Schad­stoff­re­duk­tion dank Mikro­welle im Kat

Wie bei Benzinern und Hybridfahr­zeugen mit Elektro-Benzin-Antrieb zukünftig Kaltstar­te­mis­sionen um bis zu 50 Prozent reduziert werden könnten, daran arbeiten Abgasspe­zia­listen des schweize­ri­schen Forschungs­in­sti­tuts Empa mit Unterstüt­zung des Bundesamts für Umwelt (BAFU). Denn nicht nur Dieselfahr­zeuge, auch Benziner stehen im Fokus der Kritik, wie der ADAC Eco-Test 2017 zeigte. Problema­tisch ist laut Empa insbeson­dere die Kaltstart­phase, in der rund 90 Prozent der Schadstoffe entstehen. Denn ein kalter Kat ist weniger effizient bei der Abgasrei­ni­gung, als ein durch die Fahrt aufgewärmter Katalysator. „Das heißt, etwas plakativ vielleicht, dass in den ersten 500 Metern mit einem Benziner ungefähr so viele Schadstoffe entstehen, wie in den nächsten 5000 Kilometern, würde man diese Strecke nonstop fahren“, erklärt Potis Dimopoulos Eggenschwiler, Spezialist für Abgasnach­be­hand­lung im Motorenlabor der Forschungs­an­stalt. Seit knapp zwei Jahren beschäftigt er sich mit der Kaltstart­pro­ble­matik, die insbeson­dere in Städten, durch Stop-and-go-Verkehr und bei kalten Temperaturen die Luft stark belastet.

Kaltstart mit Mikrowellen überbrücken

„Das Abgas ist schon durch den Kat durch, bevor etwas reagieren kann“, schildert Dimopoulos Eggenschwiler die Problematik bei tiefen Temperaturen, da schlicht und einfach die Zeit zur Schadstoff­neu­tra­li­sa­tion fehle. Sein Ansatz: Den Katalysator in Sekunden­schnelle per Mikrowelle erwärmen. Die Herausfor­de­rung: Eine Substanz zu finden, die Mikrowellen absorbiert und diese im Katalysator zu integrieren. Das Forscher-Team setzte auf Silizium­carbit, eine chemische Verbindung, die häufig in Partikel­fil­tern eingesetzt wird und die sich sehr gut als Mikrowel­len­ab­sorber eignet. Zusätzlich zu der Spezialbe­schich­tung optimierten die Abgasspe­zia­listen die Oberflächen­be­schaf­fen­heit, um den Katalysator an sich zu verbessern.

Neue Kat-Oberfläche aus dem 3D-Drucker

Herkömmliche Katalysa­toren benötigen aufgrund ihrer Struktur mit geraden Wabenkanälen einige Minuten bis die Betriebs­tem­pe­ratur von etwa 280 Grad erreicht wird. Gesucht war demzufolge eine Struktur, die sich schneller aufheizt, chemische Reaktionen beschleu­nigt und die Durchströ­mung so wenig wie möglich behindert. Die Lösung fanden die Forscher in offenporigen Strukturen keramischer Schäume. In Zusammen­ar­beit mit der Fachhoch­schule der italieni­schen Schweiz (SUPSI) werden diese als 3D-Druck hergestellt. Wobei die Erwärmung per Mikrowelle nicht an die neuartige Oberfläche gebunden ist. Prinzipiell könne man die Mikrowel­len­hei­zung auch mit einem Standard-Kat benutzen, sofern dieser zumindest teilweise mit Silizium­carbit beschichtet ist. Ebenso sei der 3D-Druck unabhängig von der Mikrowelle einsetzbar, da er auf die Verbesse­rung des Kats selbst abziele – auch während der normalen Betriebs­tem­pe­ratur und nicht nur während des Kaltstarts.

Nicht nur für Neuwagen denkbar

„Unsere Vision ist es, dass die Mikrowel­len­hei­zung startet, sobald die Autotür geöffnet wird. Bis man sich dann hingesetzt und den Motor gestartet hat, sollte der Kat eine Temperatur erreicht haben, die sofort zu Schadstoff­kon­ver­sion von über 50 Prozent führt“, sagt Potis Dimopoulos Eggenschwiler. Nach Praxistests im Labor sei das System in der Lage, die Kaltstart-Emission um die Hälfte zu reduzieren, berichtet der Projektleiter. Eine Integration im Fahrzeug hat bis dato noch nicht stattgefunden, ist aber geplant.

Dabei wäre das System nicht nur für Neuwagen eine Option, auch eine Nachrüstung ist denkbar. Allerdings müsse man dabei Platz für den sogenannten Wave Guide einplanen. Das ist der Bereich, in dem sich die Mikrowelle ausbildet. „Die Einleitung der Mikrowelle ins Katgehäuse nimmt etwa einen Bereich von acht mal acht mal vier Zentimetern ein. Diese Dimension muss beachtet werden, damit sich eine Welle ausbilden kann.“ Um Fahrzeuge mit der Mikrowelle nachzurüsten, müsse zudem die entsprechende Kommunika­tion mit dem Motorsteu­er­gerät gewährleistet sein.

Potenzial für Serienpro­duk­tion

„Hält der 3D-gedruckte Katalysator das, was er verspricht und was er in Tests gezeigt hat, braucht es noch etwa zwei Jahre, bis er serienmäßig produziert werden kann. Die Mikrowelle könnte etwas schneller dran sein, weil die dafür benötigten Teile teilweise schon im Einsatz sind“, prognosti­ziert der Empa-Forscher. Kaltstar­te­mis­sionen könnten damit demnächst der Vergangen­heit angehören. Und auch in Hinblick auf die neuen europäischen Messverfahren zur Bestimmung der Abgaswerte, WLTP und RDE, hätten die Kat-Innovationen aus der Schweiz Marktpoten­zial.