Moderne Abgasreinigung bei Benzinmotoren
Systembeschreibung, Fehlerdiagnose, Reparatur

 

Abgasreinigung

Schon in den 1970er-Jahren wurden die Forderungen nach einer effektiven Verminderung der Schadstoffe im Abgas laut. Insbesondere in Ballungsgebieten kam es auch durch den immer stärker zunehmenden Motorisierungsgrad der Bevölkerung zu gefährlicher Smogbildung.

Anfangs erreichte man eine Schadstoffreduzierung durch eine Verringerung des Bleianteils im Otto-Kraftstoff, was dazu führte, daß einige hoch verdichtete Motoren in der Leistung zurückgenommen werden mußten, um ein Klingeln des Motors durch die verringerte Klopffestigkeit des Kraftstoffs zu vermeiden. Zumindest bei teureren Fahrzeugen begannen sich Einspritzanlagen zu etablieren. Damit wurde eine wesentlich verbesserte Gemischzusammensetzung erreicht, die in allen Betriebszuständen des Motors eine homogenere Gemischzusammensetzung und damit bessere Motorleistung bei geringerer Schadstoffbildung im Abgas sicherstellte.

Bei Opel wurde 1969 erstmals die von Bosch entwickelte D-Jetronic eingesetzt: Allerdings waren Einspritzanlagen damals teuer, so daß lange nur verhältnismäßig hochpreisige Fahrzeuge mit einer elektronischen Gemischaufbereitung versehen wurden. Neben der Leistungssteigerung durch die optimale Gemischzusammensetzung ergab sich der angenehme Nebeneffekt der Verbrauchsoptimierung im Vergleich zu im Hubraum ähnlichen Vergasermotoren. An die Umwelt dachte damals noch kaum jemand und nur wenige Idealisten hätten sich aus diesem Grund damals ein Fahrzeug mit Benzineinspritzung gekauft.

Anfangs hatte diese Technik jedoch nicht nur Vorteile. Die elektronischen Einspritzanlagen galten als recht anfällig. Nicht nur die einzelnen Komponenten der Einspritzanlage galten vielen Mechanikern als Buch mit sieben Siegeln, auch gegen elektrische Störfelder waren die frühen Einspritzanlagen-Steuergeräte nur unzureichend geschützt. Damals wurden viele Zündanlagen ohne ausreichende Entstörung betrieben. Auch Hochspannungsleitungen und Funkanlagen machten Ärger. Alleine solche Störimpulse brachten so manchen Eigner eines Fahrzeugs mit Einspritzanlage an den Rand eines Nervenzusammenbruchs.

Ein Fahrzeug, das einen Hubraum von knapp drei Litern hatte, durfte ohne weiteres 15 - 17 Liter Super brauchen. Bei rasanter Fahrt auch mehr. Das galt als "normal". Daß der VW Käfer 1303 (50 PS) im normalen Fahrbetrieb auch eher 12 als 10 Liter soff und trotzdem gerne gekauft wurde, wird den Verbrauch eines Opel Diplomat B 2.8 E mit 13 - 15 Liter Super für die damalige Zeit doch sehr relativieren. Damals galt er als sehr verbrauchsgünstiges Fahrzeug in seiner Klasse.

Schon die erste Benzinkrise von 1972 machte aber deutlich, daß Erdöl keine unendliche Ressource war und daß Wege gefunden werden mußten, die Motoren sparsamer zu machen.

Die aerodynamische Optimierung der Karosserie neben der durch verschiedene konstruktive Maßnahmen erhöhten Wirkungsgrades der Motoren und die Verringerung der rotierenden Massen im Motor durch die Verwendung leichterer, aber festerer Materialien war damals das Gebot der Stunde.

Doch die elektronische Gemischaufbereitung war die Grundvoraussetzung für geregelte 3-Wege-Katalysatoren. Ab Anfang der 1980er-Jahre kamen im Zuge der zweiten Benzinkrise auch bei den kleineren Fahrzeugen elektronisch geregelte Vergaser auf, die verbrauchsgünstiger als die bisherigen, rein mechanischen Vergaser waren. Denn der momentane Kraftstoffbedarf des Motors wurde sehr viel exakter zugeführt, als bei einem Vergaser, der nach dem Regelprinzip "Hauptsache, in keinem Betriebszustand zu mager" ein reichlich fettes Gemisch in die Zylinder pumpte.

Es war eben der grundsätzliche Nachteil der Vergasertechnik, daß die Motoren relativ fett eingestellt werden mußten, um bei allen Betriebszuständen das für den Motor sehr schädliche Magerklingeln zu vermeiden. Doch dies kostete vor allem bei Teillast zu viel Kraftstoff und führte wegen der  unvollständigen Verbrennung zu einem sehr hohen Schadstoffanteil im Abgas.

Als ab Mitte der 1980er-Jahre zunächst nur an wenigen Tankstellen bleifreier Normal-Ottokraftstoff zu haben war, kamen bei Opel ab Modelljahr 1985 erste Modelle mit einem geregelten 3-Wege-Kat auf.

Bei Opel waren dies:

Daß zunächst nur in der Leistung deutlich reduzierte Motoren zu haben waren, lag vor allem daran, daß damals bleifreier Kraftstoff nur als Normalbenzin mit 91 Oktan angeboten wurde, der nur eine relativ geringe Verdichtung der Motoren zuließ.

