Der Fahrzeugkatalysator, auch kurz Katalysator (umgangssprachlich Kat), dient der Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit
Verbrennungsmotor. Durch den Katalysator können die Schadstoffemissionen im Abgas drastisch reduziert werden. Im Allgemeinen
wird die gesamte Anlage zur Abgasnachbehandlung als Fahrzeugkatalysator bezeichnet.
Geschichte: Erfinder des ersten Autoabgaskatalysators war der französische Ingenieur Eugene Houdry. Um 1950,
als die Ergebnisse erster Untersuchungen über Smog in Los Angeles veröffentlicht wurden, machte er sich Gedanken über den
Einfluss von Autoabgasen auf die Luftverschmutzung und gründete ein spezielles Unternehmen, die Oxy-Catalyst Company, die
Abgaskatalysatoren für Benzinmotoren entwickeln sollte – eine Idee, die ihrer Zeit weit voraus war. Er entwickelte den ersten
Autoabgaskatalysator und erhielt 1956 ein Patent dafür (US2742437). Allerdings wurden diese ersten Autoabgaskatalysatoren
nicht eingesetzt, da sie vom Blei im Antiklopfmittel Tetraethylblei vergiftet wurden.
Später entwickelten John J. Mooney und Carl D. Keith[1] den Drei-Wege-Katalysator bei der Engelhard Corporation, die ihn
1973 in den Markt einführte.
Aufbau: Der Fahrzeugkatalysator besteht meistens aus mehreren Komponenten. Als Träger dient ein
temperaturstabiler Wabenkörper aus Keramik, in der Regel Cordierit oder Metallfolien (z. B. Metalit von Emitec), der
eine Vielzahl dünnwandiger Kanäle aufweist. Auf dem Träger befindet sich der so genannte Washcoat. Er besteht aus
porösem Aluminiumoxid (Al2O3) sowie aus Sauerstoffspeicherkomponenten, wie zum Beispiel Cer(IV)-oxid, und dient der
Vergrößerung der Oberfläche. Durch die hohe Rauheit wird eine große Oberfläche realisiert von bis zu hunderten
Quadratmetern pro Gramm. In dem Washcoat sind die katalytisch aktiven Edelmetalle eingelagert. Bei modernen
Abgaskatalysatoren sind dies die Edelmetalle Platin, Rhodium und/oder Palladium. Der keramische Träger ist mithilfe
spezieller Lagermatten, etwa aus Hochtemperaturwolle, seltener in Kombination mit Drahtgestricken, in einem metallischen
Gehäuse, dem so genannten Canning, gelagert.
Spezielle Matten oder ein zusätzliches Metallgehäuse sind bei den Metall-Katalysatoren nicht notwendig. Das Canning ist
fest im Abgasstrang des Fahrzeuges verbaut und besitzt zum Teil weitere Anschlussmöglichkeiten für zum Beispiel
Lambdasonden oder Thermoelemente. Es gibt auch Metall-Katalysatoren mit integrierten Lambdasonden.
Wirkungsweise: Die Aufgabe des Fahrzeugkatalysators ist die chemische Umwandlung der Verbrennungsschadstoffe
Kohlenwasserstoffe (CmHn), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) in die ungiftigen Stoffe Kohlenstoffdioxid (CO2),
Wasser (H2O) und Stickstoff (N2) durch Oxidation beziehungsweise Reduktion. Je nach Betriebspunkt des Motors und bei
optimalen Betriebsbedingungen können Konvertierungsraten nahe 100 % erreicht werden. Die dazu nötige Betriebstemperatur
(500 °C) wird i.d.R. 3 bis 5 Minuten nach Starten des Motors erreicht. Dies hat zur Folge, dass bei einer 20-minütigen
Autofahrt 80 bis 90 Prozent der Schadstoffe innerhalb der Startphase emittiert werden.
Watt ist die Bezeichnung für Leistung, also die Arbeit pro Zeit. Im Automobilbereich wird der Begriff Kilowatt als neue
Einheit anstelle von PS (Pferdestärken) im Jahr 1978 eingeführt. Die Abkürzung für das Kilowatt lautet kW, entsprechen
1000 Watt.
Der schottische Erfinder James Watt benötigte in den 1780er Jahren eine bildhafte Darstellung der Fähigkeiten seiner
verbesserten Dampfmaschine. Das Watt ist daher die physikalische Maßeinheit für Leistung; rund 735 Watt entsprechen
einem PS. Anders herum entspricht 1 Kilowatt etwa 1,36 PS.
