Katalysator: Funktion, Schäden und Reparatur

Katalysator: Aufbau, Funktion und Schäden

— 22.01.2016

Abgasreinigung beim Auto

Der Katalysator reduziert die Schadstoffe der Abgase. Aber wie funktioniert das eigentlich, und wann ist eine Reparatur fällig?

Wer heute nicht mindestens 50 Jahre alt ist, wird sich kaum an die Zeit erinnern, als Autos noch richtig nach verbleitem Benzin duften durften. Es waren vor allem unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), die dem Auspuff entfleuchten und das Aroma bestimmten. Dazu jede Menge geruchloses, aber giftiges Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx). Ein mörderischer Cocktail, der auf verkehrsreichen Plätzen einen bestialischen Gestank entfaltete. Aber völlig normal zu der Zeit und Zeichen des Wohlstands, schließlich konnte sich nun jeder ein Auto leisten und wollte auch damit fahren.
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Wer hat's erfunden? Die Franzosen!

Der wesentliche Bestandteil des Katalysators ist ein beschichteter Wabenkörper im Inneren. Bei älteren Modellen aus Keramik (im Bild), inzwischen aus Metall.

Diese Phase reichte in Deutschland bis Anfang der 1980er-Jahre. Doch bereits um 1950 machten sich die weltgrößten Spritverbraucher in den USA Gedanken über Autoabgase. Ursache war der permanente Smog über Los Angeles und es war ein Franzose, der die entscheidende Idee hatte: Eugene Houdry entwickelte ein Gerät, das sich in den Auspuff einbauen ließ und die giftigen Bestandteile auf ein Minimum reduzieren konnte. 1956 erhielt er darauf ein Patent, die Geburt des Autoabgas-Katalysators. Seine Funktionsweise: In einem ungefähr zwei Liter fassendem Metall-Behälter ähnlich einem normalen Auspufftopf befindet sich ein Wabenkörper aus Keramik, dessen unzählige Kanäle mit einer Beschichtung aus Aluminiumoxid überzogen sind. Diese besitzt eine feine Rauheit, welche ihre Oberfläche auf über 100 Quadratmeter steigert. In dieser Beschichtung sind kleinste Partikel von Edelmetallen wie Platin, Rhodium oder Palladium eingelagert. Streichen die heißen, giftigen Abgase darüber, beginnen sie ab ungefähr 500 Grad miteinander zu reagieren: Aus Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid werden Kohlendioxid und Wasser, das Stickoxid reduziert zu ungefährlichem Stickstoff. Weil also drei Schadstoffe beseitigt werden, heißt das Gerät auch Drei-Wege-Katalysator. So weit, so sauber.

Bleifreies Benzin machte den Einsatz von Katalysatoren möglich

Verbleites Benzin schädigt den Katalysator. Erst Mitte der Achtziger Jahre war dieser flächendecken erhältlich.

Doch wie so viele Erfinder war Houdry seiner Zeit zu weit voraus, denn sein Katalysator funktionierte nicht mit dem damals üblichen Benzin. Dieses enthielt Blei, das die chemisch aktive Oberfläche des Katalysators überzog und dadurch unwirksam machte. Es dauerte bis Anfang der 70er-Jahre, ehe die Auto-Nation USA die schädlichen Umweltauswirkungen durch die Abgase nicht länger ignorieren konnte und zunächst Unleaded Fuel, also bleifreies Benzin, und darauf den Katalysator einführte.
In Deutschland dauerte es weitere zehn Jahre, ehe ein neues Umweltphänomen für Schlagzeilen sorgte: Waldsterben. Schnell war das Auto als Verursacher ausgemacht, dessen Stickoxide in den Abgasen den Regen sauer werden ließen und so die Bäume absterben ließ. Ab etwa 1983 wurde das Thema akut und Mitte 1984 gab es die ersten Pkw mit Katalysator zu kaufen. Volkswagen spielte damals den Vorreiter, legte den Kat in den Kofferraum und der Kunde konnte ihn gegen den normalen Vorschalldämpfer auswechseln lassen, sobald bleifreier Sprit in seiner Region verfügbar war. Das dauerte zunächst, erst ab Ende 1985 waren Deutschland und die Schweiz flächendeckend bleifrei. Der Rest von Europa wartete ab und als AUTO BILD im Februar 1986 an den Start ging, freuten sich noch viele Leser über die Tabellen im Serviceteil mit den Bleifrei-Tankstellen in ihren Urlaubsländern.

