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Mar 17, 2023

Aufwärmen für Katalysatoren am Tag der Erde

Dan Carney | 22. April 2020 Smog in Los Angeles, 1973. Bildquelle: EPA The US

Dan Carney | 22. April 2020

Smog in Los Angeles, 1973. Bildquelle: EPA

Der US-amerikanische Clean Air Act von 1970 führte nur wenige Monate nach dem ersten Tag der Erde, dem 22. April jenes Jahres vor einem halben Jahrhundert, umfassende Beschränkungen für Verschmutzungsquellen ein.

Es stellte sich heraus, dass Autos einen erheblichen Beitrag zur Luftverschmutzung leisteten und der Smog nicht nur offensichtliche Orte wie Los Angeles erstickte, sondern auch Städte wie Louisville (Kentucky), Phoenix (Arizona) und Tacoma (Washington), die das normalerweise nicht tun gelten heute als Problemzonen der Umweltverschmutzung. Dies ist auf Fotos aus dem Documerica-Programm der Environmental Protection Agency zu sehen, das die Auswirkungen der Umweltverschmutzung im Jahr 1970 fotografierte.

Als Reaktion auf den Clean Air Act und eine Verschärfung der Vorschriften in einer Aktualisierung des Gesetzes aus dem Jahr 1990 waren die Automobilhersteller verpflichtet, den Großteil der sogenannten „Kriterien“-Verschmutzung durch Autos praktisch zu eliminieren. Die wichtigsten Emissionskriterien sind Kohlenmonoxid, Stickoxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Partikel sowie Ammoniak und Schwefel. Schwefel ist vor allem bei dieselbetriebenen Fahrzeugen ein Problem, da dieses Element im Dieselkraftstoff vorkommt.

Die Hersteller reagierten mit der Entwicklung von Katalysatoren, einer Technologie, die 1950 vom französischen Ingenieur Eugene Houdry nach der Veröffentlichung früher Smogstudien in Los Angeles erfunden wurde. Laut der von der Industrie unterstützten Website „catalyticalconverters.com“ entwickelte die Engelhard Corporation 1973 den weltweit ersten Serienkatalysator.

Prüfung der Fahrzeugemissionen auf einem Leistungsprüfstand. Bildquelle: EPA

Katalysatoren verwenden Edelmetalle wie Platin und Palladium, die auf einer Keramikwabe geschichtet sind, die beim Erhitzen die Aufspaltung von Schadstoffen in harmlose Bestandteile, Wasser und CO2 erleichtert. Einige Konverter haben auch mit Edelmetall beschichtete Keramikperlen verwendet, aber Waben sind zum Industriestandard geworden, da die Hersteller die Effizienz gesteigert und die benötigte Menge an Edelmetall reduziert haben.

„EPA-Fahrzeugemissionsnormen haben direkt zur Entwicklung und Implementierung einer Reihe von Technologien geführt“, sagte ein EPA-Sprecher in einer Erklärung gegenüber Design News. „Insbesondere der Autokatalysator gilt als eine der größten Umwelterfindungen aller Zeiten. Im Vergleich zu Fahrzeugmodellen von 1970 sind Neuwagen, SUVs und Pickups etwa 99 Prozent sauberer in Bezug auf häufige Schadstoffe (Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und Partikelemissionen). Neue schwere Lkw und Busse sind etwa 99 Prozent sauberer als die Modelle von 1970.“

Tatsächlich ist eine Reduzierung der Umweltverschmutzung um 99 Prozent sicherlich eine der größten Umwelterfindungen aller Zeiten. Diese Verbesserungen waren nicht leicht zu erreichen, da die ersten Autos mit Vergaser hinsichtlich Schadstoffbelastung, Leistungsabgabe und Fahrverhalten keine guten Leistungen erbrachten.

1975 Ford Mustang II Ghia. Bildquelle: Ford Motor Co.

Ford führte im Modelljahr 1975 Katalysatoren in die meisten seiner Autos ein, als Reaktion auf verschärfte Bundesnormen und viel restriktivere Anforderungen in Kalifornien. Laut der Pressemitteilung von Ford für seine 1975er-Autos hat Kalifornien eine Reduzierung von 94 Prozent für HC, 90 Prozent für CO und 67 Prozent für NOx im Vergleich zu den völlig unregulierten Autos eines Jahrzehnts zuvor vorgeschrieben.

Um diese Vorschriften zu erfüllen, wurden alle 1975 in Kalifornien eingeführten Autos mit Katalysatoren ausgestattet, und die meisten der sogenannten 49-Staaten-Autos, die in den Rest des Landes gingen, waren ebenfalls mit Katalysatoren ausgestattet, wobei diese vom damals kleinsten Motor des Unternehmens angetrieben wurden. Einzige Ausnahme: der obenliegende Nockenwellen-2,3-Liter-Vierzylinder.

