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Katalysator im Auto: Bestandteile, Funktion, Arten und Probleme

Der Katalysator im Auto ist ein wichtiger Beitrag zum Umweltschutz und ist gesetzlich vorgeschrieben. Der Katalysator (Kat) im Fahrzeugbau dient der Abgasnachbehandlung und soll die Emissionen senken, die bei der Kraftstoff-Verbrennung aus dem Motor kommen. Katalysatoren für Ottomotoren reinigen die Abgasluft und filtern die Schadstoffe. Dadurch werden sie zum Großteil in unschädliche Gasbestandteile umgewandelt.

Die Bestandteile des Katalysators

Nahaufnahme der Bestandteile des Katalysators in einem Auto

Ein wabenförmiger Körper aus Keramik mit mehreren dünnwandigen Kanälen bildet das Kernstück der Katalysatoren. Mehrere enge 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.

Geschichtliches zum Kat

Erfunden wurde der Katalysator 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 das Tetraethylblei gab. Dies ist ein Antiklopfmittel für Kraftstoffe, das 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. 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 unbekanntere Arten sind NOx-Speicherkatalysatoren und SCR, Selektive Katalytische Reduktion.

So funktioniert der Katalysator

Katalysator im Motor eines modernen Auto

Der Kat wandelt giftiges Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Stickoxide in Stickstoff um. Entsprechend reduziert sich das schädliche Abgas, das letztendlich aus dem Auto austritt. Man spricht von der Katalyse der Abgase. Es bezeichnet die chemische Umwandlung von giftigen Verbrennungs-Schadstoffen. Generell spricht man auch bei der Katalyse durch den Auto-Katalysator von einer Abgasnachbehandlung. Den chemischen Prozess der Umwandlung von giftigen in ungiftige Stoffe nennt man auch Oxidation oder Reduktion.  Diese Stoffe bilden sich nämlich bei Verbrennung aus dem Stickstoff der Luft. Der Kat wandelt diese bei der Verbrennung entstandenen Schadstoffe ganz oder teilweise in unschädliche Stoffe um. Bei optimaler Leistung des Kats werden die Leistungswerte von bis zu 100 % erzielt.

Abhängigkeit von anderen Teilen

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. Dieser Fühler überwacht das Verbrennungsverhältnis und beschreibt den Zustand von Kraftstoff und Luft in einem Gemisch. Zudem wird auch der Sauerstoffanteil im Abgasstrom gemessen. Die Lambdasonde sitzt im Abgaskrümmer in der Nähe des Motors.

Geregelte und ungeregelte Katalysatoren

Bis Ende der 1980er Jahre wurden bei Autos mit Ottomotor auch ungeregelte Katalysatoren eingesetzt. Unterschied war: Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wurde nicht von einer Sonde geregelt. Insbesondere war die Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemischs bei Motoren mit Vergaser-Motoren weniger effizient gegenüber den Motoren mit Einspritzanlagen. In älteren Fahrzeugen finden sich darum teils noch ungeregelte Katalysatoren, die deutlich mehr Abgas ausstoßen.

Benötigte Energie für die perfekte Katalyse

Damit der Katalysator im Auto einwandfrei funktioniert, gibt es einige Punkte zu beachten.

  • Um die Reaktionsgeschwindigkeit zur Verbrennung von Abgas zu erreichen, braucht der Fahrzeugkatalysator eine gewisse Aktivierungsenergie. Mit kaltem Motor funktioniert der Kat nicht vollständig. Die Schadstoffe werden kaum reduziert.
  • Für das einwandfreie Arbeiten des Katalysators ist eine Mindest-Betriebstemperatur nötig. Mit dem Erreichen einer Mindest-Temperatur beschleunigt der Kat sukzessive das Reinigen der Schadstoffe aus den entstehenden Abgasen des Kraftstoff-Gemischs.
  • Damit der Katalysator gut arbeiten kann, benötigt er eine Motor-Temperatur von 500 Grad. Zum Start einer Autofahrt befindet sich der Motor in einer Kaltlaufphase von 3-5 Minuten. Der Katalysator arbeitet in diesem Zeitraum noch nicht effizient und die volle Katalyse-Leistung wird noch nicht erreicht. Ist der Motor jedoch warm, arbeitet der Katalysator einwandfrei.

Problem bei Kurzstrecken

Neuer, ausgebauter Katalysator auf grauem Hintergrund

Wer auch mit vollkommen intakter Abgasanlage zusätzlich etwas für die Umwelt tun möchte, ist gut beraten, mit seinem Auto häufigen Kurzstreckenverkehr zu vermeiden. Das Reinigen des Abgasstroms von giftigen Substanzen innerhalb des Kats und die chemische Umwandlung dieser Schadstoffe bleiben bei Strecken unter zwei Kilometern noch unter optimaler Katalysator-Kapazität. Deshalb wird bei kurzen Fahrten die vollständige Katalyse nicht erreicht.

Weiterentwicklung der Katalysator-Technik

Besonders unter Umweltaspekten haben die Autokonzerne bei der Weiterentwicklung der Katalysator-Technik erhebliche Fortschritte gemacht. Bei den meisten Serienfahrzeugen wird der Kat heute nahe am Motor platziert.

Verringerung der Kaltphase

Mit der Verringerung der Kaltphase wurde der giftige Schadstoffausstoß der Autos gesenkt. Die Ingenieure der Automobil-Hersteller nahmen nur ein paar Konstruktionsveränderungen vor: Die Platzierung des Kats nahe am Motor 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.

Nachrüstlösung für ältere Fahrzeuge

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. Seit 2006 werden nur noch Autos zugelassen, die mindestens die Euro-4-Abgasnorm erfüllen.