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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