Drei-Wege-Katalysator

Metallsubstrat für einen Drei-Wege-Katalysator

Der Drei-Wege-Katalysator (TWC von englisch three way catalytic converter) ist ein Fahrzeugkatalysator mit Lambdaregelung zur Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit Ottomotor, bei dem Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Aus der gleichzeitigen Umwandlung dieser drei Luftschadstoffe ergibt sich der Name des Katalysators. Um einen hohen Umwandlungsgrad der Schadstoffe zu gewährleisten, muss mit Hilfe eines Regelkreises mit Lambdasonde das Verbrennungsluftverhältnis, also das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die „Luftzahl“ Lambda, in einem engen Bereich um $\lambda =1$, dem sogenannten Lambda-Fenster, gehalten werden. Der geregelte Dreiwegekatalysator wandelt einen Großteil der Schadstoffe in unschädliche Bestandteile um und reduziert so den Schadstoffausstoß eines Verbrennungsmotores erheblich.

Geschichte

Eugene Houdry entwickelte den ersten Oxidationskatalysator und erhielt 1954 ein Patent dafür. Allerdings kam der Katalysator nicht zum Einsatz, da dieser durch den Oktanzahlverbesserer Tetraethylblei schnell unwirksam wurde. Die Einführung des Katalysators für benzinbetriebene Personenkraftwagen erfolgte aufgrund der Verabschiedung des Clean Air Acts in den Vereinigten Staaten im Jahr 1970. Die Vorschriften forderten zunächst eine Reduzierung der Kohlenstoffmonoxid- und der Kohlenwasserstoffemissionen um je 90 % sowie eine Reduktion der Stickoxide um 50 %. Neben der technischen Herausforderung der Entwicklung eines Katalysators, der gleichzeitig alle Schadkomponenten aus dem Abgas entfernt, waren infrastrukturelle Maßnahmen wie die Eliminierung von Tetraethylblei aus dem Ottokraftstoff notwendig, da es als Katalysatorgift wirkt. Außerdem war eine Reduktion des Gehalts an Schwefel­verbindungen im Kraftstoff wünschenswert.

Um die strengeren Abgasvorschriften der US-amerikanischen Environmental Protection Agency zu erreichen, wurden Fahrzeuge zunächst mit Zwei-Wege-Oxidationskatalysatoren ausgestattet, die zwar Kohlenstoffmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umsetzten, Stickoxide jedoch nicht aus dem Abgas entfernten. Die erste flächendeckende Einführung erfolgte 1975 auf dem US-Markt. Der Durchbruch gelang schließlich John J. Mooney und Carl D. Keith im Jahr 1981 mit der Entwicklung des Drei-Wege-Katalysators. Es wird geschätzt, dass zwischen der Einführung und dem Jahr 2000 etwa 800 Millionen Tonnen Kohlenwasserstoff-, Kohlenstoffmonoxid- und Stickoxidemissionen durch den Drei-Wege-Katalysator umgewandelt wurden.

Wirkung

Teststand zur Wirksamkeitsprüfung von Drei-Wege-Katalysatoren

Lambdasonde (für Volvo 240)

Die Schadstoffe Kohlenstoffmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide werden nach folgenden Gleichungen aus dem Abgas entfernt:

$\mathrm {2\ CO\ +\ O_{2}\longrightarrow \ 2\ CO_{2}}$

$\mathrm {C_{m}H_{n}\ +\ (m+n/4)\ O_{2}\longrightarrow \ m\ CO_{2}\ +\ n/2\ H_{2}O}$

$\mathrm {2\ NO\ +\ 2\ CO\longrightarrow \ N_{2}\ +\ 2\ CO_{2}}$

Damit diese Reaktion stattfinden, muss der Katalysator eine Mindesttemperatur erreicht haben, die sogenannte Light-off Temperatur. Sie liegt typischerweise im Bereich 350 °C. Um diese schnell zu erreichen wird nach dem Start die Leerlauf-Drehzahl erhöht und der Motor mit spätem Zündwinkel und zusätzlichen Nacheinspritzungen zur Erhöhung der Abgastemperatur betrieben.

