der Luft mit Stickoxiden zum Duengemittel Ammoniumnitrat. Gelangt dieses mittels Regen in den Boden, so sammelt sich die Verbindung im Wurzelbereich an und erreicht für viele Pflanzen toedliche Konzentrationen. Das freigesetzte Ammoniumnitrat wird fuenfmal so gut aufgenommen wie das herausgefilterte Stickoxid, ist also um ein Vielfaches wirksamer. Zwar besteht nach aktueller Sachlage keine direkte Gefaehrdung für die menschliche Gesundheit, doch wirkt sich die ueberduengung auf die Natur aus, welche sichtlich verarmt. So kommt es zur Verdraengung der ueblichen Moose und Flechten, welche wegen der starken Konzentration von Ammoniak eingehen. Dasselbe Schicksal erleiden auch Bluetenpflanzen, die im Gegensatz zu Moosen und Flechten nicht dazu in der Lage sind, den Ammoniak direkt aus der Luft zu entnehmen, sondern über das Wurzelwerk Naehrstoffe aufnehmen. Der Einsatz des Fahrzeugkatalysators wurde Pflicht, um die Luftverschmutzung und das damit einhergehende Waldsterben sowie die globalen Erwaermung durch Stickstoffemissionen zu reduzieren. Im Gegensatz zum sauren Regen sind Baeume nicht gefaehrdet, ebensowenig stickstoffliebende Pflanzen wie zum Beispiel Brennnessel und Brombeere.

In Deutschland wurde 2005, im Unterschied zum Beispiel zu den Niederlanden, die Ammoniakkonzentration nicht gemessen.

Diesel-Oxidationskatalysator

Dieselmotoren verbrennen ein mageres Gemisch (Lambda > 1), das heißt im Abgas sind hohe Sauerstoffkonzentrationen vorhanden. Daher ist die Reduktion der NOx nicht möglich. Die NOx-Minimierung kann zunaechst nur durch innermotorische Maßnahmen, also die gezielte Beeinflussung der Verbrennung z.B. durch teilweise Abgasrueckfuehrung, erfolgen. Dies ist jedoch nur in engen Grenzen möglich, da sonst die Ruß-Emission ansteigt und die Motorleistung sinkt. Aufgrund der deutlich niedrigeren Abgastemperaturen im Vergleich zum Ottomotor sind Diesel-Oxidationskatalysatoren oft nahe am Abgaskruemmer verbaut, der Washcoat enthaelt nur Platin und/oder Palladium.

NOx-Speicherkatalysator und SCR (Selektive Katalytische Reduktion)

Moderne Magermixmotoren arbeiten in einem Sauerstoffueberschuss zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades. Herkoemmliche Katalysatoren können daher nicht eingesetzt werden. Die Oxidation von CO und HmCn ist im Sauerstoffueberschuss (Lambda > 1) analog zum herkoemmlichen Dreiwegekatalysator weiterhin möglich, jedoch müssen Stickoxide (NOx) zwischengespeichert werden. Deren katalytische Reduktion gelingt nur in einem stoechiometrischen bis fetten Abgasgemisch. Diese neuen Motoren benoetigen daher eine weiterentwickelte Art von Katalysatoren mit zusaetzlichen chemischen Elementen, die eine Speicherung von Stickoxiden ermöglichen. Um die zukuenftigen Abgasnormen einzuhalten, werden Diesel PKW`s in Zukunft mit NOx Speicherkatalysatoren ausgerüstet.

Ist die Aufnahmekapazitaet des Katalysators erschoepft, so wird seitens der Motorelektronik kurzzeitig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch eingestellt (ca. 2 Sekunden). In diesem kurzen, fetten Zyklus werden die im Katalysator zwischengespeicherten Stickoxide zu Stickstoff reduziert und damit der Katalysator für den naechsten Speicherzyklus vorbereitet. Durch dieses Vorgehen ist es auch möglich, die Schadstoffemissionen sparsamer Magermixmotoren zu minimieren und gueltige Grenzwerte der Euro-Normen einzuhalten. Die Aufnahmekapazitaet (ca.60 bis 90 Sekunden) wird durch einen NOx-Sensor ueberwacht.

