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Abgaskatalysator

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Definition: eine Einrichtung zur Reduzierung des Schadstoffgehalts von Abgasen

Englisch: catalytic converter

Kategorien: Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Umwelt und Ökologie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 29.04.2012; letzte Änderung: 27.08.2016

Abgaskatalysatoren sind Einrichtungen, die den Schadstoffgehalt der Abgase z. B. von Verbrennungsmotoren oder auch von großen Kraftwerksfeuerungen reduzieren können, also die Abgasqualität erhöhen. Die Abgase enthalten eine Reihe von Schadstoffen, welche zum guten Teil durch eine unvollständige Verbrennung oder unerwünschte chemische Nebenreaktionen entstehen:

All diese Schadstoffe wären im Prinzip vermeidbar, wenn die Verbrennungsprozesse vollständig abliefen und die Oxidation von Stickstoff unterbliebe. Dies wäre annähernd der Fall, wenn die Verbrennung mit angemessener Luftzufuhr, nicht zu schnell und bei günstigen Temperaturen abliefe. Die Temperatur in der Flamme sollte hoch genug werden und beim Weg aus der Flamme heraus nicht zu schnell absinken. Solche Bedingungen sind jedoch z. B. bei Ottomotoren und Dieselmotoren kaum realisierbar, insbesondere bei höheren Drehzahlen. Auch die wechselnden Lastfälle machen die Kontrolle der Verbrennungsvorgänge schwierig.

Wie kann ein Katalysator Abgase entgiften?

Das Problem kann nun mit einem Abgaskatalysator als außermotorische Maßnahme gelöst oder zumindest stark vermindert werden; man spricht von einer Abgasnachbehandlung im Gegensatz zur Reduktion der Rohemissionen durch innermotorische Maßnahmen. Die Funktion des Katalysators ist es, bestimmte erwünschte chemische Reaktionen auch bei niedrigeren Temperaturen (einige hundert Grad Celsius) beschleunigt ablaufen zu lassen:

Die Grundfunktion eines Katalysators ist es, chemische Reaktionen bei mäßigen Temperaturen beschleunigt ablaufen zu lassen.

Diese Reaktionen könnten zwar im Prinzip auch ohne Katalysator ablaufen, jedoch wären sie viel zu langsam. Die Beschleunigung der Reaktionen im Katalysator funktioniert vereinfacht gesagt so, dass sich Moleküle des Schadstoffs zeitweilig an Elementen des Katalysators anlagern (und dort eine schwache Bindung eingehen), bis sie dort auf passende andere Moleküle (z. B. Sauerstoffmoleküle) treffen, mit denen sie reagieren können. Nach Ablauf dieses Prozesses bleibt der Katalysator unverändert und kann somit weitere Schadstoffmoleküle umsetzen.

Die im Katalysator ablaufenden chemischen Reaktionen sind größtenteils exotherm: Energiereichere Substanzen werden in energieärmere umgewandelt. Dadurch wird im Katalysator Wärme freigesetzt. Wenn ein Katalysator allzu stark mit energiereichen Substanzen wie Kohlenmonoxid und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen belastet wird (was vor allem bei Zweitaktmotoren der Fall ist), kann dies sogar zur Überhitzung führen, solange der zur Oxidation notwendige Sauerstoff ebenfalls vorhanden ist.

Ein Fahrzeugkatalysator enthält meistens eine stark zerklüftete Keramik- oder Metallstruktur mit einer großen inneren Oberfläche, die zudem mit sehr feinen Teilchen von Edelmetallen wie Platin, Palladium und Rhodium versetzt ist. Die gewünschten Reaktionen erfolgen hauptsächlich an diesen Edelmetallteilchen.

