Metall-Katalysator

Metall-Katalysator in einfacher Spiralwicklung.

Die Stahlmonolithen bestehen aus spiralförmig gewickelten, dünnen Metallfolien, meist aus abwechselnd glatten und gewellten Schichten, oder aus geschichteten Platten. Die hauchdünn gewalzten Bleche, meist weniger als 50 µm dick, bestehen aus hochlegierten, nichtrostenden Spezialstählen mit einem Aluminiumanteil von bis zu 10 %. Aufgrund des hohen Aluminiumgehalts, der für das Aufbringen des Washcoats und der Edelmetallsalze unerlässlich ist, lassen sich die Metallfolien nicht miteinander verschweißen. In einem speziellen Verfahren werden die Kontaktstellen der Folienschichten untereinander und diese wiederum mit dem Metallmantel in einem Hochvakuum-Ofen verlötet. Dadurch werden eine hohe mechanische Festigkeit und eine präzise Zellstruktur erreicht. Das Hartlöten verhindert auch das „Ausspiralisieren“ unter Belastung im täglichen Fahrzeugbetrieb. Nach dem Vakuumlöten werden die verlöteten Metallfolien mit dem Washcoat, einer Mischung aus Aluminiumoxid und anderen Metalloxiden wie Zirconium- und Cer(IV)-oxid sowie den Edelmetallsalzen, beschichtet.

Einer der Vorteile von Metallkatalysatoren ist ihre geringe Wandstärke. Metallische Monolithe weisen Schichtdicken von 20 µm auf, während die dünnsten keramischen Monolithe Wandstärken von 40 µm aufweisen. Geringe Zellwandstärken bieten ein günstiges Verhältnis von offenem Strömungsquerschnitt zu geometrischer Oberfläche. Dadurch reduzieren sie den Abgasgegendruck und damit einen möglichen Leistungsverlust. Dieser lag bei den ersten keramischen Katalysatoren noch bei 10 %. Metallmonolithe mit Turbulenz erzeugenden Profilen sind bis zu 30 % leistungsfähiger als vergleichbare Keramikkatalysatoren. Die strukturierten Kanäle brechen die laminare Strömung auf und sorgen für Turbulenzen. Diese wiederum erhöhen den Stoffaustausch zwischen dem Abgas und den katalytisch aktiven Komponenten und steigern letztendlich die katalytische Aktivität. Aufgrund der Turbulenz erzeugenden, strukturierten Metallfolien, lassen sich bei gleicher Reinigungsleistung um 30 % kleinere Katalysatoren herstellen und damit die Kosten für die Edelmetalle reduziert werden.

Ein weiterer Vorteil ist die geringere Wärmekapazität. Dadurch wird die notwendige Betriebstemperatur für die katalytische Umsetzung der Abgase bei Metallkatalysatoren schnell erreicht. Eine hohe thermische und mechanische Stabilität auch bei starken Temperatur- und Lastwechseln, so genannten Thermoschocks, sind weitere Vorteile der Metallkatalysatoren. Hinzu kommt eine flexible Gestaltung des Katalysatorquerschnitts. So kommen runde, ovale, auch Racetrack genannte, quadratische oder sechseckige Formen zum Einsatz.

Da die Metallträger direkt in die Abgasanlagen eingeschweißt werden können, reduziert sich der Montageaufwand im Vergleich zu keramischen Substraten. Dadurch sind Fasermatten, die zur Lagerung der Keramikmonolithe unverzichtbar sind, nicht notwendig. Diese gelten gemäß EU-Einstufung als krebserzeugend.

Hersteller von Metall-Träger-/Katalysatoren sind unter anderem die Firmen Ecocat in Vihtavuori, Finnland, Emitec in Lohmar, Oberland Mangold in Eschenlohe, Bayern, Emission Partner, Niedersachsen sowie die Firma Lindo Gobex in Gorzów, Polen. Als Erstzulieferer für die Automobil- und Nutzfahrzeughersteller ist davon lediglich Emitec aktiv.[1]

Metall-Katalysator in M-Wicklung (innerer Kat) mit zusätzlichem Ring-Katalysator (äußerer Kat)