Die Gemischaufbereitung übernahm die aus der LE-Jetronic weiterentwickelte LU-Jetronic, die in der Lage war, die Signale der Lambda-Sonde in eine optimale Gemischzusammensetzung umzusetzen.

Allerdings mußten die Besitzer dieser Motorisierungen noch lange ein (vor allem im Ausland) dünnes Tankstellennetz mit bleifreiem Kraftstoff und einen recht hohen Aufpreis für die Abgasreinigungsanlage in Kauf nehmen.

Mit Einführung von Omega A und Senator B wandelte sich das Kaufverhalten ab der zweiten Hälfte der 1980er-Jahre deutlich. Nicht zuletzt durch die Änderungen bei der Kfz-Steuer begann sich der 3-Wege-Kat auf breiter Front durchzusetzen. Ab Modelljahr 1991 gab es bei diesen Baureihen nur noch G-Kat-Motoren für den deutschen Markt, auch wenn für den Export noch Modelle ohne Abgasreinigung produziert wurden.

Hilfreich bei der Durchsetzung der Fahrzeuge mit Katalysator war auch die Tatsache, daß die Mikroelektronik große technologische Fortschritte gemacht hatte und daher deutlich preiswerter, kompakter und zuverlässiger wurde. So konnten sich Einspritzanlagen selbst in der Kleinwagenklasse ab Anfang der 1990er-Jahre auf breiter Front durchsetzen, was deren Ausrüstung mit einer effektiven Abgasreinigung ermöglichte.

Grundsätzliche Funktion der Lambda-Sonde

Für moderne, abgasoptimierte Otto-Motoren ist eine Lambda-Regelung unverzichtbar. Für die optimale Verbrennung des Benzins im Otto-Motor benötigt dieser pro 1 kg Kraftstoff ungefähr 14 kg - das entspricht etwa 11 Kubikmeter - Luft.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß dieser Wert nur auf Meereshöhe in etwa zutrifft, dort beträgt der Sauerstoffanteil der Luft ca. 20,8 Vol.%, sich der Luftbedarf aber in größeren Höhen durch den abnehmenden Sauerstoffgehalt erhöht.

Der Lambda-Wert setzt die benötigte Luftmenge zum theoretischen Luftbedarf ins Verhältnis. λ (Lambda) = 1 kennzeichnet also die optimale Menge an Luft zur vollständigen Verbrennung des Gemisches.

Einerseits ist es so, daß der Motor bei einem Luftmangel von 0 - 10 % (λ = 0,9 - λ = 1) seine höchste Leistung erreicht. Dem steht gegenüber, daß sich der optimale (geringstmögliche) Kraftstoffverbrauch bei ungefähr 10% Luftüberschuß (λ = 1,1) einstellt.

Bei der Gemischaufbereitung eines Ott-Motors wird zwischen "fettem Gemisch" und "magerem Gemisch" unterschieden.

"Fettes Gemisch" kennzeichnet sich durch einen relativ hohen Kraftstoffanteil im Verhältnis zur Luftmenge. Die Lambda-Werte bei "fettem Gemisch" liegen also bei Werten von λ < 1.

"Mageres Gemisch" kennzeichnet sich durch einen Luftüberschuß im Verhältnis zur Kraftstoffmenge. Die Lambda-Werte bei "magerem Gemisch" liegen also bei Werten von λ > 1.

Für die Abgaswerte ergeben sich bei diesen beiden Betriebszuständen folgende Konsequenzen:

Bei zunehmender Anfettung des Gemisches (λ < 1) erhöht sich durch den relativen Sauerstoffmangel bei der Verbrennung der Anteil von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff zunehmend. Der Stickstoffoxidanteil im Abgas ist hingegen sehr gering. Kohlenmonoxid ist ein starkes Atemgift (verhindert die Anbindung von Sauerstoff an die roten Blutkörperchen), Kohlenwasserstoffe schädigen die Ozon-Schicht der Atmosphäre.

Bei einem abgemagerten Gemisch (λ > 1) ist der Gehalt an Sauerstoff im Abgas relativ hoch. Damit wird je nach Grad der Abmagerung zwar die Bildung von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgas vermieden, durch die sich dadurch aber ergebenden sehr hohen Verbrennungstemperaturen bilden sich vermehrt klimaschädliche Stickstoffoxide (NOx). Zu hohe Brennraumtemperaturen bedeuten außerdem eine Gefahr für den Motor, da Ventile, Ventilsitze und Kolben thermisch übermäßig belastet werden.

 

Der Lambda-Sonde ist ein Katalysator nachgeschaltet, der die Aufgabe hat, die im Abgas enthaltenen Schadstoffe (Kohlenmonoxid, Stickstoffoxid, Kohlenwasserstoffe) durch eine katalytische Reaktion in weniger schädliche Reaktionsprodukte zu verwandeln.

Chemisch gesehen wird im Katalysator das Stickstoffmonoxid zu Stickstoff reduziert, das nun freie Sauerstoffatom verbindet sich mit dem Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Die vollständige katalytische Reaktion kann im Katalysator natürlich nur dann ablaufen, wenn der Katalysator zum einen effektiv arbeitet und die Abgaszusammensetzung durch eine entsprechende Gemischaufbereitungsregelung optimiert ist.

