mini|hochkant=1.5|Aufbau eines Drei-Wege-Katalysators
Der Drei-Wege-Katalysator ist ein Fahrzeugkatalysator mit Lambdaregelung zur Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit Ottomotor, bei dem Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Aus der gleichzeitigen Umwandlung dieser drei Luftschadstoffe ergibt sich der Name des Katalysators.
Die Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemisches von Ottomotoren ist abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit und den vorherrschenden Verkehrsbedingungen. Sie variiert zwischen einem mageren Zustand mit einem überstöchiometrischen Luftanteil und einem fetten Zustand, bei dem nicht genügend Sauerstoff für die komplette Verbrennung des Kraftstoffs vorhanden ist. Die unbehandelten Abgase von Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung weisen beim Betrieb mit mageren Gemischen eine signifikante Konzentration an Stickoxiden auf. Beim Betrieb mit fetten Gemischen ist hingegen eine hohe Konzentration an Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen vorhanden. Um einen hohen Umwandlungsgrad der Schadstoffe zu gewährleisten, wird mit Hilfe eines Regelkreises mit Lambdasonde das Verbrennungsluftverhältnis, also das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die „Luftzahl“ Lambda, in einem engen Bereich, dem sogenannten Lambda-Fenster, gehalten.
In den 1970er Jahren erließen die Vereinigten Staaten, Japan sowie Europa erste gesetzliche Vorschriften zur Begrenzung der Emissionen der wichtigsten Schadstoffe. Die vorgeschriebenen Maßnahmen führten bereits zu einer deutlichen Verbesserung der Luftqualität. Die Einführung des geregelten Drei-Wege-Katalysators ermöglichte schließlich die Umwandlung eines Großteils der Schadstoffe in unschädliche Bestandteile und somit eine erhebliche Reduzierung des Schadstoffausstoßes eines Verbrennungsmotors. Zudem erforderte der Einsatz des Drei-Wege-Katalysators ein Verbot von Tetraethylblei als Kraftstoffzusatz, wodurch die Bleiemissionen im Straßenverkehr erheblich zurückgingen. Der Drei-Wege-Katalysator gilt als einer der größten Erfolge in der Geschichte des Umweltschutzes des 20. Jahrhunderts.
Geschichte Eine Kombination verschiedener Umstände veranlasste die Kraftfahrzeughersteller gegen Ende der 1970er Jahre dazu, Drei-Wege-Katalysatoren einzuführen. Wichtige Faktoren dabei waren das wachsende Umweltbewusstsein und die kontinuierliche Verschärfung der Abgasnormen seit den 1960er Jahren. Dadurch wurde die Entwicklung und Massenproduktion von Systemkomponenten wie dem Katalysator selbst, der Lambdasonde sowie Gemischbildungssystemen und Steuereinheiten zur Einstellung des Luft-Kraftstoff-Gemischs zu einem zentralen Thema der Automobil- und Zulieferindustrie. Drei-Wege-Katalysatoren erfüllten die Abgasnormen bei einem geringeren Kraftstoffverbrauch und einer höheren Leistung als die meisten anderen Technologien zur Abgasreduzierung.
Luftverschmutzung in Kalifornien mini|Verkehr in Los Angeles
In Kalifornien und insbesondere in Los Angeles, das von Bergen umgeben ist, die den Luftaustausch behindern und Schadstoffe in der Luft zurückhalten, bestand seit Anfang der 1950er Jahre ein chronisches Luftverschmutzungsproblem. Zu jener Zeit erforschte Arie Jan Haagen-Smit vom California Institute of Technology die Entstehung von Sommersmog und wies nach, dass die Emissionen von Kraftfahrzeugen maßgeblich zu dessen photochemischer Entstehung beitragen. Die Emissionen von Neuwagen lagen damals typischerweise bei 8,1 Gramm Kohlenwasserstoffen, 2,2 Gramm Stickoxiden und 54,1 Gramm Kohlenstoffmonoxid pro Kilometer.
Ein wesentlicher Faktor für die Luftverschmutzung war das starke industrielle Wachstum Kaliforniens während des Zweiten Weltkriegs. Da die Wohngebiete weit von den Industriegebieten entfernt lagen und keine öffentlichen Verkehrsmittel zur Verfügung standen, benutzten die Einwohner in Gebieten wie Los Angeles hauptsächlich das Auto als Verkehrsmittel. Die intensive Nutzung führte zu einer starken Zunahme der Luftverschmutzung, die insbesondere im Einzugsgebiet von Los Angeles zu Reizungen der Augen und der Atemwege der Bevölkerung führte. Zur Bekämpfung der Luftverschmutzung durch Kraftfahrzeuge erließ Kalifornien 1960 den „Motor Vehicle Pollution Control Act“, der den Einbau von Abgasreinigungsanlagen in Fahrzeuge des Modelljahres 1968 vorschrieb.
