Metall-Katalysatoren

Metall-Katalysatoren

Metall-Katalysatoren sind bei Fahrzeugen besonders im Tuningbereich sehr beliebt und man spricht ihnen gerne Leistungssteigerungen des Motors zu. Aber was ist dran an dieser Annahme?

Bei den meißten Fahrzeugen übernehmen bis auf wenige Ausnahmen werkseitig Keramik-Katalysatoren die Abgasreinigung. Metall-Katalysatoren finden hingegen vorwiegebd bei leistungsstarken Autos, Hochdrehzahl-Motoren oder im Motorsport Verwendung. Beispiele für Strassenfahrzeuge mit Metall-Katalysatoren sind u.a. Sportwagen wie Porsche und Ferrari, diverse M-Modelle von BMW oder S/RS-Modelle von Audi. Vorteile bringt ein Metall-Katalysator allerdings nicht nur bei solchen Fahrzeugen, sondern sie werden immer umfassender auch bei Großserienfahrzeugen mit motornaher Katalysatoranordung angewendet.

Was ist ein Metall-Katalysator?
Zunächst soll mal geklärt werden, worin eigentlich der Unterschied zwischen Keramik-Katalysatoren und Metall-Katalysatoren liegt. Das Innenleben eines herkömmlichen Keramik-Katalysators besteht aus einem Wabenkörper aus Keramik, meist Cordierit (Abb. 2 oben). Dieser wird mit einem sog. Washcoat beschichtet, der aus porösem Aluminiumoxid und Sauerstoff-speichernden Komponenten besteht, und für eine Vergrößerung der Oberfläche sorgt. In dem Washcoat sind katalytisch aktive Edelmetalle eingelagert, in der Regel Platin, Rhodium und Palladium oder einer Kombination aus diesen.
Ein großer Nachteil von Keramik-Katalysatoren ist, dass der Keramik-Monolith im Laufe der Zeit brüchig wird und zerbröselt (Abb. 1). Dies kann nicht nur zu Motorschäden durch verstopfte Abgaswege führen sondern es werden neben Stücken des Keramik-Monolithen mit seinen Edelmetall-Beschitungen auch die krebserregenden Aluminiumsilikat-Fasermatten ausgeblasen. Schäden oder sogar eine derartige Zerstörung des Keramik-Katalysators können auch durch Defekte am Motor wie beispielsweise zu hohen Ölverbrauch des Motor durch defekte Kolbenringe oder zu hohe Abgastemperaturen verursacht werden. Zudem sorgen die recht großen Wandstärken des Keramik-Monolithen zu einem erhöhten Abgas-Gegendruck und somit zu einem Leistungsverlust von bis zu 10%. Somit stossen herkömmliche Keramik-Katalysatoren besonders bei Motoren mit hoher Literleistung (PS pro Liter Hubraum) wie Hochdrehzahl-Motoren oder stark aufgeladenen Turbo-Motoren an ihre Grenzen

Defekter_Kat_1_800Abb. 1: Ein defekter Keramik-Katalysator

Eine Alternative zum Keramik-Katalysator stellt der Metall-Katalysator dar. Der Hauptunterschied zum Keramik-Katalysator besteht im Trägermaterial des Wabenkörpers im Inneren. Dieser besteht im Unterschied zum Keramik-Katalysator aus dünnen Blechen bzw. Metallfolien, die eine sehr geringe Wandstärke von nur etwa 0,05 mm besitzen (Abb. 2 unten). Diese Bleche bestehen aus hochlegierten Edelstählen mit hohem Aluminiumanteil. Wegen dem hohen Aluminiumanteil lassen sich diese Bleche nicht miteinander verschweißen, weshalb sie im Hochvakuumofen hartgelötet werden und dadurch eine sehr hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Die Bleche sind gewellt und meist S-förmig zu einer sechsekigen Zelle zusammengewickelt, um eine möglichst große Reaktionsfläche zu erreichen. Ihre Oberfläche ist wie bei Keramik-Katalysatoren mit einem Washcoat aus verschiedenen Edelmetallen (siehe oben) beschichtet.