Um diese Zwischenspeicherung der Stickstoffoxide zu erreichen, werden auf geeigneten Traegern ein Edelmetallkatalysator wie Platin und eine NOx-Speicherkomponente, die meistens ein Erdalkalimetall wie Barium ist, aufgebracht. In der mageren, das heißt sauerstoffreichen, Atmosphaere 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 regelmaeßige kurzzeitige „Anfetten“ laufen diese Reaktionen in der entgegengesetzten Richtung ab, wodurch die NOxe wieder in den Abgasstrom abgegeben und durch die in der fetten Atmosphaere vorhandenen, reduzierenden Komponenten wie HmCn – unvollstaendig verbrannte Kohlenwasserstoffe – 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 Auspuffbypaesse erreicht. Schwefelproblematik: Da es in Deutschland keinen 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 herauszuloesen und wieder zu Schwefeldioxid umzuwandeln (SO2), muss die Abgastemperatur auf 650 Grad erhöht werden. Das wird erreicht, durch Zuendverstellung in Richtung "spaet". Ein weiteres, angestrebtes und mittlerweile marktreifes Verfahren zur Reduktion der Stickoxide ist die Selektive katalytische Reduktion. Hierbei wird kontinuierlich eine waessrige Harnstoffloesung in den Abgasstrom eingespritzt, aus welcher durch Hydrolyse Wasser und Ammoniak entstehen. Der somit entstandene Ammoniak ist in der Lage, die Stickoxide im Abgas zu reduzieren.

Weiterentwicklung

Der Schwerpunkt heutiger Forschung liegt insbesondere in der Verkuerzung 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 – 300 °C fast funktionslos. Die Kaltstartphase kann durch folgende Maßnahmen verkuerzt werden.

• möglichst motornahe Katalysatormontage (z. B. direkt hinter dem Abgaskruemmer)
• Lufteinblasung vor Katalysator bei Fettbetrieb (Erzeugung einer Flamme, die den Katalysator aufheizt)
• elektrisch beheizter Katalysator
• elektrisch beheizbare Lambdasonde (schneller emissionsoptimierten Motorbetrieb)
• Spaetzuendung

Als Nachruestloesung (primaer für aeltere Fahrzeuge) bieten sich so genannte Kaltlaufregler an. Neben dem Effekt einer besseren Umweltvertraeglichkeit in der Kaltlaufphase 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.

Abgasgesetzgebung

In Europa schrieb zuerst Österreich ab 1987 für alle Neuwagen über 1500 cm³ und ab 1988 auch für alle anderen aus Umweltschutzgruenden Katalysatoren vor. Andere Laender zogen bald nach. Ende 1984 beschloss auch Deutschland den Einbau von Katalysatoren ab 1989 zur Auflage zu machen. Durch steuerliche Anreize ist der Einsatz von Katalysatoren deutlich beschleunigt worden. Im Zuge der Verbreitung von Fahrzeugkatalysatoren wurde am Randstreifen von Autobahnen eine geringe Konzentration Edelmetall festgestellt. Dies deckt sich mit frueheren Untersuchungen in den USA. Ursache ist hauptsaechlich der Verlust von Katalysatormaterial bei Zerstoerung des Katalysators durch Motorfehlfunktion. Eine biogene Wirkung auf den menschlichen Organismus ist bisher nicht nachgewiesen worden. Heutige Fahrzeugkatalysatoren werden durch ein Diagnosesystem ueberwacht. Bei Fehlfunktion des Katalysators wird der Fahrer zum Besuch einer Werkstatt aufgefordert. Gebrauchte Katalysatoren werden gesammelt. Das Edelmetall wird zurueckgewonnen und wieder verwertet.