Fahrzeugkatalysator

Ein Drei-Wege-Katalysator in einem benzinbetriebenen 1996er Dodge Ram ⓘ

Simulation der Strömung im Inneren eines Katalysators ⓘ

Ein Katalysator ist eine Vorrichtung zur Abgasreinigung, die giftige Gase und Schadstoffe im Abgas eines Verbrennungsmotors durch Katalyse einer Redoxreaktion in weniger giftige Schadstoffe umwandelt. Katalysatoren werden in der Regel bei Verbrennungsmotoren eingesetzt, die mit Benzin oder Diesel betrieben werden, einschließlich Magerverbrennungsmotoren, und manchmal auch bei Kerosinheizungen und Öfen. ⓘ

Die erste weit verbreitete Einführung von Katalysatoren erfolgte auf dem US-amerikanischen Automobilmarkt. Um die strengeren Abgasvorschriften der US-Umweltschutzbehörde zu erfüllen, sind die meisten benzinbetriebenen Fahrzeuge seit dem Modelljahr 1975 mit Katalysatoren ausgestattet. Diese "Zweiwege"-Katalysatoren kombinieren Sauerstoff mit Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), um Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) zu erzeugen. 1981 wurden Zweiwege-Katalysatoren durch Dreiwege-Katalysatoren, die auch Stickoxide (NOx) reduzieren, überflüssig; Zweiwege-Katalysatoren werden jedoch nach wie vor für Magerverbrennungsmotoren verwendet. Dies liegt daran, dass Drei-Wege-Katalysatoren entweder eine kraftstoffreiche oder stöchiometrische Verbrennung benötigen, um NOx erfolgreich zu reduzieren. ⓘ

Obwohl Katalysatoren am häufigsten in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, kommen sie auch bei Stromgeneratoren, Gabelstaplern, Bergbaumaschinen, Lastwagen, Bussen, Lokomotiven, Motorrädern und Schiffen zum Einsatz. Sie werden sogar bei einigen Holzöfen zur Emissionskontrolle eingesetzt. Dies geschieht in der Regel als Reaktion auf staatliche Vorschriften, entweder durch Umweltvorschriften oder durch Gesundheits- und Sicherheitsvorschriften. ⓘ

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. Meist wird die gesamte Anlage zur Abgasnachbehandlung als Fahrzeugkatalysator bezeichnet. ⓘ

Fahrzeugkatalysator mit Wabenkörper aus Keramik ⓘ

Geschichte

Prototypen von Katalysatoren wurden erstmals Ende des 19. Jahrhunderts in Frankreich entwickelt, als nur einige tausend "Ölwagen" auf den Straßen unterwegs waren. Diese Prototypen bestanden aus inerten Materialien auf Tonbasis, die mit Platin, Iridium und Palladium beschichtet und in einem doppelten Metallzylinder versiegelt waren. Einige Jahrzehnte später wurde ein Katalysator von Eugene Houdry, einem französischen Maschinenbauingenieur, patentiert. Houdry war ein Experte auf dem Gebiet der katalytischen Ölraffination, da er das katalytische Crackverfahren erfunden hatte, auf dem heute alle modernen Raffinerien basieren. Houdry zog 1930 in die Vereinigten Staaten, um in der Nähe der Raffinerien im Raum Philadelphia zu leben und sein katalytisches Raffinationsverfahren zu entwickeln. Als die Ergebnisse früher Studien über Smog in Los Angeles veröffentlicht wurden, machte sich Houdry Gedanken über die Rolle von Schornstein- und Autoabgasen bei der Luftverschmutzung und gründete ein Unternehmen namens Oxy-Catalyst. Houdry entwickelte zunächst Katalysatoren für Schornsteine, kurz "Cats" genannt, und später Katalysatoren für Lagerhausstapler, die mit bleifreiem Benzin niedriger Qualität betrieben wurden. Mitte der 1950er Jahre begann er mit der Forschung zur Entwicklung von Katalysatoren für Benzinmotoren, die in Autos eingesetzt werden, und erhielt für seine Arbeit das US-Patent 2.742.437. ⓘ

Katalysatoren wurden von einer Reihe von Ingenieuren, darunter Carl D. Keith, John J. Mooney, Antonio Eleazar und Phillip Messina, bei der Engelhard Corporation weiterentwickelt. 1973 entstand der erste Serienkatalysator. ⓘ

Die erste breite Einführung von Katalysatoren erfolgte auf dem US-amerikanischen Automobilmarkt. Um die neuen Abgasvorschriften der US-Umweltschutzbehörde zu erfüllen, wurden die meisten benzinbetriebenen Fahrzeuge ab dem Modelljahr 1975 mit Katalysatoren ausgestattet. Diese "Zweiwege"-Katalysatoren kombinieren Sauerstoff mit Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC, chemische Verbindungen im Kraftstoff in der Form CmHn), um Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) zu erzeugen. Diese strengen Emissionskontrollvorschriften erzwangen die Entfernung des Antiklopfmittels Tetraethylblei aus Automobilbenzin, um die Bleibelastung der Luft zu verringern. Blei ist ein Katalysatorgift und würde einen Katalysator effektiv zerstören, da es die Oberfläche des Katalysators beschichtet. Die Forderung nach der Entfernung von Blei ermöglichte die Verwendung von Katalysatoren, um die anderen Emissionsnormen der Verordnungen zu erfüllen. ⓘ

William C. Pfefferle entwickelte Anfang der 1970er Jahre eine katalytische Verbrennungsanlage für Gasturbinen, die eine Verbrennung ohne nennenswerte Bildung von Stickoxiden und Kohlenmonoxid ermöglicht. ⓘ

In Deutschland wurden die ersten PKW mit Katalysator erst ab 1985 zugelassen, in der Folgezeit wurden Neuwagen zunehmend mit Katalysatoren ausgestattet, ehe ab 1993 eine EU-weite KAT-Pflicht für alle Neuwagen mit Otto-Motor festgelegt wurde. ⓘ

Konstruktion

Schnitt durch einen Metall-Kern-Konverter ⓘ

Keramik-Kern-Konverter ⓘ

Der Aufbau des Katalysators ist wie folgt:

1. Der Katalysatorträger oder das Substrat. Bei Fahrzeugkatalysatoren besteht der Kern in der Regel aus einem keramischen Monolithen, der eine Wabenstruktur aufweist (in der Regel quadratisch, nicht sechseckig). (Vor Mitte der 1980er Jahre wurde das Katalysatormaterial in frühen GM-Anwendungen auf einem gepackten Bett aus Aluminiumoxid-Pellets aufgebracht). Metallfolienmonolithen aus Kanthal (FeCrAl) werden für Anwendungen verwendet, bei denen eine besonders hohe Hitzebeständigkeit erforderlich ist. Das Substrat ist so strukturiert, dass eine große Oberfläche entsteht. Das Cordierit-Keramiksubstrat, das in den meisten Katalysatoren verwendet wird, wurde von Rodney Bagley, Irwin Lachman und Ronald Lewis bei Corning Glass erfunden, wofür sie 2002 in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen wurden.
2. Der Waschmantel. Ein Washcoat ist ein Träger für die katalytischen Materialien und wird verwendet, um die Materialien über eine große Oberfläche zu verteilen. Verwendet werden können Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid oder eine Mischung aus Siliziumdioxid und Aluminiumoxid. Die katalytischen Materialien werden vor dem Auftragen auf den Kern im Washcoat suspendiert. Die Washcoat-Materialien werden so ausgewählt, dass sie eine raue, unregelmäßige Oberfläche bilden, die den Oberflächenbereich im Vergleich zur glatten Oberfläche des blanken Substrats vergrößert.
3. Ceroxid oder Ceroxid-Zirkoniumoxid. Diese Oxide werden hauptsächlich als Sauerstoffspeicherpromotoren zugesetzt.
4. Der Katalysator selbst besteht meist aus einer Mischung von Edelmetallen, vor allem aus der Platingruppe. Platin ist der aktivste Katalysator und wird häufig verwendet, eignet sich aber aufgrund unerwünschter Zusatzreaktionen und hoher Kosten nicht für alle Anwendungen. Palladium und Rhodium sind zwei weitere verwendete Edelmetalle. Rhodium wird als Reduktionskatalysator, Palladium als Oxidationskatalysator und Platin sowohl zur Reduktion als auch zur Oxidation verwendet. Auch Cerium, Eisen, Mangan und Nickel werden verwendet, allerdings mit Einschränkungen. Nickel darf in der Europäischen Union nicht verwendet werden, da es mit Kohlenmonoxid zu giftigem Nickeltetracarbonyl reagiert. Kupfer kann überall außer in Japan verwendet werden. ⓘ

Wenn ein Katalysator versagt, kann er als Schrott recycelt werden. Die Edelmetalle im Inneren des Katalysators, einschließlich Platin, Palladium und Rhodium, werden extrahiert. ⓘ

Der Fahrzeugkatalysator besteht meistens aus mehreren Komponenten. Als Träger dient ein temperaturstabiler Wabenkörper aus Keramik, in der Regel Cordierit oder Metallfolien (z. B. Metalit), der eine Vielzahl dünnwandiger Kanäle aufweist. Auf dem Träger befindet sich der sogenannte Washcoat. Er besteht aus porösem Aluminiumoxid (Al₂O₃) und dient der Vergrößerung der Oberfläche. Durch die hohe Rauheit wird eine große Oberfläche von bis zu mehreren hundert Quadratmetern pro Gramm realisiert. In dem „Washcoat“ sind die katalytisch aktiven Substanzen eingelagert. Je nach Katalysatortyp sind diese unterschiedlich. Bei modernen Dreiwegekatalysatoren sind dies z. B. die Edelmetalle Platin, Rhodium oder Palladium bzw. eine Kombination aus diesen. Der keramische Träger ist mittels spezieller Lagermatten, den sogenannten Quellmatten, etwa aus Hochtemperaturwolle, seltener in Kombination mit Drahtgestricken, in einem metallischen Gehäuse, dem sogenannten „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

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Platzierung von Katalysatoren

Katalysatoren benötigen eine Temperatur von 400 °C (752 °F), um effektiv zu funktionieren. Daher werden sie so nah wie möglich am Motor angebracht, oder es werden ein oder mehrere kleinere Katalysatoren (so genannte Vorkatalysatoren) unmittelbar nach dem Auspuffkrümmer angebracht. ⓘ

Typen

Zwei-Wege-Katalysator

Ein 2-Wege-Katalysator (oder "Oxidationskatalysator", manchmal auch "Oxi-Kat" genannt) hat zwei gleichzeitige Aufgaben:

1. Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid: 2 CO + O₂ → 2 CO₂
2. Oxidation von Kohlenwasserstoffen (unverbrannter und teilweise verbrannter Kraftstoff) zu Kohlendioxid und Wasser: C_xH_2x+2 + [(3x+1)/2] O₂ → x CO₂ + (x+1) H₂O (eine Verbrennungsreaktion) ⓘ

Diese Art von Katalysator wird häufig bei Dieselmotoren eingesetzt, um die Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen zu verringern. Bis 1981 wurden sie auch bei Ottomotoren in amerikanischen und kanadischen Fahrzeugen eingesetzt. Da sie nicht in der Lage waren, Stickstoffoxide zu kontrollieren, wurden sie durch Dreiwegekatalysatoren ersetzt. ⓘ

Drei-Wege-Katalysator

Drei-Wege-Katalysatoren haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Emission von Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) (beide zusammen mit NO_x abgekürzt und nicht zu verwechseln mit Distickstoffoxid (N₂O)) kontrollieren, die Vorläufer von saurem Regen und Smog sind. ⓘ

Seit 1981 werden in den Vereinigten Staaten und Kanada Dreiwege-Katalysatoren (Oxidations-Reduktions-Katalysatoren) in Fahrzeug-Emissionskontrollsystemen eingesetzt; viele andere Länder haben ebenfalls strenge Emissionsvorschriften erlassen, die Dreiwege-Katalysatoren für benzinbetriebene Fahrzeuge vorschreiben. Der Reduktions- und der Oxidationskatalysator befinden sich in der Regel in einem gemeinsamen Gehäuse; in einigen Fällen können sie jedoch auch getrennt untergebracht sein. Ein Drei-Wege-Katalysator hat drei gleichzeitige Aufgaben: Reduktion von Stickoxiden zu Stickstoff (N₂)