Was bedeutet cpi?
Die Abkürzung „cpi“ steht für „cells per square inch“ und bezeichnet die flächenmäßige Anzahl der Zellen im Inneren des Katalysators, genauer die Zahl der Zellen pro Quadratinch. Diese kann von 100 bis 1400 variieren. Die Zelldichte, die Art ihrer Beschichtung und das Trägervolumen, welches durch das Gesamtvolumen des Katalysator-Gehäuses gegeben ist bestimmen die Leistungsfähigkeit eines Metall-Katalysators. Die oft umgangssprachlich verwendeten Bezeichnungen „200-Zeller“ oder 400-Zeller“ geben also die cpi-Zahl des Katalysators an.
Generell kann man sagen, dass mit abnehmender Anzahl der Zellen der Durchsatz steigt und der Abgas-Gegendruck sinkt. Eine zunehmend geringer werdende cpi-Zahl kann aber je nach Motortyp nur bis zu einem gewissen Grad sinnvoll sein und im Einzelfall aufgrund zu geringen Abgas-Gegendruckes auch leistungstechnische Einbußen mit sich bringen. Ganz zu schweigen von der immer weiter schwindenden Effektivität bei der Reinigungswirkung der Abgase. Werden die vom Gesetzgeber vorgegebenen Emissions-Obergrenzen nicht mehr eingehalten, wird das Fahrzeug keine AU (Abgasuntersuchung) mehr erfolgreich bestehen. Daher werden bei Sportwagen oder leistungsstarken Fahrzeugen je nach Motortyp Metall-Katalysatoren mit minimal 400 oder 200cpi angewendet.

Keramikkat_800_800

Metallkat_200cpi_800

Abb. 2: Keramik-Katalysator (oben) und Metall-Katalysator (unten) im Vergleich.

Vorteile des Metall-Katalysators:

  • Der Metall-Katalysator besitzt eine deutlich höhere thermische Stabilität als ein Keramik-Katalysator, selbst bei starken Temperatur- und Lastwechseln.
  • Durch seine höhere Temperaturbeständigkeit kann er sehr motornah montiert werden, was seinen Wirkungsgrad erhöht. Generell steigt der Wirkungsgrad eines Katalysators je näher er am Motor montiert wird, d.h. je näher am Motor desto geringer kann die Größe bzw. die Anzahl der Zellen ausfallen.
  • Der Metall-Katalysator ist kleiner, leichter, zuverlässiger und langlebiger als ein Keramik-Katalysator. Ein „Zusammenbruch“ seiner Zellen ist ausgeschlossen und ein Katalysator-Schaden nahezu ausgeschlossen.
  • Der Metall-Katalysator ist wesentlich unempfindlicher gegenüber mechanischen Einwirkungen z.B. Erschütterungen.
  • Der Metallträger des Metall-Katalysators kann elektrisch vorgewärmt werden, was die Aufheizzeit und somit die Emissionen in der Kaltlaufphase des Motor verringert. Auch die motornahe Position des Katalysators führt zu einer schnelleren Erwärmung und einem schnelleren Ansprechen des Katalysators begünstigt durch seine niedrigere Wärmekapazität.
  • Der Reinigungsgrad des Metall-Katalysators ist im Schnitt um etwa 3% besser als der eines Keramik-Katalysators.
  • Durch die geringeren Zellwandstärken besitzt der Metall-Katalysator im Vergleich zum Keramik-Katalysator relativ gesehen einen höheren Luftdurchsatz und sorgt dadurch für weniger Abgas-Gegendruck und somit für höhere Motorleistung und geringeren Kraftstoffverbrauch.

Eindeutig besitzt ein Metall-Katalysator viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Keramik-Katalysatoren und ist besonders bei leistungsstarken Motoren oder bei Turboaufladung empfehlenswert. Aber auch bei Großserienfahrzeugen kann bei einem Katalysator-Schaden die Umrüstung auf einen Metall-Katalysator empfohlen werden. Beim Kauf ist allerdings auf eine ABE oder ein E-Prüfzeichen zu achten, damit auch dem nächsten HU/AU-Termin nichts im Wege steht. [FH]

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Kupplungsbetätigung beim Anlassen des Motors

Kupplungsbetätigung beim Anlassen des Motors

Immer wieder wird darüber diskutiert, ob beim Motorstart die Kupplung getreten werden sollte – oder nicht. Bereits in der ersten praktischen Fahrstunde lernt man, dass die Kupplung aus Sicherheitsgründen zu treten ist. Ebenso soll die Anlasserbelastung durch eine ausgerückte Kupplung gesenkt werden, da die Getriebeeingangswelle beim Start nicht mitlaufen sollte.
„Das Treten der Kupplung stellt zu dem sicher, dass das Fahrzeug beim Anlassen „keinen Satz“ nach vorne macht“. Viele moderne Autos, besonders aber welche mit Start-Stop-Automatik, lassen sich sogar nur mit getretener Kupplung starten.

Tatsächlich aber ist das Treten der Kupplung beim Anlassen auf lange Sicht gesehen für diverse Bauteile eher schädlich und sollte besser vermieden werden. Wer bei eingelegtem Gang und ohne Kupplungsbetätigung den Motor startet, sollte das Führen eines Kraftfahrzeugs grundsätzlich überdenken bzw. vermeiden.

Wieso ist das Treten der Kupplung beim Motorstart schädlich?
Ohne eingelegten Gang dreht der Anlasser ausschließlich die Kurbelwelle des Motors und die Eingangswelle des Getriebes. Die Vorgelegewelle wird beim Anlassvorgang nicht bewegt. Bei getretener Kupplung drückt das Ausrücklager auf die Federn der Kupplungsdruckplatte und dieser nicht unerhebliche Druck wird über die Druckplatte auf das Schwungrad und über das Schwungrad auf die Kurbelwelle übertragen. Diese wird gegen ihr Axiallager gedrückt, welches noch ohne Schmierung ist, da beim Motorstart der Öldruck erst aufgebaut wird. Erhöhter Lagerverschleiß kann die Folge sein. Wenn der Motor ersteinmal läuft ist das beim Kuppeln nicht mehr der Fall, weil Axiallagerstellen und Lagerschalen aufgrund des Öldrucks durch einen dünnen Schmierfilm voneinander getrennt sind.

Aber auch andere Bauteile des Motors können durch das Treten der Kupplung beim Anlassen in Mitleidenschaft gezogen werden. So können Zahnriemen oder Steuerketten minimal verspannt und die Pleuelstangen leicht verwinkelt werden, wodurch auch an den Pleuellagerschalen höherer Verschleiss auftritt. Auf lange Zeit gesehen ist also das Treten der Kupplung beim Anlassen eher schädlich und es wird davon abgeraten.

Die vermeindliche Mehrbelastung des Anlassers hingegen ist im Leerlauf sehr gering, da er ja wie oben genannt, abgesehen vom Motor lediglich die Getriebe-Eingangswelle in eine Drehbewegung versetzen muss. Das macht dem Anlasser, der ohnehin stark genug ist, nur wenig aus und selbst ein defekter Anlasser ist weniger schlimm und kostspielig, als erhöhter Lagerverschleiß des Motors.

Ebenso sollte das Warten an Ampeln, Ausfahrten, Bahnübergängen nicht mit betätigter Kupplung geschehen. Ausrücklager sowie Tellerfeder und Tangentialelemente der Druckplatte sollten nur kurzzeitig – eben zum Trennen des Kraftflusses von Motor zu Getriebe – betätigt werden. Diese sind nicht für eine Dauerbelastung ausgelegt und zeigen bei regelmäßige andauernder Betätigung verfrühte Ausfallerscheinungen. Z.B. rutschende Kupplungen durch nachlassenden Anpressdruck der Tellerfeder oder Geräusche vom Ausrücklager können die Folge sein.

Kurzum kann man sagen: Eine Kupplung sollte ausschließlich zum Wechseln der Fahrstufen betätigt werden. Diese ist der Grundstein für eine lange Lebensdauer der Kupplungsbauteile und der Peripherie. [FH]

Kraftstoffabhängigkeit von der Motorsteuergerätesoftware

Otto-Kraftstoff mit 100 und 102 Oktan

Warum ist der zu verwendende Kraftstoff abhängig von Motorsteuergerätesoftware?