Hierzu dient die Lambda-Sonde, die die Abgaskonzentration durch eine vergleichende Sauerstoffmessung ermittelt. Dazu wird der Sauerstoffgehalt der Außenluft mit dem Restsauerstoff im Abgas verglichen. Die Unterschiede werden in ein Spannungssignal umgewandelt und an das Motor-Steuergerät weitergeleitet.

Anhand des von der Lambda-Sonde übermittelten Wertes reguliert dann das Steuergerät sowohl den Zündzeitpunkt als auch Einspritz-Zeitpunkt und Einspritz-Menge. Diese Funktionsweise wird als "geschlossener Regelkreis" bezeichnet.

Aufbau und Funktion der Lambda-Sonde

Im Wesentlichen besteht eine Lambda-Sonde aus einem speziellen Keramikkörper, auf dessen Oberfläche sich durchlässige Platinelektroden befinden. Zweierlei physikalische Faktoren sorgen für die Wirkung der Lambda-Sonde:

das keramische Material ist porös, so daß der Luftsauerstoff diffundieren kann. Zudem wird das keramische Material bei Temperaturen ab etwa 300°C elektrisch leitend. Unterhalb dieser Ansprech-Temperatur übermittelt die Lambda-Sonde keine elektrischen Werte an das Steuergerät.

Der Sauerstoffgehalt der Luft wird auf beiden Seiten des Keramikkörpers gemessen. Bei einem Schwanken der Differenz an den Elektroden eine elektrische Spannung in Millivolt-Größenordnung.

Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Funktionsweisen:

1) Titanoxid-Sonden

werden relativ selten verwendet und verändern je nach Sauerstoffdifferenz ihren elektrischen Widerstand, dessen Wert an das Steuergerät übermittelt wird. Bei λ = 1 ergibt sich eine gravierende Änderung des Widerstandes. Wird also eine Spannung an das Titanoxid-Element angelegt, ändert sich die Ausgangsspannung entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Abgas. Im Unterschied zu Zirkonium-Sonden benötigen Titanoxid-Sonden  aufgrund ihrer besonderen Funktionsweise keine Referenz-Luft. Wegen des grundsätzlich anderen Aufbaus sind Titanoxid-Sonden deutlich kompakter aufgebaut als Zirkonium-Sonden.

2) Zirkondioxid-Sonden

Die Lambda-Sonden dieses Typs verändern je nach Sauerstoffgehalt die an das Steuergerät übermittelte Spannung. Die Umgebungsluft liefert dabei den Referenzwert. Dieser Referenzwert wiederum wird mit dem Restsauerstoffanteil im Abgas verglichen. Bei einem Restsauerstoffanteil von 2% im Abgasstrom - das entspricht einem "mageren Gemisch" - herrscht aufgrund der Differenz zum Referenzwert (Umgebungssauerstoff) eine Spannung von 0,1 V, die über die Signalleitung an das Motorsteuergerät weitergegeben wird.

Bei weniger als 2% Restsauerstoff im Abgasstrom - das entspricht einem "fetten Gemisch" - wird diese höhere Differenz zum Referenzwert (Umgebungsluft) durch eine Sondenspannung von ca. 0,9 V über die Signalleitung an das Motorsteuergerät weitergegeben.

Da Titanoxid-Sonden und Zirkonium-Sonden unterschiedliche Signale an das Steuergerät übermitteln, sind diese beiden Sondentypen untereinander nicht austauschbar.

Sondenheizung und elektrische Anschlüsse

Da die Lambda-Sonde erst ab ca. 300°C elektrische Signale an das Steuergerät übermittelt, findet unterhalb dieser Temperatur keine Abgasregelung statt. Bei Fahrzeugen die der Abgasnorm EURO1 entsprechen, sitzt die Lambda-Sonde relativ weit entfernt vom Krümmer im Hosenrohr vor dem Katalysator.

Nicht nur beim Kaltstart, sondern auch bei tiefen Außentemperaturen und längeren Leerlaufphasen besteht die Gefahr, daß sich die Lambda-Sonde auf unter 300°C abkühlt. Um die Ansprechzeit der Lambda-Sonde zu verkürzen bzw. die Ansprechtemperatur von ca. 300°C auch unter schwierigen Einsatzbedingungen zu gewährleisten, ist eine Sondenheizung in die Lambda-Sonde integriert.

Modernere Abgasreinigungsanlagen sind so ausgelegt, daß die Lambda-Sonde direkt in den Auspuffkrümmer eingeschraubt ist. Die heißen Auspuffgase erlauben ein Erreichen der Ansprechtemperatur innerhalb von wenigen Sekunden und auch unter schwierigen Bedingungen ein Halten der Ansprechtemperatur, so daß bei dieser Anordnung auf eine Sondenheizung verzichtet werden kann.

