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Schmierstoffqualität Alterung von Katalysatoren

| Autor / Redakteur: Iris Wirz / Anne Richter

>> Katalysatoren erbringen nicht immer die geforderte hohe Emissionsstabilität, insbesondere wenn alternative oder erneuerbare Treibstoffe eingesetzt werden. Ein Forschungsprojekt der Empa, das mit Unterstützung der Schmierstoffindustrie realisiert werden konnte, zeigt nun erstmals die Ursachen für die Alterung von Katalysatoren beim Einsatz von alternativen und erneuerbaren Treibstoffen auf. Bereits nach einigen Zehntausend Kilometern sind Alterungsspuren sichtbar und die Umwandlungseffizienz von Katalysatoren kann abnehmen.

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Dr. Jan Fiala, Geschäftsführer des VSS Lubes. «Es zeigte sich, dass die Erdgasfahrzeuge mehr Motorenöl verbrauchen und stärkere Ablagerungen im Katalysator aufweisen. Das bedeutet, dass der Katalysator beim Erdgasfahrzeug weniger lang eine gute Leistung erbringt als bei herkömmlichen Antrieben.»
Dr. Jan Fiala, Geschäftsführer des VSS Lubes. «Es zeigte sich, dass die Erdgasfahrzeuge mehr Motorenöl verbrauchen und stärkere Ablagerungen im Katalysator aufweisen. Das bedeutet, dass der Katalysator beim Erdgasfahrzeug weniger lang eine gute Leistung erbringt als bei herkömmlichen Antrieben.»
(Bild: VSS)

Im Sommer hat auch der Sommersmog Saison. Sommersmog entsteht durch chemische Reaktionen aus Vorläuferschadstoffen unter Einwirkung von UV-Strahlung und Wärme. Der Smog ist – vereinfacht ausgedrückt – eine Situation, bei der die Konzentration der Schadstoffe in der Luft ein gesundheitsgefährdendes Ausmass erreicht. In der Regel nehmen wir diese ja nicht mehr wahr. Luft ist unsichtbar und kaum jemand weiss, dass wir täglich 15 000 Liter Luft einatmen. Doch wirkt sich die Luftqualität und Schadstoffe auf die Gesundheit des Menschen aus. Bei Sommersmog können zum Beispiel Reizungen der Atemwege, Kopfschmerzen und Augenbrennen auftreten – betroffen sind vor allem Ozon-empfindliche Menschen.

Einführung von Katalysatoren hat Luftqualität verbessert

Verschiedene Massnahmen haben in den vergangenen zwanzig Jahren die Schadstoffe in der Luft stark reduziert. Eine der wirksamsten Massnahmen war die Einführung der Katalysatoren und Partikelfilter in Fahrzeugen. Bei Neuwagen sind die Schadstoffemissionen heute sehr tief. Doch mit zunehmender Betriebsdauer des Katalysators können die Abgasemissionen zunehmen, weil Ablagerungen von Katalysatorgiften wie Phosphor oder Schwefel dessen Umwandlungseffizienz vermindern. Solche Katalysatorgifte werden durch den Treibstoff oder das Motorenöl in die Verbrennung eingebracht und auf dem Katalysator abgelagert. An der Empa wurden deshalb die Katalysatoren von Fahrzeugen mit Benzin-, fünf Prozent Ethanol-, 85 Prozent Ethanol- und Erdgasbetrieb im Neuzustand und während einer Einsatzdauer von 40 000 km untersucht. Ist das Auto neu, wird das Motorenöl noch regelmässig gewechselt und erhalten Fehlermeldungen mehr Beachtung. Der Zweit- oder Dritthalter schenkt seinem Auto jedoch oft nicht mehr die gleiche Aufmerksamkeit. Dies kann zu einer Alterung des Katalysators führen.