In der Folge wurden die Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen landesweit als ernstes Problem erkannt. Das US-Department of Health, Education and Welfare begrenzte 1965 die Abgasemissionen von Neufahrzeugen ab Januar 1968 auf 2,05 Gramm Kohlenwasserstoffe und 20,5 Gramm Kohlenstoffmonoxid pro Kilometer. Forschungsgruppen von Automobilherstellern begannen, die Möglichkeiten zur Reduzierung von Emissionen zu untersuchen. Aufgrund ihrer zentralen Rolle bei der Bildung von photochemischem Smog wurden Kohlenwasserstoffe als primär zu eliminierende Schadstoffe eingestuft. Der Einsatz von Oxidationskatalysatoren wurde als ein vielversprechender Ansatz zur Reduzierung von Kohlenwasserstoffemissionen angesehen, aufgrund verschiedener motortechnischer Probleme und der Deaktivierung durch Blei wurde ihre Verwendung jedoch zunächst als nicht realistisch bewertet.
Stattdessen wurden die Grenzwerte anfangs durch magere Luft-Kraftstoff-Gemische, leicht verzögerte Zündzeitpunkte sowie durch den Einbau von Kurbelgehäuseentlüftungen eingehalten. Diese reduzierten die Kohlenwasserstoffemissionen aus Kurbelgehäusen, die etwa ein Viertel der Gesamtkohlenwasserstoffemissionen ausmachten.
Clean Air Act 1970 mini|Richard Nixon bei der Unterzeichnung des Clean Air Act von 1970 mit William Ruckelshaus, Administrator der EPA (links), und Russell E. Train, Vorsitzender des Council on Environmental Quality
Im Jahr 1970 wurde die Environmental Protection Agency (EPA) gegründet, die damit beauftragt wurde, die Luftqualität beeinträchtigenden Emittenten zu regulieren. Dazu wurde der Clean Air Act von 1970 verabschiedet. Demnach durften Fahrzeuge des Modelljahres 1975, die in den USA verkauft wurden, auf den ersten 80.500 Kilometern maximal 0,93 Gramm Kohlenwasserstoffe, 9,32 Gramm Kohlenstoffmonoxid und 1,93 Gramm Stickoxide pro Kilometer ausstoßen.
Bis zu jenem Zeitpunkt orientierten sich die Gesetze zur Luftreinhaltung an vorhandenen Technologien und schrieben Grenzwerte vor, die damit erreichbar waren. Der Clean Air Act von 1970 legte hingegen Normen für das Jahr 1975 fest, sodass die Industrie die entsprechende Technologie erst entwickeln musste, um diese einzuhalten. Führende Vertreter der Automobilindustrie bezweifelten zunächst, dass eine Reduzierung der Fahrzeugemissionen um 90 % in fünf Jahren technologisch möglich sei.
Ein von studentischen Ingenieursteams des California Institute of Technology (Caltech) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) initiiertes Rennen, das sogenannte Clean Air Car Race, zeigte jedoch, dass die geforderten Abgaswerte bereits 1970 mit bestehender Technologie erreicht werden konnten. Das Rennen gewann ein mit einem Oxidationskatalysator und einer Abgasrückführung ausgestatteter Mercury Capri, der mit bleifreiem Benzin fuhr. Mit dieser Technologie konnten die Reduktionsziele für Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen erreicht werden.