Was ein Katalysator nicht leisten kann, ist die Entfernung unerwünschter chemischer Elemente wie z. B. Schwefel als Bestandteil von Schwefeldioxid (SO2). Es kann sogar passieren, dass aus Schwefeldioxid der wesentlich giftigere und stark stinkende Schwefelwasserstoff (H2S) entsteht; dann riechen Autoabgase nach faulen Eiern. In anderen Fällen entsteht das unerwünschte Schwefeltrioxid (SO3), welches zur Bildung von Schwefelsäure und danach zu Sulfaten führt, die schlussendlich als Partikelemissionen (Feinstaub) anfallen. Ohnehin können Katalysatoren nicht die Emission von Kohlendioxid (CO2) verhindern; dies ist immerhin die am wenigsten schädliche Form, in der der im Brennstoff enthaltene Kohlenstoff das System verlassen kann.

Typen von Abgaskatalysatoren

Der ideale Katalysator würde all die genannten erwünschten chemischen Reaktionen schnell und vollständig ablaufen lassen, gleichzeitig aber keine unerwünschten Reaktionen. Dies ist jedoch technisch nicht möglich; die Effizienz der Abgasreinigungsprozesse hängt vom Typ des Katalysators ab, aber auch stark von den Betriebsbedingungen. Oft kann ein Katalysator nur eine bestimmte Reaktion begünstigen.

Oxidationskatalysator

Oxidationskatalysatoren können auch für Dieselmotoren verwendet werden.

Unter einem Oxidationskatalysator versteht man einen Katalysator, der nur eine Oxidation von Schadstoffen wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen bewerkstelligen kann, aber keine Reduktion von Stickoxiden. Dies gilt für viele Katalysatoren, wenn das Abgas einen Überschuss an Sauerstoff enthält. Dies ist in der Regel der Fall für Abgase aus einem Benzin-Magermotor oder einem Dieselmotor; beide arbeiten mit einem hohen Verbrennungsluftverhältnis. Reine Oxidationskatalysatoren (ungeregelte Katalysatoren) kamen früher auch oft als Nachrüst-Katalysatoren für Benzinmotoren zum Einsatz.

Mittlerweile werden auch Oxidationskatalysatoren für Kaminöfen entwickelt. Diese können beispielsweise im Brennraum in der Gegend des Auslass es zum Schornstein angebracht werden. Da sie dort teils sehr hohen Temperaturen ausgesetzt werden, müssen sie aus einem entsprechend hochtemperaturfesten Material bestehen. Mithilfe eines solchen Katalysators lassen sich die Emissionen von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und auch von Feinstaub deutlich reduzieren.

Geregelter Drei-Wege-Katalysator

Für Viertakt-Ottomotoren, die mit Benzin oder auch mit Erdgas betrieben werden, wird heute meistens ein Drei-Wege-Katalysator eingesetzt, weil nur so die heutigen Abgasvorschriften für Autos eingehalten werden können. Der Drei-Wege-Kat unterscheidet sich baulich kaum von einem reinen Oxidationskatalysator. Nur, wenn das Abgas eine ziemlich genau stöchiometrische Zusammensetzung hat, also keinen Sauerstoffmangel, aber auch keinerlei Sauerstoffüberschuss, kann ein solcher Katalysator gleichzeitig Kohlenmonoxid oxidieren, Kohlenwasserstoffe oxidieren und Stickoxide reduzieren (deswegen “drei Wege” im Sinne der Entfernung von drei unterschiedlichen Schadstoffen). Letzteres geschieht durch die Reaktion mit Kohlenmonoxid, welches den Stickoxiden Sauerstoff entreißt und dabei zum ungiftigen Kohlendioxid wird. Bei Sauerstoffüberschuss funktioniert dies nicht, weil das Kohlenmonoxid dann eher mit Sauerstoff reagiert. (Die direkte Zerlegung von Stickoxiden in Stickstoff und Sauerstoff wäre im Prinzip auch möglich, gelingt mit den bisher entwickelten Katalysatoren allerdings leider nicht.) Wenn dagegen ein Sauerstoffmangel auftritt, steigen die Emissionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen scharf an.

