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 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 Sauerstoffspeicherkomponenten wie z.B. 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 mithilfe 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 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 stärker der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren optimiert wird, desto höher ist die Verbrennungstemperatur, denn der Wirkungsgrad η einer Wärmekraftmaschine 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 ständige Weiterentwicklung der Katalysatortechnologie wird die Wirkungsweise der Katalysatoren an die geänderten 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 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. Bei einem Dieselmotor verhindert der Sauerstoffüberschuss im Abgas die Reduktion des NOx und macht spezielle Katalysatoren erforderlich.

Düngeeffekt
In einer Ende 2005 abgeschlossenen Untersuchung an 30 Fahrzeugtypen vom TÜV und Botanikern des Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen von der Universität 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 Gülle entlang der Straßen und in die Städte. Dieser ungewollten Düngung 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 klären das bislang unverstandene Auftreten vom Moos Orthotrichum diaphanum an Mauern und Bäumen in Städten zur selben Zeit. Ursprünglich war das Moos nur an Betoneinfassungen von landwirtschaftlichen Misthaufen zu finden. Die Düngung 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 Dächern der Viehställe.

Ammoniak verbindet sich in der Luft mit Stickoxiden zum Düngemittel Ammoniumnitrat. Gelangt dieses mittels Regen in den Boden, so sammelt sich die Verbindung im Wurzelbereich an und erreicht für viele Pflanzen tödliche Konzentrationen. Das freigesetzte Ammoniumnitrat wird fünfmal so gut aufgenommen wie das herausgefilterte Stickoxid, ist also um ein Vielfaches wirksamer. Zwar besteht nach aktueller Sachlage keine direkte Gefährdung für die menschliche Gesundheit, doch wirkt sich die Überdüngung auf die Natur aus, welche sichtlich verarmt. So kommt es zur Verdrängung der üblichen Moose und Flechten, welche wegen der starken Konzentration von Ammoniak eingehen. Dasselbe Schicksal erleiden auch Blütenpflanzen, 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 Nährstoffe aufnehmen. Der Einsatz des Fahrzeugkatalysators wurde Pflicht, um die Luftverschmutzung und das damit einhergehende Waldsterben sowie die globalen Erwärmung durch Stickstoffemissionen zu reduzieren. Im Gegensatz zum sauren Regen sind Bäume nicht gefährdet, 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 zunächst nur durch innermotorische Maßnahmen, also die gezielte Beeinflussung der Verbrennung z.B. durch teilweise Abgasrückführung, 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 Abgaskrümmer verbaut, der Washcoat enthält nur Platin und/oder Palladium.

NOx-Speicherkatalysator und SCR (Selektive Katalytische Reduktion)
Moderne Magermixmotoren arbeiten in einem Sauerstoffüberschuss zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades. Herkömmliche Katalysatoren können daher nicht eingesetzt werden. Die Oxidation von CO und HmCn ist im Sauerstoffüberschuss (Lambda > 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 Diesel PKW`s in Zukunft mit NOx Speicherkatalysatoren ausgerüstet.

Ist die Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft, 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 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 (ca.60 bis 90 Sekunden) wird durch einen NOx-Sensor überwacht.

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 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 NOxe wieder in den Abgasstrom abgegeben und durch die in der fetten Atmosphäre vorhandenen, reduzierenden Komponenten wie HmCn ? unvollständig 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 Auspuffbypässe 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 herauszulösen und wieder zu Schwefeldioxid umzuwandeln (SO2), muss die Abgastemperatur auf 650 Grad 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 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 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 ? 300 °C fast funktionslos. Die Kaltstartphase kann durch folgende Maßnahmen verkürzt werden.

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

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 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 Umweltschutzgründen Katalysatoren vor. Andere Länder 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 früheren Untersuchungen in den USA. Ursache ist hauptsächlich der Verlust von Katalysatormaterial bei Zerstörung des Katalysators durch Motorfehlfunktion. 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 wieder verwertet.