• ${\text{C}}+2{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+2{\text{NO}}$
• ${\text{CO}}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}$
• $2{\text{CO}}+{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,2{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}$
• ${\text{H}}_{2}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{H}}_{2}{\text{O}}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}$

Oxidation von Kohlenstoff, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid

• ${\text{C}}+{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}$
• ${\text{CO}}+{\frac {1}{2}}{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}$
• $a\,{\text{C}}_{x}{\text{H}}_{y}+b\,{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,c\,{\text{CO}}_{2}+d\,{\text{H}}_{2}{\text{O}}\qquad a,\,b,\,c,\,d,\,x,\,y\in \mathbb {Z}$

Diese drei Reaktionen laufen am effizientesten ab, wenn der Katalysator Abgase von einem Motor erhält, der leicht über dem stöchiometrischen Punkt läuft. Bei der Verbrennung von Benzin liegt dieses Verhältnis zwischen 14,6 und 14,8 Gewichtsteilen Luft und einem Teil Kraftstoff. Bei Autogas (oder Flüssiggas LPG), Erdgas und Ethanol kann das Verhältnis erheblich variieren, insbesondere bei sauerstoffhaltigen oder alkoholbasierten Kraftstoffen, wobei e85 etwa 34 % mehr Kraftstoff benötigt, was eine veränderte Abstimmung des Kraftstoffsystems und der Komponenten bei Verwendung dieser Kraftstoffe erfordert. In der Regel sind Motoren mit 3-Wege-Katalysatoren mit einem computergesteuerten, rückgekoppelten Kraftstoffeinspritzsystem ausgestattet, das eine oder mehrere Sauerstoffsensoren verwendet; zu Beginn der Entwicklung von 3-Wege-Katalysatoren wurden jedoch auch Vergaser mit rückgekoppelter Gemischregelung verwendet. ⓘ

Drei-Wege-Wandler sind wirksam, wenn der Motor in einem engen Band von Luft-Kraftstoff-Verhältnissen nahe dem stöchiometrischen Punkt betrieben wird. Der Gesamtwirkungsgrad sinkt sehr schnell, wenn der Motor außerhalb dieses Bereichs betrieben wird. Wenn die Abgase des Motors etwas magerer als stöchiometrisch sind, enthalten sie überschüssigen Sauerstoff, die NOx-Produktion des Motors nimmt zu, und der Wirkungsgrad des Katalysators bei der NOx-Reduzierung nimmt rasch ab. Die Umwandlung von HC und CO ist jedoch aufgrund des verfügbaren Sauerstoffs sehr effizient und wird zu H₂O und CO₂ oxidiert. Die Produktion von CO und unverbranntem Kohlenwasserstoff durch den Motor nimmt drastisch zu, der verfügbare Sauerstoff nimmt ab, und die Effizienz des Katalysators bei der Oxidation von CO und Kohlenwasserstoff sinkt erheblich, insbesondere wenn der gespeicherte Sauerstoff aufgebraucht ist. Der Wirkungsgrad des Katalysators bei der NOx-Reduktion ist jedoch gut, und die NOx-Produktion des Motors nimmt ab. Um die Effizienz des Katalysators aufrechtzuerhalten, muss das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nahezu stöchiometrisch bleiben und darf nicht zu lange fett oder mager sein. ⓘ

Motorsteuerungssysteme mit geschlossenem Regelkreis werden für den effektiven Betrieb von Dreiwege-Katalysatoren eingesetzt, da dieses kontinuierliche Fett-Mager-Gleichgewicht für eine effektive NOx-Reduzierung und HC+CO-Oxidation erforderlich ist. Das Steuerungssystem ermöglicht es dem Katalysator, bei leicht fetten Betriebsbedingungen Sauerstoff freizusetzen, wodurch CO und HC unter Bedingungen oxidiert werden, die auch die Reduzierung von NOx begünstigen. Bevor der gespeicherte Sauerstoff aufgebraucht ist, stellt das Steuersystem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so um, dass es etwas magerer wird, wodurch die HC- und CO-Oxidation verbessert wird, während gleichzeitig zusätzlicher Sauerstoff im Katalysatormaterial gespeichert wird, wobei die Effizienz der NOx-Reduktion geringfügig sinkt. Anschließend wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch wieder leicht angefettet, was zu einer geringfügigen Verschlechterung der CO- und HC-Oxidationseffizienz führt, und der Zyklus wiederholt sich. Der Wirkungsgrad wird verbessert, wenn die Schwankungen um den stöchiometrischen Punkt gering sind und sorgfältig gesteuert werden. ⓘ

Die Regelung bei leichter bis mittlerer Last wird durch den Einsatz einer oder mehrerer Sauerstoffsensoren im Abgassystem erreicht. Wenn die Sonde Sauerstoff erkennt, ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager oder stöchiometrisch, und wenn kein Sauerstoff erkannt wird, ist es fett. Das Steuersystem passt die Menge des in den Motor eingespritzten Kraftstoffs auf der Grundlage dieses Signals an, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Nähe des stöchiometrischen Punkts zu halten und so die Effizienz der Katalysatorumwandlung zu maximieren. Der Regelalgorithmus wird auch durch die Zeitverzögerung zwischen der Anpassung des Kraftstoffdurchsatzes und der Erfassung des geänderten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch den Sensor sowie durch die sigmoidale Reaktion der Sauerstoffsensoren beeinflusst. Typische Steuersysteme sind so konzipiert, dass sie das Luft-Kraftstoff-Verhältnis schnell so verändern, dass es leicht um den stöchiometrischen Punkt herum schwankt und in der Nähe des optimalen Wirkungsgrads bleibt, während sie den Gehalt an gespeichertem Sauerstoff und unverbranntem HC steuern. ⓘ