Somit unterscheidet man:

  • Lambda-Sonden mit einem Kabel; Kabelfarbe schwarz = Signalleitung zum Steuergerät, keine Sondenheizung

  • Lambda-Sonden mit drei Kabeln; Kabelfarbe schwarz für Signalleitung zum Steuergerät, zwei weiße Kabel für die Sondenheizung

  • Lambda-Sonde mit vier Kabeln; Kabelfarbe schwarz für Signalleitung zum Steuergerät, zwei weiße Kabel für die Sondenheizung, ein graues Kabel für einen separaten Masseanschluß;

Grundsätzliche Funktionsweise der Lambda-Regelung

Moderne Katalysatoren erreichen eine Umwandlungsrate (Konvertierungsrate) vom 90 - 95 % der schädlichen Schadstoffe. Damit diese Konvertierung erreicht werden kann, muß sich die Gemischzusammensetzung permanent im Bereich des Lambda-Fensters bewegen. Anhand der Signale der Lambda-Sonde, die sich vor dem Katalysator befindet, beeinflußt das Motorsteuergerät die Gemischzusammensetzung und damit die Luftzahl Lambda.

Prüfung der Lambda-Sonde auf Funktion

Um die Funktion der Lambda-Sonde zu überprüfen, muß der Motor Betriebstemperatur haben, da - wie schon erwähnt - die Lambda-Sonde erst bei ca. 300°C eine Signalspannung an das Steuergerät abgibt. Unterhalb dieser Temperatur wird das Fahrzeug quasi wie mit einem ungeregelten Katalysator betrieben.

Bei betriebswarmem Motor wird zwischen den Anschluß der Lambda-Sonde und dem Kabelbaum der Motorelektronik ein Adapterstecker zwischengesteckt, der mit einem Analog-Voltmeter gekoppelt ist.

Bei betriebswarmem Motor muß das Anzeigeinstrument ständig zwischen 0,1 und 0,9 Volt pendeln. Allerdings gibt diese Messung keine zuverlässige Auskunft darüber, ob die Regelgeschwindigkeit der Lambda-Sonde in der Norm liegt.

Einen Hinweis auf eine schon stark verschlissene Lambda-Sonde mit deutlich verlangsamter Regelgeschwindigkeit gibt ein "sägender" Motorlauf trotz gleichbleibender Gaspedalstellung.

Lambda-Sonden sind Verschleißteile. Insbesondere häufiger Kurzstreckenverkehr belastet die Lambda-Sonde chemisch, da die Abdichtung der Kolbenringe bei kaltem Motor nicht optimal ist und damit geringfügige Mengen Öl verbrannt werden. Die Verbrennungsrückstände des Motorenöls setzen allerdings den Keramikkörper im Laufe der Zeit zu und schädigen die Lambda-Sonde auch chemisch.

Auch durch thermische Belastungen im Fahrbetrieb altert die Lambda-Sonde.

Die Hersteller von Lambda-Sonden gehen davon aus, daß Lambda-Sonden nach 60 - 80 Tkm ausgetauscht werden müssen. In der Praxis liegen die Laufleistungen wesentlich höher (mindestens doppelt so hoch), bis wegen der verbrauchten Lambda-Sonde die AU nicht mehr bestanden wird.

Mittels der Voltmeter-Meßmethode wird aber erkannt, wenn die Referenzspannung von 0,5 Volt nicht mehr überschritten wird. Bei Omega A und Senator B leuchtet dann die Motorkontrolleuchte und der Fehlercode 13 wird im Motorsteuergerät abgelegt. Ebenso ist erkennbar, wenn die Regelfähigkeit der Sonde deutlich nachgelassen hat (z.B. Pendeln der Anzeige zwischen 0,3 und 0,6 V).

Die Motronic geht in den Notlauf-Modus. Die Folge ist ein deutlich höherer Kraftstoffverbrauch und eine merklich geringere Motorleistung. Das Steuergerät fettet das Gemisch nun ständig an, weil ein zu magerer Betrieb schwere Motorschäden durch thermische Überlastung hervorruft. Gleichzeitig wird der Zündzeitpunkt in Richtung "spät" verstellt, weil damit der Anteil schädlicher Abgasbestandteile am geringsten ist.

Einen Einfluß auf die Regelfähigkeit und die Lebensdauer der Lambda-Sonde hat auch der Motronic-Kühlmitteltemperaturgeber. Zeigt dieser ständig Werte unter 80°C an, dann wird das Gemisch über den Leerlaufregler ständig angefettet, was ein Verrußen der Lambda-Sonde zur Folge hat. Diese altert dadurch sehr schnell, zudem steigt der Kraftstoffverbrauch deutlich an. Weiter wird die Sondenheizung dadurch in Dauerbetrieb gezwungen, was diese auch nur begrenzt aushält. Sichtbar wird dies an den Zündkerzen, die dadurch ebenfalls zum Verrußen neigen. Wird bei Omega A / Senator B der Fehlercode 14 oder 15 ausgegeben, dann ist der Kabelbaum und der Motronic-Kühlmitteltemperaturgeber zu überprüfen.

Bei heißem Motor ist das Gemisch vor allem im Teillastbetrieb überfettet, was sich durch ruckelnden Motorlauf und Anfahrschwierigkeiten bemerkbar macht. Die sich dadurch ergebenden Zündschwierigkeiten führen dazu, daß unverbrannter Kraftstoff in den Katalysator gelangt, was diesen in kürzester Zeit zerstört.

