Dreiwege-Katalysatoren (TWC) sind die wichtigste Abgasreinigungs-Technologie für Benzinmotoren. Der Katalysator enthält keramische oder metallische Träger mit katalytisch wirksamen Stoffgemischen, die unter anderem Aluminiumoxid, Cerdioxid und andere Metalloxide in Kombination mit Edelmetallen wie Platin, Palladium und Rhodium enthalten. Dreiwege-Katalysatoren arbeiten in einem Regelkreis, in dem eine sogenannte Lambda-Sonde das bei jeder Fahrweise für die Abgasreinigung optimale Verhältnis von Luft und Kraftstoff einstellt. Dadurch kann die katalytisch wirksame Beschichtung CO und HC zu CO2 plus Wasser oxidieren sowie gleichzeitig NOx zu Stickstoff reduzieren.

Dreiwege-Katalysator

Schnell anspringende Katalysatoren entfalten ihre Wirkung bereits bei niedrigen Abgastemperaturen und somit auch in der Startphase des Motors. Das reduziert die Zeit, in der die Abgase ungereinigt den Auspuff verlassen und verbessert die Umweltbilanz beispielsweise bei kurzen Stadtfahrten. Möglich wurden diese Katalysatoren durch eine Änderung der temperaturabhängigen Wirksamkeit der katalytischen Substanzen und Träger sowie einer hierfür optimierten Zusammensetzung der aktiven Edelmetalle, was insgesamt zu erheblichen Verbesserungen führte.

Temperatur-stabilere Katalysatoren mit höheren Arbeitstemperaturen wurden entwickelt, um den Katalysator näher am Motor zu platzieren und damit seine Lebensdauer vor allem bei extremen Betriebsbedingungen zu verbessern. Hierfür werden katalytisch wirksame Edelmetalle mit stabilisierten Kristalliten und Beschichtungsmaterialien ausgerüstet, die auch noch bei hohen Oberflächentemperaturen von 1000°C arbeiten. Verbessert wurde die Fähigkeit der Beschichtung, Sauerstoff zu speichern, was bei einem Dreiwege-Katalysator dessen Luft-Kraftstoff-"Fenster" erweitert und über ein Diagnose-System (OBD) den aktuellen Zustand des Katalysators meldet. Geregelte Katalysatoren, die direkt hinter dem Motor-Abgaskrümmer montiert sind, springen innerhalb von Sekunden an.

Geregelte Katalysatoren, die zum schnelleren Anspringen nahe am Motor platziert sind, mit Katalysator und Sauerstoffsonde.

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Elektrisch geheizte Katalysatoren sind vor dem eigentlichen Haupt-Katalysator platziert. Ihre katalytisch wirksame Schicht ist auf einem metallischen Träger aufgebracht, der durch elektrischen Strom sehr schnell aufgeheizt wird. Damit wird bereits wenige Sekunden nach dem Anlassen die Abgasreinigung sichergestellt.

Elektrisch geheizte Katalysatoren springen innerhalb von Sekunden an.

Optimierte Systeme mit allen diesen Neuerungen werden in hohen Stückzahlen und gleichbleibend hoher Qualität gefertigt. Herkömmliche Katalysatoren werden heute durch zusätzliche Katalysatoren unterstützt, die in der Nähe des Auspuffkrümmers montiert sind, um die Anspringphase während des Kaltstarts von zwei Minuten auf wenige Sekunden zu verkürzen. Damit reduziert sich zugleich die Gesamtmenge ausgestoßener Schadstoffe. Verbesserte Beschichtungsmaterialien, die mit hoch temperaturstabilen katalytisch wirksamen Substanzen sowie Sauerstoff speichernden Bestandteilen kombiniert sind, bieten die Voraussetzung zur Einhaltung der EU-Vorschriften Euro 4, 5 und 6. Darüber hinaus entsprechen diese Katalysator-Systeme folgenden Anforderungen: California Low Emission Vehicle (LEV), Ultra Low Emission Vehicle (ULEV) und Super Ultra Low Emission Vehicle (SULEV).

Oxidations-Katalysatoren

Oxidations-Katalysatoren waren die ersten Katalysatoren und wurden ab Mitte der 70er Jahre für Benzinfahrzeuge eingesetzt, bis sie von den Dreiwege-Katalysatoren abgelöst wurden. Diese sehen fast genauso wie dreiwege-Katalysatoren aus und sind ähnlich konstruiert, aber etwas unkomplizierter. Oxidations-Katalysatoren wandeln Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) in Kohlendioxid (CO2) und Wasser um, haben jedoch wenig Einfluss auf Stickoxide (NOx). Aufgrund der Vorteile der Dreiwege-Katalysatoren werden sie in Europa heute kaum noch für Benzinautos verwendet, während sie in einigen Ländern mit weniger strengen Emissionsvorschriften weiterhin in Gebrauch sind. Daneben sind sie für einige, mit comprimiertem Erdgas (CNG) betriebene Busse, für Motorräder und für Anwendungszwecke wie kleine Benzinmotoren für handbetriebene Geräte (z. B. Trimmer) geeignet.