Grundsätzlich gilt: Je früher man zünden kann, desto höher ist der Wirkungsgrad des Motors. Wirkungsgrad ist in diesem Fall gleichzusetzen mit Leistung oder Drehmoment. Leider kommt es prozessbedingt bei Ottokraftstoffen zu ungewollten Frühzündungen, Klopfen oder Klingeln genannt, wenn das Gas-Luft-Gemisch im Brennraum eine bestimmte Temperatur überschreitet. Die Brennraumtemperatur steigt bei höherer Verdichtung und/ oder bei früherer Zündung. Aus diesem Grund lässt sich das Gemisch nicht so früh zünden, dass der Wirkungsgrad maximal ist und man muss den maximal möglich frühen Zündwinkel auf Testfahrten ermitteln.
Serienmäßig sind die Zündwinkel meist relativ moderat gewählt, da es bei klopfender Verbrennung zu kapitalen Motorschäden kommen kann. Hier setzt man z.B. bei der Applikation eines Motors an. Bei Motorsteuerungen, welche über eine Klopferkennung oder -regelung verfügen ist dies ein guter Ansatzpunkt für Leistungssteigerungen.
In Zahlen heißt das, dass ein mit Super Plus betriebener Motor im Nennleistungspunkt beispielsweise 18° vor OT zündet. Beim Tuning legt man den Zündzeitpunkt Grad um Grad nach vorne. Bei 21° vor OT erkennt die Klopfregelung erste Frühzündungen und regelt die Zündverstellung wieder zurück, sodass man im Endeffekt nur noch mit 20° Vorzündung fahren sollte. Die Klopffestigkeit eines Kraftstoffes wird durch die Oktanzahl angegeben. Je höher der Wert, desto klopffester der Kraftstoff. Tankt man jetzt beispielsweise Kraftstoff mit einer Oktanzahl von 102, kann man mit der Zündung weiter in Richtung ‚früh‘ gehen. So sind z.B. 24° vor OT möglich, ohne dass die Klopferkennung Frühzündungen meldet.

Moderne Motorsteuerungen haben die Möglichkeit, beim Erkennen vom Frühzündungen die Zündwinkel, zu reduzieren. Dadurch kann zum Beispiel die Steuergerätesoftware auf 102 Oktan eingestellt werden und wenn ein Kraftstoff mit 98 Oktan verbrannt wird, regelt die Klopferkennung die Zündwinkel auf ein sicheres Maß zurück.
Sollte aber zum Beispiel ein Kraftstoff mit 95 Oktan oder weniger getankt werden, ist eine ausreichende Zündwinkelrücknahme nicht unbedingt möglich. Es ist also möglich den Motor mit verschiedenen Kraftstoffen in einer bestimmten Qualitätsspanne zu fahren. Genaue Werte müssen im Fahrversuch ermittelt werden. Erfahrungen haben gezeigt, dass Motoren gleicher Bauart oft unterschiedlich reagieren.
Des Weiteren ist die MOZ (Motoroktanzahl) für leistungsgesteigerte Motoren deutlich wichtiger, da diese sozusagen die realen Bedingungen im Motor beschreibt, während die ROZ (Researched Oktan Zahl) eine im Labor bzw. an einem Testmotor ermittelte Oktanzahl angibt. Gerade bei Turbomotoren ist daher die MOZ deutlich wichtiger als die ROZ.
Motorsportkraftstoffe haben oft eine ROZ 102-104, aber dann eine MOZ von 93-98. Handelsübliche Kraftstoffe, die man an gewöhnlichen Tankstellen bekommt, haben ebenfalls eine ROZ von 98-102 aber dafür nur eine MOZ von 88-90.

Die Erfahrung hat folgende Anhaltwerte gezeigt:

  • Esso 98: Roz ca. 99, Moz 88+
  • Shell 100: Roz bei 100, Moz 88- (massives Ansteigen des Klopfens)
  • ARAL 102: Roz 102+, Moz 90+ extrem stabil unter allen Umständen, keine Erhöhung der Knockcounts bei mehrfachem 6- Gang Pull

Mit dem Millers cvl habe ich mal experimentiert  1 Flasche auf obige Tankstellen Spritsorten gemischt: 1FL/20L

  • Esso + CVL -> sehr nah am Aral ohne Booster (ca 3-4 Punkte +)
  • Shell + CVL -> Kaum Verbesserung (könnte sein das da schon eine Art von Booster drin ist, daher auch die orangene Verfärbung bei den Kerzen)
  • ARAL + CVL -> nochmals 2 Grad mehr Zündung und stabil, also ca 1-1.5 Punkte +

Ab einer gewissen Dosierung wird sich keine Verbesserung einstellen. Grund ist, dass die Booster dann beginnen die langen CH Ketten zu sprengen ß

Wo die Grenze ist kann ich auch nicht sagen, das müsste man mal testen. (TL)