Dieselruß
Dieselruß beim Anlassen eines LKW-Motors
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.
1 Entstehung von Dieselruß
2 Rußbildungsmechanismen
2.1 Partikelbildung
2.2 Oberflächenwachstum
2.3 Koagulation
2.4 Agglomeration
2.5 Rußoxidation
3 Partikelminderung bei Dieselmotoren
4 Filtertechnik für Dieselfahrzeuge
5 Erkannte Gesundheitsgefahren
6 Politische Maßnahmen
7 Epidemiologische Berechnungen der Dieselruß-Mortalität in Deutschland
Entstehung von Dieselruß[Bearbeiten]
Kohlenwasserstoffflammen neigen unter brennstoffreichen Bedingungen zur Bildung von Ruß. Brennstoffreiche Bedingungen sind in Diffusionsflammen aber unvermeidbar. Dadurch sind auch Benzin-Direkteinspritzer von der „Diesel“rußentstehung betroffen, da insbesondere bei höherer Last und höherer Drehzahl die Menge des eingespritzten Kraftstoffs steigt, sich die zur Verfügung stehende Zeit zur Gemischaufbereitung dagegen verkürzt. Große Kraftstofftröpfchen können nicht ausreichend verdampfen, werden durch die Verbrennungstemperatur gecrackt und dadurch Quelle von unverbranntem Kohlenstoff (Ruß).
Rußbildungsmechanismen[Bearbeiten]
Ruß besteht aus einer Vielzahl von Partikeln unterschiedlicher Form und Größe. Messbare Größen sind unter anderem die Partikeldichte, der Rußvolumenanteil sowie der mittlere Partikeldurchmesser. Bildung und Wachstum von Ruß werden in Partikelbildung, Koagulation und Oberflächenprozesse sowie in eine Agglomeration der Primärpartikel unterteilt.
Partikelbildung[Bearbeiten]
Sowohl durch Oxidationsprozesse als auch durch thermische Pyrolyse werden die Kraftstoffmoleküle unter sauerstoffarmen Bedingungen zu Acetylen abgebaut. Dabei wird Wasserstoff vom Molekül abgespalten, so dass zunächst kleine, geringer gesättigte Kohlenwasserstoffe entstehen. Diese Reaktionen sind endotherm und damit stark temperaturabhängig. 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 (PAK). Derartige Kondensationsprozesse zeichnen sich dadurch aus, dass umso mehr Aufbauschritte benötigt werden, je stärker sie vom Luftverhältnis abhängen. Bei der Zusammenballung (lateinisch Koagulation) der planaren PAK entstehen aus der Gasphase die ersten dreidimensionalen Strukturen.
Auch die Struktur der im Dieselöl vorhandenen Kohlenwasserstoffmoleküle hat Bedeutung für die Partikelbildung. Kohlenstoffreiche Moleküle mit zahlreichen Doppelbindungen, z. B. Aromaten, bilden sich leichter zu Ruß und PAK um als Alkane (Paraffine und Naftene). In Schweden wurde die Ruß- und PAK-Bildung in Dieselmotoren in Abhängigkeit vom Aromatengehalt im verschiedenen Dieselkraftstoffen z. B. vom AVL MTC AB im Jordbro südlich von Stockholm untersucht. Der „Arbetslivsinstitutet“ und das Institut für Umweltsmedizin in Umeå, Nordschweden, haben ebenfalls dazu veröffentlicht. Arbeiten dazu stammen beispielsweise von Professor Tomas Sandström und Professor Bengt Järvholm. Diese wissenschaftlichen Artikel sind in Englisch geschrieben. Auch das schwedische Kraftfahrtbundesamt (KBA), Vägverket, hat ähnliche Studien gemacht und ähnliche Resultate erhalten. Wegen dieser Resultate hat die Regierung Schwedens die Steuern von Dieselkraftstoffen mit niedrigerem Aromatengehalt gesenkt. Schwedischer Dieselkraftstoff hat nie über 5 Volumenprozent Aromaten und nie über 0,02 Gewichtsprozent polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK).
Oberflächenwachstum[Bearbeiten]
Durch weitere Dehydrierung und Addition von Acetylen nimmt die Partikelgröße und -masse zu, während 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 abläuft. Das Verhältnis