Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Dieselruss

Dieselruss

Dieselrusspartikel entstehen stets bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff in Dieselmotoren. Sie bilden zusammen mit anderen Partikeln Feinstaub. Abgase die sichtbar Dieselruss enthalten, werden auch als Schwarzrauch bezeichnet.

Entstehung von Dieselruss

Kohlenwasserstoffflammen neigen unter brennstoffreichen Bedingungen zur Bildung von Russ. Brennstoffreiche Bedingungen sind in Diffusionsflammen aber unvermeidbar.

Russbildungsmechanismen

Russ besteht aus einer Vielzahl von Partikeln unterschiedlicher Form und Groesse. Messbare Grössen sind unter anderem die Partikeldichte, der Russvolumenanteil sowie der mittlere Partikeldurchmesser. Bildung und Wachstum von Russ werden in Partikelbildung, Koagulation und Oberlaechenprozesse sowie in eine Agglomeration der Primaerpartikel unterteilt.

Partikelbildung Sowohl durch Oxidationsprozesse als auch durch thermische Pyrolyse werden die Kraftstoffmolekuele unter sauerstoffarmen Bedingungen zu Acetylen abgebaut. Dabei wird Wasserstoff vom Molekuel abgespalten, so dass zunaechst kleine, geringer gesaettigte Kohlenwasserstoffe entstehen. Diese Reaktionen sind endotherm und damit stark temperaturabhaengig. Das Acetylen führt über Reaktionen mit CH oder CH2 zu C3H3, das dann durch Rekombination und Umlagerung einen sogenannten aromatischen Ring bilden kann. Nachfolgende Anlagerung von Acetylen ergibt über weitere H-Abstraktion und C2H2-Addition hochmolekulare polyzyklische Kohlenwasserstoffe (PAH3). Derartige Kondensationsprozesse zeichnen sich dadurch aus, dass je staerker sie vom Luftverhaeltnis abhaengen, desto mehr Aufbauschritte benötigt werden. Bei der Koagulation der planaren PAH entstehen aus der Gasphase die ersten dreidimensionalen Strukturen.

Oberflaechenwachstum Durch weitere Dehydrierung und Addition von Acetylen, nimmt die Partikelgroesse und -masse zu, wärend die Teilchenzahl konstant bleibt. Auch hier spielt das Acetylen eine wichtige Rolle, da das Wachstum wieder über H-Abstraktions/C2H2-Additionsmechanismen der Nuclei mit der Gasphase ablaeuft. Das Verhältnis Wasserstoff (H) zu Kohlenstoff (C) nimmt weiter ab, wodurch mit zunehmender Groesse die Teilchen ihre Affinitaet für Acetylen über eine Abnahme ihrer radikalischen und ionischen Eigenschaften verlieren. Oberflaechenwachstum ist relativ zur Acetylenbildung und -polymerisation auch bei niedrigen Temperaturen und geringen HC-Konzentrationen möglich. Aus diesem Grund steht für diese Reaktionsphase in technischen Verbrennungsprozessen genuegend Zeit zur Verfuegung. über das Oberflaechenwachstum wird etwa 95 Prozent der gesamten Russmenge gebildet.

Koagulation Teilchenkollisionen führen zu Groessenwachstum der Russpartikel, der sogenannten Koagulation. Dabei nimmt bei konstanter Russmasse die Partikelanzahl ab. Bei fortschreitendem Oberaechenwachstum führt die Teilchenkoagulation schnell zur Bildung groesserer Partikel. Dabei hat die Koagulation einen entscheidenden Einfluss auf die Groessenverteilung des Russes, wobei sich die Groessenverteilung von Partikeln im Abgas durch eine logarithmisch-normalverteilte Funktion beschreiben lässt.

Agglomeration Diese beschreibt die Bildung von kettenfoermigen Strukturen, die entstehen, wenn in der Gasphase nicht mehr ausreichend Kohlenwasserstoffe vorhanden sind oder die Reaktionsfreudigkeit der Partikel abnimmt. Während der Verbrennungs- und Expansionsphase ist keine der beiden Bedingungen erfüllt, wodurch sich Agglomerate erst nach einer gewissen Verweilzeit ausserhalb des Brennraums bilden. Diese zusammengelagerten Partikel können aus mehreren tausend Einzelpartikeln bestehen und einen Durchmesser im Groessenbereich von 50 bis 100 Nanometer (nm) aufweisen.

Russoxidation Der ueberwiegende Teil des Russes wird innerhalb des Zylinders oxidiert. Die hohe spezifsche Oberflaeche der Partikel ermöglicht eine effektive Oxidation, wobei als Oxidatoren molekularer Sauerstoff und Radikale wie OH in Frage kommen. Unterhalb von ca. 1800 K ist der Einfluss des Sauerstoffs auf die Partikellebenszeit vernachlaessigbar gering. Die Oxidationszeiten steigen mit sinkender Temperatur expotentiell an.