Ebenfalls gefährlich für Lambda-Sonde und Katalysator ist ein durch Verharzung in Kaltlaufstellung festsitzender Leerlaufregler. Vor allem nach der Warmlaufphase kommt es dann zu ruckelndem Motorlauf durch Gemischüberfettung. Prüfen kann man dies, indem bei betriebswarmem Motor der luftzuführende Schlauch zum Leerlaufregler mit einer Klemme verschlossen wird. Ist der Motorlauf dann in Ordnung, hängt der Leerlaufregler oder die elektrischen Anschlüsse am Motronic-Kabelbaum haben eine Unterbrechung.

Geschlossener Regelkreis

Wie schon gesagt, müssen Lambda-Sonde und Motor die Ansprech- bzw. Betriebstemperatur erreicht haben, bevor mittels Adapterstecker und Voltmeter die Regelamplitude abgelesen werden kann. Diese muß ständig und im Leerlauf gleichmäßig zwischen 0,1 und 0,9 Volt pendeln. Die Reaktionszeit "mager-fett" beträgt etwa 300 Milisekunden. Ob diese Regelzeit erreicht wird, läßt sich allerdings nur mit einem Oszilloskop bestimmen.

Bei 0,1 Volt befindet sich mageres Gemisch im Abgasrohr, bei 0,9 Volt fettes Gemisch. Durch dieses Pendeln erhält das Motorsteuergerät das Signal zur Anfettung des Gemisches, bei 0,9 Volt zur Abmagerung des Gemisches. Dieser sich ständig wiederholende Abmagerungs- und Anfettungszyklus wird als geschlossener Regelkreis bezeichnet.

Offener Regelkreis

Im Rahmen einer AU testet man die Regelungsfähigkeit der Motorsteuerung durch die aufeinander folgende Aufschaltung zweier Störgrößen. Mittels eines Netzgerätes wird bei angeschlossenem Adapter die Signalübertragung der Lambda-Sonde zum Motorsteuergerät unterdrückt und statt dessen eine gleichbleibende Spannung von 0,1 Volt über die Signalleitung an das Steuergerät übertragen.

Das Steuergerät muß nun das Gemisch selbständig anfetten. Man erkennt die sich durch die Aufschaltung der Störgröße ergebende Gemischabmagerung durch eine absinkende Motordrehzahl und einen ruckeligen Motorlauf. Innerhalb von Sekunden muß sich der Motorlauf aber wieder normalisieren, wenn das Steuergerät das Gemisch anfettet.

Das an die Lambda-Sonde angeschlossene Voltmeter muß nun durch den hohen Sauerstoffanteil im Abgasrohr eine Signalspannung von 0,9 Volt anzeigen.

Anschließend erfolgt nach vorstehendem Muster eine Störgrößenaufschaltung von 0,9 Volt, was sich durch eine Leerlauferhöhung und einen runderen Motorlauf bemerkbar macht. Das Steuergerät muß nun selbstätig das Gemisch wieder abmagern (abnehmende Leerlaufdrehzahl).

Das an die Lambda-Sonde angeschlossene Voltmeter muß durch den geringen Sauerstoffanteil im Abgasrohr eine Spannung von 0,1 Volt erzeugen.

Mit dieser Störgrößenaufschaltung wird ermittelt, ob das Steuergerät die Impulse der Lambda-Sonde in eine korrekte Nachregelung umsetzt. Geschieht dies nicht, dann ist entweder das Steuergerät defekt oder es liegt ein Kabelbruch im Motronic-Kabelbaum vor.

Da mit dieser Störgrößenaufschaltung nur eine einmalige Regelung nach "mager" bzw. "fett" erfolgt und keine ständige Nachregelung zwischen "fett" und "mager" erfolgt, wird diese Prüfung als offener Regelkreis bezeichnet.

Schadstoffumwandlung

Die tatsächliche Schadstoffumwandlung übernimmt der Katalysator. Bei Benzinmotoren wird er als 3-Wege-Katalysator bezeichnet, weil drei Schadstoffe umgewandelt werden:

  • Kohlenmonoxid in Kohlendioxid

  • Zerlegung der Stickoxide in Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff

  • Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Wasser und Kohlendioxid

Im Wesentlichen besteht ein Katalysator aus einem wabenförmigen Keramik-Monolithen, der mit einer Trägerschicht aus Aluminiumtrioxid versehen und anschließend mit einer hauchdünnen, katalytisch wirksamen Edelmetallschicht (Platin, Rhodium, Palladium) beschichtet wird. Diese Trägerschicht ist mit Cer(III)oxid angereichert, die dem Material eine gewisse Sauerstoff-Speicherungsfähigkeit verschaffen. Damit wird gewährleistet, daß auch bei kurzzeitigem, mageren Motorlauf (siehe Funktionsweise der Lambda-Sonde) ausreichend Sauerstoff zur optimalen Konvertierung der Schadstoffe zur Verfügung steht. Chemisch wird bei fettem Gemisch das Cer(III)oxid zu Cer reduziert. Bei magerem Gemisch wird das Cer durch den im Abgas enthaltenen Sauerstoff wieder zu Cer(III)oxid oxidiert.

