Katalysator im Auto: Bestandteile, Funktion, Arten und Probleme
Der Katalysator (Kat) im Auto ist ein wichtiger Beitrag zum Umweltschutz und ist seit 1989 gesetzlich vorgeschrieben. Er dient der Abgasnachbehandlung und soll die Emissionen senken, die bei der Kraftstoff-Verbrennung aus dem Motor kommen. Ob Drei-Wege-, oder Oxidationskatalysator, das Grundprinzip ist immer gleich: die Abgasluft wird gefiltert und soweit möglich in unschädliche Gasbestandteile umgewandelt. Bei richtiger Betriebstemperatur wird dabei ein Wirkungsgrad von nahezu 100% erzielt.
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Auf dieser Seite finden Sie Antworten auf die folgenden Fragen:
- Woher kommt der Kat?
- Welche Arten von Katalysatoren gibt es?
- Wie ist ein Katalysator aufgebaut?
- Wie funktioniert ein Katalysator?
- Mit welchen Teilen arbeitet der Katalysator zusammen?
- Wie kann man die Lebensdauer des Kat erhöhen?
- Kann man ältere Fahrzeuge nachrüsten lassen?
- Katalysator und Umweltzonen
Woher kommt der Kat?
Der Begriff stammt aus der Chemie. Ein Katalysator ist ein Stoff, der es anderen Stoffen ermöglicht Reaktionen einzugehen, für deren Aktivierung im Normalfall ein höherer Energieaustausch notwendig wäre. In der Natur vorkommende Katalysatoren sind beispielsweise Platin und Palladium. Daher werden diese Materialien auch in Auto-Katalysatoren verbaut. Letztlich beruhen aber auch viele Stoffwechselprozesse in Lebewesen auf Katalyse, wie beispielsweise die Atmung.
Erfunden wurde der Autokatalysator von dem Ingenieur Eugene Houdry. Auslöser für seine Entwicklung waren die Smogergebnisse von Los Angeles von 1950. Aufgrund des vielen Verkehrs und der angrenzenden Berge ist die Stadt auch noch heute einer großen Belastung durch Smog ausgesetzt. Doch der Einsatz von Houdry's Erkenntnis blieb im Auto aus, da es Defekte durch Tetraethylblei gab. Dies ist ein Antiklopfmittel für Kraftstoffe, welches das Selbstzünden, das sogenannte Klopfen, verhindern soll. 1973 gelang es dem Chemiker Carl D. Keith und dem Chemie-Ingenieur John J. Mooney den Drei- Wege-Katalysator zu entwickeln.
Welche Arten von Katalysatoren gibt es?
Der „geregelte Drei-Wege-Katalysator“ ist der bekannteste Katalysator zur Abgasreinigung. Diese Katalysatoren werden in Autos mit Ottomotoren verwendet. Für Dieselmotoren wird ein Oxidationskatalysator eingesetzt. Weitere Arten sind NOx-Speicherkatalysatoren und SCR („Selective Catalytic Reduction“).
Geregelte und ungeregelte Katalysatoren
Bis Ende der 1980er Jahre wurden bei Autos mit Ottomotor auch ungeregelte Katalysatoren eingesetzt. Der Unterschied zwischen ungeregelten und geregelten Katalysatoren ist, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei ungeregelten Katalysatoren nicht von einer Sonde geregelt wird. Die Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemischs bei Motoren mit Vergaser-Motoren war weniger effizient gegenüber den Motoren mit Einspritzanlagen. In älteren Fahrzeugen finden sich teils noch ungeregelte Katalysatoren, die deutlich mehr Abgas ausstoßen.
Wie ist ein Katalysator aufgebaut?
Das Kernstück der Katalysatoren ist ein wabenförmiger Körper aus Keramik mit mehreren dünnwandigen Kanälen. Die engen Kanäle erhöhen die Oberfläche in dem Katalysator, um mehr Abgase aus dem Motor filtern zu können. Edelmetalle wie Platin, Rhodium oder Palladium sind in der rauen Oberflächenstruktur der Katalysator-Innenwände mit verarbeitet und binden die schädlichen Schadstoffe. Das Innenleben der Katalysatoren ist in ein metallisches Gehäuse eingebaut.
Wie funktioniert ein Katalysator?
