Schwarzrauch

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Zwei Lokomotiven erzeugen beim Anfahren eine Abgaswolke.

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. 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

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

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 (PAH₃). Derartige Kondensationsprozesse zeichnen sich dadurch aus, dass um so mehr Aufbauschritte benötigt werden, je stärker sie vom Luftverhältnis abhängen. Bei der 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 Alkanen (Paraffinen und Naftenen). 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 ähnlichen Studien gemacht und ähnliche Resultate erhalten. Wegen dieser Resultate hat die Regierung Schwedens die Steuern von Dieselkraftstoffen mit niederigerem Aromatengehalt gesenkt. Schwedischer Dieselkraftstoff hat nie über 5 Volumenprozent Aromaten und nie über 0,02 Gewichtsprozent Polyaromatischen Kohlenwasserstoffen(PAK).

Oberflächenwachstum

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 Wasserstoff (H) zu Kohlenstoff (C) nimmt weiter ab, wodurch mit zunehmender Größe die Teilchen ihre Affinität für Acetylen über eine Abnahme ihrer radikalischen und ionischen Eigenschaften verlieren. Oberflächenwachstum 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 genügend Zeit zur Verfügung. Über das Oberflächenwachstum wird etwa 95 Prozent der gesamten Rußmenge gebildet.

Koagulation

Teilchenkollisionen führen zu Größenwachstum der Rußpartikel, der Koagulation. Dabei nimmt bei konstanter Rußmasse die Partikelanzahl ab. Bei fortschreitendem Oberflächenwachstum führt die Teilchenkoagulation schnell zur Bildung größerer Partikel. Dabei hat die Koagulation einen entscheidenden Einfluss auf die Größenverteilung des Rußes, wobei sich die Größenverteilung von Partikeln im Abgas durch eine logarithmisch-normalverteilte Funktion beschreiben lässt.

Agglomeration

Diese beschreibt die Bildung von kettenförmigen 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 Größenbereich von 50 bis 100 Nanometer (nm) aufweisen.

Rußoxidation

Der überwiegende Teil des Rußes wird innerhalb des Zylinders oxidiert. Die hohe spezifische Oberfläche 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 vernachlässigbar gering. Die Oxidationszeiten steigen mit sinkender Temperatur exponentiell 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 Beschleunigungsvorgängen 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. Jedoch ist der Wirkungsgrad der Partikelfilter besonders bei den gesundheitlich relevanten Feinstpartikeln nur unzureichend.

Sehr aromaten- und schwefelarmer Diesel wird - meist unter gesonderten Markennamen - bei vielen Tankstellen verkauft.

Filtertechnik für Dieselfahrzeuge

Die zur Zeit für die Ausrüstung ab Werk gängigen Partikelfilter sind sogenannte Wandstromfilter, bei denen der Abgasstrom durch eine poröse Wand geleitet wird. Die Partikel lagern sich beim Durchtritt an die poröse Wand an, wodurch in Folge ein Oberflächenfiltrat entsteht. Auf der Oberfläche der Wand bildet sich in der Folge ein Filterkuchen genannter Aufbau aus den abgeschiedenen Partikeln. Der Filterwirkungsgrad beträgt bis über 99 Prozent.

Das Abgas muss sowohl durch den wachsenden Rußkuchen als auch durch die Filterwand strömen. Der Abgasgegendruck steigt durch den wachsenden Rußschichtaufbau an, welches einen Kraftstoffmehrverbrauch nach sich zieht. Bei Überschreiten eines Beladungsgrenzwertes und zum Schutz des Partikelfilters vor zu hohen Temperaturen bei der Regeneration werden deshalb Maßnahmen zur Regeneration des Partikelfilters eingeleitet.

Das Partikelfiltrat besteht zum überwiegenden 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 Zündtemperatur 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 Rußschicht bis auf die nicht brennbaren Bestandteile - der 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 Körper verteilt. In Tierversuchen mit sehr hohen Feinstaubkonzentrationen konnte abhängig von der untersuchten Tierart eine signifikanter Anstieg der Erkrankung an Krebs (Medizin) nachgewiesen werden. In weiteren Studien wurde nachgewiesen, dass karzinogene Veränderungen bei verschiedene Arten von Feinstaub auftreten. Bei Menschen, die über lange Zeit einer sehr hohen Staubkonzentration ausgesetzt sind, sind Erkrankungen insbesondere der Lunge nachgewiesen und als Berufskrankheit anerkannt (z. B. Staublunge bei Arbeitern unter Tage). Bisher ist nicht bekannt, ob es einen Schwellenwert gibt, ab dem derartige Krankheiten auftreten. Da Feinstaub auch unabhängig von menschlichen Aktivitäten auftritt, sind aussagekräftige epidemiologische Langzeitstudien sehr schwierig durchzuführen, da eine unbelastete Vergleichsgruppe nicht ermittelt werden kann.

Politische Maßnahmen

Seit 1. Januar 2005 gelten neue EU-Grenzwerte für Feinstaub nach der EG-Richtlinie 1999/30/EG. Im ersten Jahr wurden die Grenzwerte bei 41 Messstationen an mehr als den zulässigen 35 Tagen nicht eingehalten. Die häufigsten Überschreitungen traten in Großstädten an verkehrsreichen Straßen auf, Spitzenreiter waren Leipzig und München mit 107 Tagen [1].

Epidemiologische Berechnungen der Dieselruß-Mortalität in Deutschland

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Der Epidemiologe H. Erich Wichmann errechnete 14.000 zusätzliche 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 jährlich etwa 8.500 Toten infolge Lungenkrebs durch Dieselruß.

Dies steht allerdings im Widerspruch zu den Zahlen aus anderen Quellen: Nach Angaben der Deutschen Krebshilfe starben in Deutschland 2004 rund 40.000 Personen an Lungenkrebs. Mehr als 85% aller Lungenkrebserkrankungen sind auf das aktive Rauchen zurückzuführen, hinzu kommen 400 Todesfälle durch das Passivrauchen. [2]. Nach Informationen des Bundesamts für Strahlenschutz ist das Radon mit 2.000 Todesfällen die zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs.

Siehe auch

• Rußzahl, Epidemiologie, Krebsregister

Quellen

• Klimawirkung ungefilterter Dieselabgase Auswahl beim BAFU
• Institut der Umweltmedizin in Umeå