Der Drei-Wege-Kat funktioniert nur mit annähernd stöichiometrischer Verbrennung – also nicht beim Magermotor oder beim Dieselmotor.

Der Restsauerstoffgehalt des Abgases wird bestimmt durch das Verbrennungsluftverhältnis, auch als Lambda-Wert (λ-Wert) bezeichnet. Benötigt wird für den Drei-Wege-Katalysator ein Lambda-Wert sehr nahe bei 1. (Genau genommen ist es optimal, wenn der Lambda-Wert leicht um den Wert 1 herum schwingt, mit einer Amplitude von z. B. 3 %.) Dies ist technisch nur möglich mit Hilfe einer automatischen Regelung. Mit einer sogenannten Lambdasonde wird der Restsauerstoffgehalt vor dem Katalysator kontinuierlich gemessen, und eine Regeleinrichtung korrigiert ständig das Verhältnis von Luft- und Kraftstoffzufuhr zum Motor – meist durch eine Beeinflussung der Kraftstoffeinspritzung. Wegen dieser Regelung spricht man auch vom geregelten Katalysator oder G-Kat, obwohl streng genommen nichts am Katalysator geregelt wird, sondern vielmehr am Verbrennungsmotor. Die Regelung funktioniert bei schnellen Lastwechseln (bei Fahrern mit sehr unruhigem Gasfuß) unter Umständen nicht optimal, wenn sie nicht sehr sorgfältig ausgelegt ist.

Moderne Drei-Wege-Katalysatoren enthalten auch das Element Cer, welches hauptsächlich als Sauerstoffspeicher fungiert. Wenn das Abgas zeitweise einen Sauerstoffüberschuss aufweist (ein zu hohes λ), kann das Cer diesen Sauerstoff speichern und in späteren Phasen mit etwas zu fettem Gemisch wieder freisetzen. Zusätzlich wirkt das Cer auch direkt katalytisch gegen Kohlenmonoxid.

Ein Katalysator funktioniert erst, wenn er ausreichend heiß geworden ist. Auf Kurzstrecken nutzt er deswegen wenig.

Drei-Wege-Katalysatoren erreichen eine sehr gute Abgasreinigung, jedoch erst wenn Motor und Katalysator die erforderliche Betriebstemperatur erreicht haben, also nicht in der Warmlaufphase nach dem Kaltstart. (Die sogenannte Anspringtemperatur eines Katalysators kann beispielsweise 350 °C betragen.) Leider emittiert der Motor genau in der Warmlaufphase am meisten Schadstoffe, und gerade diese können nicht entfernt werden. Deswegen sind auch moderne Katalysatoren im Kurzstreckenbetrieb wenig wirksam. Immerhin wird die Warmlaufphase bei modernen Fahrzeugen mit bestimmten Maßnahmen so weit wie möglich verkürzt, beispielsweise indem der Katalysator nahe am Abgaskrümmer installiert wird (also nicht mehr wie früher unbedingt am Unterboden) und der Motor in der Warmlaufphase modifiziert betrieben wird (z. B. mit späterem Zündzeitpunkt zugunsten einer höheren Abgastemperatur, leider auch mit erhöhtem Kraftstoffverbrauch). Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines elektrischen Heizelements in Katalysator, welches eine stark beschleunigte Aufwärmung des Katalysators erbringen kann.

Wenn häufig eine Volllastanfettung eingesetzt wird – vor allem bei einem aggressiven Fahrstil und nicht optimaler Technik – steigen die Schadstoffemissionen stark an!