Der geschlossene Regelkreis wird häufig nicht bei hoher Last und maximaler Leistung eingesetzt, wenn eine Erhöhung der Emissionen zulässig ist und ein fettes Gemisch verlangt wird, um die Leistung zu erhöhen und zu verhindern, dass die Abgastemperatur die Auslegungsgrenzen überschreitet. Dies stellt eine Herausforderung für die Entwicklung von Steuerungssystemen und Katalysatoren dar. Bei einem solchen Betrieb werden vom Motor große Mengen unverbrannten Kohlenwasserstoffs erzeugt, die weit über die Kapazität des Katalysators zur Freisetzung von Sauerstoff hinausgehen. Die Oberfläche des Katalysators wird schnell mit HC gesättigt. Bei der Rückkehr zu niedrigerer Leistung und magererem Luft-Kraftstoff-Verhältnis muss das Steuersystem verhindern, dass zu viel Sauerstoff zu schnell den Katalysator erreicht, da dies zu einer schnellen Verbrennung des HC im bereits heißen Katalysator führt, wodurch die Auslegungstemperatur des Katalysators überschritten werden könnte. Eine zu hohe Katalysatortemperatur kann zu einer vorzeitigen Alterung des Katalysators führen, wodurch sich seine Effizienz verringert, bevor er seine vorgesehene Lebensdauer erreicht. Eine überhöhte Katalysatortemperatur kann auch durch Zündaussetzer verursacht werden, durch die kontinuierlich unverbrannter Kohlenwasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff zum heißen Katalysator strömt, der dadurch verbrennt und seine Temperatur erhöht. ⓘ

Unerwünschte Reaktionen

Unerwünschte Reaktionen führen zur Bildung von Schwefelwasserstoff und Ammoniak, die Katalysatoren vergiften. Manchmal wird dem Washcoat Nickel oder Mangan zugesetzt, um die Schwefelwasserstoffemissionen zu begrenzen. Schwefelfreie oder schwefelarme Kraftstoffe eliminieren oder minimieren die Probleme mit Schwefelwasserstoff. ⓘ

Dieselmotoren

Bei Selbstzündungsmotoren (d. h. Dieselmotoren) ist der am häufigsten verwendete Katalysator der Dieseloxidationskatalysator (DOC). DOCs enthalten Palladium und/oder Platin auf einem Aluminiumoxidträger. Dieser Katalysator wandelt Partikel (PM), Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in Kohlendioxid und Wasser um. Diese Katalysatoren arbeiten oft mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent, eliminieren praktisch den Dieselgeruch und helfen, sichtbare Partikel zu reduzieren. Da diese Katalysatoren bei NOx unwirksam sind, werden die NOx-Emissionen von Dieselmotoren durch Abgasrückführung (EGR) kontrolliert. ⓘ

Im Jahr 2010 rüsteten die meisten Hersteller von leichten Dieselfahrzeugen in den USA ihre Fahrzeuge mit Katalysatorsystemen aus, um die staatlichen Emissionsanforderungen zu erfüllen. Für die katalytische Reduzierung von NOx-Emissionen unter mageren Abgasbedingungen wurden zwei Techniken entwickelt: die selektive katalytische Reduktion (SCR) und der NOx-Adsorber. ⓘ

Anstelle von edelmetallhaltigen NOx-Absorbern haben sich die meisten Hersteller für SCR-Systeme mit unedlen Metallen entschieden, die ein Reagens wie Ammoniak verwenden, um NOx in Stickstoff und Wasser zu reduzieren. Das Ammoniak wird dem Katalysatorsystem durch die Einspritzung von Harnstoff in die Abgase zugeführt, der dann thermisch zersetzt und zu Ammoniak hydrolysiert wird. Die Harnstofflösung wird auch als Dieselabgasflüssigkeit (DEF) bezeichnet. ⓘ

Dieselabgase enthalten einen relativ hohen Anteil an Feinstaub. Katalysatoren entfernen nur 20-40 % der Partikel, so dass die Partikel von einem Rußfänger oder Dieselpartikelfilter (DPF) gereinigt werden. In den USA unterliegen alle leichten, mittleren und schweren Dieselfahrzeuge, die nach dem 1. Januar 2007 gebaut wurden, den Grenzwerten für Dieselpartikelemissionen und sind daher mit einem 2-Wege-Katalysator und einem Dieselpartikelfilter ausgestattet. Solange der Motor vor dem 1. Januar 2007 hergestellt wurde, muss das Fahrzeug nicht mit dem DPF-System ausgestattet sein. Dies führte dazu, dass die Motorenhersteller Ende 2006 ihre Lagerbestände aufstockten, um bis weit ins Jahr 2007 hinein Fahrzeuge mit Partikelfiltersystemen verkaufen zu können. ⓘ

Fremdgezündete Motoren mit magerer Verbrennung

Bei Magermotoren mit Fremdzündung wird ein Oxidationskatalysator auf die gleiche Weise wie bei einem Dieselmotor verwendet. Die Emissionen von Magerverbrennungs-Ottomotoren sind den Emissionen eines Dieselmotors mit Selbstzündung sehr ähnlich. ⓘ

Einbau

Viele Fahrzeuge sind mit einem Katalysator ausgestattet, der sich in der Nähe des Auspuffkrümmers des Motors befindet. Der Katalysator erwärmt sich schnell, da er den sehr heißen Abgasen ausgesetzt ist, und kann so die unerwünschten Emissionen während der Warmlaufphase des Motors reduzieren. Dies geschieht durch die Verbrennung der überschüssigen Kohlenwasserstoffe, die aus dem für den Kaltstart erforderlichen besonders fetten Gemisch stammen. ⓘ

Als die Katalysatoren eingeführt wurden, waren die meisten Fahrzeuge mit Vergasern ausgestattet, die ein relativ fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis lieferten. Der Sauerstoffgehalt (O₂) im Abgasstrom reichte daher im Allgemeinen nicht aus, um eine effiziente katalytische Reaktion zu ermöglichen. Die meisten Konstruktionen der damaligen Zeit verfügten daher über eine Sekundärlufteinblasung, bei der Luft in den Abgasstrom eingespritzt wurde. Dadurch wurde der verfügbare Sauerstoff erhöht, so dass der Katalysator wie vorgesehen funktionieren konnte. ⓘ

Einige Dreiwege-Katalysatorsysteme verfügen über Lufteinspritzsysteme, bei denen die Luft zwischen der ersten (NOx-Reduktion) und zweiten (HC- und CO-Oxidation) Stufe des Katalysators eingespritzt wird. Wie bei Zwei-Wege-Katalysatoren liefert diese eingespritzte Luft Sauerstoff für die Oxidationsreaktionen. Manchmal gibt es auch eine vorgeschaltete Lufteinspritzung vor dem Katalysator, die nur während der Warmlaufphase des Motors zusätzlichen Sauerstoff liefert. Dadurch entzündet sich der unverbrannte Kraftstoff im Abgasstrang und gelangt erst gar nicht zum Katalysator. Durch diese Technik wird die Motorlaufzeit verkürzt, die der Katalysator benötigt, um seine "Light-off"- oder Betriebstemperatur zu erreichen. ⓘ