Steuern Sparen mit Upgrade-Katalysatoren

Upgrade-Katalysatoren arbeiten besser als der originale Kat in älteren Autos. Wer seinen Youngtimer aufrüstet, profitiert von einer günstigeren Kfz-Steuer.

Noch ein anderes Bauteil lag bei VW im Kofferraum: die Lambdasonde. Die misst den Sauerstoffanteil im Abgas. Der soll am besten bei Null liegen, denn Sauerstoff verhindert die Reduzierung der giftigen Stickoxide. Dafür muss das Kraftstoff-Luft-Gemisch penibel genau passen, pro Gramm Benzin 14,7 Gramm Luft. Mit den bis dahin gebräuchlichen Vergasern oder mechanischen Einspritzanlagen war solch eine Genauigkeit nicht zu schaffen, deshalb mussten elektronisch geregelte Einspritzanlagen her. Inklusive erheblicher Mehrkosten für die Autofahrer. Bis zum Inkrafttreten der Euro-1-Abgasnorm im Januar 1993 war es auch möglich, ungeregelt arbeitende Katalysatoren zu verwenden, sogenannte U-Kats, mit denen sich auch ältere Fahrzeuge nachrüsten ließen, um Kfz-Steuern zu sparen. Diese Modelle wurden aber mittlerweile alle als "nicht schadstoffarm" eingestuft. Trotzdem besteht nach wie vor die Möglichkeit, ältere Fahrzeuge auf eine bessere Abgasnorm zu bringen, teilweise sogar über mehrere Stufen. Selbst fast 30 Jahre alte VW Golf II lassen sich von Euro 1 auf die D3-Norm umrüsten, kosten dann statt 15,13 Euro pro 100 Kubikzentimeter Hubraum nur noch 6,75 Euro. Eine Methode dazu ist der Einbau eines Upgrade-Katalysators. Der funktioniert besser als das Serienteil, wandelt mehr Schadstoffe um und lässt sich trotzdem problemlos montieren.

Weiterentwicklung des Katalysators

Metall-Katalysatoren haben sich durchgesetzt. Sie kommen schnell auf Betriebstemperatur und sorgen für geringeren Gegendruck als Keramik-Monolithen.

Prinzipiell arbeiten die Katalysatoren von Benzinmotoren heute noch nach diesem Verfahren, von Ausnahmen abgesehen. Allerdings wird schon länger kein keramisches Trägermaterial mehr für die aktive Beschichtung verwendet, sondern eng gewickelte Metallfolien. Diese erreichen nach dem Kaltstart schneller die nötige Arbeitstemperatur von rund 500 Grad und sind unempfindlicher gegen Vibrationen. Nachdem der Benziner nun gesäubert war, kam ab Ende der 80er-Jahre der Diesel an die Reihe. Zunächst wurde zum 1. Januar 1989 die Masse der ausgestoßenen Rußpartikel begrenzt. Und wieder war es VW, die zum Modelljahr 1990 einen so genannten Umwelt-Diesel präsentierten. In dessen Abgastrakt steckte erstmals ein Oxidationskatalysator – nicht zu verwechseln mit einem Rußpartikelfilter. Denn das kurz Oxikat genannte Teil filtert nicht, es verbrennt restliche Kohlenwasserstoffe – also Kraftstoffbestandteile – und Kohlenmonoxid zu Wasser und Kohlendioxid. Da sich Rußpartikel bevorzugt an Kohlenwasserstoffe klammern, wird so auch die Rußmenge reduziert. Nur gegen die giftigen Stickoxide kann der Oxikat nichts unternehmen, was den Diesel bis heute in der Kritik der Umweltlobby stehen lässt.