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Einsparung von 50 Prozent Emissionen möglich

Das führt dazu, dass ein grosser Teil der verkehrsbedingten Emissionen von einem kleinen Teil der Autos verursacht werden – darunter auch jene mit gealtertem Katalysator. «Könnte man die Zusatzemissionen durch gealterte Katalysatoren eliminieren, liessen sich schätzungsweise bis zu 50 Prozent der Emissionen sparen», so Christian Bach, Abteilungsleiter Verbrennungsmotoren bei der Empa. Und meint weiter: «Ein attraktives Ziel wäre, dass ein Fahrzeug nach 160 000 km die gleich niedrige Emission hätte wie zu Beginn.» Um diesem Ziel näher zu kommen, hat die Empa ein mehrjähriges Forschungsprojekt in Angriff genommen. Dieses Projekt wird vom Bildungs- und Forschungsfonds der Schmierstoffindustrie unterstützt. Denn ein aktuelles Forschungsthema bei den Schmierstoffen lautet: Bei der Verbrennung im Motorenraum sollen die Schmierstoffe immer weniger Rückstände produzieren.

Einfluss der Schmierstoffe auf Katalysator bis jetzt unbekannt

Dr. Jan Fiala, Geschäftsführer des VSS Lubes, dem Verband der Schweizerischen Schmierstoffindustrie, erklärt: «Bis jetzt war der Einfluss der Treib- und Schmierstoffe auf die Haltbarkeit des Katalysators noch zu wenig bekannt. Deshalb unterstützen wir das Projekt.» Die Untersuchung der Empa ging der Frage nach, wie Schmierstoffe im Motor weniger Rückstände hinterlassen können und konzentrierte sich dabei auf Aspekte des Katalysators. Im Vordergrund steht die Frage, was die Alterung von Katalysatoren verursacht. Um einen objektiven Vergleich erzielen zu können, wurde der Alterungsvorgang im Katalysator bei vier verschiedenen Autos untersucht; diese wurden mit demselben Motorenöl und identischen Katalysatoren, aber mit unterschiedlichen Treibstoffen betrieben. Zusätzlich wurden zwei Erdgasfahrzeuge mit demselben Treibstoff, aber unterschiedlichen Motorenölen untersucht. Das spezielle Augenmerk galt der Phosphor- und Schwefelvergiftung des Katalysators.

Alte Katalysatoren verarbeiten Treibhausgift Methan schlechter

Das Ergebnis ist für die Schmierstoffindustrie sehr aufschlussreich. Denn, so fasst Fiala zusammen: «Es konnte nachgewiesen werden, dass sich Phosphor im Katalysator ablagert und dass es aus dem Motorenöl stammt. Der Katalysator wandelt wegen den Phosphor-Ablagerungen u.a. das Methan deutlich schlechter. Methan ist ein Treibhausgas und wirkt 21 Mal stärker als CO2. Das ist nicht unerheblich, denn bei Fahrzeugen, die mit Erdgas oder Biogas betrieben werden, macht Methan über 85 Prozent der gesamten Kohlenwasserstoffemissionen aus. Dadurch kann der CO2-Vorteil von Erdgasfahrzeugen von 20 bis 25 Prozent im Vergleich zu einem Benzinfahrzeug um ein bis drei Prozent vermindert werden. Bei Benzinfahrzeugen liegen die Methan-Emissionen bei bis zu 25 Prozent der Gesamt-Kohlenwasserstoffe.» Die Schmierstoffindustrie wie auch verwandte Gebiete können nun nach weiteren Lösungen suchen, wie Katalysatoren länger die volle Leistung bringen. Dr. Jan Fiala: «Die Schmierstoffindustrie wird ihre Anstrengungen intensivieren, Motorenöl mit noch niedrigerem Phosphoranteil zu entwickeln.»

Doch nicht nur die Zusammensetzung der Schmierstoffe hat Einfluss auf die Alterung der Katalysatoren. Empa-Projektleiter Dr. Alexander Winkler: «Auch die grundsätzliche Qualität des Öls ist zentral; da gibt es grosse Unterschiede.» «Gutes Öl kann die katalytische Alterung positiv beeinflussen. Die Verwendung des richtigen Öls ist heute wichtiger als vor zehn oder zwanzig Jahren», meint auch Christian Bach. Das gilt vor allem für Hybridfahrzeuge oder Autos mit Turbo-Motoren. Bach rät deshalb, nur vom Fahrzeughersteller freigegebene Motorenöle zu verwenden. <<

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