Die meisten neueren Fahrzeuge verfügen über elektronische Kraftstoffeinspritzsysteme und benötigen keine Lufteinspritzsysteme in ihrem Abgasstrang. Stattdessen sorgen sie für ein präzise gesteuertes Luft-Kraftstoff-Gemisch, das schnell und kontinuierlich zwischen magerer und fetter Verbrennung wechselt. Sauerstoffsensoren überwachen den Abgassauerstoffgehalt vor und nach dem Katalysator, und das Motorsteuergerät nutzt diese Informationen, um die Kraftstoffeinspritzung so anzupassen, dass der erste Katalysator (NOx-Reduktion) nicht mit Sauerstoff überladen wird, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass der zweite Katalysator (HC- und CO-Oxidation) ausreichend mit Sauerstoff gesättigt ist. ⓘ

Beschädigung

Zu einer Katalysatorvergiftung kommt es, wenn der Katalysator Abgasen ausgesetzt wird, die Stoffe enthalten, die die Arbeitsflächen beschichten, so dass sie nicht mit den Abgasen in Berührung kommen und nicht mit ihnen reagieren können. Der bekannteste Schadstoff ist Blei, weshalb Fahrzeuge mit Katalysator nur mit bleifreiem Kraftstoff betrieben werden dürfen. Weitere häufige Katalysatorgifte sind Schwefel, Mangan (das vor allem aus dem Benzinzusatz MMT stammt) und Silizium, das in den Abgasstrom gelangen kann, wenn der Motor ein Leck hat, durch das Kühlmittel in den Verbrennungsraum gelangt. Phosphor ist eine weitere Verunreinigung des Katalysators. Obwohl Phosphor nicht mehr in Benzin verwendet wird, war er (wie auch Zink, ein weiterer schwacher Katalysatorverunreiniger) in Motoröladditiven wie Zinkdithiophosphat (ZDDP) weit verbreitet. Ab 2004 wurde in den Spezifikationen API SM und ILSAC GF-4 ein Grenzwert für die Phosphorkonzentration in Motorenölen festgelegt. ⓘ

Je nach Verunreinigung kann die Vergiftung des Katalysators manchmal rückgängig gemacht werden, indem der Motor über einen längeren Zeitraum unter sehr hoher Last betrieben wird. Durch die erhöhte Abgastemperatur kann die Verunreinigung manchmal verdampfen oder sublimieren, wodurch sie von der Katalysatoroberfläche entfernt wird. Aufgrund des hohen Siedepunkts von Blei ist eine Entfernung von Bleibelägen auf diese Weise jedoch in der Regel nicht möglich. ⓘ

Jeder Umstand, der dazu führt, dass ungewöhnlich hohe Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe (roher oder teilweise verbrannter Kraftstoff oder Öle) in den Katalysator gelangen, erhöht dessen Temperatur erheblich und birgt die Gefahr eines Schmelzens des Substrats, was zur Deaktivierung des Katalysators und zu starken Abgasbeeinträchtigungen führt. Zu diesen Bedingungen gehören das Versagen der stromaufwärts gelegenen Komponenten des Abgassystems (Krümmer/Sammler-Baugruppe und zugehörige Klemmen, die anfällig für Rost/Korrosion und/oder Ermüdung sind, z. B. der Abgaskrümmer, der nach wiederholten Hitzezyklen splittert), des Zündsystems, z. B. Spulenpakete und/oder Komponenten der Primärzündung (z. B. Verteilerkappe, Drähte, Zündspule und Zündkerzen) und/oder beschädigte Komponenten des Kraftstoffsystems (Einspritzdüsen, Kraftstoffdruckregler und zugehörige Sensoren). Öl- und/oder Kühlmittellecks, möglicherweise verursacht durch eine undichte Zylinderkopfdichtung, können ebenfalls einen hohen Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe verursachen. ⓘ

Vorschriften

Die Emissionsvorschriften sind von Land zu Land sehr unterschiedlich. Die meisten Pkw-Ottomotoren in Nordamerika sind seit 1975 mit Katalysatoren ausgestattet, und die Technologie, die bei nicht automobilen Anwendungen zum Einsatz kommt, basiert im Allgemeinen auf der Kfz-Technologie. In vielen Ländern ist es illegal, einen Katalysator aus irgendeinem Grund zu entfernen oder zu deaktivieren, es sei denn, er wird direkt und sofort ersetzt. Dennoch gibt es Fahrzeugbesitzer, die den Katalysator ihres Fahrzeugs ausbauen oder "entkernen". In solchen Fällen kann der Katalysator durch einen eingeschweißten Abschnitt eines gewöhnlichen Rohrs oder ein angeflanschtes "Prüfrohr" ersetzt werden, das angeblich dazu dient, zu prüfen, ob der Katalysator verstopft ist, indem man vergleicht, wie der Motor mit und ohne Katalysator läuft. Dies erleichtert den vorübergehenden Wiedereinbau des Katalysators, um eine Abgasuntersuchung zu bestehen. ⓘ

In den Vereinigten Staaten verstößt es gegen Abschnitt 203(a)(3)(A) des 1990 geänderten Clean Air Act, wenn eine Kfz-Reparaturwerkstatt einen Katalysator aus einem Fahrzeug ausbaut oder ausbauen lässt, es sei denn, um ihn durch einen anderen Katalysator zu ersetzen, und nach Abschnitt 203(a)(3)(B) ist es illegal, Teile zu verkaufen oder einzubauen, die ein Emissionskontrollsystem, eine Vorrichtung oder ein Konstruktionselement umgehen, umgehen oder unwirksam machen würden. Fahrzeuge ohne funktionierende Katalysatoren fallen in der Regel bei den Abgasuntersuchungen durch. Der Kfz-Ersatzteilmarkt bietet Hochleistungs-Katalysatoren für Fahrzeuge mit aufgerüsteten Motoren an, oder für Fahrzeuge, deren Besitzer eine Auspuffanlage mit größerer Kapazität als die serienmäßige wünschen. ⓘ

