Katalysator: Aufbau, Schäden und Reparatur

➤ Defekter Katalysator: Symptome
➤ Wie entstehen Beschädigungen am Katalysator?
➤ Dauer und Kosten der Reparatur
➤ Katalysator: Entstehung und Funktion
➤ Einsatz von Katalysatoren
➤ Was sind Upgrade-Katalysatoren?
➤ Weiterentwicklung des Katalysators
➤ Stickoxid-Speicherkatalysatoren

Der Katalysator (auch Abgaskatalysator oder auch Kat genannt) ist ein Bestandteil der Auspuffanlage und soll gesundheits- und umweltschädliche Abgase in ungiftige Stoffe umwandeln. Doch woran erkennt man einen defekten Katalysator, und was kostet der Austausch?

Der Katalysator trägt zum Schutz der Umwelt bei. Ist dieses Bauteil jedoch defekt, passiert das Gegenteil und die Abgaswerte erhöhen sich. Die erhöhten Abgaswerte kann der Fahrer nicht registrieren. Durch einige Symptome lässt sich jedoch feststellen, dass etwas nicht stimmt. Häufige Anzeichen eines defekten Katalysators sind rasselnde Geräusche, ein unrunder Lauf des Motors, ungewöhnlicher Abgasgeruch, eingeschränkte Leistung ab einer bestimmten Drehzahl oder auch Leistungsverlust. Springt die Motorkontrollleuchte (MKL) an, könnte das ebenfalls ein Indiz sein. Bei modernen Fahrzeugen wird die Funktion des Katalysators jedoch ständig durch Lamdasonden kontrolliert. Kommt es zu einem Defekt am Kat, zeigt eine Kontrollleuchte dies an.

Da sich der Katalysator am Unterboden eines Fahrzeugs befindet, kann er Schäden davontragen, wenn man hohe Hindernisse überfährt. Auch häufige Fehlzündungen schaden dem Bauteil. Das größte Problem für Katalysatoren stellen jedoch Kurzstrecken dar. (Alle Infos zu Reparatur und Technik.)

Da ein Katalysator nicht repariert werden kann, erfolgt bei einem Defekt stets der Austausch. Wie hoch die Rechnung dafür ausfällt, setzt sich aus den Materialkosten, dem Fahrzeugmodell sowie der Bauart des Katalysators zusammen. Die Kosten bewegen sich zwischen 250 bis 1000 Euro. Aufgrund der unterschiedlichen Bauweise variiert die Dauer für den Wechsel je nach Fahrzeugmodell. Durchschnittlich beträgt die Arbeitszeit in der Werkstatt eine bis 2,5 Stunden.

Um 1950 entwickelte der französische Ingenieur Eugene Houdry 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.

Doch wie so viele Erfinder war Houdry seiner Zeit 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 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.

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.

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, wo zum Modelljahr 1990 ein sogenannter Umwelt-Diesel präsentiert wurde. 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.

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 SUVs 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 der 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.