Thermisch besonders belastete Katalysatoren werden meist als Metallkatalysator ausgeführt. Auf einer wellpappeartigen Anordnung der Waben werden die katalytisch wirksamen Edelmetalle aufgetragen. Metallkatalysatoren haben zudem den Vorteil, daß der Abgasgegendruck im Vergleich zu einem keramischen Katalysator durch die glattere Oberfläche deutlich vermindert wird.

Der Katalysator hat wie die Lambda-Sonde eine Anspringtemperatur, das heißt, daß er eine gewisse Temperatur erreicht haben muß, bevor eine wesentliche Umwandlung von Schadstoffen in weniger schädliche Stoffe stattfindet.

Diese Anspringtemperatur beträgt ca. 250°C und definiert sich dadurch, daß eine Mindest-Konvertierungsrate von 50% der Schadstoffe erfolgt. Dieser Temperaturwert gilt allerdings nur für relativ neue, unverbrauchte Katalysatoren, die in Verbindung mit einer korrekt arbeitenden Lambda-Sonde eingesetzt werden. Die in den 1980er-Jahren alternativ angebotenen Fahrzeuge mit ungeregeltem Katalysator erreichen je nach Betriebszustand deutlich niedrigere Konvertierungsraten. Gealterte Katalysatoren haben eine deutlich erhöhte Anspringtemperatur. Die optimale Konvertierungsrate von 90 - 95% (beim geregelten Kat) wird oberhalb von 280°C erreicht.

Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten: den Katalysator so weit vorn im Abgasstrang unterzubringen, daß die Temperatur der Abgase ausreicht, den Katalysator ausreichend aufzuheizen. Zweitens besteht - wie bei der Lambda-Sonde - die Möglichkeit des Einbaus einer Katalysatorheizung.

Neue Abgasvorschriften verlangen eine möglichst schnelle Ansprechzeit der katalytischen Abgasreinigung. Aktuell wird eine Ansprechzeit von ca. 30 Sekunden nach dem Kaltstart verlangt. Ältere Fahrzeuge mit geregeltem Katalysator nach EURO1-Norm brauchen teilweise 50 Sekunden und mehr, bis der Katalysator seine optimale Konvertierungsrate erreicht.

Verlegt man den Katalysator zu weit weg vom Motor, reicht die Abgastemperatur unter Umständen nicht mehr bei allen Betriebszuständen aus, um dessen Temperatur konstant auf mindestens 280°C zu halten. Wird der Katalysator jedoch zu nahe am Abgaskrümmer angebracht, so altert der Katalysator thermisch vorzeitig. Eine Katalysatorheizung wird nur selten verwendet, da diese Batterie und Bordnetz sehr stark belastet.

Die Lebensdauer eines Katalysators hängt von vielen Faktoren ab. Bei optimalem Motorzustand, optimal arbeitender Zündanlage und regelrecht funktionierender Lambda-Sonde sowie eher kleinen Kurzstrecken- und Kaltstartzyklen und der Vermeidung langanhaltender Vollastfahrten kann der Katalysator durchaus auch jenseits von 250.000 km Laufleistung noch eine AU-gerechte Konvertierungsrate erreichen.

Durch verschlissene Motoren eingeschlepptes Motorenöl oder unverbranntem Kraftstoff, der durch eine defekte Zündanlage in den Katalysator gelangt, kann ein Katalysator aber bereits in sehr kurzer Zeit zerstört werden. Gleiches gilt, wenn der Motor mit verbleitem Kraftstoff betrieben wird. Bereits weniger als eine Tankfüllung kann den Katalysator, ebenso wie die Lambda-Sonde, irreversibel zerstören.

Thermische Deaktivierung des Katalysators

Temperatur in °C Bereich   was passiert?
100 keine Katalysatorwirkung    
200 keine Katalysatorwirkung    
300 Anspringtemperatur   optimale Konvertierungsrate des Katalysators wird erreicht
400 Arbeitsbereich   voller Wirkungsgrad des Katalysators
500 Arbeitsbereich   voller Wirkungsgrad des Katalysators
600 Verschleißbereich   Nickel reagiert mit der Aluminiumtrioxid-Trägerschicht
700 Verschleißbereich   Rhodium reagiert mit der Aluminiumtrioxid-Trägerschicht
800 Verschleißbereich   γ-Aluminiumtrioxid sintert mit Mangan und Zink
900 Übergangsbereich   Palladium sintert
1000 Übergangsbereich   Übergang von γ-Aluminiumtrioxid in α-Aluminiumtrioxid
1100 Überhitzung   Platin sintert
1200 Überhitzung   Ablösung der Aluminiumtrioxidschicht vom Monolithen
1300 Überhitzung   Strukturveränderung des Monolithen
1400 Überhitzung   Erweichung des Monolithen
1500 Überhitzung   Schmelzen des Monolithen

Typische Katalysator-Defekte

Da sich der Keramik-Monolith in einem Schutzmantel aus Stahl befindet, ist eine Sichtprüfung ohne Demontage des Katalysators nicht durchführbar.

