Katalysator

Aufbau des Katalysators

Ein Katalysator besteht aus einem Edelstahlgehäuse. In diesem ist ein metallischer (Metalith) oder keramischer (Monolith) Träger gelagert. Der Träger ist in Längsrichtung von vielen kleinen Kanälen durchzogen. Ziel ist es, damit eine möglichst große Oberfläche zu schaffen, so dass der Katalysator eine optimale Wirkung hat. Die Trägeroberfläche wird mit einer hochporösen Schicht (Wash-Coat) versehen. In diese sind Edelmetalle (Platin, Palladium und/oder Rhodium) eingelagert.

Arten von Katalysatoren

Bei Katalysatoren wird zwischen folgenden drei unterschieden:

EOBD

Austausch-Katalysatoren für Euro 3- und Euro 4- Fahrzeuge mit einer europäischen On-Board-Diagnose (EOBD) werden als EOBD-fähige Katalysatoren bezeichnet. Vor allem neuere Fahrzeugmodelle verfügen über eine EOBD. Auch die neuen Generationen von Diesel-Fahrzeugen sind in der Regel mit der EOBD-Funktion ausgestattet. Die EOBD hat die Aufgabe, während der Fahrt alle abgasrelevanten Bauteile und Sensoren zu überwachen. Dabei hält sie Fehlfunktionen fest, die dem Fahrer beispielsweise durch eine Warnlampe (MIL) angezeigt werden.

Oxidationskatalysator

Dieselmotoren arbeiten grundsätzlich mit einem hohen Luftüberschuss. Aus diesem Grund haben sie einen hohen Anteil an Sauerstoff im Abgas. Der Katalysator für Dieselmotoren oxidiert zweierlei Stoffe:

• Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO2) sowie
• Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O).

Drei-Wege-Katalysator

Diese Art von Katalysator ist für Ottomotoren bestimmt. Bei Betriebstemperatur wandelt er folgende Stoffe um:

• unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) in Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O)
• Kohlenmonoxid (CO) in Kohlendioxid (CO2)
• Stickoxide (NO, NO2) in Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2)

Diese drei Vorgänge laufen gleichzeitig im Katalysator ab. Er wird daher als Drei-Wege-Katalysator bezeichnet.

Ein Drei-Wege-Katalysator benötigt eine bestimmte Abgaszusammensetzung. Nur so kann er seine volle Wirkung entfalten. Dabei muss genau so viel Sauerstoff freigesetzt werden, wie zur Oxidation der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids benötigt wird. Dieser Fall tritt ein, wenn ein Teil des Kraftstoffes mit 14,7 Teilen Luft vermischt und im Motor verbrannt wird. Man spricht hier von einem sogenannten „stöchiometrischen Gemisch“ (Lambda = 1). Um dieses Gemisch zu erreichen, misst die zwischen dem Motor und Katalysator platzierte LambdaSonde den Restsauerstoffgehalt im Abgas. Die Motorsteuerung verarbeitet das Messergebnis und gibt die Steuerimpulse für eine optimale Gemischbildung.

Mit der verpflichteten Einführung der EURO 5-Abgasgesetzgebung seit dem 01. Januar 2011 wurden neue Entwicklungen im Bereich der Katalysatoren erforderlich. Moderne Drei-Wege-Katalysatoren wärmen sich mittlerweile in nur wenigen Sekunden auf. Dieses sogenannte „Light-Off“- Verhalten wird durch den Einsatz von speziellen Beschichtungen unterstützt.

Neben den Beschichtungskonzepten werden verstärkt konstruktiv anspruchsvolle Katalysatorgeometrien („Close Couple“ oder motornahe Systeme) verwendet. Dazu gehören auch sogenannte „Krümmer-Katalysatoren“, bei denen der Katalysator und der Abgaskrümmer eine Einheit bilden.

Bei den genannten Abgaskonzepten werden die heißen Abgase des Verbrennungskonzeptes des Motors direkt in den Katalysator geleitet. Die enormen Temperaturen im Ausgangsbereich der Motoren oder Turbolader führen hierbei zu einer Temperaturbeaufschlagung von bis zu 1.000 °C.

Eine weitere Besonderheit stellen die hohen Beschleunigungskräfte dar. Durch die direkte Verbindung zwischen dem Motor und der Abgasanlagen können diese bei bis zu 75g liegen. Diese neuen Bauformen müssen strömungstechnisch angepasst werden. Das ist notwendig, um die Anströmung der verbauten Abgas-Sensoren jederzeit zu gewährleisten und somit den Steuergeräten erforderliche Informationen zu Temperaturen, Abgaszusammensetzungen und Gegendrücken zu liefern.

Katalysatorvergiftung

Verbrennt der Motor zu viel Öl, können sich die darin enthaltenen Additive auf der Katalysatoroberfläche ablagern und diese verriegeln. Die Abgase gelangen nicht mehr an die Edelmetalle und der Katalysator verliert seine Funktion.

Ein weiterer Grund für Katalysatorvergiftungen können Kurzstreckenfahrten sein. Der Katalysator kann in diesem Fall jedoch durch längere Autobahnfahrten regeneriert werden.

Früher kam es durch verbleites Benzin zu Vergiftungen. Dies kann heute jedoch nur durch das Tanken im Ausland vorkommen. Um das zu verhindern sollte darauf geachtet werden, dass bleifreier Kraftstoff (unleaded; sans plomb) getankt wird.

Schmelzen des Katalysators

Fehler in der Zünd- oder Gemischaufbereitungsanlage können dazu führen, dass ein unverbranntes Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Katalysator gelangt und auf der Katalysatoroberfläche verbrennt. Die Temperaturen im Katalysator können dabei auf über 1000 °C steigen. Davon wird der Katalysatorträger zerstört. Störungen an der Zündung oder Gemischaufbereitung sollten deshalb umgehend in einer Fachwerkstatt behoben werden.