Im Fahrbetrieb ist der beschichtete Metallträger extremen Temperaturschwankungen, Vibrationen und Stößen ausgesetzt. Er dehnt sich bei Erwärmung aus und zieht sich bei Abkühlung zusammen. Das Problem der Ermüdungsfestigkeit des Metallträgers wurde gelöst, indem statt einer einfachen Spiralwicklung eine S-förmige Wicklung verwendet wurde. Bei dieser Anordnung liegt Schicht auf Schicht nicht mehr parallel zur Gehäusewand, sondern nur noch die Enden der einzelnen Schichten kommen mit der Gehäusewand in Berührung und sind mit ihr verlötet. Ein solcher Aufbau führt zu einem Träger mit hoher Stabilität und gleichzeitig hoher Elastizität, die für die thermische Ausdehnung notwendig ist. Neben zwei Wickeldornen für eine S-Wicklung ist auch der Einsatz von drei Dornen für eine M-Wicklung möglich. Vier und mehr Dorne sind möglich, wenn Träger mit großen Durchmessern hergestellt werden sollen, etwa für Nutzfahrzeuge oder stationäre Motoren.

Metall-Katalysator am Motor einer Asphalt-Tandemwalze Bomag BW 135 AD

Die Leistungsfähigkeit der Katalysatoren wird durch die Art der Beschichtung, durch die Zelldichte cpsi (Zahl der Zellen pro Quadratinch von 150 bis 2.400 cpsi sind möglich) und durch das zur Verfügung gestellte Trägervolumen bestimmt. Es können produktionstechnisch Trägerdurchmesser von 28 bis 1.200 mm realisiert werden. Bei ganz großen Trägerdurchmessern haben sich in der Praxis allerdings einzelne, hexagonale Katalysatoren, die als Matrix zusammengesetzt werden können, vielfach durchgesetzt.

Metall-Katalysatoren finden in vielen Einsatzgebieten ihre Anwendung wie in Fahrzeugen (PKW, LKW, Motorräder, Non-Road-Fahrzeugen wie Baumaschinen, Flurförderzeuge wie Gabelstapler sowie Landmaschinen unter anderem in Traktoren, Eisenbahn-Lokomotiven sowie in Schiffen). Darüber hinaus gelangen sie in Kleinmotoren (z. B. Kettensägen, Rasenmäher) und in Industrieanlagen (Konventionelle Kraftwerke, Blockheizkraftwerken (BHKW) mit Dieselmotoren oder Gasturbinen oder stationäre Stromgeneratoren etc.) zum Einsatz.

Der Metallträger als Basis für den Auto-Katalysator hat Generationen von Ingenieuren beschäftigt, lange bevor der Keramikträger als Lösung präsentiert wurde. Bereits 1929 erkannte Joseph Christie Whitney Frazer (* 30. Oktober 1875; † 28. Juli 1944) aus Baltimore/USA die Vorteile des Metallträgers und ließ im selben Jahr seine diesbezüglichen Entwicklungen patentieren. Das Patent beschreibt einen Katalysatorträger aus gewellter Stahlfolie, wobei die gewellten Folien durch glatte Folien voneinander getrennt wurden. Weitere Ansprüche nennen anstelle der gewellten Metallfolie Siebe oder Lochbleche. Das war keineswegs der erste Vorschlag für einen Abgaskatalysator, doch scheint Joseph Christie Whitney Frazer damit der Urvater des heutigen Stahlträgers für Metall-Katalysatoren gewesen zu sein. Frazer meldete seinen Stahlträger für Metall-Katalysatoren auch in Deutschland zum Patent an und erhielt 1930 das Deutsche Reichspatent Nr. 563757.

Die Beschreibung sowohl des Stahlträgers wie des Katalysators aus Metalloxiden mutet außerordentlich modern an. Da die damaligen Motoren neben Kohlenmonoxid auch große Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe (HC) enthielten, sah Frazer zusätzlich eine Sekundärlufteinblasung vor, die erst Jahrzehnte später im Automobilbau eingeführt wurde. Die Luftmenge, welche vor dem Katalysator eingeblasen werden sollte, wollte der Erfinder Frazer in Abhängigkeit von der Motordrehzahl regeln. Sehr frühzeitig erkannte Frazer auch, dass der Katalysator erst ab einer Abgastemperatur von 450 °C in der Lage ist, Kohlenmonoxid zu oxidieren. Darum empfahl er, das Abgas nach dem Kaltstart etwa durch ein elektrisches Heizgerät zu erwärmen. Erst Jahrzehnte später wurde der beheizte Katalysator Realität.