Bei einer Abweichung vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ($\lambda =1$) hin zu „magerem“ Gemisch (Luftüberschuss, $\lambda >1$) werden nicht alle Stickoxide abgebaut, da die benötigten Reduktionsmittel schon vorher oxidiert werden. Bei „fettem“ Gemisch (Luftmangel, $\lambda <1$) werden nicht alle Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid abgebaut. Eine kurzzeitige Abweichung kann durch den Sauerstoffspeicher abgefangen werden. Cer(IV)-oxid wird als Sauerstoffspeicherkomponente eingesetzt und stellt im fetten Bereich Sauerstoff gemäß folgender Gleichung zur Verfügung:

$\mathrm {4\ CeO_{2}\ +\ 2\ CO\ {\xrightarrow {Pt,Pd}}\ 2\ Ce_{2}O_{3}\ +\ 2\ CO_{2}}$

Im Sauerstoffüberschuss bildet sich wieder die Ausgangskomponente:

$\mathrm {2\ Ce_{2}O_{3}\ +\ O_{2}\rightleftharpoons 4\ CeO_{2}}$

Wegen der Abgasnachbehandlung muss darauf verzichtet werden, zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs in bestimmten Bereichen des Motorbetriebes mit magerem Gemisch zu fahren. Bei älteren Modellen wurde im fetten Bereich außerdem auf dem Katalysator adsorbiertes Sulfat zu Schwefelwasserstoff reduziert und verursachte einen unangenehmen Geruch nach faulen Eiern.

Durch eine weitere Nebenreaktion kann im Katalysator Ammoniak gebildet werden. Kraftfahrzeuge mit Katalysator stoßen etwa 14 Milligramm Ammoniak je gefahrenem Kilometer aus.

$\mathrm {2\ NO\ +\ 5\ H_{2}\ \longrightarrow \ 2\ NH_{3}\ +\ 2\ H_{2}O}$

Herstellung

Aufgeschnittenes Metallsubstrat

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Washcoats auf einem Keramiksubstrat

Der Drei-Wege-Katalysator besteht aus einem keramischen Wabenkörper aus Cordierit, einem feuerfesten Magnesium-Aluminium-Silikat mit geringer Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung, oder einem metallischen Träger, auf den ein sogenannter Washcoat aufgebracht ist. Der Monolith, ein Keramiksubstrat aus Cordierit mit Wabenstruktur, das in vielen Dreiwegekatalysatoren verwendet wird, wurde von Rodney Bagley, Irwin Lachman und Ronald Lewis bei Corning Glass erfunden. Für diese Erfindung wurden sie 2002 in die National Inventors Hall of Fame der USA aufgenommen. Die keramischen Monolithe haben je nach Kanalgröße eine geometrische Oberfläche von etwa einem bis fünf Quadratmetern pro Liter Katalysatorvolumen.

Der Washcoat besteht aus einer Mischung verschiedener Metalloxide wie γ-Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid. Diese stellen die Trägersubstanzen für die katalytisch aktiven Edelmetalle wie Platin, Palladium und Rhodium dar, Cerdioxid dient als Sauerstoffspeicherkomponente. Ein Standardkatalysator enthält etwa 50 Gramm der Edelmetalle Platin und Rhodium pro Kubikfuß (etwa 28,31 Liter) Katalysatorvolumen im Verhältnis von Platin : Rhodium von 5 : 1. Die Edelmetallbeladung und das Verhältnis der Edelmetalle können jedoch je nach Katalysatortyp erheblich variieren. Für den Einbau im Fahrzeug wird der beschichtete Cordierit-Wabenkörper in ein Blechgehäuse eingeschweißt, das zur Abdichtung und mechanischen Fixierung des Monolithen mit einer Mineralfasermatte ausgekleidet ist. Metallische Träger können direkt in den Abgasstrang eingeschweißt werden.

Zur Herstellung des Katalysators wird zunächst eine saure Metalloxidsuspension hergestellt. Diese kann durch verschiedene Verfahren auf den Cordieritträger aufgebracht werden. Im einfachsten Fall wird der Wabenkörper in die Suspension getaucht. Die überschüssige Suspension wird ausgeblasen, der beschichtete Wabenkörper anschließend getrocknet und kalziniert. In den feinen Kanälen des Wabenkörpers befindet sich dann eine dünne Schicht eines Metalloxid-Gemisches. Im nächsten Schritt wird diese Schicht mit Edelmetallsalzlösungen getränkt. Durch weitere Trocknung und Kalzinierung werden die Edelmetalle auf dem Träger fixiert. Alternativ können die Edelmetalle bereits vor der Beschichtung des Cordieritträgers auf den Metalloxiden imprägniert werden. Abschließend wird der Katalysator in eine Mineralfasermatte verpackt und in ein Blech eingeschweißt.