In offiziellen Darstellungen (Prospekten, Schautafeln in Autohäusern etc.) muss die Leistung von Motoren in kW
angegeben werden. Das 1978 abgelöste PS wird allerdings wegen seiner größeren Popularität (und weil es sich nach "mehr Leistung"
anhört, meist zusätzlich zu den kW angegeben.
Rund 1 kW Leistung braucht man, um 1 Liter Wasser in 5 Minuten zum Kochen zu bringen. Etwa 1 Kilowatt leisten auch die Bremsen
eines Fahrrades, um einen 80 kg schweren Radfahrer in 4 Sekunden zum Stehen zu bringen.
Als Knautschzone bezeichnet man diejenigen Bereiche eines Fahrzeugs, die sich im Falle einer Kollision verformen und so
Energie absorbieren. Bekannt geworden ist der Begriff zuerst in der Automobiltechnik, danach hat er auch in anderen
Bereichen, wie beispielsweise Schienenfahrzeugen oder beim Flugzeugbau Eingang gefunden. Die Knautschzone geht auf eine
1952 patentierte Idee des Ingenieurs Béla Barényi zurück; das erste Fahrzeugmodell mit Knautschzone war der Mercedes-Benz
W 111 („Heckflosse“) von 1959.
In den Anfängen des Automobilbaus wurden die Fahrzeuge möglichst steif konstruiert, so dass bei einer Kollision mit einem
Hindernis oder einem anderen Fahrzeug oft nur geringe Verformungen am Auto selbst auftraten (Rahmenbauweise). Daraus
folgend wurden die Insassen enormen Verzögerungen ausgesetzt. Die Idee der Knautschzone zielt auf die Verringerung der
auf die Insassen einwirkende Beschleunigung ab und lässt sich aus der Gleichung für die Arbeit herleiten.
Im Crashfall wird die im Fahrzeug gespeicherte kinetische Energie in Verformungsenergie umgewandelt.
Die Deformationszonen eines Automobils kann man in die Bereiche Fahrzeugfront, Seite und Heck einteilen.
In modernen Automobilen ist die Karosserie gezielt auf Crashverhalten ausgelegt. Die Fahrzeugfront kann man grob in drei
Zonen einteilen:
• Der erste Bereich ist darauf ausgelegt, bei Kollisionen mit geringen Geschwindigkeiten, z. B. bei Parkremplern, bleibende
Schäden am Fahrzeug zu verhindern. Dies wird durch elastische Elemente, wie unter anderem der Frontschürze, erreicht. Bei
manchen Fahrzeugen wird dazu der Stoßfänger mit Schaum oder ähnlichen elastischen Stoffen gefüllt.
• Der zweite Bereich soll bei weniger schweren Kollisionen (bis ca. 20 km/h) dafür sorgen, dass die tragende Struktur des
Fahrzeug nicht beschädigt wird und eine Reparatur möglichst kostengünstig durchgeführt werden kann. Dazu werden unter anderen
sogenannte Crashtubes eingesetzt. Diese bestehen aus einem hohlen Stahlprofil, welches die auftreffende Energie durch Aufrollen
des Profils umwandeln. Im Bild ist links die unverformte, rechts die aufgerollte Crashtube zu sehen.
• Der dritte Bereich ist der sogenannte Überlebensraum, welcher maximal steif ausgelegt ist, um das Überleben der Insassen zu
sichern.
Die Zonen 1 und 2 fallen demnach unter die Kategorie Knautschzone.
Der Kompressor arbeitet ähnlich wie ein Turbolader: Er bläst Luft in den Ansaugtrakt. Unterschied: der Kompressor wird
nicht vom Abgas angetrieben, sondern mechanisch per Keilriemen. Dadurch spricht er schon ab Leerlaufdrehzahl an, das
verzögerte Einsetzen (Turboloch) entfällt.
Vorteile eines Kompressors gegenüber einem Turbolader: besseres Abgas, geringer Verbrauch. Nachteil: schlechterer Wirkungsgrad.
Die beim PKW fuß-, beim Motorrad handbetätigte lösbare Kupplung zwischen Motor und Getriebe in Kraftfahrzeugen ist
aufgrund der hohen Verbreitung die bekannteste Kupplung überhaupt. Sie ist eine kraftschlüssige Kupplung, die das
Anfahren und das Wechseln der Getriebestufen ermöglicht.
