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. Show
Erfahren Sie hier mehr über den Katalysator in Ihrem Auto und finden Sie kompetente Autowerkstätten, die Sie bei Problemen rund um den Kat gerne beraten. Buchen Sie auf FairGarage bequem online einen Termin bei Ihrer Wunschwerkstatt in der Nähe. Auf dieser Seite finden Sie Antworten auf die folgenden Fragen: 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. 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 KatalysatorenBis 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 ausschlaggebendDamit 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 AutoUm 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 UmweltzonenDie 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.
Über Autokatalysatoren wird wieder mehr geredet, seit bekannt wurde, dass »man« sie - Stichwort »Dieselgate« - bei Bedarf mehr oder weniger heimlich umgehen kann. Aber wie funktionieren die Abgasreiniger eigentlich?
© fotolia / fotohansel (Ausschnitt) Wenn wir aufs Gaspedal in unserem Auto drücken, verbrennt der Motor Kraftstoff, das Auto bewegt sich vorwärts. Benzin- und Dieselkraftstoffe bestehen aber aus Kohlenwasserstoffen: Nach der Verbrennung bleiben Abgase aus Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen übrig – und somit Gase, die für die Umwelt und Menschen giftig sind. Unter anderem die EU hat daher Grenzwerte für Höchstmengen festgelegt, die noch aus dem Auspuff kommen dürfen, und Hersteller müssen diese Werte einhalten. Erreicht werden kann das durch den Einsatz des Katalysators, der zwischen Motor und Auspuff montiert wird – wenn er dort dann tatsächlich auch arbeitet, wie er sollte. Im Herbst 2015 wurde unter dem Stichwort »Dieselgate« bekannt, dass verschiedene Autohersteller, unter anderem Volkswagen, Abgastests manipulierten. In mehreren Autofabriken ließen sie die Autos unter unrealistischen Bedingungen laufen, um die Kosten für moderne Abgassysteme zu sparen. Auf der Straße setzen Katalysatoren die Abgase dann allerdings weniger effektiv um: Die Autos stoßen mehr Schadstoffe aus als im Testlauf. Wie genau werden Abgase gereinigt? Und wie gut sind die heutigen Katalysatoren wirklich?Abgasreinigende Katalysatoren arbeiten im Auto im Prinzip genauso wie in vielen Prozessen der chemischen Industrie, aus der sie kaum wegzudenken sind: als Reaktionsbeschleuniger, weil mit ihnen chemische Reaktionen rascher ablaufen. Sie helfen Molekülen, sich in ihre Bestandteile, also Atome, zu zerlegen und sich anschließend anders zusammenzusetzen. Ein Katalysator kann dabei den ersten Schritt beschleunigen, indem er den Molekülen eine Oberfläche anbietet, an der sie sich einfacher aufspalten können. Die Oberfläche begünstigt auch den zweiten Schritt: Die Atome oder Molekülreste finden an ihr leichter zueinander als in einem Gasgemisch ohne die Katalysatoroberflächen. Autokatalysatoren befinden sich meistens unter dem Fahrzeug in einem Metallgehäuse. Daran ist ein Rohr, der Auspuff, gekoppelt. In der Metallbox sitzt ein ovaler Keramikblock, der aus vielen viereckigen Tunneln besteht. Das aktive Katalysatormaterial – häufig Partikel aus Platin, Palladium oder anderen Edelmetallen – klebt an den Wänden, Ecken und Kanten der Tunnel. Ist das Auto in Gang, strömen die Motorabgase durch die Tunnel. So kommen auf kleinem Raum viele Abgasmoleküle in Kontakt mit dem Katalysator. Was unterscheidet Katalysatoren in Benzin- und Dieselauto?Wie genau die Katalysatoren die Abgase aufreinigen, hängt davon ab, ob das Auto Benzin oder Diesel tankt. In den Katalysatoren von Benzinautos geschehen drei Reaktionen gleichzeitig. Man