Eine weitere wichtige Problematik ist die der Volllastanreicherung. Vor allem bei nicht optimal konstruierten Motorsystemen ist es häufig nötig, beim Betrieb mit stark durchgedrücktem Gaspedal (z. B. beim Beschleunigen oder bei schneller Fahrt) das Kraftstoff-Luft-Gemisch “anzufetten”; man spricht auch von Volllastanfettung. Dies dient nicht in erster Linie einer gewissen Erhöhung der Motorleistung, sondern vor allem der Vermeidung der Überhitzung vor allem des Katalysators. Leider führt es aber dazu, dass die Emissionen vor allem des giftigen Kohlenmonoxids und unverbrannte Kohlenwasserstoffe scharf ansteigen. Der Katalysator kann dies mangels Restsauerstoff im Abgas nicht verhindern. In solchen Betriebszuständen hat man effektiv keinen “geregelten” Katalysator mehr, genauer gesagt kein stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch. Da dieses Phänomen in den heute eingesetzten genormten Messverfahren (mit NEFZ-Fahrzyklus) kaum erfasst wird, in der Praxis aber sehr wohl relevant sein kann, dürfte die Effektivität der Abgasreinigung mit Drei-Wege-Katalysatoren oft wesentlich schlechter sein, als man eigentlich erwarten sollte. Erst ein realistischerer Testzyklus dürfte die Fahrzeughersteller dazu bringen, mittels geeigneter Maßnahmen auch in der Praxis weitgehend auf die Volllastanreicherung zu verzichten.

Technisch funktioniert die Volllastanreicherung oft so, dass die Motorsteuerung auf die sonst übliche feine Dosierung des Kraftstoffs mithilfe des Signals von der Lambdasonde verzichtet und eine höhere, nicht genau kontrollierte Dosierung wählt. Bei Verwendung einer Breitbandsonde ist immerhin die Stärke der Anfettung kontrollierbar. Der Artikel über die Volllastanreicherung enthält weitere Details.

Die Wirksamkeit der Abgasreinigungsanlage wird in modernen Fahrzeugen durch eine On-Board-Diagnose überwacht.

Leider hat sich (vor allem seit 2015) herausgestellt, dass viele Fahrzeuge eine Art von Abschalteinrichtung bei der Abgasreinigung enthalten – in etlichen Fällen sogar verbotene Einrichtungen. Dies wird vor allem im Zusammenhang mit Dieselmotoren diskutiert, wo die Stickoxidemissionen im Praxisbetrieb massiv höher ausfallen können als im Testzyklus. Die oben genannte Volllastanreicherung bei Benzinmotoren können jedoch ebenfalls als eine Abschaltung interpretiert werden; überraschenderweise wird dies aber bisher relativ wenig beachtet.

Die Wirksamkeit des Katalysators kann natürlich weitgehend verloren gehen, wenn auch nur eine von etlichen Komponenten nicht mehr richtig funktioniert. Deswegen ist es schon seit vielen Jahren vorgeschrieben, dass eine ausgefeilte Diagnostik an Bord des Fahrzeugs (OBD = On-Board Diagnostics) die Funktion abgasrelevanter Komponenten (nicht nur des Katalysators, sondern beispielsweise auch der Lambdaregelung) ständig überwacht und im Fehlerfall eine Warnleuchte betätigt, die den Fahrer zum Aufsuchen einer Werkstatt veranlasst. Hierzu enthalten moderne Fahrzeuge etliche zusätzliche Sensoren, beispielsweise eine zweite Lambdasonde nach dem Katalysator, mit der auch die Genauigkeit der Regelung verbessert werden kann. Mit solchen Mitteln können zwar nicht die Abgaswerte selbst ermittelt werden (d. h. die Konzentrationen wichtiger Schadstoffe im Abgas), jedoch kann mit hoher Sicherheit überprüft werden, ob die Anlage noch zum weitgehenden Abbau solcher Schadstoffe imstande ist.

NOx-Speicherkatalysator

Ein NOx-Speicherkatalysator kann die Entstickung bei einem Magermotor vornehmen.

