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. mini|300px|Fahrzeugkatalysator mit Wabenkörper aus Keramik
Geschichte Erfinder des ersten Autoabgaskatalysators war der französische Ingenieur Eugene Houdry. Um 1950, als die Ergebnisse erster Untersuchungen über Smog in Los Angeles veröffentlicht wurden, machte er sich Gedanken über den Einfluss von Autoabgasen auf die Luftverschmutzung und gründete ein spezielles Unternehmen, die Oxy-Catalyst Company, die Abgaskatalysatoren für Benzinmotoren entwickeln sollte – eine Idee, die ihrer Zeit weit voraus war. Er entwickelte den ersten Autoabgaskatalysator und erhielt 1956 ein Patent dafür (US2742437). Allerdings wurden diese ersten Autoabgaskatalysatoren nicht eingesetzt, da sie vom Blei im Antiklopfmittel Tetraethylblei vergiftet wurden.
Später entwickelten John J. Mooney und Carl D. Keith den Drei-Wege-Katalysator bei der Engelhard Corporation, die ihn 1973 in den Markt einführte. Da ein Ottomotor mehr und deutlich höhere Emissionen als ein Dieselmotor hat und der Drei-Wege-Katalysator bei letzterem nicht einsetzbar ist, gerade weil die CO- und HC-Emissionen fehlen, die er für seine Funktion benötigt, wurden Fahrzeugkatalysatoren zuerst beim Benzinmotor eingeführt.
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 Katalysator-Pflicht für alle Neuwagen mit Ottomotor festgelegt wurde.
Aufgabe und Wirkungsweise Die Aufgabe des Fahrzeugkatalysators ist die chemische Umwandlung der Verbrennungsschadstoffe Kohlenwasserstoffe (CmHn), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) 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.
Aufbau mini|links|Rhodium, ein möglicher Bestandteil von Katalysatoren.
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. mini|Aufgeschnittener Fahrzeugkatalysator mit metallischem Träger
Arten
Geregelter Drei-Wege-Katalysator
Bei einem geregelten Drei-Wege-Katalysator (auch G-Kat genannt) findet die Oxidation von CO und CmHn sowie die Reduktion von NOx parallel zueinander statt: Es werden CmHn mit O2 zu CO2 und H2O oxidiert, CO mit O2 zu CO2 oxidiert und NOx mit CO zu N2 reduziert, bzw. CO zu CO2 oxidiert.
Voraussetzung dafür ist ein konstant stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis (λ = 1) von 14,7 Kilogramm Luft pro Kilogramm Superbenzin (Oktan 95) und 14,8 Kilogramm Luft pro Kilogramm Normalbenzin (Oktan 91). Für Ethanol-Kraftstoff ist das stöchiometrische Verhältnis 9:1. Schon eine geringe Abweichung in den mageren Bereich (λ > 1; Luftüberschuss) bewirkt einen sprunghaften Anstieg der Stickoxidemission nach dem Katalysator, da zu wenig Kohlenmonoxid (CO) für die Reduktion vorhanden ist. Deshalb wird das Gemisch zwischen stöchiometrischem und leicht fettem Verhältnis geregelt. Der Drei-Wege-Katalysator kann nur bei Fahrzeugen mit Ottomotor und auf einer Lambdasonde basierenden Lambdaregelung eingesetzt werden. Um kleine und kurzzeitige Abweichungen von λ = 1 puffern zu können, werden Sauerstoffspeicherkomponenten, wie zum Beispiel Cer(IV)-oxid, eingesetzt.
Bei Diesel- und Magermix-Ottomotoren verhindert der Sauerstoffüberschuss im Abgas die Reduktion des NOx und macht spezielle Katalysatoren erforderlich (siehe NOx-Kat und #SCR (Selektive Katalytische Reduktion)).
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 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 hat.
Bei Motorrädern finden sich auch heute (Stand 2018) teilweise noch ungeregelte Katalysatoren; insbesondere bei Kleinkrafträdern lohnt sich der technische und wirtschaftliche Aufwand für einen geregelten Katalysator oft nicht. Die Abgasvorschriften erlauben deutlich höhere Emissionen.
Oxidationskatalysator
Dieselmotor Dieseloxidationskatalysatoren (DOC von ) entfernen Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe aus dem Abgas von Dieselmotoren durch Oxidation mit dem Restsauerstoff:
Dieselmotoren verbrennen kein vorbereitetes Brennstoff-Luft-Gemisch. Der Brennstoff wird innermotorisch in die komprimierte Luft zugegeben. Die Verbrennung selbst verläuft nur lokal stöchiometrisch oder gar unter Sauerstoffmangel. Da der Brennstoff nicht gleichmäßig verteilt wird, führt die Verbrennung in Gänze zu einem hohen Luftüberschuss und damit zu λ > 1. Im Abgas sind daher hohe Sauerstoffkonzentrationen vorhanden. Somit ist die Reduktion von NOx wie beim Drei-Wege-Katalysator nicht möglich. CmHn- und CO-Emission können jedoch durch den Einsatz eines Oxidationskatalysators gemindert werden. Die Oxidationsreaktionen laufen hierbei gleich wie beim Drei-Wege-Katalysator ab. Wegen der deutlich niedrigeren Abgastemperaturen im Vergleich zum Ottomotor sind Diesel-Oxidationskatalysatoren oft nahe am Abgaskrümmer verbaut, der Washcoat enthält nur Platin oder Palladium oder eine Kombination.
Die NOx-Minimierung von Dieselmotoren kann zunächst durch innermotorische Maßnahmen, also die gezielte Beeinflussung der Verbrennung zum Beispiel durch teilweise Abgasrückführung erfolgen. Dies ist jedoch nur in engen Grenzen möglich, da ansonsten die Ruß-Emission ansteigt und die Motorleistung sinkt. Heute senkt der vermehrte Einsatz von NOx-Speicherkatalysatoren oder SCR-Katalysatoren den NOx-Ausstoß von Dieselfahrzeugen.
Neuere Arbeiten beschäftigen sich mit der Verwendung von Mangan- oder Kobaltoxiden mit Perowskit-Sruktur in Fahrzeugkatalysatoren für Dieselmotoren, die mit Sauerstoffüberschuss betrieben werden, um ihren Wirkungsgrad zu verbessern.C. H. Kim, G. Qi, K. Dahlberg, W. Li: Strontium-Doped Perovskites Rival Platinum Catalysts for Treating NOx in Simulated Diesel Exhaust. In: Science. 327, 2010, S. 1624–1627, doi:10.1126/science.1184087. Der im Abgas enthaltene Sauerstoff verhindert die Nutzung herkömmlicher Abgaskatalysatoren. Die Dotierung perowskithaltiger Katalysatoren mit Palladium erhöht die Beständigkeit gegen Vergiftung durch Schwefel.
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 CmHn-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.KFT Kraftfahrzeugtechnik. Heft 4/1991, S. 51.KFT Kraftfahrzeugtechnik. Heft 4/1990, S. 116–117. 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 CmHn ist im Sauerstoffüberschuss (λ > 1) analog zum herkömmlichen Dreiwegekatalysator weiterhin möglich, jedoch entstehen dabei mehr Stickoxide (NOx). 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 NOx-Speicherkatalysatoren ausgerüstet.