nennt sie deshalb Drei-Wege-Katalysator. Ein Teil des Kohlenmonoxids und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe reagieren jeweils mit Sauerstoff zu Kohlendioxid (CO2). Der übrige Rest des CO reduziert die vorhandenen Stickoxide zu Stickstoff (N2). Bei Dieselautos funktioniert dieses Drei-Wege-Prinzip nicht. Das liegt daran, dass Dieselmotoren am effizientesten funktionieren, wenn dem Kraftstoff viel Luft beigemischt wird. Die Sauerstoffkonzentration im Abgas ist dann so groß, dass CO vollständig zu CO2 reagiert, bevor es die NOx-Gase reduzieren kann. Stattdessen sind in Autos mit Dieselmotor spezielle Zwei-Wege-Katalysatoren verbaut. Sie widmen sich nur den zwei Oxidationsreaktionen, also der Umsetzung von CO und von Kohlenwasserstoffen zu CO2. Das bedeutet, dass die Stickoxide unverändert durch den Auspuff in die Umwelt gelangen. Allerdings entstehen in Dieselautos weniger NOx-Gase, weil die Motoren weniger heiß sind. Es gibt auch spezielle Techniken, die zusätzlich zum Oxidationskatalysator eingebaut werden können, um die Stickoxide aufzureinigen. Diese kommen bei Lastwagen zum Einsatz, seit der Dieselaffäre aber auch vermehrt bei Personenwagen. Es gibt etwa NOx-Speicherkatalysatoren, die die Stickoxide auffangen und als eine andere Stickstoffverbindung speichern. Ungefähr einmal pro Minute wird dem Abgas der Sauerstoff entzogen. Ohne Sauerstoff können CO und die Kohlenwasserstoffe nicht mehr zu CO2 reagieren. Genau dann werden die Stickstoffverbindungen aus dem Speicherkatalysator freigesetzt und reduziert. Eine andere Technologie, um die NOx-Gase zu reduzieren, ist die so genannte selektive katalytische Reduktion. Dabei ist hinter dem Oxidationskatalysator ein zweiter Reaktionsbeschleuniger angebracht. Bevor die Abgase in diesen Reduktionkatalysator strömen, wird ihnen etwas Harnstofflösung beigemischt. Die Lösung wird in einem zusätzlichen Tank an Bord des Autos oder LKWs transportiert. Man kann sie im Handel unter dem Namen AdBlue oder AUS 32 kaufen. Die Stickstoffgase werden dann reduziert: Zunächst zerfällt der Harnstoff in Ammoniak (NH3), welcher dann NOx zu elementarem Stickstoff reduziert. Statt eines Katalysators aus Edelmetallen funktionieren für diese Reaktion Zeolithe gut. Das sind Materialien mit einer sehr porösen Struktur. Für die Abgasreinigung bringt man Metallatome, zum Beispiel von Kupfer, in die Zeolithe ein.
Das könnte Sie auch interessieren: Thermodynamik – Von Ordnung und Unordnung Und noch etwas ist im Diesel-Abgas anders als dem des Benziners: Es enthält einen recht hohen Anteil an kleinen Kohlenstoffpartikeln – dem Feinstaub. Dieser kann sich in der Lunge absetzen und zu Atemwegserkrankungen führen. Daher enthalten die Katalysatoren in Dieselfahrzeugen zusätzlichen einen Partikelfilter. Wie effektiv sind Katalysatoren?Katalysatoren helfen Abgase sauberer zu machen. Sie können die Gifte allerdings nicht vollständig beseitigen. Katalysatormaterialien funktionieren erst ab hohen Temperaturen, ungefähr ab 300 Grad Celsius. Wenn man das Auto gerade erst startet, sind die Katalysatoren noch kalt, und die Abgase werden nicht bereinigt. Erst nachdem der Motor warmgelaufen ist, werden die Abgase fast vollständig umgesetzt. Selbst wenn die Katalysatoren die Abgase effektiv in ungiftige Gase umwandeln, entsteht in dem Prozess immer das Treibhausgas CO2. Dazu kommt ein weiteres schwer wiegendes Problem: Wenn NOx-Gase zu Stickstoff und Sauerstoff reduziert werden, entstehen kleine Mengen Distickstoffoxid (N2O), also Lachgas. Es ist mehr als 300-mal so schädlich fürs Klima wie CO2.
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