Katalysator

Der Katalysator ist ein Bauteil zur Abgasreinigung, das in den Abgasstrang eines Fahrzeugs eingesetzt wird, um die schädlichen Nebenprodukte der Verbrennung zu bereinigen, bevor sie ins Freie gelangen. Ab den 1970er-Jahren kam er in Großserienfahrzeugen auf und wurde durch immer strengere Abgasvorschriften bei Ottomotoren faktisch zur Pflicht. Er kümmert sich um genau jene Gase, deren Entstehung sich allein durch die Verbrennung nicht vermeiden lässt: Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide. Seine Einführung verbesserte die Luftqualität in den Städten erheblich und machte aus dem Auspuff eine deutlich sauberere Quelle, statt einer der größten Verursacher giftiger Belastung.

Im Inneren des Edelstahlgehäuses sitzt ein wabenförmiger Monolith, meist aus Keramik, der mit einer dünnen Trägerschicht – dem sogenannten Washcoat – überzogen ist, in der die aktiven Edelmetalle eingebettet sind. Während das heiße Abgas durch die Tausenden winzigen Kanäle strömt, beschleunigen die Katalysatoren die chemischen Reaktionen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Ein Drei-Wege-Katalysator, wie er bei Ottomotoren zum Einsatz kommt, erfüllt zwei Aufgaben gleichzeitig: Er oxidiert Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser und reduziert zugleich die Stickoxide zurück zu unschädlichem Stickstoff und Sauerstoff. Die beteiligten Metalle haben dabei jeweils ihre eigene Rolle – Platin und Palladium treiben die Oxidation an, Rhodium übernimmt die Reduktion der Stickoxide.

Damit die Drei-Wege-Reaktionen wirkungsvoll ablaufen, muss der Motor sehr nah am chemisch idealen Luft-Kraftstoff-Verhältnis arbeiten, dem sogenannten stöchiometrischen Punkt. Aus diesem Grund arbeitet der Katalysator eng mit den Lambdasonden und dem Motorsteuergerät zusammen, die das Gemisch fortlaufend so anpassen, dass es in dem schmalen Fenster bleibt, in dem Oxidation und Reduktion gemeinsam ablaufen können. Wird das Gemisch zu fett, fehlt der Sauerstoff zur Oxidation des Kohlenmonoxids; wird es zu mager, gerät die Reduktion der Stickoxide ins Stocken. Der Katalysator ist somit ebenso Teil des Regelkreises des Motors wie ein passiver Filter.

Eine entscheidende Einschränkung besteht darin, dass der Katalysator erst wirksam wird, sobald er seine Anspringtemperatur erreicht, die typischerweise bei etwa 250 bis 400 Grad Celsius liegt. Bis das Bauteil aufgeheizt ist, fällt die Umwandlungsrate gering aus, weshalb die ersten ein bis zwei Minuten nach einem Kaltstart einen überproportionalen Anteil an den gesamten Emissionen einer Fahrt ausmachen. Konstrukteure begegnen dem, indem sie den Katalysator motornah anordnen und Strategien nutzen, die ihn rasch erwärmen, doch die Kaltstartbelastung bleibt eine grundsätzliche Schwäche der Technik.

Der Katalysator ist ein Glied in einer umfassenderen Kette der Abgasnachbehandlung. Dieselmotoren, die mager laufen und keinen Drei-Wege-Katalysator für die Stickoxide nutzen können, setzen stattdessen auf die selektive katalytische Reduktion mit einem Harnstoffzusatz (AdBlue), während moderne Ottomotoren zusätzlich einen Ottopartikelfilter zum Auffangen des Rußes erhalten. All diese Systeme dienen dazu, Abgasnormen wie Euro 6 einzuhalten. Die Edelmetalle im Inneren machen Katalysatoren zudem zum Ziel von Diebstählen, und der Katalysator kann durch verbleiten Kraftstoff vergiftet oder durch verbrennendes Öl verunreinigt werden – ein gesunder Motor ist daher die Voraussetzung für eine lange Lebensdauer.