Partikel?

• Teilchen, in der Physik ein Körper, der klein gegenüber dem Maßstab des betrachteten Systems ist
• Schwebeteilchen oder Partikel bei Gemischen aus festen oder flüssigen Bestandteilen in einem Gas, siehe Aerosol

Bei der Kraftstoffverbrennung in direkteinspritzenden Ottomotoren, kommt es vermehrt zur Entstehung von Partikeln. Im Gegensatz zu Dieselfahrzeugen, spielt die die Masse dabei keine Rolle, sondern Größe und Anzahl der Partikel. Artikel>>>

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.

Die Folie zeigt die unterschiedliche Schadstoffzusammensetzung der Abgase bei Otto- und Dieselmotoren sowie ihre Reduzierung mit den Mitteln moderner Abgasaufbereitungstechnik.

Anhand der Abbildungen oben links und rechtslassen sich zum einen die Abgaszusammensetzungen von Benzin- und Dieselmotoren vergleichen, zum anderen Abgase und Schadgase unterscheiden. Die Schadgase sind jeweils im rechten Balken dargestellt. Stickstoff, Wasser und Kohlenstoffdioxid gelten als natürliche Luftbestandteile, nicht als Schadgase.
Die Bedeutung des Kohlenstoffdioxidanstiegs in der Luft wird mithilfe der nächsten Folie separat behandelt.

SCHADSTOFFE IM ABGAS

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Sie entstehen durch unvollständige Verbrennung der Kohlenwasserstoffverbindungen und machen bei mittlerer Belastung und Drehzahl etwa 1 % der Abgase aus.
CO (Kohlenstoffmonoxid) ist ein farb- und geruchloses Gas, das als schweres Atemgift wirkt. Die roten Blutkörperchen des Menschen nehmen 200–300 mal leichter CO-Moleküle auf, als Sauerstoff. Das bedeutet, dass schon relativ geringe CO-Konzentrationen in der Luft (3 % bei längerer Einwirkzeit) tödlich sein können.
HC (Hydrocarbon) ist unverbrannter Kohlenwasserstoff. Es ist teilweise krebserregend, erzeugt den unangenehmen Abgasgeruch und ist beteiligt am Smog. HC entstehen entweder infolge von Luftmangel (λ <1) bei der Verbrennung im Motor, aber auch in sehr magerem Gemenge (λ >1,2) in Teilen des Verbrennungsraumes, die nicht von der Flamme erreicht werden.
NO_x (Stickoxide): Stickstoffmonoxid (NO) ist ein farb- und geruchloses, giftiges Gas, das an der Luft sofort zu Stickstoffdioxid reagiert.
Stickstoffdioxid (NO₂) ist ein rotbraunes, stechend riechendes, giftiges Gas. Es bildet unter Normalbedingungen ein Gleichgewicht mit dem farb- und geruchlosen Distickstofftetraoxid N₂O₄ im Verhältnis 20 : 80.
Distickstoffoxid (N₂O) ist als Inhalationsnarkotikum auch unter dem Namen „Lachgas“ bekannt. Es ist ein sehr wirksames Treibhausgas (wesentlich stärker als CO₂).
Stickoxide sind beteiligt am Sommersmog, also an der Bildung von bodennahem Ozon (O₃), da bei intensiver Sonneneinstrahlung NO₂ in NO und O gespalten wird. Die entstandenen Sauerstoffatome (O) reagieren mit den Sauerstoffmolekülen (O₂) aus der Luft zu Ozonmolekülen (O₃). Sie nehmen jedoch durch Katalysewirkung auch an der Zerstörung der Ozonschicht in der Stratosphäre teil.
PM (particle matter) sind Feststoffe im Dieselabgas (Abbildung unten Mitte). Im Benzinabgas liegt der Anteil 20–200 mal niedriger, kann also vernachlässigt werden. Die Partikel sind Zusammenlagerungen von Kohlenstoffteilchen, also Ruß, mit einer großen Oberfläche, an der sich andere Stoffe anlagern können, z. B. HC, Wasser, evtl. Schwefel und Schwefelverbindungen.
SO₂ (Schwefeldioxid) und andere Schwefelverbindungen spielen in den Abgasen nur noch eine untergeordnete Rolle. Die Schwefelbelastung von Kraftstoff ist gesetzlich auf 10 mg/kg beschränkt („schwefelfreier Kraftstoff“). Diese Menge wird in Deutschland wegen der schädigenden Wirkung des Schwefels auf die Katalysatoren noch deutlich unterschritten.

ABGASNACHBEREITUNG BEIM OTTOMOTOR

Die Abbildung Mitte links zeigt den Schadstoffausstoß eines Ottomotors mit und ohne Katalysator in Abhängigkeit vom Lambdawert. 
Die Bedeutung des Lambdawertes wurde bereits im Kapitel Kraftstoffe erläutert: Der Lambdawert (die Luftzahl) beschreibt das Kraftstoff-Luftverhältnis im Verbrennungsraum des Motors. λ = 1 entspricht dem stöchiometrischen Verhältnis von Kraftstoff und Sauerstoff. λ > 1 entspricht einem Luftüberschuss = „mageres Gemenge“; λ < 1 entspricht einem Luftmangel = „fettes Gemenge“.
Ohne Katalysator liegt das Minimum des HC- und CO-Ausstoßes bei λ ≈ 1,1. In diesem Bereich erreicht jedoch die NO_x-Emission ihr Maximum. Dies erklärt sich dadurch, dass bei optimaler Kraftstoffverbrennung die Temperatur im Brennraum besonders hoch ist und deshalb vermehrt Luftstickstoff zu Stickoxiden verbrennt. Da der Kraftstoff durch den ausreichend vorhandenen Luftsauerstoff vollständig oxidiert wird, steht er nicht zur Reduktion von Stickoxiden zur Verfügung.
Wirkungen des Katalysators, die sich aus der Abbildung ablesen lassen:

• Der Anteil an Kohlenwasserstoffen im Abgas sinkt deutlich.
• Die Kohlenstoffmonoxidabgabe wird nur geringfügig verändert.
• Die Stickoxidbelastung sinkt bis zu einem Lambdawert knapp über 1 fast auf 0 und steigt darüber wieder drastisch an.
• Der Schnittpunkt der Minima bei λ ≈ 1 ist deutlich zu erkennen.

Die Abbildung zeigt, dass die Schadstoffreduzierung durch den Katalysator nur in einem sehr engen Bereich des Kraftstoff-Luftverhältnisses optimal wirksam ist. Man bezeichnet diesen Bereich als „λ-Fenster“, es liegt bei λ 0,995–1,0. Bei dieser Gemengezusammensetzung im Verbrennungsraum reicht der bei der Reduktion der Stickoxide frei werdende Sauerstoff aus, um die HC und das CO zu oxidieren.