Stickoxid-Speicherkatalysator

An der Katalysatortechnik liegt es jedoch nicht, denn die wird stetig weiterentwickelt. Die nächste Stufe ist der Stickoxid-Speicherkatalysator, der zunächst bei Benzinmotoren mit besonders magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch – sogenannten Magermix-Motoren –zum Einsatz kommt. Auch bei diesen bleibt viel Sauerstoff im Abgas, eine Reduzierung der Stickoxide gelingt deshalb zunächst nicht. Die Stickoxide werden im Speicherkatalysator zwischengeparkt, bis die Motorsteuerung in einem passenden Moment das Gemisch auf fett stellt. Dabei steigt zwar der Kraftstoffverbrauch für zwei Sekunden stark an, aber die gespeicherten Stickoxide werden in diesem Moment komplett zu Stickstoff reduziert. Ein Zyklus, der sich alle 60 bis 90 Sekunden wiederholt. Heute wird dieses Verfahren beim Ottomotor und in Zusammenarbeit mit einem Rußpartikelfilter auch beim Diesel angewendet. Bei schwereren Fahrzeugen wie Vans oder SUV kommt dagegen ein noch aufwendigeres Verfahren zum Einsatz: In die Abgase wird nach Passieren des Oxikats eine wässrige Harnstofflösung (im Handel "AdBlue" genannt) eingespritzt, aus welcher innerhalb einer Reaktionsstrecke Kohlendioxid und Ammoniak entstehen. Das Ammoniak wiederum reduziert anschließend im SCR-Kat die Stickoxide zu Stickstoff und Sauerstoff. Das Verfahren nennt sich "selektive katalytische Reaktion" – abgekürzt SCR – weil es eben nur Stickoxide beseitigt, dies allerdings besonders wirksam.

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Fehlfunktionen vermerkt der Fehlerspeicher

Typischer Schaden beim Katalysator: Ein gebrochener Keramik-Monolith im Inneren des Gehäuses.

Doch was passiert, wenn der Katalysator mal kaputt geht? Im günstigsten Fall gar nichts, abgesehen natürlich vom Anstieg der Schadstoffe im Abgas. Allerdings findet bei nahezu allen Fahrzeugen ab Einführung der Euro-4-Norm eine Überwachung von Abgasdaten vor und hinter dem Kat statt, Überschreitungen lassen dann die Motorkontrollleuchte aufglimmen. Bei älteren Fahrzeugen muss dagegen nach Art des Defekts und nach der Motor-Bauart unterschieden werden: Beim Benziner bleibt ein Nachlassen der Wirkung durch normale Alterung und Verschleiß meistens unbemerkt und fällt auch bei der Abgasuntersuchung erst bei sehr hohen CO-Werten auf. Beim Diesel wird bei der AU ohnehin lediglich die Rußtrübung gemessen, auf die der Oxikat nur einen sehr geringen Einfluss hat. Dessen Versagen wird also kaum jemals bemerkt. Anders sieht es aus, wenn ein mechanischer Defekt vorliegt, der Kat also von außen beschädigt oder innerlich zerrüttet ist und klappert. Letzteres kommt vor allem bei Keramik-Kats, aber auch bei Dieselrußfiltern häufiger vor. Im Extremfall kann sich der Keramik-Klotz querlegen und den Abgasfluss behindern, was ein Überhitzen bestimmter Motorteile und des Turboladers nach sich ziehen kann. Ein ernstes Alarmzeichen ist nachlassende Motorleistung bei steigendem Durst. Hat sich der Katalysator komplett zerlegt, kann die Motorleistung durch den verstopften Auspuff stark abnehmen.
So erkennen Sie einen defekten Katalysator
Grundsätzlich gilt: Ist der Katalysator von außen durch Beulen oder Dellen beschädigt, ist der Monolith im Inneren mit hoher Wahrscheinlichkeit gebrochen. Das bedeutet das Aus für den alten Kat, ein neuer muss her. Ein weiteres Indiz: Klopft man mit dem Handballen außen auf den Metallkörper, darf es nicht scheppern, rasseln oder klappern. Dieses Symptom deutet ebenfalls auf einen zerstörten Innenkörper hin.
Doch auch ein defekter Kat ist heute kein Grund mehr zum Verzweifeln. Zumindest bis zur Euro-4-Norm gibt es im Zubehör Ersatz in guter Qualität für nicht allzu hohe Kosten – für einen VW Golf IV mit 75 PS fallen zum Beispiel rund 220 Euro an. Der Einbau ist für geübte Schrauber nicht schwieriger als bei einem normalen Schalldämpfer. Allerdings kommt es mehr auf Sauberkeit an, damit nicht Schmutzpartikel vom Einbau die Leistung reduzieren. Unterm Strich aber ist der Katalysator heute ein unproblematisches Bauteil. Und die Skepsis, die ihm während seiner Einführung vor 30 Jahren entgegenschlug, ist inzwischen verflogen wie die Schadstoffe aus der Gründerzeit des Automobils. Wer heute wissen möchte, wie es damals gestunken hat, muss ein Oldtimer-Treffen besuchen. Aber Vorsicht: Gesund sind die Abgase nicht.

Autor: Hendrik Dieckmann

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