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Speicherkatalysator

Definition: ein Abgaskatalysator, der Stickoxide z. B. in Dieselabgasen abbauen kann

Englisch: NOx storage catalytic converter

Kategorien: Fahrzeuge, Ökologie und Umwelttechnik

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.08.2017; letzte Änderung: 07.05.2018

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. Es lässt sich hier also kein Drei-Wege-Katalysator realisieren. Eine Lösung für diesen Fall ist die Entstickung mithilfe eines NOx-Speicherkatalysators. Dieser enthält Substanzen wie Bariumoxid oder Kaliumoxid, die Stickoxidmoleküle (NO2) zunächst nicht abbauen, sondern nur ansammeln – genauer gesagt in Form von Nitraten anlagern. Wenn die Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft ist (nach rund einer Minute des Motorenbetriebs bzw. einigen gefahrenen Kilometern), wird für wenige Sekunden der Motor auf ein fettes Gemisch umgestellt (wie bei der Volllastanreicherung) und die Abgastemperatur erhöht (durch die Verwendung eines späten Zünd- bzw. Einspritzzeitpunkts in Verbindung mit erhöhter Kraftstoffzufuhr). 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 Regenerationsprozess 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 in etwa vergleichbar mit dem eines Drei-Wege-Katalysators.

Man beachte, dass ein Speicherkatalysator vorwiegend Stickstoffdioxid (NO2) anlagern kann, kaum aber Stickstoffmonoxid (NO). Für eine effektive Entstickung muss Letzteres also zunächst zu NO2 aufoxidiert werden; dies geschieht normalerweise in einem vorgeschalteten oder integrierten Oxidationskatalysator.

Verhinderung einer Schwefelvergiftung des 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; beispielsweise wird das Katalysatormaterial hierbei allmählich zu Bariumsulfat statt Bariumnitrat und damit inaktiv. Man kann zwar einen solchen Katalysator auch nach einer solchen “Verschwefelung” (Schwefelvergiftung) wieder regenerieren (desulfatisieren), jedoch sind hierfür deutlich höhere Temperaturen (z. B. 650 °C) und längere Zeiten (z. B. 5 Minuten) als für die Entfernung der Nitrate notwendig. In der Praxis wird man deswegen fordern, dass der Motor immer mit sehr schwefelarmem Kraftstoff betrieben wird (z. B. mit weniger als 10 ppm Schwefel gemäß DIN EN 590). Da aber selbst beim Betrieb mit sehr schwefelarmem Kraftstoff die Wirksamkeit der Entstickung mit der Zeit allmählich abnimmt, ist auch hier gelegentlich eine Desulfatisierung (Schwefelregenerierung) notwendig. Dieser Prozess muss von der Motorsteuerung gelegentlich durchgeführt werden – jeweils nach einigen tausend Kilometern Fahrstrecke bei Kraftstoff mit weniger als 10 ppm Schwefel.

Nötige Betriebstemperatur

Ein besonders wichtiger Aspekt ist die Betriebstemperatur des Katalysators. Sie muss einerseits hoch genug sein, damit Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert werden können, andererseits aber auch niedrig genug, um das NO2 zu speichern. Für die Regenerationsphasen und vor allem für die Desulfatisierung wird wiederum eine deutlich höhere Temperatur benötigt. Diese Bedingungen lassen sich beim Einsatz in Fahrzeugen mit ständig wechselnden (und für die Motorelektronik kaum vorhersehbaren) Lastbedingungen schwer realisieren. Gerade bei Dieselmotoren besteht das Problem, dass die Abgastemperatur bei niedriger Last stark abfällt. Es ist also schwierig, die Katalysatortemperatur für eine optimale Wirksamkeit immer im richtigen Bereich zu halten. Deswegen ist die Wirksamkeit der Abgasreinigung im Praxisbetrieb nicht allzu hoch, vor allem unter ungünstigen Umständen, z. B. im Stadtverkehr – natürlich auch in der Warmlaufphase nach einem Kaltstart.

Drei-Wege-Betrieb

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

Problem der Regeneration

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.

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.

Ungünstige Nebenwirkungen der Regenerationsvorgänge sind außerdem, dass hierfür einerseits zusätzlicher Kraftstoff benötigt wird und andererseits der Ausstoß von Rußpartikeln erhöht wird. Letztere werden zwar im Rußpartikelfilter aufgefangen, jedoch muss dieser dann entsprechend häufiger regeneriert werden.

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 (mit selektiver katalytischer Oxidation) umgestiegen.

Siehe auch: Abgaskatalysator, Stickoxide, Dieselmotor, SCR-Katalysator, Magermotor
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Ökologie und Umwelttechnik

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