Oxidationskatalysatoren Unter der Leitung von Ed Cole übernahm General Motors (GM) ab 1970 eine führende Position bei der Senkung des Verdichtungsverhältnisses von Motoren sowie bei der Entwicklung von bleifreiem Benzin. Beides waren Voraussetzungen für die Einführung von Oxidationskatalysatoren. Zwischen 1970 und 1974 investierte GM etwa 800 Millionen US-Dollar (: etwa Milliarden US-Dollar) in die Forschung und Entwicklung im Bereich der Emissionskontrolle und der Katalysatorentwicklung. Zudem erwarb GM für 100 Millionen US-Dollar (entsprechend etwa Millionen US-Dollar im Jahr ) die Rechte an der Platin- und Palladiumproduktion südafrikanischer Minen. Die Oxidationskatalysatoren wurden in einem neu errichteten Werk der AC Spark Plug Division in Oak Creek (Wisconsin), hergestellt, das im April 1974 in Betrieb genommen wurde. Dort sollten sechs Millionen Oxidationskatalysatoren pro Jahr für GM und Kunden wie die American Motors Corporation produziert werden. mini|Oxidationskatalysator von E. J. Houdry (1954) Die Oxidationskatalysatoren basierten auf einem von Eugene Houdry Anfang der 1950er Jahre entwickelten Oxidationskatalysator, zum Teil als Zwei-Wege-Katalysator bezeichnet, dessen aktive Komponente Platin auf Aluminiumoxidpellets war. Der von GM entwickelte Konverter erzeugte einen hohen Gegendruck und die mit Edelmetall imprägnierten Pellets zerrieben sich während des Fahrbetriebs. Die Pellets konnten zwar durch Nachfüllen ersetzt werden, der Konverter war jedoch relativ groß und schwer und erwärmte sich nur langsam, was Probleme bei der Abgaskonvertierung nach einem Kaltstart verursachte.
Eine bessere mechanische Belastbarkeit zeigten Fahrzeugkatalysatoren auf Basis keramischer Monolithen. Engelhard hatte in den 1960er Jahren mit der Herstellung dieser sogenannten PTX-Katalysatoren mittels Washcoat-Technologie begonnen. Diese Technologie wurde für die spätere Anwendung im Automobilbereich übernommen.
General Motors stattete alle Modelle des Jahres 1975 mit Oxidationskatalysatoren aus. Dadurch stiegen die Kosten eines durchschnittlichen Autos zwar um etwa 140 US-Dollar (: etwa US-Dollar), gleichzeitig sank der Kraftstoffverbrauch dieser Modelle im Vergleich zum Modelljahr 1974 jedoch um durchschnittlich 28,3 %. Die Verwendung von bleifreiem Benzin sollte zudem die Lebensdauer einiger Motor- und Auspuffkomponenten verlängern. Die Kraftstoffersparnis überzeugte auch die Ford Motor Company, Oxidationskatalysatoren einzusetzen.
Andere Konzerne versuchten zunächst mit Konzepten wie dem Schichtladungsmotor die vorgeschriebenen Abgaswerte zu erreichen. Die Standards wurden jedoch bereits für das Modelljahr 1978 auf 0,25 Gramm Kohlenwasserstoffe, 2,11 Gramm Kohlenstoffmonoxid und 0,25 Gramm Stickoxide pro Kilometer reduziert. Diese Werte waren ohne den Einsatz von Oxidationskatalysatoren nicht einzuhalten. Zudem legte die EPA fest, dass bis zum 1. Juli 1974 bleifreies Benzin allgemein verfügbar sein müsse, sodass die Einführung des Oxidationskatalysators ermöglicht wurde.
Für die Umwandlung von Stickoxiden stand anfangs kein wirksames Katalysatormaterial zur Verfügung. Als technische Maßnahme wurde zunächst eine partielle Rückführung des an Wasser, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid reichen Abgases in den Ansaugtrakt des Motors durchgeführt. Dadurch wurde die Wärmekapazität des Gasgemischs erhöht und die Verbrennungstemperatur gesenkt und damit die Bildung von Stickoxiden verringert.
Dual-Bed-Systeme mini|Aufbau und Wirkung eines Dual-Bed-Systems
Die Einhaltung der ersten Standards für Stickoxidemissionen war noch durch rein motortechnische Einstellungen möglich. Die Abgasrückführung senkte die Stickoxidemissionen zwar um etwa 30 %, wirkte sich jedoch negativ auf die Motorleistung aus. Eine Verbesserung boten Katalysatoren der zweiten Generation, sogenannte Dual-Bed-Systeme. Diese bestanden aus zwei verschiedenen Arten von Katalysatoren, die hintereinander installiert wurden. Um die Reduktion der Stickoxide zu gewährleisten, wurde der Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoffüberschuss betrieben. Dies vereinfachte das Motormanagement, führte jedoch zu einer niedrigeren Kraftstoffeffizienz.
Die Umsetzung der Stickoxide erfolgte in einem ersten Katalysator in einer durch den Kraftstoffüberschuss reduzierenden Atmosphäre. Hinter diesem wurde zusätzliche Verbrennungsluft injiziert, sodass die Oxidation von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen über den zweiten Katalysator erfolgen konnte.