Bei Magermotoren und Dieselmotoren funktioniert die Entstickung in einem herkömmlichen Katalysator nicht, da das dafür benötigte Kohlenmonoxid oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe in zu geringer Menge im Abgas vorhanden sind. Eine Lösung für diesen Fall ist der NOx-Speicherkatalysator. Dieser enthält Substanzen wie Bariumoxid oder Kaliumoxid, die Stickoxidmoleküle (NO2) zunächst ansammeln. Wenn die Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft ist (nach rund einer Minute des Motorenbetriebs bzw. einigen gefahrenen Kilometern), wird kurzzeitig (z. B. für zwei Sekunden) der Motor auf ein fettes Gemisch umgestellt (wie bei der Volllastanreicherung) und die Abgastemperatur erhöht (durch die Verwendung eines späten Zündzeitpunkts). Die dabei geänderte Abgaszusammensetzung (mit wenig Sauerstoff und etwas Kohlenmonoxid) ermöglicht die Beseitigung der Stickoxide im Katalysator: Sie reagieren mit Kohlenmonoxid, an den sie den Sauerstoff abgeben. Dieser Prozess wird von Rhodium im Katalysator beschleunigt.

Für diese Technik wird eine spezielle Breitband-Lambdasonde benötigt, die in einem weiteren Bereich von Lambda-Werten arbeitet. Der technische Aufwand ist insgesamt vergleichbar zu dem eines Drei-Wege-Katalysators.

Wichtig ist bei Dieselmotoren die Verwendung sehr schwefelarmen Dieselkraftstoffs, da Schwefeldioxid die Effektivität solcher Katalysatoren stark reduziert, indem es sich an die für Stickoxide vorgesehenen Stellen anlagert. Man kann zwar einen solchen Katalysator auch nach einer “Verschwefelung” (Schwefelvergiftung) wieder regenerieren, jedoch sind hierfür noch deutlich höhere Temperaturen und längere Zeiten als für die Entfernung der Nitrate notwendig, sodass der Kraftstoffverbrauch entsprechend stärker ansteigt.

Ein besonders wichtiger Aspekt ist die Temperatur des Katalysators. Sie muss hoch genug sein, damit Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert werden kann, aber auch niedrig genug, um das NO2 dann zu speichern. Andererseits wird eine deutlich höhere Temperatur dann für die Regeneration benötigt. Beim Einsatz in Fahrzeugen mit ständig wechselnden (und für die Motorelektronik kaum vorhersehbaren) Lastbedingungen ist es schwierig, die Katalysatortemperatur für eine optimale Wirksamkeit immer im richtigen Bereich zu halten.

Manche NOx-Speicherkatalysatoren weisen auch gewisse “Dreiwegeeigenschaften” auf, d. h. sie können auch ein Stück weit die Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid unterstützen. Wenn die Rohemissionen des Motors bereits recht gering sind, kann diese zusätzliche Wirkung unter Umständen ausreichen, um Abgasnormen einzuhalten.

Bei Dieselmotoren ist die Regeneration eines Speicherkatalysators schwieriger.

Im Falle eines Dieselmotors ist es schwieriger, die für die Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators nötigen Bedingungen herbeizuführen. Man kann die Abgastemperatur durch eine zusätzliche Späteinspritzung (im Falle einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzung) erhöhen, aber wenn man das Verbrennungsluftverhältnis allzu stark absenkt, nehmen die Partikelemissionen des Motors aufgrund der inhomogenen Gemischbildung stark zu. Deswegen werden auch teilweise modifizierte Techniken für die Regeneration angewandt, beispielsweise mit Einspritzung von Dieselkraftstoff direkt vor dem Katalysator; durch die Oxidation des Kraftstoffs in Katalysator steigt die Temperatur und sinkt der Sauerstoffgehalt. Teilweise werden auch flankierende Maßnahmen wie eine Drosselung der Verbrennungsluftzufuhr oder eine Erhöhung der Last durch Aktivierung zusätzlicher elektrischer Verbraucher verwendet.

Die Regeneration eines Katalysators im Fahrzeugbetrieb ist nicht ideal, aber kostengünstiger zu realisieren als eine Regeneration im Stillstand.

Grundsätzlich besteht für die Regeneration von Katalysatoren im Betrieb von Fahrzeugen die Problematik, dass viele Fahrzustände (beispielsweise der Stadtverkehr mit sehr geringen Abgastemperaturen) für die Regeneration nicht geeignet sind und dass die Motorsteuerung nicht “wissen” kann, welche Fahrzustände demnächst folgen werden. Insofern ist es günstiger, die Regeneration mithilfe zusätzlicher Einrichtungen (etwa eines Dieselbrenners) bei abgestelltem Fahrzeug vorzunehmen. Dies erhöht jedoch den technischen Aufwand weiter.

Bei Dieselmotoren wurden Speicherkatalysatoren eine Zeit lang häufig verwendet. Es erwies sich aber als schwierig, damit die Grenzwerte nach der Abgasnorm Euro 6 einzuhalten. Deswegen sind etliche Hersteller danach auf SCR-Katalysatoren (siehe unten) umgestiegen.

Katalysator mit selektiver katalytischer Reduktion

Die selektive katalytische Reduktion (SCR = selective catalytic reduction) ist die gezielte Reduktion von Stickoxiden. Sie erfordert meist die dosierte Zugabe von Ammoniakgas (NH3) oder einer Harnstofflösung (z. B. AdBlue), die in Ammoniak und Wasserdampf zerfällt (und in Fahrzeugen besser transportierbar ist als Ammoniak). Ammoniak ist ein giftiges Gas, wird jedoch im Katalysator weitgehend umgesetzt, sollte also im gereinigten Abgas kaum mehr vorhanden sein – außer bei Überdosierung des Ammoniaks bzw. des Harnstoffs.

Auch für Dieselmotoren gibt es Katalysatoren zum Abbau von Stickoxiden.

Das SCR-Verfahren wird schon seit Jahren vielfach zur Entstickung (Stickoxid-Abbau) von Kraftwerks-Abgasen (z. B. bei Kohlekraftwerken und Gaskraftwerken) in sogenannten DeNOx-Anlagen eingesetzt. Seit etlichen Jahren werden SCR-Katalysatoren auch für die Abgasbehandlung von Dieselmotoren eingesetzt, und zwar für Nutzfahrzeuge und stationäre Motoren, aber vermehrt auch für Personenwagen (hauptsächlich im Oberklasse-Bereich). Ein SCR-Katalysator (manchmal auch ungenau als Harnstoff-Katalysator bezeichnet) kann auch mit einem Oxidationskatalysator (siehe oben) kombiniert werden, um z. B. Kohlenmonoxid zu oxidieren und auch evtl. überschüssigen Ammoniak zu zerlegen. Mit dieser Technik können Dieselmotoren heute die strengsten Abgasnormen (Euro-6) einhalten – womit allerdings niedrige Emissionen auch im Praxisbetrieb leider noch nicht garantiert sind [1, 3, 2]. Probleme können beispielsweise auftreten, wenn die Harnstoffzugabe nicht in allen Betriebszuständen ausreichend genau dosiert wird oder wenn bei sehr geringer Motorbelastung die Abgastemperatur zu stark absinkt.

Lesen Sie unseren aktuellen Artikel zum VW-Abgasskandal! Dieser betrifft auch Fahrzeuge mit SCR-Katalysator.

