Metallkatalysatoren bestehen aus einem Stahlmonolithen sowie der katalytischen Beschichtung. Sie sind eine Alternative zu Keramikkatalysatoren. Neben der Verwendung als Fahrzeugkatalysatoren werden Metallkatalysatoren in kleinen Motoren wie Kettensägen und Rasenmähern sowie in Industrieanlagen wie Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder Dieselgeneratoren eingesetzt.
Aufbau mini|Metall-Katalysator in einfacher Spiralwicklung. Die Stahlmonolithen bestehen aus spiralförmig gewickelten, dünnen Metallfolien, meist aus abwechselnd glatten und gewellten Schichten, oder aus geschichteten Platten. Die hauchdünn gewalzten Bleche, meist weniger als 50 µm dick, bestehen aus hochlegierten, nichtrostenden Spezialstählen mit einem Aluminiumanteil von bis zu 10 %. Aufgrund des hohen Aluminiumgehalts, der für das Aufbringen des Washcoats und der Edelmetallsalze unerlässlich ist, lassen sich die Metallfolien nicht miteinander verschweißen. In einem speziellen Verfahren werden die Kontaktstellen der Folienschichten untereinander und diese wiederum mit dem Metallmantel in einem Hochvakuum-Ofen verlötet. Dadurch werden eine hohe mechanische Festigkeit und eine präzise Zellstruktur erreicht. Das Hartlöten verhindert auch das „Ausspiralisieren“ unter Belastung im täglichen Fahrzeugbetrieb. Nach dem Vakuumlöten werden die verlöteten Metallfolien mit dem Washcoat, einer Mischung aus Aluminiumoxid und anderen Metalloxiden wie Zirconium- und Cer(IV)-oxid sowie den Edelmetallsalzen, beschichtet.
Vorteile Einer der Vorteile von Metallkatalysatoren ist ihre geringe Wandstärke. Metallische Monolithe weisen Schichtdicken von 20 µm auf, während die dünnsten keramischen Monolithe Wandstärken von 40 µm aufweisen. Geringe Zellwandstärken bieten ein günstiges Verhältnis von offenem Strömungsquerschnitt zu geometrischer Oberfläche. Dadurch reduzieren sie den Abgasgegendruck und damit einen möglichen Leistungsverlust. Dieser lag bei den ersten keramischen Katalysatoren noch bei 10 %. Metallmonolithe mit Turbulenz erzeugenden Profilen sind bis zu 30 % leistungsfähiger als vergleichbare Keramikkatalysatoren. Die strukturierten Kanäle brechen die laminare Strömung auf und sorgen für Turbulenzen. Diese wiederum erhöhen den Stoffaustausch zwischen dem Abgas und den katalytisch aktiven Komponenten und steigern letztendlich die katalytische Aktivität. Aufgrund der Turbulenz erzeugenden, strukturierten Metallfolien, lassen sich bei gleicher Reinigungsleistung um 30 % kleinere Katalysatoren herstellen und damit die Kosten für die Edelmetalle reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil ist die geringere Wärmekapazität. Dadurch wird die notwendige Betriebstemperatur für die katalytische Umsetzung der Abgase bei Metallkatalysatoren schnell erreicht. Eine hohe thermische und mechanische Stabilität auch bei starken Temperatur- und Lastwechseln, so genannten Thermoschocks, sind weitere Vorteile der Metallkatalysatoren. Hinzu kommt eine flexible Gestaltung des Katalysatorquerschnitts. So kommen runde, ovale, auch Racetrack genannte, quadratische oder sechseckige Formen zum Einsatz.
Da die Metallträger direkt in die Abgasanlagen eingeschweißt werden können, reduziert sich der Montageaufwand im Vergleich zu keramischen Substraten. Dadurch sind Fasermatten, die zur Lagerung der Keramikmonolithe unverzichtbar sind, nicht notwendig. Diese gelten gemäß EU-Einstufung als krebserzeugend.
Hersteller von Metall-Träger-/Katalysatoren sind unter anderem die Firmen Ecocat in Vihtavuori, Finnland, Emitec in Lohmar, Oberland Mangold in Eschenlohe, Bayern, Emission Partner, Niedersachsen sowie die Firma Lindo Gobex in Gorzów, Polen. Als Erstzulieferer für die Automobil- und Nutzfahrzeughersteller ist davon lediglich Emitec aktiv.