Der Kat wandelt giftige Stoffe, die bei der Kraftstoffverbrennung im Motor entstanden sind, ganz oder teilweise in unschädliche Stoffe um. Entsprechend reduziert sich das schädliche Abgas, das letztendlich aus dem Auto austritt. Generell spricht man bei der Katalyse durch den Auto-Katalysator auch von einer Abgasnachbehandlung. Die dabei beteiligten chemischen Prozesse nennt man Oxidation und Reduktion. Kohlenmonoxid erhält durch Oxidation ein zweites Sauerstoffmolekül, während Stickoxide aufgetrennt werden und ihr Sauerstoffmolekül verlieren. Bei optimaler Leistung des Kats werden Leistungswerte von bis zu 100 % erzielt.
Die richtige Temparatur ist ausschlaggebend
Damit der Katalysator im Auto einwandfrei funktioniert, ist eine Mindest-Betriebstemperatur nötig. Um die Reaktionsgeschwindigkeit zur Verbrennung von Abgas zu erreichen, braucht der Fahrzeugkatalysator eine gewisse Wärme als Aktivierungsenergie. Je nach Art des Katalysators liegt diese bei 250 – 800 Grad Motor-Temparatur.
Zum Start einer Autofahrt befindet sich der Motor in einer kurzen Kaltlaufphase, in der der Katalysator noch nicht effizient arbeitet. Die Schadstoffe werden in diesem Zeitraum kaum reduziert, da die die volle Katalyse-Leistung noch nicht erreicht ist. Mit dem Erreichen einer Mindest-Temperatur beschleunigt der Kat dann jedoch sukzessive das Reinigen der Schadstoffe aus den entstehenden Abgasen des Kraftstoff-Gemischs.
Position des Kat im Auto
Um die Kaltphase weiter zu verringern wurden die Katalysatoren im Laufe der Zeit näher am Motor platziert und eine zusätzliche Luft-Zugabe vor dem Katalysator heizen den Kat schneller auf. Außerdem werden in den neuen Katalysatoren beispielswese Abgasrohre aus doppelten Wänden eingebaut. Die Folge ist, dass sich die Abkühlung der heißen Abgase verringert.
Mit welchen Teilen arbeitet der Katalysator zusammen?
Kat und Motor steuern sich gegenseitig und sind im Betrieb aufeinander angewiesen. Man spricht deshalb von einem geregelten Katalysator. Die Regelung und Kontrolle innerhalb der Katalysatoren erfolgt durch die Lambdasonde. Die Sonde ist ein Messfühler, der das Verbrennungsverhältnis und den Zustand des Kraftstoff-Luft-Gemischs überwacht. Zudem wird auch der Sauerstoffanteil im Abgasstrom gemessen. Die Lambdasonde sitzt im Abgaskrümmer in der Nähe des Motors.
Wie kann man die Lebensdauer des Kat erhöhen?
Wer eine möglichst lange Lebensdauer des Katalysators anstrebt, sollte mit seinem Auto häufigen Kurzstreckenverkehr vermeiden. Bei Strecken unter zwei Kilometern wird die optimale Katalysator-Kapazität nicht erreicht und die Reinigung des Abgasstroms von giftigen Substanzen innerhalb des Kats, sowie die chemische Umwandlung dieser Schadstoffe laufen noch nicht einwandfrei ab. Dies beansprucht den Katalysator und verkürzt somit seine Lebensdauer.
Kann man ältere Fahrzeuge nachrüsten lassen?
Ja. Für ältere Automodelle bietet sich als Nachrüstlösung ein sogenannter Aufrüstkat an. Im Sinne des Umweltschutzes und im Rahmen der Verringerung der Kaltlaufphase wird der Autobesitzer in eine bessere Schadstoffklasse eingestuft und kann folglich auch erheblich bei der Kfz-Steuer sparen.
Katalysator und Umweltzonen
Die Schadstoffklasse spielt außerdem beim Durchfahren von Umweltzonen eine Rolle. Diese Zonen können nur mit grüner Plakette uneingeschränkt befahren werden. Wer dagegen verstößt hat mit einem Bußgeld zu rechnen. Voraussetzung für die die grüne Plakette ist, dass die Abgaswerte des Pkw der Schadstoffklasse Euro 4 oder höher entsprechen.