Bei jedem Ford im Jahr 1975 wechselte er von der klassischen Punktzündung zur leistungsstärkeren elektronischen Zündung und von Vergasern mit herkömmlichen Kraftstoffdüsen zu Vergasern mit präziseren Dosierstäben. Darüber hinaus erforderte die zum Schutz der Funktion des Katalysators notwendige Umstellung auf bleifreien Kraftstoff die Umstellung auf gehärtete Auslassventile, die bisher durch den Bleizusatz im Kraftstoff geschmiert wurden.

Das Ergebnis dieser Änderungen war eine insgesamt geringere Leistung der Motoren. Der sportliche Mustang II Mach I, ausgestattet mit dem 302-Small-Block-V8, hatte eine Leistung von mageren 140 PS, verglichen mit 220 PS für den entsprechenden Mustang-Motor im Jahr 1969 und 290 PS für den leistungsgesteigerten Boss 302. Beim California-Modell war es sogar noch schlimmer , der aus seinem einst muskulösen Kleinblock 302 nur 122 PS leistete.

Aber das gleiche Mooresche Gesetz, das unsere PCs und Telefone so leistungsfähig gemacht hat, hat auch intelligente Motormanagementsysteme ermöglicht, die die Kraftstoffeinspritzsysteme mit den Abgasnachbehandlungsgeräten koordinieren, um die Umweltverschmutzung praktisch zu eliminieren, sobald der Motor und der Katalysator des Autos auf Betriebstemperatur aufgewärmt sind.

Bis 1995 wurde derselbe Ford 302 V8 im Mustang auf 215 PS in der regulären Ausstattung und 240 PS in der Hochleistungskonfiguration umgebaut, wobei er noch weniger Schadstoffe produzierte, um zwei Jahrzehnte später die strengeren Schadstoffgrenzwerte einzuhalten. Natürlich hat sich der Fortschritt im Laufe des Vierteljahrhunderts seitdem fortgesetzt.

„Heutige Katalysatoren und Filter haben einen sehr hohen Wirkungsgrad von über 95 bis 98 Prozent bei der Reduzierung von Schadstoffen wie Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Stickoxiden und Partikeln“, bemerkte er. Rolf Brück, Leiter Katalysatoren und Filter, Vitesco Technologies, ein Geschäftsbereich von Continental.

Die Herausforderung besteht darin, den Katalysator beim Start so schnell wie möglich auf Betriebstemperatur zu bringen, da die heutigen sauberen Autos in dieser Zeit die meiste Umweltverschmutzung verursachen. Tatsächlich entweichen 70 bis 80 Prozent der Emissionen in den ersten Sekunden nach dem Start, so Brück. Dies sei eine besondere Herausforderung für Kurzstreckenreisen, fügte er hinzu.

Schlimmer noch: Technologien, die dazu beitragen sollen, die Effizienz zu verbessern und den Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlendioxid zu reduzieren (das als Inertgas zu Beginn des Emissionskontrollzeitalters nie als Schadstoff galt), können das Problem, den Katalysator heiß zu halten, verschärfen Betriebstemperaturbereich.

Dieselmotoren hätten kühlere Abgastemperaturen, insbesondere im Stadtverkehr, betonte er. „Diesel im Stadtverkehr bei geringer Last sind eine Herausforderung, weil die Temperaturen so niedrig sind, dass die Katalysatoren nicht effizient arbeiten“, sagte Brück.

Ebenso erschweren moderne Benzinfahrzeuge, die mit automatischen Motor-Stopp-/Startsystemen ausgestattet sind, und insbesondere Hybridfahrzeuge, deren Verbrennungsmotoren längere Zeit ausgeschaltet sein können, die ordnungsgemäße Funktion des Katalysators.

„Zukünftige Abgassysteme haben beispielsweise durch Thermomanagement durch aktive Katalysatorheizung die Aufgabe, die Emissionen unabhängig vom Fahrerverhalten oder der Umgebung robust zu reinigen“, erklärte er. „Das Gleiche gilt für elektrifizierte Fahrzeuge wie Hybridfahrzeuge. Hier besteht die Herausforderung darin, den Katalysator auf Betriebstemperatur zu bringen bzw. ihn auf Betriebstemperatur zu halten, wenn das Auto elektrisch gefahren wird.“

Die Lösung wird, wie schon im Laufe der Lebensdauer von Katalysatoren, in der kontinuierlichen Anwendung von Technologie liegen, um die Umstände so präzise wie möglich zu steuern. „Durch die richtige Kombination aus Elektrifizierung und Katalysator-Thermomanagement können die Emissionen noch weiter gesenkt und gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch und damit CO2 gesenkt werden“, so Brück abschließend.

Das Ergebnis sind sauberere Autoabgase und ein klarerer Himmel, als die optimistischsten Prognosen am Tag der Erde 1970 hätten vorhersagen können.

Dieser Continental-Katalysator nutzt eingespritzten Dieselkraftstoff, um den Katalysator zu erhitzen. Bildquelle: Continental

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Dan Carney ist leitender Redakteur bei Design News und befasst sich mit Automobiltechnologie, Ingenieurwesen und Design, insbesondere mit neuen Elektrofahrzeugen und autonomen Technologien.

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