Im Zusammenhang mit dem im September 2015 aufgeflogenen Volkswagen-Abgasskandal [2] ist deutlich geworden, dass die eigentlich sehr wirksamen SCR-Katalysatoren für Fahrzeuge einen wesentlichen Nachteil aufweisen. Wenn der Motor ohne Rücksicht auf die Stickoxid-Rohemissionen betrieben wird (v. a. bei hoher Last), kann dies zu einem sehr hohen Verbrauch an AdBlue-Flüssigkeit führen, was entsprechend häufige Werkstattbesuche zum Nachfüllen des AdBlue-Tanks notwendig macht. Um diesen für die Benutzer lästigen Effekt zu vermeiden, trotzdem aber die Abgasgrenzwerte wenigstens scheinbar einzuhalten, hat man sich bei Volkswagen vor Jahren entschieden, die Fahrzeuge in der Praxis völlig anders zu betreiben als im Testzyklus. Sobald der Testzyklus von der Motorsteuerung erkannt wurde, wurde alles auf gute Abgaswerte getrimmt – unter Inkaufnahme eines hohen AdBlue-Verbrauchs. Im normalen Fahrbetrieb dagegen wurde das AdBlue viel zu sparsam dosiert, und die Stickoxidemissionen stiegen auf ein Vielfaches des im Test erlaubten Werts an. Dieses Problem nach dem Auffliegen des Betrugs im Rahmen einer Rückrufaktion zu beheben, dürfte schwierig sein, wenn nicht unangenehme Nebenwirkungen wie häufige Werkstattbesuche, eine reduzierte Motorleistung und ein erhöhter Kraftstoffverbrauch toleriert werden sollen. Bei neuen Fahrzeugen sind solche Zielkonflikte einfacher zu beheben – beispielsweise durch Verwendung eines deutlich größeren AdBlue-Tanks.

Es gibt auch sogenannte passive SCR-Katalysatoren, die als Reduktionsmittel im Abgas vorhandene unverbrannte Kohlenwasserstoffe nutzen, also keine zusätzliche Verbrauchsflüssigkeit benötigen. Sie sind also nur anwendbar für entsprechend zusammengesetzte Abgase und unterliegen zum Teil auch weiteren Einschränkungen, beispielsweise durch eine geringere Toleranz gegen Schwefel. Mit dieser Technik lässt sich auch der Motor u. U. nicht mehr für einen optimalen Wirkungsgrad optimieren.

Verwendung von zwei Abgaskatalysatoren

In manchen Fahrzeugen für die Abgasnachbehandlung mit einer Kombination von zwei Abgaskatalysatoren durchgeführt. Beispielsweise kann man für einen Ottomotor einen relativ kleinen, motornah angebrachten Vorkatalysator mit einem größeren, am Unterboden des Fahrzeugs angebrachten Hauptkatalysator kombinieren. Der Vorkatalysator erreicht nach einem Kaltstart schneller seine Anspringtemperatur, reinigt aber die Abgase noch nicht vollständig; der Hauptkatalysator übernimmt dann die weitere Entgiftung.

In manchen Fällen werden auch zwei unterschiedliche Arten von Katalysatoren miteinander kombiniert. Beispielsweise verwendet man bei manchen Dieselmotoren zunächst einen Oxidationskatalysator und danach einen SCR-Katalysator (für die selektive katalytische Reduktion).

Katalysatorgifte

Verbleites Benzin würde Katalysatoren schnell unwirksam machen.

Bestimmte Substanzen können einen Katalysator “vergiften”, also unwirksam machen. Beispielsweise wurde früher das Benzin zur Erhöhung der Klopffestigkeit mit geringen Mengen von Bleitetraethyl versetzt (“verbleit”), und dies machte den Einsatz von Katalysatoren unmöglich, weil diese in kurzer Zeit vergiftet worden wären. Blei bildet nämlich ähnlich wie gewisse andere Metalle (etwa Cadmium und Quecksilber) mit den katalytischen Komponenten chemischen Verbindungen, die nicht mehr katalytisch aktiv sind. Unter anderem deswegen war die Einführung unverbleiten (bleifreien) Benzins notwendig.

Auch Schwefel kann als Katalysatorgift wirken, wenn der Kraftstoff nicht völlig schwefelfrei ist. Die Empfindlichkeit eines Katalysators hängt allerdings von seinem Typ ab; teils kann sie reduziert werden, indem gewisse zusätzliche Substanzen eingebaut werden.

Bei Zündstrahlmotoren für Biogas sind die Katalysatorgifte oft ein Problem, bzw. sie verhindern oft den Einsatz eines Katalysators.