Ursache Schädigung durch Erkennen / Maßnahme
verbleiter Kraftstoff Inaktivierung des Katalysators Erkennen nur durch Abgasprüfung;

Nur Austausch möglich, Kat irreversibel geschädigt

Fehlzündungen durch Schäden an der Zündanlage
  • Defekte Zündkabel
  • verbrauchte oder beschädigte Zündkerzen
  • Wasser in der Verteilerkappe (Motorwäsche!)
Unverbrannter Treibstoff entzündet sich im Katalysator explosionsartig und zersprengt den Kat in kleine Bruchstücke Gefahr der Verstopfung der nachfolgenden Auspufftöpfe durch Bruchstücke des Keramikmonolithen; Manchmal deutliches Klappern der Bruchstücke im Kat zu hören.

Dabei drastische Leistungsminderung bei höheren Drehzahlen. Im Leerlauf ist der Schaden nicht immer sofort offensichtlich.

Prüfungsmöglichkeit: aus dem Leerlauf kräftig gasgeben, Helfer muß den Abgasdruck am Endtopf prüfen. Kommt kaum was 'raus, dann ist der Auspuff zugesetzt.

nur Austausch möglich

Verbranntes Öl, untaugliche, schwefelhaltige  Kraftstoffadditive, zu hoher Schwefelanteil im Kraftstoff Lambda-Sonde und Katalysator werden durch schwefelhaltige Verbrennungsrückstände chemische Blockierung / Verstopfung der Poren des Katalysators, Verlust der Sauerstoff-Speicherungsfähigkeit. Erkennen nur durch Abgastest möglich. Geschädigte Lambda-Sonde erkennt man durch langsame Regeltätigkeit: "sägen" des Motors;
Falschluft durch lose Schraubverbindungen im Unterdrucksystem des Motors

Verbrennungsstörungen durch falschen Zündzeitpunkt oder falsche Ventilzeiten

dramatische Abmagerung des Gemisches. Dadurch stark erhöhte Verbrennungstemperaturen. Gefahr für Motor, Katalysator und Lambda-Sonde durch thermische Überlastung bei Temperaturen von mehr als 950°C. Leerlauf zu hoch oder stark schwankend, insbesondere bei heißem Motor.

Keramikmonolith kann schmelzen, die aktive Schicht des Katalysators buchstäblich aus dem Monolithen herausgebrannt werden.

mechanische Schäden Aufsetzen des Fahrzeugs auf dem Katalysator. Gefahr des Bruchs des Monolithen; besonders bei Fahrten auf sehr schlechten Straßen oder extremer Tieferlegung des Fahrwerks. Siehe Fehlzündungen
Defekter Motronic-Kühlmitteltemperaturgeber oder in Kaltlaufstellung hängender Leerlaufregler Ungünstiges, zu fettes Gemisch welches sich im Katalysator entzünden und diesen sprengen kann. Erkennen: klappernder, zerbrochener Keramik-Monolith oder Schmelzen desselben. Dann massive Leistungsverminderung durch zu großen Abgasgegendruck.

Wichtig ist, bei einem defekten Katalysator nach der Ursache für dessen Zerstörung zu suchen. Auch ein neuer Katalysator wird sehr schnell zerstört, wenn die Ursache des Defektes nicht behoben wird.

Typische Lambda-Sonden-Defekte

Abbildung Symptom Ursache Behebung
Schutzrohr stark verrußt
  • zu fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch
  • Lambda-Sonden-Heizkörper defekt
Sonde muß ausgetauscht werden.

Gefahr der Zusetzung der Sonde, wodurch die Reaktionszeit der Sonde verlängert wird.

helle Ablagerungen auf dem Schutzrohr
  • Verwendung ungeeigneter Kraftstoff-Additive auf Schwefelbasis
  • Ölverbrennung durch defekte Kolbenringe oder Ventilschaftabdichtungen
Sonde ist chemisch zerstört und weist eine mehr oder weniger starke Verminderung der Reaktionsgeschwindigkeit auf.

Sonde muß sofort ausgetauscht werden.

Ursache der Ölverbrennung abstellen.

glänzende Ablagerungen auf dem Schutzrohr
  • Verwendung von bleihaltigem Kraftstoff
Das Blei hat durch chemisch-physikalische Reaktion die Platinbeschichtung der Sonde zerstört. Eine Signalübermittlung ist damit nicht mehr möglich.

Sonde sofort austauschen, Katalysator prüfen und ggf. ebenfalls austauschen.

Ggf. Kraftstoffsystem vollständig entleeren und spülen. Kraftstoffilter austauschen.

Schutzrohr abgeschert
  • verpfuschter Einbau
Sonde ersetzen und mit tauglichem Werkzeug mit vorgeschriebenem Drehmoment anziehen.

Auf gasdichten Sitz achten.

Chronologische Darstellung der Abgasbestimmungen für Fahrzeuge mit Otto-Motor

Datum Maßnahme Auswirkung
01.04.1985 Einführung Abgassonderuntersuchung (ASU)

Alle PKW, LKW und Busse mit Ottomotor müssen jährlich in einer dafür authorisierten Kfz-Werkstatt die Einhaltung der individuellen Abgasgrenzwerte überprüfen lassen und den Motor ggf. korrekt einstellen lassen.