Mit dem beheizten Metall-Katalysator vom Typ EMICAT konnte erstmals der BMW Alpina B12 5,7 und kurz darauf das 12-Zylinder-Serienmodell der BMW AG die 1996 gültigen Emissionsgrenzwerte in Europa, Japan und USA deutlich unterschreiten.

Joseph C.W. Frazer weist mehrfach darauf hin, dass der Träger aus einem wärmeleitenden Metall bestehen müsse. Darum sei eine Berührung des Trägers mit der Wand des ihn umschließenden Behälters notwendig. Die im Träger entstehende Wärme wollte Frazer außerdem benutzen, um die zu kalten Abgase etwa im Leerlauf vorzuheizen. Die Beschreibung ist derartig detailliert, dass damals mit Sicherheit Versuche durchgeführt wurden. Siebartige Träger aus hochlegiertem Stahl hat es schon vor Frazer gegeben, offensichtlich stammen sie aus der Petrochemie. Somit gilt Frazer als Urvater der gelochten Metallträger.

Die Idee, Stahlträger für Autokatalysatoren zu verwenden, tauchte nach den Arbeiten von Frazer erst nach 1950 wieder auf, nachdem weitergehende Forderungen zur Senkung der Schadstoffe im Autoabgas immer stärker wurden. Einer der ersten Hersteller, der den Metallträger untersuchte, war UOP (Universal Oil Products) in den USA, welche später (1988) von Allied Signal und Union Carbide übernommen wurde. Auf Seiten der Automobilhersteller sind General Motors, Mercedes-Benz, Audi, VW und andere zu nennen. Alle scheiterten allerdings daran, dass die spiralförmig gewickelten Metallfolien lose in ihrem rohrförmigen Behältnis saßen und dem dynamischen Betrieb nicht gewachsen waren. Sie spiralisierten schnell und gingen dann rasch defekt.

Diese mechanisch harten Bedingungen sorgten wesentlich später bis in die Neuzeit für das Aus einer Vielzahl von Versuchen, von denen die meisten durch zahlreiche Patente bekannt wurden. Sie kamen von Ford, General Motors, Mitsui, der englischen Kernenergiebehörde, Degussa und anderen Unternehmen. Alle zeigten gewellte Metallfolien, einige auch die wechselweise Verwendung von glatten und gewellten Folien. Neben spiralförmig gewickelten Folien gab es jedoch auch Vorschläge, die Folien als Platten aufeinander zu legen und in rechteckigen Gehäusen unterzubringen. Mitsui ließ sich 1974 sogar eine Variante patentieren, bei der das Plattenpaket austauschbar war. Zudem fixierte man die Platten durch Schrauben, diese konnten einen Schwingungsdauerbruch dennoch nicht vermeiden. Aus leidvoller Erfahrung kannte man das Problem der losen Folienpackungen durchaus, aber eine endgültige Lösung stand noch aus.

Obwohl 1973 die ersten sogenannten Dreiwege-Katalysatoren mit Keramik-Monolith erfolgreich in den Markt eingeführt wurden, unterstützte die Automobilindustrie über Jahrzehnte hinweg alle Versuche, Stahlfolien als Träger zu verwenden. Neben den vielen Vorteilen der Metall-Katalysatoren wollte man sich von den damals zwei großen Keramik-Monolithherstellern (die Firmen Corning, USA und NGK, Japan; die japanische Denso kam erst viel später hinzu) unabhängiger machen.

Bei Audi, Ford, General Motors und VW beispielsweise liefen ab etwa 1960 zahlreiche Versuche, Metallträger bis in die Serie einzuführen. Bei Tests ließen sich damit ausgezeichnete Abgasreinigungsleistungen erzielen, doch war die Dauerhaltbarkeit dieser Metallträgerkatalysatoren nicht gegeben. Die spiralförmig gewickelten und dann lose eingesetzten Folien versuchte man zunächst durch kreuzförmige Halter an den Enden zu fixieren. In der Praxis, während des dynamischen Betriebs scheuerten diese kreuzförmigen Halter allerdings durch, so dass sich der Monolith (Träger) trotzdem ausspiralisierte. Das finnische Unternehmen Kemira (heute EcoCat) präsentiert 1985 einen Metall-Katalysator, der aus bereits mit Edelmetall beschichteten Folien bestand, die erst danach spiralförmig gewickelt wurden. Um ein Ausspiralisieren zu verhindern, wurde das gewickelte Folienpaket mittels nagelähnlichen Metallstiften am Mantel fixiert. Man sprach dabei auch vom „genagelten Metall-Katalysator“. 1987 baute Kemira in Vihtavuori, Laukaa, eine komplette Fertigungsanlage zur Herstellung dieser beschichteten Nagel-Metall-Katalysatoren. 1990 wurde die Serienfertigung aufgenommen und 1992 wurde beispielsweise das Opel-Modell Corsa mit diesem Nagel-Metall-Katalysator ausgerüstet. Neben Opel wurde auch Fiat mit diesen Metall-Katalysatoren versorgt.