Auswirkungen auf den Abgasstrom

Defekte Katalysatoren sowie unbeschädigte frühe Katalysatortypen können den Abgasstrom behindern, was sich negativ auf die Fahrzeugleistung und den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Moderne Katalysatoren schränken den Abgasstrom nicht wesentlich ein. Ein Test aus dem Jahr 2006 an einem Honda Civic aus dem Jahr 1999 zeigte beispielsweise, dass der Ausbau des Originalkatalysators die maximale Leistung nur um 3 % steigerte; ein neuer Metallkern-Katalysator kostete das Auto nur 1 % Leistung im Vergleich zu einem Fahrzeug ohne Katalysator. ⓘ

Gefahren

Vergaser von Fahrzeugen aus der Zeit vor 1981 ohne rückgekoppelte Kraftstoff-Luft-Gemischregelung konnten dem Motor leicht zu viel Kraftstoff zuführen, wodurch der Katalysator überhitzen und möglicherweise brennbare Materialien unter dem Fahrzeug entzünden konnte. ⓘ

Aufwärmphase

Fahrzeuge mit Katalysator emittieren den größten Teil ihrer Schadstoffemissionen während der ersten fünf Minuten des Motorbetriebs, d. h. bevor der Katalysator ausreichend warmgelaufen ist, um seine volle Wirkung zu entfalten. ⓘ

In den frühen 2000er Jahren wurde es üblich, den Katalysator direkt neben dem Auspuffkrümmer in der Nähe des Motors zu platzieren, um die Aufwärmphase zu beschleunigen. Im Jahr 1995 führte Alpina einen elektrisch beheizten Katalysator ein. Dieser "E-KAT" genannte Katalysator wurde im Alpina B12 5,7 E-KAT auf der Basis des BMW 750i eingesetzt. Die Heizspulen in den Katalysatorbaugruppen werden unmittelbar nach dem Anlassen des Motors unter Strom gesetzt, wodurch der Katalysator sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht wird, um das Fahrzeug für die Einstufung als emissionsarmes Fahrzeug (LEV) zu qualifizieren. BMW führte später den gleichen beheizten Katalysator, der gemeinsam von Emitec, Alpina und BMW entwickelt wurde, in seinem 750i im Jahr 1999 ein. ⓘ

Einige Fahrzeuge sind mit einem Vorkatalysator ausgestattet, einem kleinen Katalysator, der dem Hauptkatalysator vorgeschaltet ist und sich beim Anlassen des Fahrzeugs schneller erwärmt, wodurch die mit dem Kaltstart verbundenen Emissionen reduziert werden. Ein Vorkatalysator wird meist von Autoherstellern verwendet, wenn sie versuchen, die ULEV-Einstufung (Ultra Low Emissions Vehicle) zu erreichen, wie z. B. beim Toyota MR2 Roadster. ⓘ

Auswirkungen auf die Umwelt

Katalysatoren haben sich bei der Reduzierung schädlicher Auspuffemissionen als zuverlässig und wirksam erwiesen. Sie haben jedoch auch einige Mängel in der Anwendung und negative Umweltauswirkungen in der Produktion:

• Ein mit einem Drei-Wege-Katalysator ausgerüsteter Motor muss im stöchiometrischen Punkt betrieben werden, was bedeutet, dass mehr Kraftstoff verbraucht wird als bei einem Magerverbrennungsmotor. Das bedeutet etwa 10 % mehr CO₂-Emissionen des Fahrzeugs.
• Für die Herstellung von Katalysatoren wird Palladium oder Platin benötigt; ein Teil des weltweiten Angebots an diesen Edelmetallen wird in der Nähe von Norilsk, Russland, produziert, wo die Industrie (unter anderem) dafür gesorgt hat, dass Norilsk in die Liste der am stärksten verschmutzten Orte des Time Magazine aufgenommen wurde.
• Die extreme Hitze der Konverter selbst kann vor allem in trockenen Gebieten zu Waldbränden führen. ⓘ

Diebstahl

Aufgrund der Außenlage und der Verwendung von wertvollen Edelmetallen wie Platin, Palladium und Rhodium sind Katalysatoren ein Ziel für Diebe. Das Problem tritt besonders häufig bei neueren Lkw- und SUV-Modellen auf, da diese über eine große Bodenfreiheit verfügen und sich die aufgeschraubten Katalysatoren leicht entfernen lassen. Angeschweißte Katalysatoren sind ebenfalls diebstahlgefährdet, da sie leicht abgetrennt werden können. Oft werden Rohrschneider verwendet, um den Katalysator unauffällig zu entfernen, aber andere Werkzeuge wie eine tragbare Säbelsäge können andere Komponenten des Fahrzeugs wie die Lichtmaschine, die Verkabelung oder die Kraftstoffleitungen beschädigen, was gefährliche Folgen haben kann. Die steigenden Metallpreise in den USA während des Rohstoffbooms in den 2000er Jahren haben zu einem erheblichen Anstieg des Katalysatordiebstahls geführt. Der Ersatz eines Katalysators kann mehr als 1.000 Dollar kosten, und noch mehr, wenn das Fahrzeug während des Diebstahls beschädigt wird. ⓘ

Von 2019 bis 2020 hatten es Diebe im Vereinigten Königreich auf ältere Hybridautos abgesehen, die mehr Edelmetalle enthalten als neuere Fahrzeuge - manchmal mehr als der Wert des Fahrzeugs -, was zu einer Verknappung und langen Verzögerungen bei der Ersetzung führte. ⓘ

Im Jahr 2021 zeichnete sich ein Trend in der Demokratischen Republik Kongo ab, wo Katalysatoren gestohlen wurden, um sie für die Drogenherstellung zu verwenden. ⓘ

Diagnostik

In verschiedenen Ländern sind On-Board-Diagnosesysteme zur Überwachung der Funktion und des Zustands des Abgasreinigungssystems, einschließlich des Katalysators, vorgeschrieben. Fahrzeuge, die mit OBD-II-Diagnosesystemen ausgestattet sind, sind so konzipiert, dass sie den Fahrer auf Fehlzündungen aufmerksam machen, indem sie die "Motor überprüfen"-Lampe auf dem Armaturenbrett aufleuchten lassen oder blinken, wenn die aktuellen Fehlzündungen schwerwiegend genug sind, um den Katalysator zu beschädigen. ⓘ

