Katalysator

Ein Katalysator ist eine verschlossene Kammer, die in die Abgasleitung eines Verbrennungsmotors eingebaut wird, zwischen Motormanifold und Schalldämpfer. Im Inneren sitzt ein keramisches oder metallisches Substrat, beschichtet mit Edelmetallen, üblicherweise Platin, Palladium und Rhodium. Wenn heißes Abgas durchströmt, katalysieren diese Metalle eine chemische Reaktion, die Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) in Kohlendioxid und Wasserdampf umwandelt und Stickoxide (NOx) in Stickstoff und Sauerstoff reduziert. Der Katalysator verbraucht sich nicht selbst; der Katalysator ermöglicht die Reaktion, ohne dabei verbraucht zu werden.

Die meisten modernen Katalysatoren verwenden ein monolithisches Substrat: eine Wabenkonstruktion aus dünnen Keramikkanälen, jeweils etwa 1 mm Durchmesser, beschichtet mit einer Washcoat aus Aluminiumoxid und Edelmetall. Diese Geometrie schafft eine enorme Oberfläche in einem kompakten Paket, typischerweise 4 bis 6 Zoll lang und 3 bis 4 Zoll Durchmesser. Die Substrattemperatur muss zwischen 400 und 900 Grad Celsius bleiben, damit der Katalysator effizient arbeitet. Kaltstarts und längeres Leerlaufen senken die Umwandlungsrate; starke Beschleunigung und mageres Gemisch verbessern sie. Katalysatoren entstanden in den 1970er Jahren, als die Emissionsvorschriften in Nordamerika und Europa verschärft wurden.

Ausfallmuster sind charakteristisch und sichtbar. Katalytische Substrate reißen oder brechen, wenn sie über 1000 Grad Celsius überhitzen, was durch Motorfehler, zu fettes Gemisch oder ausfallende Lambdasonden geschieht. Blei im Kraftstoff, üblich in Regionen ohne Emissionsstandards, beschichtet das Substrat und blockiert die aktiven Stellen dauerhaft. Ein verschmutzter oder thermisch beschädigter Katalysator zeigt Klappern im Gehäuse, glühend rotes Äußeres unter Last oder faulen-Ei-Geruch von unverarbeiteten Schwefelverbindungen. Manche Fahrzeuge entwickeln Leistungsprobleme, wenn Abgas in den Motor zurückstaut, wenn das Substrat mit Kohlenstoff verstopft.

Kosten und Vorschriften

Die Edelmetalle im Katalysator haben echten Wert: ein gebrauchter Katalysator kann ein bis drei Gramm Platin und mehrere Gramm Palladium enthalten. Das macht sie zu Diebstahlzielen auf Parkplätzen und gebrauchte Einheiten wert zum Schrottrecycling. Ersatzkatalynatoren für Standardfahrzeuge kosten zwischen 400 und 1500 Dollar, je nach Motor und Fahrzeughersteller; Luxus- oder Sportfahrzeuge kosten mehr. Umweltvorschriften in den meisten Industrieländern verlangen Katalysatoren an allen neuen Fahrzeugen und machen deren Ausbau illegal. Ältere oder importierte Fahrzeuge ohne Katalysatoren können in strikten Gerichtsbarkeiten die Registrierung verweigert werden.

Lambdasonden vor und nach dem Katalysator überwachen seine Effizienz. Die nachgelagerte Sonde erkennt, ob unverbrannte Gase noch austreten; wenn der Katalysator ausfällt, sieht sein Ausgangssignal fast identisch mit der vorgelagerten Messung aus, was eine Motorwarnleuchte und einen Fehlercode auslöst. Manche Motoren fahren einen kurzen, harmlosen Überbrennstoff-Puls nach dem Start, um den Katalysator bei kalten Tagen schneller aufzuheizen. Hochleistungsmotoren verwenden manchmal doppelte Katalysatoren oder übergroße Einheiten, um größere Abgasmengen zu bewältigen, ohne den Gegendruck in die Zylinder zu drosseln.