Nachteile und Einschränkungen der Wirksamkeit von Katalysatoren

Abgaskatalysatoren sind die wirksamste Methode zur Entgiftung von Abgasen. Allerdings bringen sie auch eine Reihe von Einschränkungen mit sich.

Moderne Abgaskatalysatoren können zwar den Schadstoffgehalt von Abgasen stark vermindern, aber sie haben auch eine Reihe von Nachteilen und sind nicht immer perfekt wirksam:

Die Wirksamkeit von Abgaskatalysatoren in Autos kann von Fall zu Fall sehr unterschiedlich sein. Eine ausgezeichnete Wirkung ist möglich, wenn eine solide Technik eingesetzt wird, außer auf sehr kurzen Strecken. Bei Verwendung guter Technik kann ein Abgaskatalysator auch bei starkem Beschleunigen oder hoher Fahrgeschwindigkeit sehr gut wirksam bleiben (ohne damit freilich das Problem erhöhter CO2-Emissionen zu lösen). Leider sind heute aber viele Fahrzeuge so konstruiert, dass die Abgasqualität bei Vollgas massiv verschlechtert wird, beispielsweise weil eine Volllastanreicherung verwendet wird (beim Benzinmotor) oder weil die Abgasreinigungsanlage eines Dieselmotors die Stickoxidemissionen dann nicht effektiv beherrschen kann. Massive Abweichungen zwischen Praxisbetrieb und offiziellen Messverfahren sind möglich, wenn unrealistische Testbedingungen von Herstellern auf legale oder illegale Weise ausgenutzt werden [2, 3].

Überwachung der Wirksamkeit von Abgaskatalysatoren von Fahrzeugen

Die Wirksamkeit eines Abgaskatalysators beispielsweise in einem Fahrzeug kann auf verschiedene Weisen gefährdet werden – nicht nur durch eine mögliche Schädigung des Katalysators z. B. bei Überhitzung im Betrieb, sondern auch durch Störungen der Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses. Unter solchen Umständen können die Schadstoffemissionen des Fahrzeugs massiv ansteigen.

Entsprechende Probleme können durch Abgasmessungen auf einem Prüfstand entdeckt werden, z. B. im Rahmen der in Deutschland normalerweise alle zwei Jahre erfolgenden Abgasuntersuchung, die seit 2010 Bestandteil der Hauptuntersuchung ist. (Seitdem wird eine separate Plakette für die Abgasuntersuchung nicht mehr benötigt.)

Bei modernen Fahrzeugen schlägt ein automatisches Diagnosesystem Alarm, wenn das Abgasreinigungssystem nicht mehr richtig arbeitet.

Seit der Abgasnorm Euro 3 müssen Fahrzeuge außerdem mit einem Onboard-Diagnose-System (EOBD) ausgestattet sein, welches die Funktionstüchtigkeit der wesentlichen Komponenten des Abgasbehandlungssystems überwacht und gegebenenfalls eine Warnleuchte aktiviert. Wenn diese leuchtet, muss der Fahrer das System baldmöglichst an einer Werkstatt kontrollieren lassen und ggf. entstandene Schäden beheben lassen.

Literatur

[1]V. Franco et al., “Real-world exhaust emissions from modern diesel cars”, International Council of Clean Transportation, http://www.theicct.org/sites/default/files/publications/ICCT_PEMS-study_diesel-cars_20141010.pdf
[2]Blog-Artikel: Dieselfahrzeuge von Volkswagen: Einhaltung von Abgasgrenzwerten mit illegalen Tricks
[3]Blog-Artikel: Stickoxidemissionen von modernen Dieselfahrzeugen – deutlich höher als gedacht

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Abgas, Abgasqualität, Kaltstart, Verbrennungsmotor, Ottomotor, Dieselmotor, Lambdasonde, Volllastanreicherung, Stickoxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Abschalteinrichtung bei der Abgasreinigung
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Umwelt und Ökologie

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