Toyota verbessert die Effizienz im Keramik-Katalysator
Zugegeben, unter „Randgängigkeit” versteht man eigentlich das Bestreben einer Flüssigkeit, bevorzugt an der Behälterwandung zu strömen. Toyotas Verbesserung an keramischen Katalysatormonolithen hat eher mit dem gegenteiligen Problem zu tun – verlangsamter Gasbewegung am Rand
Zugegeben, unter „Randgängigkeit” versteht man eigentlich das Bestreben einer Flüssigkeit, bevorzugt an der Behälterwandung zu strömen. Toyotas Arbeit an keramischen Katalysatormonolithen hatte eher mit dem gegenteiligen Problem zu tun – verlangsamter Gasbewegung am Rand. Die erfolgreiche Bewältigung dieses Problems verkürzt nun den Effizienzrückstand von Keramik- auf Metallkatalysatoren.
Der Autohersteller wird künftig in rund 20 Prozent kleineren Katalysatoren mit 20 Prozent weniger Edelmetall die gleiche Leistung erreichen wie bisher. Das erste Modell, in dem die neue Technologie noch in diesem Jahr eingesetzt werden soll, ist der Lexus LC 500h. Toyota hat sich die neue Technologie für Katalysatoren mit keramischem Monolithen unter der Bezeichnung „Flow Adjustable Design Cell“ (FLAD®) schützen lassen.
Toyota verbessert die Effizienz im Keramik-Katalysator (3 Bilder)
Die Zellen von Abgaskatalysatoren sind mit katalytisch wirksamen Materialien wie Platin (Pt), Rhodium (Rh), Palladium (Pd) und anderen Edelmetallen beschichtet. Sie wandeln in einer Redox-Reaktion schädliche Gase wie Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) in harmlosere Abgasbestandteile um. Der massenhafte großflächige Einsatz dieser katalytisch wirksamen Edelmetalle führt laut Toyota zu Ressourcenverknappung und steigenden Kosten.
Erfolg auf zwei Gebieten gleichzeitig
Das schmälert die Rendite. Toyota betreibt daher intensiv Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Wirkung von Katalysatoren. Wie in allen anderen einschlägigen Entwicklungsabteilungen arbeiten die Forscher auch hier an Substratform und -länge sowie Zellwanddicke und Querschnittsflächen. Andere Bemühungen umfassen eine gezielte Beschichtung mit Edelmetallen und anderen katalytischen Materialien sowie die Anpassung der katalytischen Substratzelldichte an die Abgasströmung. Toyota meldet nun einen gleichzeitigen Erfolg in den beiden Disziplinen Aerodynamik und Beschichtung.
Der Autohersteller hat mit dem Zulieferer Denso Corporation ein Substrat entwickelt, das die Aerodynamik des Abgasstroms berücksichtigt und so den Wirkungsgrad der Abgasreinigung verbessert. Mithilfe von Versuchsreihen mit Simulationen und Prototypsubstraten ist es den Unternehmen gelungen, Strömung und Beschichtungsverteilung innerhalb des Katalysators zu optimieren.
Derzeit besteht das am häufigsten verwendete Substrat in Abgaskatalysatoren für Ottomotoren aus Keramik (Cordierit). Es wird in eine Wabenstruktur aus recht- oder sechseckigen Zellen gebracht, deren Wände dann mit katalytisch wirksamen Materialien beschichtet werden. Dieser keramische Monolith weist in herkömmlichen Katalysatoren eine gleichmäßige Zellquerschnittsfläche auf. Durch die aerodynamischen Verhältnisse aufgrund der Erweiterung des Rohrquerschnitts durchströmt jedoch mehr Gas schneller das Zentrum des Monolithen, während weniger Gas langsamer am Rand gewissermaßen entlangtrödelt.
Der Strömung angepasst
Das neu entwickelte Substrat bekommt diesen Strömungsverhältnissen entsprechend engere Zellquerschnittsflächen im Zentrum und Kanäle mit größeren Querschnitten weiter außen. Zudem beschichtet Toyota die zentralen Kanäle dichter mit Edelmetall als die peripheren Teile mit einer niedrigeren Abgasströmungsrate. Beides sei möglich, weil nun gelungen sei, dieses Substrat aus einem Stück zu formen. Laut Pressemitteilung ist diese Verfeinerung der Produktionstechnik eine Weltpremiere.
Mit dieser Auslegung verkürzen die Keramik-Monolithen ihren Rückstand auf die von Metallkatalysatoren. Bei ihnen hat man durch gezielte Aufspaltung der Strömung mit entsprechend geformten Metallfolien bereits eine Verbesserung von rund 30 Prozent bei Materialeinsatz und Volumen erreichen können. (fpi)