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Drei-Wege-Katalysator

Für Viertakt-Ottomotoren, die mit Benzin oder auch mit Erdgas betrieben werden, wird heute meistens ein "geregelter" 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. Er kann jedoch nicht nur Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe durch Oxidation abbauen, sondern gleichzeitig auch Stickoxide wie NO und NO₂ reduzieren, d. h. ihnen den Sauerstoff entziehen. Die Bezeichnung "Drei-Wege-Katalysator" spielt auf die Entfernung von drei unterschiedlichen Schadstoffen an, nicht etwa auf eine konstruktive Gegebenheit.

Funktionsprinzip des Drei-Wege-Katalysators

Man kann sich die Funktionen eines solchen Katalysators so vorstellen, dass die verschiedenen Schadstoffe im Abgas miteinander chemisch reagieren (assistiert von der Oberfläche des Katalysator-Materials), wobei die Stickoxide genau die Menge an Sauerstoff abgeben, die zur Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen notwendig ist. Dies funktioniert aber nur, wenn das Abgas zu oxidierende und zu reduzierende Schadstoffe in einem ausgewogenen Verhältnis enthält. Diese Bedingung lässt sich erfüllen, indem man das sogenannte Verbrennungsluftverhältnis, mit dem der Motor betrieben wird, auf einen Wert nahe 1 (stöchiometrischer Betrieb) regelt. Das Abgas darf also weder einen Sauerstoffmangel noch einen Sauerstoffüberschuss aufweisen:

• Bei Sauerstoffüberschuss (zu "mageres" Gemisch) würde das Kohlenmonoxid eher mit Sauerstoff reagieren, und die Entstickung würde unterbleiben. (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 (zu "fettes" Gemisch), steigen die Emissionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen scharf an, weil nicht genügend Sauerstoff für deren Oxidation zur Verfügung steht.

Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses

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 <$\lambda$>), 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.

Erforderliche Betriebstemperatur des Katalysators; Problematik der Warmlaufphase

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.

Auch die Lambdasonde muss eine ausreichende Temperatur aufweisen, um richtig funktionieren zu können. Dies ist jedoch durch ein kleines elektrisches Heizelement in der Sonde leicht zu bewerkstelligen. Deswegen funktioniert die Lambdasonde schon sehr schnell nach dem Anlassen des Motors, schon bevor der Katalysator seine Wirkung aufnehmen kann. In dieser Phase kann immerhin durch eine angemessene Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses verhindert werden, dass unnötig viel Schadstoffe emittiert werden.

Problematik der Volllastanreicherung

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.

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 oft massiv höher ausfallen 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.

Defekte oder Alterung von Komponenten

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 einiger Sicherheit überprüft werden, ob die Anlage noch zum weitgehenden Abbau solcher Schadstoffe in der Lage sein sollte.

Siehe auch: Abgaskatalysator, Lambdasonde, Kaltstart, Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide