Der Metallkatalysator als variables System

ENTWICKLUNG Abgasnachbehandlung

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Der Metallkatalysatorals variables System

Mit der Gründung der Emitec GmbH in Lohmar als Tochter zu glei-chen Teilen der Siemens AG und der GKN Automotive GmbH imJahr 1986 betrat eine neuartige Katalysatorbauweise den Markt,die als Träger des aktiven Katalysators nicht Keramik, sondern Folieaus hochlegiertem Stahl verwendete. Anfänglich von den Moto-renentwicklern mit Skepsis betrachtet, entwickelte sich der Metall-katalysator zu einer echten Alternative. Das Interesse der Moto-renentwickler nahm zu, als sich herausstellte, dass der Metallkata-lysator eine Vielzahl von Ausführungsformen zuliess, die mit einemkeramischen Träger nicht darstellbar sind. Auch heute noch sinddie Möglichkeiten des metallischen Trägers nicht ausgeschöpft.

1 Einleitung

Nach Wilhelm Ostwald (Nobelpreis 1909)sind Katalysatoren Stoffe, die chemischeReaktionen beschleunigen, ohne im End-produkt zu erscheinen. Die Natur verwen-det die Katalyse in großer Vielfalt. Ihre An-wendung in großtechnischen Prozessenfand sie jedoch erstmals bei der Amoniak-synthese zu Beginn des 20. Jahrhunderts.Bereits 1911 hatte Walter Ostwald, SohnWilhelm Ostwalds vorgeschlagen, auchAutomobilabgase durch Katalysatoren zuentgiften. Doch erst um 1960 begann dieEntwicklung solcher Katalysatoren, als inKalifornien Stickoxide, unverbrannte Koh-lenwasserstoffe und Kohlenmonoxid inAutomobilabgasen limitiert wurden. Dazuwurden zunächst gebohrte Keramikkörpermit dem aktiven Katalysator beschichtet,bis es Corning gelang, die Monolithen zuextrudieren. Da die Abgase am festen Kata-lysator vorbei streichen, spricht man vonheterogener Katalyse. Die homogene Kata-lyse von Ziegler/Natta dagegen (Nobelpreis1963) spielt für die Abgasentgiftung desVerbrennungsmotors (noch?) keine Rolle.

In den vergangenen über 40 Jahrendurchlief der im Prinzip unveränderte Kata-lysator einen kontinuierlichen Entwick-lungsprozess. Heute wird jeder Monolithzunächst mit einem Washcoat zur Vergrö-ßerung der Oberfläche versehen, bevor deraktive Katalysator aufgetragen wird. DieHerstellverfahren wurden stetig verfeinert,so dass die aktive Oberfläche bei gegebe-nem Querschnitt durch sehr feine, durchge-hende Kanäle mit dünnen Zwischenwän-den heute ein Optimum erreicht. Die Redu-zierung des Abgas- Druckverlustes ist beiVerwendung eines Keramikträgers vor al-lem durch Querschnittvergrößerung desMonolithen erreichbar.

Der Metallträgerkatalysator hat eine er-heblich längere Vorgeschichte. Ursprüng-lich in den Raffinerien der Mineralölindus-trie entwickelt, durchlief er seit den 60erJahren mehrere enttäuschende Entwick-lungsstadien. Erst der Emitec gelang es, einhochtemperaturfestes Lötverfahren zu ent-wickeln, das ursprünglich bei Interatom fürdie Kerntechnik entstanden war. Damitwerden die Folien an den Berührungsstel-len verbunden. Auch die für die Formstabi-lität des Metallmonolithen entscheidendeS-Form der gewickelten wellblechförmigenFolien wurde von der Emitec erarbeitet. In-zwischen verfügt das Unternehmen überrund 1400 Patente, mit denen der Metall-trägerkatalysator mit dem von Behr über-nommenen Namen Metalit abgesichert ist.

Zunächst beschränkte sich die Entwick-lung auf die Herstellung und Verarbeitungvon Folien unterschiedlicher Dicke sowie

unterschiedlicher Kanalformen und Grö-ßen. Wie beim Keramikmonolithen wirdauf die Oberflächen ein Washcoat aufge-tragen, der sie auf etwa das 6000fache ver-größert. Danach erfolgt die Beschichtungmit dem Edelmetallkatalysator. Durch be-sondere metallurgische Verfahren sind dieSchichten untrennbar miteinander ver-bunden, so dass sie sich auch bei sehr ho-hen Temperaturen nicht voneinander lö-sen können. Die hohe Temperaturbestän-digkeit des Emitec- Katalysators führtedenn auch dazu, dass Alpina bereits 1987erster Anwender wurde. In der Folgezeitsetzte sich der Metallträgerkatalysator vorallem für hoch belastete Ottomotoren,Sport- und Rennmotoren durch. Sie benöti-gen Katalysatoren höchster Temperatur-beständigkeit mit geringstem Leistungs-verlust, schnellere Aufheizung und klei-nem Volumen. Der Metallträgerkat konnteihnen das bieten, da die für die Effektivitäterforderliche innere Oberfläche durch dieextrem dünnen Zellwände größer ist alsbeim Keramik-Monolithen.

Diese Eigenschaften spielen nicht nurbei Sport- und Rennmotoren eine entschei-dende Rolle, sondern in immer stärkeremMaß auch bei Großserienmotoren bis her-ab zu Kleinwagen. Ihre Bedeutung nahmnochmals zu, als die Katalysatoren zur Re-duzierung der Kaltstartemissionen näheran den Motor rücken mussten. In der Folgeverhalf der Metallkatalysator von Emitecdem motornahen Konzept zum Durch-bruch. Das führte gleichzeitig zu signifi-kanten Kosteneinsparungen. Über diesewichtige Entwicklung berichtete BMW

ausführlich in der MTZ vom Dezember1997.

2 Variationen

Die ersten Emitec-Katalysatoren für Alpinawurden aus Folien mit einer Dicke von 0,05mm gefertigt. Gegenüber den fortgeschrit-tenen Keramikkatalysatoren mit Wand-stärken zwischen 0,17 mm bis 0,11 mm wardas bereits ein erheblicher Fortschritt. Inden folgenden Jahren gelang es, immerdünnere Folien zu verarbeiten. Zusammenmit Toyota wurde schließlich vor knapp 10Jahren eine Folie von 0,03 mm Dicke ent-wickelt, die damals einen Höhepunkt dar-stellte. Heute fertigt Emitec Metallträgerbis herab zu 0,025 mm Dicke. Als Standard-maß pendelten sich jedoch Folien von 0,04mm Dicke ein, die heute in zahlreichenFahrzeugen der Automobilhersteller zufinden sind.

Erwähnt werden muss, dass der Metall-träger die Probleme der Einbettung des Ke-ramikmonolithen ins Stahlgehäuse nichtkennt. Wie das Beispiel des Audi RS 6 zeigt,genügt bei ihm zwischen Matrix und Ge-häuse eine einfache Luftspaltisolierung,während Stahlmatrix und Stahlgehäuseüber die Lebensdauer fest miteinander ver-bunden bleiben.

Im Gegensatz zum Keramikmonolithenaus einem Stück bildete der "gebaute"Metallträger jedoch eine ideale Basis fürneue Varianten. Eine der ersten war der ko-nische Katalysator für den Übergangsko-nus zwischen Abgasrohr und zylindri-schem Katalysatorgehäuse. Er sorgte für

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2 Variationen

Bild 1: Elektrisch beheizter Vorsatz zum schnelleren Aufheizen des Abgases nach dem KaltstartFigure 1: Electrical heated device to heat the exhaust gas after cold starting

gleichmäßigere Verteilung der Abgase, sodass der zylindrische Teil besser genutztwurde und höhere Effektivität wie längereLebensdauer erreichte. Durch die Ausnut-zung auch des Übergangskonus schrumpf-te das Volumen des zylindrischen Teils, sodass unter dem Wagen wieder mehr Platzzur Verfügung stand.

Ende der achziger Jahre entwickelteEmitec einen elektrisch beheizten Kataly-sator (EHC), der die Aufheizzeit bis zur be-ginnenden Konvertierung erheblich redu-zieren konnte, Bild 1. Dabei war dem Kata-lysator eine Heizscheibe gleicher Bauartvorgeschaltet, die je nach Katalysatorgrö-ße zwischen 0,5 und 2 kW aus dem Bord-netz aufnahm. Die Beheizung hatte sichbei Unterbodenkatalysatoren als notwen-dig erwiesen, um die Kaltstartemissionenzu senken. Sie tragen mit rund 80 % zurgesamten Schadstoffmasse im jeweiligenTest bei. Mit der Einführung der motorna-hen Katalysatoren verlor die elektrischeBeheizung an Bedeutung, zumal sie dasohnehin stark strapazierte Bordnetz zu-sätzlich belastete. Dennoch bietet der EHCauch heute noch die einfachste Möglich-keit, um das Abgas in kritischen Fällen an-zuwärmen.

Die derzeit jüngste Entwicklung ist derPE-Katalysator (PE = PErforierte Folie), wieer im Audi RS 6 zu finden ist, Bild 2. Die0,04 mm starke Folie wird mit Löchern von8 mm Durchmesser versehen, so dass dieAbgase den gewickelten Katalysator nichtnur längs durchströmen, sondern aus demHauptstrom in die seitlichen Kanäle über-treten. Dadurch wird der Katalysator überden ganzen Querschnitt genutzt und kannentsprechend klein ausgeführt werden.Beim Audi RS 6 haben die beiden so kon-struierten Vorkatalysatoren direkt hinterden beiden ATL Durchmesser von lediglich85 mm und Längen von 75 mm. Die Dichtebeträgt 400 Zellen pro Quadratinch (cpsi),der Lochanteil 31 % der Folienoberfläche.

Mit der Absenkung der Wärmekapa-zität um fast 50 % wurde die Aufheizzeitim US FTP 75-Fahrzyklus bis 300°C um 18 sebenfalls fast um die Hälfte reduziert. Ma-trix und Gehäuse der Vorkatalysatorensind durch einen Luftspalt von nur 0,4 mmgetrennt. Dieser geringe Abstand reicht füreine deutliche Isolierwirkung aus, so dassder Wagen anstatt bisher die Grenzwerteder TLEV nun die der LEV erheblich unter-schreitet. Interessant ist, dass mit dem PE-Kat trotz höherer Effektivität der Druckver-lust reduziert wurde und die Abgaswerteüber eine Laufzeit von 60.000 Meilen kon-stant blieben, bei HC und NOx sogar mitleicht fallender Tendenz.

Zur Verbesserung der Effektivität ent-wickelte Emitec außerdem die LS-Struktur

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2 Variationen

Bild 2: Aufbau der gelochten (perforierten) Folien für den PE-Katalysator für bessere Ausnutzung des KatalysatorquerschnittsFigure 2: Structure of the perforated foils of the PE catalytic converter to improve utilisation of the catalytic converter cross section

Bild 3: Prinzip der LS-Struktur, mit der einedrastische Durchmischungdes Abgases zur höherenEffektivität des Katalysatorserreicht wirdFigure 3: Principle of the LSstructure which ensures thethorough mixing of theexhaust gas to increase theefficiency of the catalyticconverter

(longitudinale Struktur), bei der die feinenGaskanäle nicht mehr glatt durchlaufen,sondern eingeprägte Sekundärwellen be-sitzen, Bild 3. Das ergibt eine turbulenteStrömung, mit der die Konvertierungsratedeutlich verbessert wird. Bei gleicher Wirk-samkeit kann der Katalysator kleiner undum rund 20 % leichter ausgeführt werdenals bisher.

3 Dieselkatalysatoren

Durch die niedrige Temperatur seiner Ab-gase stellt der Dieselmotor an jedes Abgas-Nachbehandlungssystem besondersschwierige Anforderungen. Zwar konntendie Abgasgrenzwerte nach Euro 3 noch mitkonventionellen Oxidationskatalysatorenunterschritten werden, die nach Euro 4 je-doch nicht mehr. Nun ist auch der Dieselauf motornahe Katalysatoren angewiesen,um möglichst rasch die Konvertierungs-temperatur zu erreichen. Dazu entwickelteEmitec ein ganzes Bündel von Maßnah-men, von denen die ersten bereits in die Se-rienfertigung eingeführt wurden. DurchKombination verschiedener Bauteile las-sen sich für den Motorenhersteller sogarnicht unerheblich Kosten einsparen.

Wie beim Ottomotor profitiert der Die-sel wegen der schnellen Aufheizung auchvom PE-Design. In der Regel aber wird manden PM-(Filter-)Katalysator vorziehen, Bild4, der die Vorzüge der Partikelminderungmit denen des Oxidationskatalysators ver-bindet. Der PM- (Partikel-Masse) Katalysa-tor ist ein offener Filter, der nicht verstop-fen kann. Bei ihm wird das Abgas durchschaufelförmige Einprägungen in den Ka-nälen gezwungen, seine Partikelfracht ge-gen Metallvlies-Zwischenlagen zu blasen.Dort werden vor allem die Kleinpartikeleingelagert und kontinuierlich verbrannt.Versuche insbesondere bei MAN an Nutz-fahrzeugmotoren ergaben Abscheidegradevon Kleinpartikeln bis etwa 86 %, währenddie Partikelmasse insgesamt um 50 bis 60% reduziert wurde.

Der große Vorteil des PM-Kat ist, dass erin extremen Fahrsituationen (Kurzstre-cke!) nicht verstopfen kann. Schlimmsten-falls entspricht das Abgas jenem von Mo-toren ohne Partikelfilter. An Dieselmoto-ren für Personenwagen wurden bei Emitecsowie mehreren Automobilfirmen einePartikelreduktion zwischen 20 und 50 %gemessen, je nachdem, an welcher Stelleim Abgasstrang der PM-Kat eingebaut warund welchem Fahrprogramm man dieFahrzeuge unterwarf. PM-Kat und Oxida-tionskatalysator sind in jedem Fall in ei-nem gemeinsamen Gehäuse in Reiheuntergebracht. Der Druckverlust ist vomBeladungszustand nahezu unabhängig, so

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3 Dieselkatalysatoren

Bild 4: Prinzip des PM-Filterkatalysators für Diesel-motoren – durch die schau-felförmigen Einschnittewerden die Partikel gegendas Metallvlies gelenktFigure 4: Principle of the PMfilter catalytic converter fordiesel engines – the blade-like incisions direct theparticles against the metalfleece

Bild 5: Geschnittener Twin-katalysator: hier sind Oxida-tions- und PM-Katalysatorfür Dieselmotoren in einemgemeinsamen Gehäuseuntergebracht; das Abgasströmt direkt aus der Tur-bine durch das innere Rohrin den KatalysatorFigure 5: Cross section of atwin catalytic converter: theoxidation catalytic converterand PM catalytic converterare fitted in a single mantle; the exhaust gas flowsdirectly form the turbinethrough the inner tube intothe catalytic converter

Bild 6: Kleinkatalysator PTCzum Einschieben in dieAuslasskanäle direkt hinterden AuslassventilenFigure 6: Small PTC catalyticconverter that can be in-serted in the exhaust outletport directly behind theexhaust valves

dass der Kraftstoffverbrauch auch übersehr lange Zeit konstant bleibt und nichtwie bei geschlossenen Systemen ansteigt.

