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Einführung in die Abgasreinigungs-Technologie

Katalysatoren

In der Umgangssprache bezieht sich der Begriff "Katalysator" auf das komplette System der Abgasreinigung eines Fahrzeugmotors. Dazu können in einem Gehäuse aus rostfreiem Stahl keramische oder metallische Träger mit einer katalytischen aktiven Beschichtung untergebracht werden, die chemische Verbindungen (Trägerschicht) beinhalten. Diese katalytische Beschichtung besteht aus mineralischen Stoffen und Edelmetallen, deren Zusammensetzung für die erforderliche Reduzierung der Emissionen optimiert wurden. Alternativ kann eine homogene Wabenkeramik zum Einsatz kommen, die vollständig aus den aktiven Komponenten extrudiert wird.  Der Katalysator wird in einem Gehäuse eingebaut und durch eine spezielle ‚Matte’ gegen Vibrationen und Stöβe geschützt . Das Emissionskontrollsytem gleicht dann einem Schalldämpfer. Die verschiedenen Katalysatortypen sind genauer auf der Seite Katalysatoren beschrieben.

Der chemisch wirksame Teil des Katalysators wird hier durch eine Quellmatte in einem stabilen Stahlgehäuse geschützt.	Metall-Katalysator

Partikelfilter

Je nach Motortechnologie und Anwendungseigenschaften können verschiedene Filtertechniken zur Reduzierung der Partikelemissionen verwendet werden. Der Wall-Flow- Filter ist in der Regel ein keramischer Träger. Das Abgas wird gezwungen, durch dessen Wände zu strömen, wodurch die Partikel mit einem Wirkungsgrad von über 99 % herausgefiltert werden. Er befindet sich ebenfalls in einem Gehäuse aus rostfreiem Stahl und wird durch eine Matte gegen Vibrationen und Stöße geschützt. Diese Filter können ebenfalls mit katalytisch aktiver Träger ausgerüstet sein, um seine Reinigung sicherzustellen. Dazu dienen auch katalytisch wirkende Substanzen oder Motorkalibrierungsm aßnahmen.

In typischen Einsatzbedingungen scheidet der Nebenstromfilter 30 bis 60 % der Partikel aus dem Abgas aus. Diese Art Filter sind in verschiedenen Werkstoffen von Metall bis Glasfaser erhältlich.

Weitere Einzelheiten finden Sie auf der Seite Partikelfilter.

Adsorber

Adsorber funktionieren ähnlich wie Katalysatoren, werden jedoch eingesetzt, um die Emissionen spezifischer Schadstoffe - in der Regel NOx oder HC - zu reduzieren, wenn bestimmte Betriebsbedingungen oder Abgaszusammensetzungen die kontinuierliche Wirksamkeit des Katalysators verhindern. Sie speichern den Schadstoff eine Weile und geben ihn wieder frei, sobald der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat und die Abgasreinigung sichergestellt ist. Weitere Einzelheiten finden Sie auf der Seite Adsorber.

Träger

Der aktive Katalysator befindet sich auf keramischen oder metallischen Trägern, wobei beide Arten je nach Anwendungsgebiet und Position im Abgassystem über besondere Vorteile verfügen. Die Entwicklung starker Träger mit extrem geringer Wandstärke und einer Zellendichte bis 1200 Zellen pro Quadratzoll (186 Zellen/cm2) hat entscheidend zu einer höheren Effizienz des Katalysators beigetragen.

2) Wall-Flow-Partikelfilterträger	3) Mettalische Substrate

Die Technologie der Träger ist entscheidend verbessert worden. 1974 wiesen keramische Träger im Querschnitt eine Dichte von 200 cpsi (200 Zellen pro Quadratzoll, entsprechend 31 Zellen/cm2) bei einer Wandstärke von 12 mil (0,012 Zoll, entsprechend 0,305 mm) auf. Ende der 70er Jahre nahm die Zellendichte auf bis zu 400 cpsi zu, und die Wandstärke wurde um 50% auf 6 mil reduziert. Heute sind Träger mit 400, 600 sowie 900 und sogar 1200 cpsi erhältlich, und die Wandstärken erreichen 2 mil - gerade mal 0,05 mm. Parallel dazu sind seit den späten 70er Jahren Träger mit ultradünnen Folien aus korrosionsfesten Stählen entwickelt worden, die anfangs eine Stärke von nur 0,05 mm aufwiesen und eine höhere Zellendichte ermöglichen. Jetzt kann auch ein komplexer mechanischer Aufbau realisiert werden; Metallträger mit Dichten von 800 und 1000 cpsi stehen mit Wandstärken von nur noch 0,025 mm zur Verfügung. Dieser Fortschritt in der Entwicklung keramischer wie metallischer Substrate hat entscheidende Vorteile. So kann in einem gegebenen Volumen eine größere katalytisch wirksame Oberfläche untergebracht werden, was zu höherer Effizienz bei der Umsetzung und zu gesteigerter Belastbarkeit des Katalysators führt. Die verringerten Wandstärken setzen die Wärmespeicherung herab und beschränken Druckverluste. Außerdem können Katalysatoren gleicher Leistung mit kleineren Abmessungen gebaut und selbst in Kleinwagen nahe am Motor montiert werden.

Katalytische Beschichtungen

Es wurden Beschichtungen entwickelt, die maximale Effektivität und den optimalen Einsatz der Edelmetalle Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) gewährleisten. Die bei katalytischen Beschichtungen eingesetzte Nanotechnologie umfasst stabilisierte Kristallite, Beschichtungsmaterialien, die auch noch bei hohen Oberflächentemperaturen von 1000°C arbeiten, die verbesserte Fähigkeit, Sauerstoff zu speichern und neue Beschichtungsverfahren zur Optimierung der Beschichtungsverteilung. All dieses trägt zur hohen Leistungsfähigkeit der Katalysatoren bei.

Homogene Katalysatoren

Homogene Katalysatoren stellen eine Alternative zur Substratbeschichtung dar. Hierbei dehnen sich nur die aktiven Verbindungen gleichzeitig aus. Diese Technologie kann heute in SCR-Katalysatoren verwendet werden.

Dauerhafte Lösungen

Die Beständigkeit der Abgasreinigung ist ein entscheidender Faktor, der den Nutzen aller Bemühungen um die Verbesserung des Umweltschutzes signifikant beeinflusst. Die eingesetzten Technologien müssen über den gesamten definierten Lebenszyklus eines Fahrzeuges stabil und effizient arbeiten. Dazu gehört auch eine regelmäßige Kontrolle dieser Systeme. Seit 2000 werden in Europa OBD-Systeme zur laufenden Überwachung des Motor-Managements und aller Systeme der Abgasreinigung einschließlich der Wirksamkeit des Katalysators eingesetzt. Äquivalente Systeme wurden 2005 auch für schwere Nutzfahrzeuge (LKW und Busse) eingeführt.