Technische Merkmale

Wichtige technische Merkmale eines Drei-Wege-Katalysators sind neben der chemischen Zusammensetzung sein Light-off-Verhalten, der Druckverlust, das Thermoschockverhalten und die Washcoatadhäsion. Um die Langzeitbeständigkeit von Drei-Wege-Katalysatoren zu bewerten, wurden schnelle Katalysatoralterungszyklen entwickelt. Diese simulieren in kurzer Zeit die Deaktivierung des Katalysators unter realen Fahrbedingungen.

Problem der Volllastanreicherung

Bei Ottomotoren für Pkw ist es gängige Praxis, im Volllastbereich durch Anfetten des Kraftstoff-Luft-Gemisches die Leistung zu maximieren. Von Volllast spricht man, wenn maximale Leistung abgerufen wird („Vollgas“). Dazu muss das Kraftstoffluftgemisch im Vergleich zu Teillast etwas angefettet werden, da die Flammengeschwindigkeit in leicht fetten Gemischen höher ist (rascheres sog. Durchbrennen des Gemisches). Wie stark das Gemisch angefettet wird, hängt von der Programmierung des jeweiligen Motorsteuergerätes ab; Werte bis λ = 0,8 sind gebräuchlich (Stand 2018). Außerdem wird durch die Volllastanreicherung die Innenkühlung der Brennräume verbessert: Da die Verdampfung von Kraftstoff Energie benötigt, werden durch den zusätzlichen Kraftstoff die Brennräume zusätzlich gekühlt.

Durch die unvollständige Verbrennung sinkt die Abgastemperatur und dadurch werden Motorbetriebspunkte erreichbar, bei denen ohne die Anfettung der Abgaskrümmer, der Turbolader oder der Katalysator zerstört würden. Durch die Abweichung von $\lambda =1$ verliert der Dreiwegekatalysator einen Teil seiner Wirkung, da Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid nicht mehr vollständig umgewandelt werden können. Volllastanreicherung ist eine Technik, die bereits vor Jahrzehnten bei Vergasermotoren angewandt worden ist.

Im früher geltendem NEFZ-Zyklus wurden keine hohen Beschleunigungen, wie sie etwa beim Auffahren auf die Autobahn üblich sind, abgerufen, sodass unter diesen Testbedingungen, anders als in der Praxis, keine Volllastanreicherung stattfand und dementsprechend auch nicht in die Messung eingingen. In dem seit 2017 geltenden WLTP Zyklus und den Tests entsprechend der RDE Vorschriften sind die Beschleunigungen deutlich höher. Im RDE-Test ist allerdings noch kein Grenzwert für Kohlenstoffmonoxid einzuhalten, es werden dort aktuell (2019) nur Stickoxide und Partikel limitiert.

Literatur

• Bosch, Technische Unterrichtung: Abgastechnik für Ottomotoren. Robert Bosch GmbH KH/VDT, Stuttgart, Bosch Nr.: 1 987 722 020.
• Bosch, Technische Unterrichtung: Motronic. Kombiniertes Zünd- und Einspritzsystem für Ottomotoren, 2. Ausgabe, Robert Bosch GmbH KH/VDT, Stuttgart, September 1985, Bosch Nr.: 1 987 722 011.
• H. Bode: Materials Aspects in Automotive Catalytic Converters. Verlag Wiley-VCH (2002), ISBN 978-3-527-30491-2.
• Ronald M. Heck, Robert J. Farrauto, Suresh T. Gulati: Catalytic Air Pollution Control: Commercial Technology. 544 Seiten, Verlag John Wiley & Sons (2009), ISBN 978-0-470-27503-0.

Weblinks

Commons: Drei-Wege-Katalysator – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Der Abgas-Katalysator - Otto und Diesel Kat auf kfztech.de, abgerufen am 25. November 2014