Ausgenommen von dieser Verpflichtung sind:

  • Fahrzeuge mit einer Erstzulassung vor 01.07.1969
  • Fahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht von unter 400 kg
  • Fahrzeuge mit einer bauartbedingten Höchstgeschwindigkeit von nicht mehr als 50 km/h
  • Fahrzeuge mit weniger als 4 Rädern
  • Fahrzeuge, die mit 04er, 06er oder 07er- oder Versicherungskennzeichen bewegt werden
  • land- und forstwirtschaftliche Zugmaschinen
  • selbstfahrende Arbeitsmaschinen, sofern sie nicht den Merkmalen eines LKW entsprechen
  • Gabelstapler

Bei Neufahrzeugen beträgt die Frist bis zur ersten ASU 24 Monate, danach alle 12 Monate.

Für Fahrzeuge mit geregeltem 3-Wege-Kat wird die Frist zur ASU generell auf 24 Monate verlängert.

01.12.1993 Die Abgasuntersuchung (AU) ersetzt die Abgassonderuntersuchung (ASU) Auch Fahrzeuge mit Diesel-Motor werden in die Abgasuntersuchung einbezogen.

Sichtprüfung aller abgasrelevanten Bauteile auf Vorhandensein, Vollständigkeit, Dichtigkeit und Beschädigung, soweit ohne Demontage durchführbar.

01.01.2006 Neuer Leitfaden zur Durchführung der AU Hierbei werden auch die Besonderheiten für gasbetriebene Fahrzeuge miteinbezogen.

Bei Fahrzeugen mit OBD2-Stecker sind bei der AU neben der bisherigen Sichtprüfung abgasrelevante Fehler auszulesen und ggf. zu beheben. Für diese Fahrzeuge gibt es keine Prüfbescheinigung mehr, sondern einen Nachweis für die durchgeführte Abgasuntersuchung.

01.04.2006 Verlängerung der Prüfintervalle Für Fahrzeuge ohne oder ungeregelten Katalysator wird die AU-Frist auf 24 Monate angehoben. Nur für Mietwagen und Taxis bleibt es bei der 12-Monats-Frist.
01.04.2010 Entfall der AU-Plakette Abgasuntersuchung generell alle zwei Jahre, AU darf bei fälliger HU nicht länger als ein Monat zurückliegen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abgasgrenzwerte und Besonderheiten für die Schadstoff-Einstufung bei PKW mit Otto-Motor

Einstufung Abgasgrenzwerte sonstige Voraussetzungen für die Einstufung bzw. Nachrüstung
ohne Abgasreinigung
  • CO-Grenzwert 3,5 Vol%
  • CO-Grenzwert 4,5 Vol% für Fahrzeuge aus den neuen Bundesländern
Der erhöhte CO-Grenzwert von 4,5 Vol.% gilt nur für in den Neuen Bundesländern erstzugelassene Fahrzeuge, die bis spätestens zum 31.12.1993 eine Hauptuntersuchung sowie ASU/AU absolviert haben und auf West-Kennzeichen umgenummert wurden.

Fahrzeuge, die bis zu diesem Termin nicht auf West-Kennzeichen umgenummert wurden, können nach derzeitiger Rechtslage in Deutschland nicht mehr zugelassen werden, wenn der CO-Grenzwert von 3,5 Vol.% überschritten wird. Betroffen davon sind in erster Linie Zweitakt-Fahrzeuge (Barkas, Trabant, Wartburg).

ungeregelter Kat
  • CO-Grenzwert 3,5 Vol.%
  • Abgaswerte müssen im Regelbereich zwischen Lambda 0,97 und 1,13 liegen
Da ohne elektronische Komponenten zur Beeinflussung der Gemischzusammensetzung, kann ein UKat auch für Fahrzeuge mit mechanischem Vergaser verwendet werden.
EURO 1
  • CO-Grenzwert: 3,16 g/km
  • HC+NOX-Grenzwert 1,13 g/km
Geschlossener Kraftstoffkreislauf mit Aktivkohlespeicher, geregelter 3-Wege-Kat

Bei Nachrüstung wird auf die Erfordernis eines geschlossenen Kraftstoffsystems verzichtet.

EURO 2
  • CO-Grenzwert 2,2 g/km
  • HC+NOX-Grenzwert 0,5 g/km
Bei Nachrüstung wird auf das Erfordernis der Einhaltung der verschärften Grenzwerte verzichtet. Nachrüstung eines Kaltlaufreglers, der eine Anspringtemperatur von maximal 30 Sekunden nach Kaltstart von Lambda-Sonde und Kat sicherstellt.

Auf EURO 1 nachgerüstete Fahrzeuge können trotz Gleichstellung mit EURO 1 ohne geschlossenes Kraftstoffsystem nicht auf EURO 2 nachgerüstet werden.

EURO 3
  • CO-Grenzwert 2,3 g/km
  • HC-Grenzwert: 0,20 g/km
  • NOX-Grenzwert 0,15 g/km
Erfordernis eines OBD-Steckers mit Auslesemöglichkeit abgasrelevanter Motorstörungen
EURO 4
  • CO-Grenzwert 1,0 g/km
  • HC-Grenzwert 0,10 g/km
  • NOX-Grenzwert 0,08 g/km
Erfordernis einer Monitorsonde zur Funktionsüberwachung des Katalysators