Auch diese Kemira-Metall-Kats wiesen eine mäßige Dauerhaltbarkeit auf. Vor allem der Trend zu den motornah angeordneten Katalysatoren sorgten dafür, dass die Erstausrüster (OEM) auf die Metall-Katalysatoren von Kemira verzichteten. Aktuell fertigt das Kemira-Nachfolgeunternehmen EcoCat Metall-Katalysatoren für gasbetriebene Verbrennungsmotoren sowie Metall-Katalysatoren und Metall- aber auch Keramik-Partikelfilter für Diesel-Fahrzeuge.

Seit 1985 stellt die Firma Oberland Mangold in Südbayern Metallträger für Abgaskatalysatoren zur Abgasreinigung her. Seit Beginn allerdings fast ausschließlich im Bereich Austausch- und Nachrüstkatalysatorsysteme. Später kamen dann Rußpartikelfiltersysteme (Metall-Partikelfilter) und Mini-Kats aus Metall hinzu. Seit der Gründung konnte sich das Unternehmen auf dem Markt der Katalysatoren erfolgreich platzieren.

Bei der Siemenstochter Interatom in Bensberg beschäftigte man sich im Rahmen der Reaktortechnik häufig mit der Verbindung exotischer Werkstoffe. Das Grundpatent für das Fügen von Metallen mit keramischer Oberfläche, das später auch die Beherrschung der Fertigung von Metallträgern erlauben sollte, wurde von Interatom bereits im Jahr 1978 angemeldet. Das war auch der Grund, warum sich die Degussa zu dieser Zeit an Interatom um Hilfe wandte.

Die erste Anwendung des Interatom-Hartlötverfahrens erfolgte jedoch weder bei Degussa noch Interatom, sondern beim Stuttgarter Kühlerspezialisten Behr. Durch die räumliche Nähe zu Mercedes-Benz hatte sich Behr zur Fertigung von spiralförmig gewickelten Metallträgern entschlossen, die Mercedes-Benz als motornahe Startkatalysatoren verwenden wollte.

Die Vorteile eines motornahen Startkatalysators hatten die Mercedes-Ingenieure Dr. Jörg Abthoff und Dieter Schuster im Jahr 1984 veröffentlicht. Zunächst wurden für die geregelten Startkatalysatoren Keramikmonolithe verwendet. Da diese allerdings nicht die hohen thermischen und mechanischen Belastungen direkt am Auspuffkrümmer vertrugen, mussten sie motorfern eingebaut werden. Durch den langen Weg zwischen den Auslassventilen und dem Startkatalysator sowie dem daran anschließenden Hauptkatalysator kühlte das Abgas zu stark ab und die Katalysatoren sprangen viel zu spät an. Die Folge davon war, dass die Abgase direkt nach dem Kaltstart einen zu hohen Anteil an Schadstoffen enthielten, denn sie passierten den Katalysator ohne Umwandlung. Mit dieser ersten Lösung waren die zukünftigen, verschärften Abgasgrenzwerte vor allem in Japan und in den USA demnach nicht einzuhalten. Aus diesem Grund setzte man bei Mercedes-Benz deshalb motornahe Startkatalysatoren auf Metallträgerbasis von Behr ein, welche den hohen thermischen und mechanischen Belastungen widerstanden.

Für Behr von Vorteil war, dass die Startkatalysatoren nur kleine Durchmesser haben mussten, bei der die einfache Spiralwicklung der Folien sich noch nicht als Nachteil erwies. Sie trugen den Markennamen „Metalit“ und wurden mit teils sehr guten Ergebnissen in Japan und den USA eingeführt. Die Nachteile der simplen Spiralwicklung stellten sich erst später heraus, als das Unternehmen Behr auf Kundenwunsch hin Metallträger mit größerem Durchmesser anfertigte.