On-Board-Diagnosesysteme gibt es in verschiedenen Formen. ⓘ

Temperatursensoren werden für zwei Zwecke eingesetzt. Der erste ist ein Warnsystem, typischerweise bei Zwei-Wege-Katalysatoren, wie sie manchmal noch bei Treibgasstaplern verwendet werden. Die Funktion des Sensors besteht darin, vor einer Katalysatortemperatur zu warnen, die über dem sicheren Grenzwert von 750 °C liegt. Moderne Katalysatorkonstruktionen sind nicht mehr so anfällig für Temperaturschäden und können Temperaturen von 900 °C (1.650 °F) standhalten. 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. ⓘ

Die Sauerstoffsonde ist die Grundlage des Regelkreises eines Ottomotors mit fetter Verbrennung; sie wird jedoch auch zur Diagnose verwendet. Bei Fahrzeugen mit OBD II ist nach dem Katalysator eine zweite Lambdasonde zur Überwachung der O₂-Werte eingebaut. Die O₂-Werte werden überwacht, um die Effizienz des Verbrennungsprozesses zu ermitteln. Der Bordcomputer vergleicht die Messwerte der beiden Sensoren. Die Messwerte werden durch Spannungsmessungen ermittelt. Wenn beide Sensoren den gleichen Wert anzeigen oder der hintere O₂-Sensor "schaltet", erkennt der Computer, dass der Katalysator entweder nicht funktioniert oder ausgebaut wurde, und schaltet eine Störungsanzeige ein und beeinträchtigt die Motorleistung. Es wurden einfache "Sauerstoffsensor-Simulatoren" entwickelt, um dieses Problem zu umgehen, indem der Wechsel über den Katalysator mit Plänen und vormontierten Geräten, die im Internet erhältlich sind, simuliert wird. Obwohl diese nicht für den Straßenverkehr zugelassen sind, wurden sie mit gemischten Ergebnissen eingesetzt. Ähnliche Geräte wenden einen Offset auf die Sensorsignale an und ermöglichen dem Motor eine kraftstoffsparendere Magerverbrennung, die jedoch den Motor oder den Katalysator beschädigen kann. ⓘ

NOx-Sensoren sind extrem teuer und werden im Allgemeinen nur verwendet, wenn ein Selbstzündungsmotor mit einem SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) oder einem NOx-Absorber in einem Rückkopplungssystem ausgestattet ist. In einem SCR-System können ein oder zwei Sensoren eingebaut sein. Bei einem Sensor handelt es sich um einen Vorkatalysator, bei zwei Sensoren ist der zweite ein Nachkatalysator. Sie werden aus denselben Gründen und auf dieselbe Weise wie ein Sauerstoffsensor verwendet; der einzige Unterschied ist die zu überwachende Substanz. ⓘ

Aufgabe und Wirkungsweise

Die Aufgabe des Fahrzeugkatalysators ist die chemische Umwandlung der Verbrennungsschadstoffe Kohlenwasserstoffe (C_mH_n), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NO_x) in die ungiftigen Stoffe Kohlenstoffdioxid (CO₂), Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂) durch Oxidation beziehungsweise Reduktion. Je nach Betriebspunkt des Motors und bei optimalen Betriebsbedingungen des Katalysators können Konvertierungsraten nahe 100 % erreicht werden. In der Abgasnachbehandlung sind neben den gasförmigen Schadstoffen auch Ruß bzw. Partikel zu verringern, siehe dazu Dieselrußpartikelfilter bzw. Ottopartikelfilter. ⓘ

Da die optimale katalytische Aktivität nur in einem bestimmten Temperaturbereich vorhanden ist, kann sowohl durch den Aufbau der Abgasanlage als auch durch die Betriebsstrategie die Wirksamkeit erheblich beeinflusst werden. Insbesondere das schnelle Erreichen der Konvertierung nach dem Fahrzeugstart hat erheblichen Einfluss auf die Gesamtemissionen. ⓘ

Arten

Ungeregelter Katalysator

In der Anfangszeit der Katalysatortechnik (in den 1970er Jahren in den USA und ab Anfang der 1980er Jahre in Deutschland) wurden in einer Übergangsphase Katalysatoren zum Nachrüsten von Fahrzeugen angeboten, deren Einbau steuerbegünstigt wurde. Dazu wurde der Mittelschalldämpfer durch den Katalysator ersetzt. Außerdem fanden auch noch bis Ende der 80er Jahre insbesondere bei preisgünstigen und kleinen Fahrzeugen mit Ottomotor ungeregelte Katalysatoren noch Verwendung. Hierbei wurde die Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs nicht durch eine Lambdasonde eingeregelt, sondern lediglich der Abgasstrom durch den Katalysatorblock geleitet. Dementsprechend schlechter war hierbei vor allem der Stickoxidabbau im häufig genutzten Teillastbereich des Motors, bei dem ein mageres Gemisch (Luftüberschuss) ausreichende Fahrleistungen bringt und eine dementsprechende Gemischzusammensetzung aus Gründen der Kraftstoffersparnis bei der Fahrzeugkonzeption bevorzugt wurde. Insbesondere bei den bis Ende der 1980er Jahre überwiegend vorhandenen Motoren mit Vergaser war die Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemisches konstruktionsbedingt nicht mit der gleichen Präzision möglich wie bei Motoren mit Saugrohreinspritzung, die sich deshalb seit dieser Zeit im Fahrzeugbau durchgesetzt haben. ⓘ

Bei Motorrädern finden sich auch heute (Stand 2018) teilweise noch ungeregelte Katalysatoren; insbesondere bei Kleinkrafträdern lohnen sich der technische und wirtschaftliche Aufwand für einen geregelten Katalysator oft nicht. Die Abgasvorschriften erlauben deutlich höhere Emissionen. ⓘ