Die kraft- beziehungsweise reibschlüssige Verbindung ist beim Anfahren aus dem Stand, wobei der Motor mit einer
Mindestdrehzahl dreht, erforderlich: Anfahren mit schleifender Kupplung.
Zum Wechseln der Getriebestufen (Gänge) muss die Drehmomentübertragung unterbrochen werden, damit die entsprechenden
zwei Zahnräder im Getriebe in gegenseitigen Eingriff gebracht werden können (entsprechende Drehzahlanpassung zwischen
den beiden Zahnrädern mit Hilfe einer sogenannten Sychronisiereinrichtung). Beim Wiederherstellen der Verbindung
zwischen Motor und Getriebe wird ein etwaiger Drehzahlunterschied durch kurzzeitigen Schlupf in der Kupplung überbrückt.
Schnitt einer Einscheiben-Trockenkupplung eines Kraftfahrzeugs
A: eingekuppelt
B: ausgekuppelt
1. Welle des Antriebmotors
2. Schwungrad mit feststehender Kupplungsscheibe
3. Reibscheibe
4. Druckscheibe
5. Membran-Blattfederscheibe
6. Getriebewelle
7. Schubbuchse
8. Deckelscheibe
9. Stützscheiben
10. Stützbolzen
11. Anschlagbund
Autor Schemazeichnung: Enrique A. Chaparro
Üblicherweise wird eine beidseitig mit ringförmigen Reibbelägen versehene Kupplungsscheibe (3) zwischen zwei an der
Motorkurbelwelle (1) befestigten Scheiben eingeklemmt. Die eine Scheibe ist die mit der Kurbelwelle starr verbundene
Schwungscheibe (2), die andere ist die mitdrehende sogenannte Topf-/Druckscheibe (4), die mit einer Membranfeder (5)
gegen die Schwungscheibe gepresst wird. Die Kupplungsscheibe ist mittels einer Zahnkupplung mit der Getriebewelle (6)
drehstarr verbunden.
Zum Lösen wird die Membranfeder, die mit ihrem äußeren Rand über die Topfscheibe auf die Kupplungsscheibe drückt,
"abgehoben", indem sie an ihrem inneren Rand axial verspannt wird. Der Ausrückring (7) wird mit Fußkraft vom
Kupplungspedal aus gegen die Membranfeder gedrückt, die sich umstülpt (Verdrehen um die Stützlager (10)/(11)).
Die Topfscheibe entfernt sich etwas von der Kupplungs- und der Schwungscheibe.
Drehelastische Kupplung in einer Kupplungsscheibe (nicht lösbar): Der äußere Teil der Kupplungsscheibe
mit den Reibringen ist mit der Nabe mit der Verzahnung für die Verbindung mit der Getriebeeingangswelle drehelastisch
verbunden. Die eingebauten Druckfedern fangen Drehmoment- und Drehgeschwindigkeitsstöße ab.
Weitere nicht lösbare Kupplungen in Kraftfahrzeugen: Zur Übertragung der Leistung vom Frontmotor zum
Hinterradantrieb dient in der Regel eine Kardanwelle. Diese ist mit der Ausgangswelle des Getriebes mit einem
Kardangelenk verbunden. Diese winkelbewegliche Kupplung erlaubt die gefederte Vertikalbewegung der Hinterachse relativ
zum im Prinzip fest eingebauten Getriebe. Das oder ein weiteres Kardangelenk kann sich auch in einer geteilten
Kardanwelle befinden.
Wenn die angetriebenen Hinterräder nicht mit einer starren Achse verbunden sind, sondern sich einzeln elastisch gegen
das Fahrzeug bewegen, werden die zwei Halbachsen auch oft mittels Kardangelenken am Hinterachsdifferential und an den
Rädern verbunden.
Bei Vorderradantrieb sind die Räder vertikal gefedert und werden zusätzlich eingelenkt. Weil die Drehübertragung in
abgewinkelter Lage über eine Umdrehung zu stark schwankt, werden gleichmäßig übertragende homokinetische Gelenke
verwendet.
Die Hardyscheibe ist mit dem Kardangelenk verwandt. Sie enthält eine Gummischeibe, die bei Winkelausschlägen zwischen
den beiden Wellen und bei Drehstößen elastisch verformt wird.