mini|Metall-Katalysator in M-Wicklung (innerer Kat) mit zusätzlichem Ring-Katalysator (äußerer Kat) Im Fahrbetrieb ist der beschichtete Metallträger extremen Temperaturschwankungen, Vibrationen und Stößen ausgesetzt. Er dehnt sich bei Erwärmung aus und zieht sich bei Abkühlung zusammen. Das Problem der Ermüdungsfestigkeit des Metallträgers wurde gelöst, indem statt einer einfachen Spiralwicklung eine S-förmige Wicklung verwendet wurde. Bei dieser Anordnung liegt Schicht auf Schicht nicht mehr parallel zur Gehäusewand, sondern nur noch die Enden der einzelnen Schichten kommen mit der Gehäusewand in Berührung und sind mit ihr verlötet. Ein solcher Aufbau führt zu einem Träger mit hoher Stabilität und gleichzeitig hoher Elastizität, die für die thermische Ausdehnung notwendig ist. Neben zwei Wickeldornen für eine S-Wicklung ist auch der Einsatz von drei Dornen für eine M-Wicklung möglich. Vier und mehr Dorne sind möglich, wenn Träger mit großen Durchmessern hergestellt werden sollen, etwa für Nutzfahrzeuge oder stationäre Motoren.
Parallel zur Entwicklung geeigneter Stahlfolienrezepturen liefen zahlreiche Hartlötversuche sowie die Entwicklung einer Qualitäts-Prüfmethode der gelöteten Träger in kaltem Zustand. Auch das Lötverfahren wurde in kleinen Schritten weiterentwickelt, bis man das ganze Hartlötverfahren mittels Vakuumtechnik beherrschte. Dabei gewann man die Erkenntnis, dass auch die Wickeltechnik der Folien entscheidenden Einfluss auf die Haltbarkeit der Lötverbindung hatte.
Das Problem der Dauerhaltbarkeit beim Metall-Träger wurde gelöst, indem statt einer einfachen Spiralwicklung eine S-förmige Wicklung verwendet wurde. Diese wurde von Emitec 1985 zum Patent angemeldet. Bei dieser Anordnung liegt nun nicht mehr Lage auf Lage parallel zur Gehäusewand, sondern nur noch die Enden der Einzelschichten kommen mit ihr in Berührung und werden mit ihr hartgelötet. Diese Bauweise ergibt einen Träger großer Stabilität bei zugleich hoher Elastizität, welche für die Wärmedehnung absolut notwendig ist. Aus anfänglich zwei Wickeldornen (für eine S-Wicklung) wurden im Lauf der Jahre drei Dorne (für eine M-Wicklung). Darüber hinaus sind auch vier Dorne und mehr möglich, wenn Träger mit großen Durchmessern etwa für Nutzfahrzeuge oder Stationärmotoren hergestellt werden sollen.
Ausführungen und Einsatzbereiche mini|Metall-Katalysator am Motor einer Asphalt-Tandemwalze Bomag BW 135 AD Die Leistungsfähigkeit der Katalysatoren wird durch die Art der Beschichtung, durch die Zelldichte cpsi (Zahl der Zellen pro Quadratinch von 150 bis 2.400 cpsi sind möglich) und durch das zur Verfügung gestellte Trägervolumen bestimmt. Es können produktionstechnisch Trägerdurchmesser von 28 bis 1.200 mm realisiert werden. Bei ganz großen Trägerdurchmessern haben sich in der Praxis allerdings einzelne, hexagonale Katalysatoren, die als Matrix zusammengesetzt werden können, vielfach durchgesetzt.
Metall-Katalysatoren finden in vielen Einsatzgebieten ihre Anwendung wie in Fahrzeugen (PKW, LKW, Motorräder, Non-Road-Fahrzeugen wie Baumaschinen, Flurförderzeuge wie Gabelstapler sowie Landmaschinen unter anderem in Traktoren, Eisenbahn-Lokomotiven sowie in Schiffen). Darüber hinaus gelangen sie in Kleinmotoren (z. B. Kettensägen, Rasenmäher) und in Industrieanlagen (Konventionelle Kraftwerke, Blockheizkraftwerken (BHKW) mit Dieselmotoren oder Gasturbinen oder stationäre Stromgeneratoren etc.) zum Einsatz.
Arten Otto- und Dieselmotoren miniatur|links| Motornaher Metall-Katalysator mit turbulentem Metallträgerprofil an einem 4-Zylinder-Turbobenziner von FPT Metall-Katalysatoren gibt es als Drei-Wege-Katalysator für Ottomotoren und als Oxydationskatalysator für Dieselmotoren.
2004 setzte der Nutzfahrzeughersteller MAN nach langjährigen Versuchen erstmals den neu entwickelten Dieselpartikelfilter (DPF) vom Typ PM-(Particulate Matter-) Metalit, den PM-Kat, weltweit bei den Nutzfahrzeugmotoren der Baureihe D20 serienmäßig ein. Bei den Automobilen setzte als erster BMW den PM-Metalit im 1er Diesel-PKW ein. Später kamen Einsätze in der Serienfertigung der Diesel-Smart hinzu. Neben der Reduktion der Partikelmasse um mehr als 30 % wird vor allem die Anzahl der als besonders gesundheitsschädlichen Ultrafeinpartikel (Durchmesser kleiner 400 nm) um etwa 80 % reduziert.
mini|Emitec Oxi-Kat (links) mit nachfolgendem Dieselpartikelfilter PM-Metalit (rechts) für Lkws zur Erfüllung der Euro V-Grenzwerte.