Oxidationskatalysator

Zweitakt-Benzinmotor

Auch Zweitakt-Benzinmotoren, 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-Benzinmotor beträchtlichen C_mH_n-Ausstoß mindern. Für ältere Kraftfahrzeuge mit Zweitakt-Benzinmotor, wie dem Trabant, gibt es Nachrüst-Oxidationskatalysatoren. Diese fanden jedoch kaum Anwendung, da sie technisch nicht hinreichend ausgereift waren und einen unwirtschaftlichen Preis hatten. Allgemein lassen sich die Schadstoffemissionen von Zweitaktmotoren im Vergleich zu Otto- und Viertakt-Dieselmotoren aufgrund der Spülverluste (hoher Anteil von Frischgas im Abgas) und der Verbrennung von Öl (bei Gehäusespülung) jedoch nicht so stark senken. Das Arbeitsprinzip des Zweitaktmotors mit eher geringer Verbrennungstemperatur bewirkt allerdings auch, dass von vornherein deutlich weniger Stickoxide entstehen als beim Viertakter. ⓘ

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 C_mH_n ist im Sauerstoffüberschuss (λ > 1) analog zum herkömmlichen Dreiwegekatalysator weiterhin möglich, jedoch entstehen dabei mehr Stickoxide (NO_x). 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 Zwischenspeicherung von Stickoxiden ermöglichen. Um die aktuellen Abgasnormen einzuhalten, sind auch Diesel-PKW mit NO_x-Speicherkatalysatoren ausgerüstet. ⓘ

Auf geeigneten Trägern werden ein Edelmetallkatalysator wie Platin und eine NO_x-Speicherkomponente, die meistens eine Verbindung eines Erdalkalimetalls wie Bariumcarbonat oder Bariumoxid ist, aufgebracht. In der mageren, das heißt sauerstoffreichen Atmosphäre werden die Stickstoffoxide unter der Wirkung des Edelmetallkatalysators in Form von Nitraten wie beispielsweise Bariumnitrat gebunden und somit aus dem Abgasstrom entfernt. Durch das regelmäßige kurzzeitige „Anfetten“ laufen diese Reaktionen zwischendurch in der entgegengesetzten Richtung ab, wodurch die NO_x-Moleküle wieder in den Abgasstrom abgegeben und durch die in der fetten Atmosphäre vorhandenen reduzierenden Komponenten wie C_mH_n – unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe – und/oder CO wieder reduziert werden – idealerweise zu N bzw. N₂. Der Speicherkat kann NO_x nur in einem Temperaturbereich von 250 bis 500 °C speichern. Dieses Temperaturfenster wird durch dreiflutige Abgasrohre oder Auspuff-Bypässe erreicht. ⓘ

Ist die Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft, so wird seitens der Motorelektronik kurzzeitig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch eingestellt (circa zwei Sekunden lang). 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 soll es möglich sein, die Schadstoffemissionen sparsamer Magermixmotoren zu minimieren und gültige Grenzwerte der Euro-Normen einzuhalten. Die Aufnahmekapazität (circa 60 bis 90 Sekunden) wird durch einen NO_x-Sensor überwacht. ⓘ

SCR (Selektive Katalytische Reduktion)

Ein weiteres Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden ist die selektive katalytische Reduktion. Hierbei wird kontinuierlich die genormte wässrige Harnstofflösung AUS 32, zum Beispiel mittels Dosierpumpe, in den Abgasstrom eingespritzt. Dort reagiert der Harnstoff mit den Stickoxiden im Abgas am SCR-Katalysator in einer Redox-Reaktion zu elementarem Stickstoff (N₂) und Wasser. Das SCR-Verfahren wird inzwischen in zahlreichen Passagier- und Nutzfahrzeugen mit Dieselmotor eingesetzt, um vor allem die Abgas-Grenzwerte nach Euro 4, Euro 5 und Euro 6 einzuhalten. ⓘ

Erfüllung der heutigen Abgasgrenzwerte

Motornaher Katalysator der Fa. Emitec (Typ Metalit) für die Sport-Kompaktmodelle vom Typ Renault Twingo Sport 1,6 Liter Hubraum mit einer Leistung von 98 kW. ⓘ

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 mittels Sekundärluftgebläse, 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 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) wurden in den 90er Jahren sogenannte Aufrüstkats angeboten. Neben dem Effekt einer besseren Umweltverträglichkeit sowohl in der Kaltlaufphase als auch im warmen Betriebszustand (im Gegensatz zum Kaltlaufregler) wurde damit im Regelfall auch eine Einstufung in eine bessere Schadstoffklasse verbunden, was eine teils deutliche Ersparnis bei der Kfz-Steuer zur Folge haben konnte. ⓘ

Weiterentwicklung

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

• verbesserte Beschichtungen, um je nach Anwendung Stickoxide (NO_x) 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 ist darüber hinaus ein geringerer Kraftstoffverbrauch verbunden.
• verbesserte Reaktion der Abgasmoleküle mit den Edelmetallen durch Änderung des Strömungsprofils. Mittels Querrillen oder Durchbrüchen in den Katalysator-Monolithen kann man eine sogenannte turbulente Strömung erreichen, während die kleinen und langen Kanäle herkömmlicher Katalysator-Monolithe ein laminares Strömungsprofil erreichen. Querrillen 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 Drei-Wege-Katalysator zugelassen. Verzögert wurde die Einführung der Katalysatortechnik durch die Tatsache, dass bis Mitte der 1980er Jahre ausschließlich bleihaltiger Kraftstoff vertrieben wurde, der als Kontaktgift den Katalysator unbrauchbar macht. Fahrzeug- und Treibstoffhersteller sowie die Kfz-Nutzer standen der Einführung der bleifreien Kraftstoffe anfangs kritisch gegenüber. ⓘ

Seit 1996 in Kalifornien und nachfolgend auch in der EU müssen Fahrzeugkatalysatoren durch ein Diagnosesystem überwacht werden. Bei einer Fehlfunktion des Katalysators wird der Fahrer mit der Motorkontrollleuchte zum Besuch einer Werkstatt aufgefordert. ⓘ

Kritik

Edelmetalle aus den Katalysatoren werden zu einem kleinen Anteil in die Umwelt abgegeben und können am Straßenrand nachgewiesen werden. Die Belastung an sehr stark befahrenen Straßen beträgt einige µg/kg in der Grastrockenmasse. Eine Studie von 2003 kam zum Fazit, dass Ertragsverluste und Wachstumsbeeinträchtigungen bei Nutzpflanzen nicht zu erwarten wären und dass die ermittelten Konzentrationen „bisher nicht für die menschliche Gesundheit relevant sind.“ ⓘ