Dieseloxidations-Katalysatoren (DOC) bleiben eine Schlüsseltechnologie für Dieselmotoren, deren hoher Sauerstoffanteil im Abgas die Verwendung von Dreiwege-Katalysatoren ausschließt. Diese Dieseloxidations-Katalysatoren (DOC) wandeln CO und HC und reduzieren gleichzeitig die Partikelemissionen, indem ein Teil der von den Kohlepartikeln adsorbierten Kohlenwasserstoffe oxidiert.

Behandlung der NOx-Emissionen von Dieselmotoren und direkteinspritzenden Benzinmotoren

Dieselmotoren und direkteinspritzende Benzin-Magermotoren haben den Vorteil, dass sie weniger Kohlendioxid ausstoßen und auch weniger Kraftstoff verbrauchen. Um die NOx-Emissionen reduzieren zu können, benötigen herkömmliche Dreiwege-Katalysatoren, wie sie in Benzinmotoren verwendet werden, eine "kraftstoffreichere" Umgebung mit einem geringeren Sauerstoffanteil im Abgas als in diesen Motoren vorhanden. Daher muss ein neuer Ansatz entwickelt werden. Selektive katalytische Reduktion , DeNOx-Katalysatoren und NOx-Adsorber sind Technologien, die für diese kraftstoffarmen Anwendungszwecke geeignet sind.

Selektive katalytische Reduktion

Selektive katalytische Reduktion (SCR) war ursprünglich für Kraftwerke und stationäre Motoren und später für große Motoren wie zum Beispiel für Schiffe entwickelt worden, steht aber nun auch für die meisten neuen Schwerlast-Dieselmotoren (d. h. LKW und Busse) in Europa zur Verfügung. In den USA werden LKW bis 2010 damit ausgerüstet. Diese Systeme werden außerdem für leichtere Diesel-LKW eingeführt. Ein SCR-System, das die NOx-Emissionen wirksam reduziert, senkt auch den Kraftstoffverbrauch. Dadurch können die Entwickler von Dieselmotoren das Trade-Off zwischen NOx, PM und Kraftstoffverbrauch nutzen und den Motor auf einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch einstellen als bei einer Reduktion der NOx-Emissionen allein durch motortechnische Maßnahmen. Außerdem sinkt der Partikelausstoß. SCR-Katalysatoren können alleine oder zusammen mit einem Partikelfilter verwendet werden.

SCR-Katalysator mit Harnstoff-Einspritzdüse und Mischgerät

Im SCR-System wird Ammoniak als selektives Reduktionsmittel bei Sauerstoffüberschuss im Abgas eingesetzt, um über 70 % (bis zu 95 %) von NO und NO2 in Stickstoff umzusetzen..Es können verschiedene Vorläufer von Ammoniak verwendet werden; eine der gängigsten Optionen ist eine Harnstoff-Wasser-Lösung (z. B. AdBlue®), von der eine sorgfältig dosierte Menge aus einem separaten Tank in das Abgassystem vor dem SCR-Katalysator gesprüht wird.

SCR-Katalysator mit Harnstoffeinspritzung und Mischvorrichtung

AdBlue® ist eine stabile, unentflammbare farblose Flüssigkeit mit einem Harnstoffgehalt von 32,5%, der weder gesundheitsschädlich ist und noch spezielle Sicherheitsvorkehrungen bei der Bedienung erfordert. Sie wird nach internationalen Standards hergestellt. Harnstoff wird als Kunstdünger eingesetzt und auch in Kosmetika verwendet. Je nach Fahrstil, Beladung und Straßenzustand beträgt der AdBlue®-Verbrauch im Allgemeinen 3-4% des Kraftstoffverbrauchs eines Euro IV-Motors und 5-7% des Kraftstoffverbrauchs eines Euro V-Motors. Der AdBlue®-Tank eines LKW reicht für maximal 10.000 km. Eingebaute Systeme zeigen dem Fahrer an, wann es Zeit ist, den Harnstoffank auf zufüllen.

Auf einer speziellen Webseite www.findadblue.com kann man sich informieren, an welchen Tankstellen AdBlue® erhältlich ist.


Harnstoff-Dosiersystem	® = eingetragenes Warenzeichen des Verbands der Automobilindustrie

DeNOx-Katalysatoren (Kohlenwasserstoff-SCR)

Für DeNOx-Katalysatoren, auch Kohlenwasserstoff-SCR-Systeme genannt, wurde eine aufwendige Oberflächenstruktur für die Beschichtung entwickelt. Dadurch entfaltet sich innerhalb des Katalysators ein "Mikroklima", in dem Kohlenwasserstoffe aus dem Abgas Stickoxide zu Stickstoff reduzieren und somit den Schadstoffausstoß weiter verringern. Die Kohlenwasserstoffe stammen entweder aus dem Abgas oder werden diesem durch Einspritzen einer kleinen zusätzlichen Kraftstoffmenge zugegeben. Das hat den Vorteil, dass kein weiteres Reduktionsmittel (Harnstoff) erforderlich ist. Allerdings sind diese Systeme noch nicht so leistungsfähig wie Ammoniak-SCR-Systeme.