Da der Gesetzgeber bis heute keinen Unterschied zwischen groben Partikeln, die für die Partikelmasse zuständig sind und den gesundheitsschädlichen Feinstpartikeln macht, hat sich der Metall-Dieselpartikelfilter als Nebenstromfilter im Vergleich zum wanddurchströmten Keramikfilter im Automobilsektor bisher nicht durchgesetzt.
Ganz anders sieht es im Nutzfahrzeugbereich und vor allem bei Non-Road-Fahrzeugen aus. Aufgrund ihrer hohen Robustheit dominieren dort die Metall-Dieselpartikelfilter beziehungsweise die SCR-Systeme (SCR = Selective Catalytic Reduction), welche wesentlich auf den Konstruktionen des Metall-Dieselpartikelfilters aufbauen.
Zweirad-Metall-Katalysatoren mini|Metall-Katalysator an einem Motorrad vom Typ KTM 990 Super Duke. Eingebaut ist der beschichtete Metallträger, also der fertige Katalysator zu sehen (hellbraun); oben aufgelegt ist der unbeschichtete Metallträger dargestellt (hellgrau). Bereits 1987 wurden Metallträger für Zweiradkatalysatoren (Viertakt- und Zweitaktmotoren) entwickelt und eingesetzt. Vor allem die aufstrebenden Schwellenländer China und Indien wollten die Emissionen ihres schnell wachsenden Zweirad- und Dreiradmarktes in den Griff bekommen.
In Indien beispielsweise werden hauptsächlich Metall-Katalysatoren für Zweitaktmotoren mit 125 Kubikzentimeter eingesetzt. Diese Motoren treiben vom Zweirad bis hin zu skurrilen dreirädrigen Transportvehikeln mit dem Namen „Tuk Tuk“ eine Vielzahl an Fahrzeugen an. Die eingebauten Metall-Katalysatoren verhelfen den bisher stinkenden Motoren immerhin zu den Abgaswerten auf Niveau der Euro 2.
Heute werden auch Hochleistungsmotorräder wie Aprilia RSV4, BMW R 1200 sowie S 1000 RR oder KTM Super Duke ausschließlich mit Metall-Katalysatoren bestückt. Bruchempfindliche Keramik-Monolithen scheiden von vornherein aus.
Von Aprilia über Honda, Kawasaki bis hin zu Suzuki und Triumph setzen alle Motorradhersteller ausschließlich Metall-Katalysatoren ein. Selbst das urwüchsige Diesel-Motorrad Neander ist mit einem Metall-Partikelfilter bestückt. Hierbei handelt es sich übrigens um das erste Turbo-Diesel-Motorrad der Welt!
Industrie-Katalysatoren
Oberland-Mangold produziert nach eigenen Aussagen Metall-Träger bis 1.200 mm Durchmesser. Da diese großen und vor allem sehr schweren Einzel-Katalysatoren gewisse Probleme bei der Handhabung und Montage mit sich bringen, hat beispielsweise die Firma Emitec die HEXA-Kat-Module entwickelt. Hierbei handelt es sich um kompakte hexagonale, also sechseckige Metall-Träger (Breite an der schmalen Stelle entspricht der Schlüsselweite von 250 mm), die zu größeren Katalysatorpaketen zusammengefasst werden können. Damit lassen sich selbst größte Abgassysteme für Maschinen und Kraftwerke im MW-Bereich relativ einfach, flexibel und vor allem kostengünstig realisieren.
Geschichte Der Metallträger als Basis für den Auto-Katalysator hat Generationen von Ingenieuren beschäftigt, lange bevor der Keramikträger als Lösung präsentiert wurde. Bereits 1929 erkannte Joseph Christie Whitney Frazer (* 30. Oktober 1875; † 28. Juli 1944) aus Baltimore/USA die Vorteile des Metallträgers und ließ im selben Jahr seine diesbezüglichen Entwicklungen patentieren. Das Patent beschreibt einen Katalysatorträger aus gewellter Stahlfolie, wobei die gewellten Folien durch glatte Folien voneinander getrennt wurden. Weitere Ansprüche nennen anstelle der gewellten Metallfolie Siebe oder Lochbleche. Das war keineswegs der erste Vorschlag für einen Abgaskatalysator, doch scheint Joseph Christie Whitney Frazer damit der Urvater des heutigen Stahlträgers für Metall-Katalysatoren gewesen zu sein. Frazer meldete seinen Stahlträger für Metall-Katalysatoren auch in Deutschland zum Patent an und erhielt 1930 das Deutsche Reichspatent Nr. 563757.