Als um das Jahr 1980 die politische Abwendung von der Kernenergie sichtbar wurde, begannen Interatom-Manager nach anderen Aufgaben zu suchen, mit denen man die eigenen Naturwissenschaftler, Ingenieure und hochspezialisierten Techniker weiterhin beschäftigen konnte. Neben den Mitarbeitern standen einzigartige Berechnungs- und Analyseverfahren, Bearbeitungsmethoden und metallurgische Kenntnisse zur Verfügung, die weit über das übliche Industrieniveau herausragten.

Bei Interatom war 1984 eine Abteilung „Neue Technologien“ gegründet worden, die von Dr. Rolf Kottmann geleitet wurde. Innerhalb dieses Oberbegriffs war die Abteilung „Automobilindustrie“ entstanden. Sie sollte neue Produkte entwickeln und die Vermarktung von Interatom-Technologien übernehmen. Im selben Jahr setzte Kottmann den etwa gleichaltrigen Wolfgang Maus als Leiter dieser Abteilung „Neue Technologien“ ein. Wolfgang Maus war bis dato in Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für Komponenten des Hochtemperaturreaktors eingebunden gewesen. In der neugegründeten Abteilung sollte Wolfgang Maus zukünftige Produkte entwickeln sowie Service und Leistungen für die Automobilindustrie aus dem Bereich der Nuklearindustrie vermarkten. Interatom hoffte, auf diesem Weg das Aus im Bereich der Kernenergietechnik zu überstehen und das umfangreiche Wissen seiner Mitarbeiter damit retten zu können.

Neben der hohlen Nockenwelle wurde als zweite weitreichende Idee der Metallträger für Autokatalysatoren ins Auge gefasst, an dem schon so viele Ingenieure scheiterten. Außerdem gab es damals die Idee der gasdynamischen Lager (Luftlager) für Abgasturbolader. Dazu wurde eine erste Simulationssoftware für Verbrennungsberechnungen erstellt, die von nuklearen Sicherheitsanalyse-Programmen abgeleitet war.

Um das Metallträgerprojekt fortsetzen zu können, begannen die Interatom-Ingenieure bei der Automobilindustrie nach Interessenten zu suchen. Nach einer erfolgreichen Präsentation in Japan im Jahr 1984 stießen sie auf großes Interesse einiger anwesenden Mitarbeiter japanischer Automobilhersteller, besonders bei Toyota-Ingenieuren. Als weiterer Glücksfall erwies sich die neue strategische Ausrichtung der Interatom-Muttergesellschaft. Siemens wollte zu dieser Zeit verstärkt in die Automobilindustrie einsteigen und gründete den Bereich „Automobiltechnik“, dem später die VDO eingegliedert wurde und der sich dann zu einem profitablen Geschäftsfeld entwickelte. Aber auch ein Hersteller von Abgasanlagen zeigte Interesse an einem Joint Venture mit Siemens.

Zusammen mit dem Automobilzulieferer Uni Cardan gründete Siemens dann am 11. August 1986 das Joint Venture Emitec. Der Name Emitec entstand aus „Emissionstechnologie“ und steht heute für ein weltweit operierendes Unternehmen, das mit großem Abstand der Marktführer bei der Herstellung von Metallträger-Katalysatoren ist. 2011 konnte Emitec sein 25-jähriges Firmenjubiläum feiern.

• 25 Jahre Metall-Katalysatoren
• Metall-Kat-Patent Joseph Christie Whitney Frazer (Auszug)
• Patent US5505911A: Catalytic converter. Angemeldet am 17. März 1995, veröffentlicht am 9. April 1996, Anmelder: Roth Technik GmbH & Co, Erfinder: Edelbert Häfele.
• Patentanmeldung DE2337228A1: Brennkraftmaschine mit einer Auslassleitung mit Reduktionskatalysator und Oxydationskatalisator. Angemeldet am 21. Juli 1973, veröffentlicht am 6. Februar 1975, Anmelder: Daimler Benz AG, Erfinder: Jörg Abthoff et al.
• SAE-Paper: New Developments in Catalytic Converter Technology as Demonstrated by Mercedes-Benz 300 SL and 300 CE

1. Biogaskatalysatoren | Emissionsminderungsbonus mit Emission Partner. Abgerufen am 7. Dezember 2017 (deutsch).