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Feinstaubentstehung durch Kraftstoffverbrennung

Erstellt am: 30.07.2010 | Stand des Wissens: 18.01.2022
Synthesebericht gehört zu:
Ansprechpartner
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Volkswirtschaftslehre (ECON), Prof. Dr. Kay Mitusch

Dieselöl und Benzin bestehen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe. Zur Gewinnung von Energie wird der jeweilige Kraftstoff im Motor unter Zufuhr von Luft verbrannt. Bei einer vollständigen Verbrennung oxidieren die Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser. Wenn zu wenig Sauerstoff im Zylinder eines Motors vorhanden ist, kann der Treibstoff nicht vollständig verbrannt werden. Hierdurch entstehen Rückstände wie Rußpartikel [MeSt99].

Die von einem Dieselmotor emittierten Rußpartikel weisen eine Größe von 0,01 bis 0,1 µm auf. Sie zählen damit zu den als besonders gesundheitsschädlich eingestuften ultrafeinen Partikeln, die nicht von der natürlichen Filterwirkung des Körpers zurückgehalten werden und bis in die Blutbahn eindringen können [ISAP07a].

Die Menge der emittierten Partikel ist abhängig von der Verbrennungsphase im Dieselmotor. Zur Energiegewinnung wird dem Motor Luft zugeführt, die im Zylinder so stark verdichtet wird, bis sie eine Temperatur von 700 bis 900 °C erreicht. Anschließend wird Dieselöl in den Brennraum eingespritzt, das sich unter der heißen Luft entzündet (Selbstzündung). Im Dieselmotor laufen die Vorgänge der Luft-Kraftstoff-Gemischbildung und der Verbrennung simultan ab. Hierdurch entsteht ein inhomogenes Gemisch mit lokal schwankenden Luftverhältnissen, mit der Folge, dass in einigen Bereichen unvollständige Verbrennungen stattfinden und Rußpartikel entstehen. In der Hauptverbrennungsphase bilden sich die meisten Rußpartikel. Die Anzahl lässt sich grundsätzlich mit dem Zeitpunkt und der Art der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum beeinflussen, steht jedoch in einem Trade-Off mit der Menge der Stickstoffoxid-Emissionen sowie dem Kraftstoffverbrauch (welcher wiederum in direktem Verhältnis zu den CO2-Emissionen steht).

In der Nachverbrennungsphase wird der Großteil der entstandenen Rußpartikel im Brennraum wieder abgebaut [MeSt99]. Auch die motorischen Verbesserungen der letzten Jahre haben zu niedrigeren Rußpartikelemissionen geführt [UBA03f]. Zur Reduzierung der Partikelzahl wird heute in Dieselfahrzeugen ein Dieselpartikelfilter eingebaut. Der Einsatz des Filters erhöht jedoch ebenfalls den Kraftstoffverbrauch und zudem ist er nicht in der Lage, die ultrafeinen Partikel herauszufiltern.

Bei einem Ottomotor (ohne Direkteinspritzung) wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch bereits äußerlich im Saugrohr gebildet, bevor es im Motor durch eine Zündkerze entflammt wird (Fremdzündung). Hierdurch kann dem Motor ein fast homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt werden. Das Benzin wird durch das ausreichende Verhältnis von Sauerstoff annährend vollständig verbrannt. Von Ottomotoren werden demzufolge fast keine kraftstoffbedingten Rußemissionen emittiert [MoTs07].

Bei Ottomotoren mit direkter Benzineinspritzung wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch analog zum Dieselmotor im Zylinder gebildet. Je nach Einspritzzeitpunkt kann sich ein homogenes oder inhomogenes Gemisch im Motor bilden. Dementsprechend werden von Ottomotoren mit Benzin-Direkteinspritzung erhebliche Rußemissionen gebildet [CzHe17]. Aus diesem Grund haben neue Fahrzeuge mit direkter Benzineinspritzung einen Ottopartikelfilter [MOBI19a]. Benzinmotoren mit Direkteinspritzung sind heute im wesentlichen Standard bei Benzinfahrzeugen, da sie einen deutlich niedrigeren Kraftstoffverbrauch aufweisen und besser regelbar sind [Böge07, S.91].
Ansprechpartner
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Volkswirtschaftslehre (ECON), Prof. Dr. Kay Mitusch
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Feinstaub im Straßenverkehr (Stand des Wissens: 18.01.2022)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?327453
Literatur
[Böge07] Alfred Böge (Hrsg.) Vieweg Handbuch Maschinenbau Grundlagen und Anwendungen der Maschinenbau-Technik, Ausgabe/Auflage 18, Springer, 2007
[CzHe17] Jan Czerwinski, Pierre Comte, Norbert Heeb, Andreas Mayer, Volker Hensel Nanoparticle Emissions of DI Gasoline Cars with/without GPF
, 2017
[ISAP07a] Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte an der Humboldt-Universität zu Berlin Studie zum Wissenschaftlichen Erkenntnisstand über das Feinstaubfilterungspotential, 2007
[MeSt99] Merker, Günter P., Stiesch, Gunnar Technische Verbrennung. Motorische Verbrennung, Ausgabe/Auflage XII, Teubner Verlag, Stuttgart, 1999
[MOBI19a] Mobile.de (Hrsg.) Partikelfilter für Benziner: Was Du wissen solltest, 2019
[MoTs07] Mollenhauer, Klaus, Tschöke, Helmut Handbuch Dieselmotoren, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 2007
[UBA03f] k. A. Future Diesel - Abgasgesetzgebung Pkw, leichte Nfz und Lkw - Fortschreibung der Grenzwerte bei Dieselfahrzeugen, 2003/07
Glossar
O2
= Sauerstoff. Im Normzustand ist Sauerstoff ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Es ist sehr reaktiv, fast jedes chemische Element, abgesehen von Edelgasen, reagiert mit Sauerstoff, um Verbindungen zu bilden.
Sauerstoff ist von großer Bedeutung, weil er wesentlich an den Atmungsprozessen der meisten lebenden Zellen und an Verbrennungsprozessen beteiligt ist. Es ist das am häufigsten vorkommende Element der Erdkruste. Die Luft besteht zu fast einem Fünftel (Volumen) aus Sauerstoff. Ungebundener gasförmiger Sauerstoff besteht normalerweise aus einem zweiatomigen Molekül (O2), es gibt ihn aber auch in dreiatomiger Form (O3,) besser bekannt unter dem Begriff Ozon.
HC
= hydrocarbons, zu Deutsch: Kohlenwasserstoffe. Als Kohlenwasserstoffe werden in der Chemie Verbindungen bezeichnet, die ausschließlich Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) im Molekül enthalten.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?327293

Gedruckt am Sonntag, 23. Juni 2024 19:10:59