Als beste Lösung schlägt Emitec eineKompaktbauweise vor, Bild 5. Dabei wirdder PM-Kat direkt an den ATL ange-flanscht, so dass die Abgase geradlinigund ohne Wärmeverlust in den Katalysa-tor strömen. Hier durchlaufen sie zu-nächst den PM-Kat, anschließend den Oxi-dationskatalysator. Bei ihrem Austrittwerden sie um 180° umgelenkt und um-geben auf ihrem Weg zum Abgasrohr diebeiden Teile des Katalysators, deren Wär-me auf diese Weise auch bei Schwachlastweitgehend erhalten bleibt. Wie bei Ab-gasrohren üblich, kann das umschließen-de Gehäuse zweischalig mit Luftisolie-rung ausgeführt werden.

Um eine noch schnellere Aufheizungund damit früher einsetzende Konvertie-rung zu erreichen, empfiehlt Emitec klei-ne Vorturbolader-Katalysatoren (Pre-Tur-bo-Catalyst = PTC). Das sind Metallträger-Konstruktionen, die in die Auslasskanäledirekt hinter den Auslassventilen einge-schoben werden oder ins Abgassammel-rohr direkt vor dem ATL, Bild 6. Sie nutzendie Abgaswärme an den optimalen Stel-len im Abgassystem aus und erlaubentrotz extrem geringer Abmessungen eineKonvertierung von HC und CO bis etwa 70%. Dabei erhöht der PTC-Katalysator denNO2-Anteil des NOx und verbessert da-durch sowohl die Oxidation der Kohlen-stoffpartikel sowie die Reduktion des NOxim nachgeschalteten Katalysatorsystem.Weiterhin wichtig ist, dass der PTC-Kat dieGröße des gesamten Systems und damitauch seine Kosten reduziert.

4 Motorische Maßnahmen

Jede Abgasnachbehandlung ist ein Kom-promiss zu Lasten von Verbrauch undKosten. Damit wird aber auch die Kohlen-dioxidemission erhöht. Diese keineswegsneue Erkenntnis zwingt den Motorenkon-strukteur, die Verbrennung zunächst mitallen ihm zur Verfügung stehenden Mit-teln zu verbessern, um Rohemissionenmit dem geringstmöglichen Anteil anSchadstoffen zu erhalten. Erst dann ist essinnvoll, das geeignete Nachbehand-lungssystem zu entwickeln, um die ge-setzlichen Abgasvorgaben zu unterschrei-ten.

Erst in jüngerer Zeit wurde erkannt,dass besonders beim Dieselmotor die Zu-sammensetzung des Kraftstoffs für dieVerbrennung eine entscheidende Rollespielt. Er muss nicht nur über den heute inDeutschland erreichten Gehalt von weni-ger als 10 ppm Schwefel hinaus schwefel-

frei sein, sondern auch frei von vor allemhochsiedenden Aromaten und anderenBestandteilen, die sich spontaner Ver-brennung widersetzen. Diese Bedingun-gen erfüllen nach heutigem Wissen diesynthetischen Kraftstoffe GTL und BTL ambesten. Beide werden durch Fischer-Tropsch-Synthese aus Erdgas und Biomas-se mit gleicher Qualität hergestellt undsind die Voraussetzung zur Entwicklungder homogenen Verbrennung.

Bei zunehmender Homogenisierungder Verbrennung sinken die Anteile vonStickoxid und Partikeln im Abgas, wäh-rend ein Anstieg von CO und HC zu beob-achten ist. Zur Reduzierung dieser beidenBestandteile hat Emitec bereits heute eineReihe von Bauteilen entwickelt, die beihoher Langzeitstabilität den Verbrauchnicht erhöhen und die Kosten für die Ab-gasnachbehandlung niedrig halten. IhreBasis sind die PTC-Katalysatoren zur Aus-nutzung der künftig noch geringeren Ab-gastemperaturen.

Den Einstieg in die synthetischenKraftstoffe hat Shell bereits vollzogen. Inetwa acht Jahren wird die Hälfte des inEuropa benötigten Dieselkraftstoffs aussynthetischer Herstellung verfügbar sein,mit weiter steigender Tendenz. Bei Emitecist man sicher, dass der Diesel spätestensdann die leidige Partikeldiskussion end-gültig hinter sich lässt.

Christian Bartsch

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