Strecke gemacht

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München, 14. April 2016 – Im Vorfeld des 37. Internationalen Wiener Motorensymposiums, das am 28. bis 29. April 2016 im Kongresszentrum der Hofburg Wien stattfindet, meldet Continental eine Verbesserung der Stickoxid (NOx)-Umwandlung bei seinen Metallfolien-Katalysatoren für Ottomotoren. Eine geänderte Führung des Abgases spart einen zweiten Katalysator am Wagenboden ein und vermeidet Wirkungsgrad- und Alterungsprobleme beim Einsatz in Verbindung mit Wastegate-Turboladern.

Bislang genügte es, wenn die Katalysatorhersteller die durch Wellung und Wicklung des Trägerblechs entstehenden Kanäle regelmäßig unterbrachen. Durch solche Störstellen konnte man der ansonsten an der Oberfläche anliegenden (laminaren) Strömung ausreichend Turbulenz mitgeben, um den größten Teil der Moleküle im Abgas mit der reaktiven Beschichtung in Kontakt und damit zur Reaktion zu bewegen.

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Künftig müssen europäische Fahrzeuge mit Ottomotoren durch die gesetzliche Einführung der Messung im Fahrbetrieb (Real Driving Emission) die NOx-Grenzwerte in nahezu allen Fahr- und Lastsituationen erfüllen. Ohne schon genau zu wissen, was das genau bedeuten wird, ist schon so viel sicher: Die NOx-Umwandlung muss über einen sehr großen Kennfeldbereich des Motors gewährleistet sein, „nicht ‚nur’ in den bisherigen Testzyklen“, wie Continental schreibt. Die heute üblichen, wegen des schnelleren Anspringverhaltens („light-off“) möglichst nah am Motor montierten Katalysatoren stoßen dabei an ihre Grenzen.

Zu kurzes Rohr

Zwei Hauptursachen hat Continental identifiziert: Zum einen ist wegen der komplizierten Randbedingungen im Motor das Kraftstoff-Luft-Verhältnis („Lambda“) von Zylinder zu Zylinder nicht immer ideal. Das gilt vor allem im transienten Bereich, also bei starken Last- und/oder Drehzahländerungen. Weil hier beispielsweise aufgrund von Druckpulsationen keine Verbrennung der anderen vollkommen gleicht, können einzelne „Gasblasen“ mit zu weit abweichenden Lambdawerten entstehen. In ihnen sinkt die Konvertierung von NOx zu stark für die heutigen Anforderungen an die Abgasqualität.

In vergangenen Motorgenerationen konnte man solche sogenannten Einzelzylinder-Lambdaeffekte im Rohabgasstrom durch Vermischung im Auspuffrohr vor dem Kat verringern. Gerade bei den modernen, motornah-platzierten Katalysatoren fehlt dazu aber die nötige Strecke – das Abgasrohr zwischen Zylinderkopf und Abgasreinigung ist dafür schlicht zu kurz. Wo es sich nicht vermeiden ließ, ordnete man daher einen zweiten Katalysator am Unterboden für die Umwandlung der verbleibenden Stickoxide an. Dieser Kompromiss macht das Auto teurer, schwerer, kostet Bauraum und erzeugt unerwünscht höheren Abgasgegendruck.

Der andere Grund sind Wastegate-Turbolader. Wenn ab einer bestimmten Last das Wastegate öffnet, entsteht eine ungleichförmige Strömungsverteilung vor dem Katalysator, die ebenfalls zu einer schlechteren NOx-Umsetzung führen kann. Ein weiterer unerwünschter Effekt der Wastegate-Regelung entsteht im Übrigen durch eine ungleichmäßige Erwärmung des Katalysator-Substrats und die entsprechende vorzeitige Alterung des Bauteils durch lokale Überhitzung.

Umkehrstrom im Manschettenkat

Um die Probleme zu lösen, hat Continental nun die Abgasstrecke zwischen Kopf und Kat verlängert, indem das Rohr in den Körper des Katalysators hineinragt. Damit bekommt das Rohabgas genügend Gelegenheit, sich vor dem Katalysator ausreichend zu mischen. Am Ende des Rohrs, kurz vor dem Ende des Bauteils, kehrt der Abgasstrom um und durchläuft den Katalysator „der das Innenrohr wie eine Manschette umschließt“, wie Continental es selbst in der Pressemitteilung ausdrückt. Im zweidimensionalen Schnitt sieht man die Struktur ringförmig um das Rohr liegen – daher der etwas irreführende Name. „Manschettenkat“ hätten wir logischer gefunden. Das Blech im Ringkatalysator ist das bereits länger in Großserie bewährte LS-Metallsubstrat von Continental mit seinen Längsstrukturen (daher „LS“) für Turbulenzen auf Mikroebene.

Damit bewältigt die Konstruktion des Zulieferers beide Probleme: Zum einen lässt die motornahe Position den Ringkatalysator seine Light-Off-Temperatur unverändert schnell erreichen. Zum anderen soll das Bypass-Gas aus dem Wastegate des Turboladers durch seinen Drall nun sogar zur besseren Abgasdurchmischung im Innenrohr beitragen.

Wie man sieht, bringt hier schon eine verbesserte Verwirbelung den gewünschen Effekt. Sollten sich alle Probleme so einfach, preiswert und elegant lösen lassen, braucht weder den Herstellern noch den Autokäufern bang zu werden vor den Zusatzkosten für die kommende Abgasnorm. Dass alles so leicht wird, erwarten wir zwar nicht, aber möglicherweise wird (wieder mal) alles gar nicht so wild werden. (fpi)