Partikelminderung bei Dieselmotoren

In den vergangen Jahren konnte die Russemission von Dieselmotoren durch verbesserte Verbrennungstechnik erheblich verringert werden. Dabei sank sowohl die emittierte Masse, wie auch die Teilchenkonzentration. Bei schlecht eingestellten Motoren kann es jedoch insbesondere bei Beschleunigungsvorgaengen zu einer kurzzeitigen erheblichen Steigerung der Russmasse, dem sogenannten Russstoss kommen. Zur weiteren Minderung der Russemission werden in den letzten Jahren vermehrt Partikelfilter von den Automobilherstellern angeboten.

Filtertechnik für Dieselfahrzeuge

Die zur Zeit für die Ausruestung ab Werk gaengigen Partikelfilter sind sogenannte Wandstromfilter, bei denen der Abgasstrom durch eine poroese Wand geleitet wird. Die Partikel lagern sich beim Durchtritt an die poroese Wand an, wodurch in Folge ein Oberflaechenfiltrat entsteht. Auf der Oberflaeche der Wand bildet sich in der Folge ein sogenannter Filterkuchen aus den abgeschiedenen Partikeln. Der Filterwirkungsgrad beträgt bis über 99 Prozent.

Das Abgas muss sowohl durch die Wand, als auch durch den wachsenden Russkuchen stroemen. Der Abgasgegendruck steigt in der Folge an, was zu einem Kraftstoffmehrverbrauch führt. Bei ueberschreiten eines Beladungsgrenzwert werden deshalb Massnahmen zur Regeneration des Partikelfilters eingeleitet. Das Partikelfiltrat besteht zum ueberwiegenden Teil aus brennbarem Russ und daran anhaftenden Kohlenwasserstoffen. Ein geringer Teil besteht aus nicht brennbaren Komponenten. In der einfachsten Form der Filterregeneration wird die Partikelfiltertemperatur über die Zuendtemperatur des Russes (etwa 600°C) angehoben. Während dieser Betriebsphase arbeitet der Motor nicht wirkungsgradoptimal, wodurch ein weiterer Kraftstoffmehrverbrauch bedingt ist. Nach der Regeneration ist der Filterkuchen bis auf die nicht brennbaren Bestandteile, die sogenannte Filterasche, verbrannt. Als Verbrennungsprodukt entsteht im wesentlichen Kohlendioxid.

Erkannte Gesundheitsgefahren

Die Feinstaub-Partikel sind sehr fein und kleiner als zehn Mikrometer oder sogar kleiner als ein Zehntel Mikrometer im Durchmesser und können deswegen tief in die Lunge eindringen. Die ultrafeinen Partikel gehen sogar in die Blutbahn und werden so im ganzen Koerper verteilt. Im Tierversuch ist Krebs aus Dieselruss seit langem nachgewiesen. Die krebsausloesende Wirkung der Dieselrusspartikel beim Menschen ist in der Wissenschaft so gut wie unbestritten. Nur liegen bislang noch keine epidemiologischen Langzeitstudien zum Thema vor.

Ab 2005 gelten neue EU-Grenzwerte. Diese werden aktuell 2004 in einigen Staedten um das Dreifache ueberschritten. Professor Erich Wichmann sagte dazu in der taz vom 28. Juli 2004, dass viele Städte nicht umhinkommen wuerden, die Verkehrssteuerung deswegen ganz neu anzugehen. Besonders belastete Kommunen koennten dann beispielsweise nur Fahrern die Zufahrt in die Innenstadt gestatten, deren Dieselmotoren über einen Russfilter verfuegten.

Der Forscher Erich Wichmann errechnete 14.000 zusaetzliche Verstorbene pro Jahr allein durch Dieselruss. Das statistische Intervall reicht dabei von ca. 10.000 bis 19.000. Die verwendeten Parameter beruhen auf Studien zu Langzeitwirkungen von Feinstaub und die entsprechende Sterblichkeit. Das Umwelt- und Prognoseinstitut Heidelberg (UPI) rechnete früher auf anderer Datengrundlage lediglich mit jaehrlich ca. 8.500 Toten infolge Lungenkrebs durch Dieselfeinstaeube.

Die Wirkung von Russ auf den Klimawandel ist umstritten. Mark Z. Jacobson, Professor der Stanford Universitaet, vertritt seit 2002 die These [link], dass die Wirkung von Aerosolen im Allgemeinen und Russ im Besonderen die Wirkung von CO2 und CH4 beim Klimwandel uebersteigt. Der anthropogen erzeugte Russ beinhaltet sowohl Beitraege aus Kohlekraftwerken, Kohleoefen, wie auch aus Dieselmaschinen. Ob diese Effekte eher eine Abkuehlung oder eine Erderwaermung fördern, ist aufgrund der komplexen Wirkungszusammenhaenge noch umstritten.