Startseite  >>  Lexika  >>  Chemie und Ökologie
 
Das Auto und seine Abgase
Inhalt
Verkehrssicherheit
Toxikologie der Abgase
Abgas-Zusammensetzung
Prinzip des Ottomotors
Funktionsweise des Drei-Wege-Katalysators
Prinzip des Dieselmotors

Abgasreinigung im SCR-Katalysator
Grenzen der Abgas-Reinigung


Verkehrssicherheit

Nach wie vor steigt der Bestand an Kraftfahrzeugen weltweit. Damit verbunden ergeben sich auch die Verkehrs- und Umweltprobleme. Allerdings wurden im Hinblick auf den Benzinverbrauch und die Umweltfreundlichkeit beim Auto seit 1970 wesentliche Fortschritte gemacht. Die Maßnahmen beginnen schon beim Tanken, wenn die toxischen Benzindämpfe durch eine Rückführung am Zapfgerät abgesaugt werden:



Benzin tanken


Die Zahl der Verkehrsunfälle hat seit 1970 zwar deutlich zugenommen, aber der Anteil an tödlichen Verkehrsunfällen ist stark zurückgegangen. Dies ist auf verbesserte Sicherheitsausstattungen wie Gurt oder Airbag zurückzuführen. Bei einem Unfall zündet ein elektronischer Sensor eine Tablette, die aus einem Gemisch aus Natriumnitrat und Bor besteht. Die Stoffe reagieren explosionsartig miteinander und zünden eine Tablette aus Natriumazid, das innerhalb drei hundertstel Sekunden 60 Liter Stickstoff in den Airbag freisetzt. Auch die exakte Vermessung der Knautschzonen hat erheblich zur Verkehrssicherheit beigetragen. Während 1965 noch bis zu 1,5 Promille Alkohol im Blut beim Autofahren zulässig war, beträgt der Grenzwert heute nur noch 0,5 Promille.

Ein Problem stellt jedoch nach wie vor die Emission von Abgasen an die Umwelt aus den Verbrennungsmotoren dar. Sie verpesten die Luft in den Ballungsräumen und schädigen die Gesundheit. Sie können bei unzureichenden Dichtungsmaßnahmen in die Fahrerkabine gelangen und gefährden die Gesundheit der Insassen.


Toxikologie der Abgase

Bei der Verbrennung des Kraftstoffs im Motor mit Luft entstehen gasförmige Verbrennungsprodukte. Kraftstoffe bestehen aus einem Stoffgemisch organischer Stoffe, die aus dem Erdöl gewonnen werden. Dieses ist wie das Erdgas oder die Kohle aus ehemaligen Resten der Lebewesen in sedimentären Erdschichten in vielen Millionen Jahren entstanden. Die fossilen Brennstoffe enthalten chemisch gebundene Kohlenstoff-Atome. Diese oxidieren bei der Verbrennung von Benzin zu Kohlenstoffdioxid CO2 und Kohlenstoffmonooxid CO. Dabei entstehen sehr hohe Temperaturen. Der in der Luft enthaltene Stickstoff verbrennt im Motor teilweise mit dem Sauerstoff zu verschiedenen Stickstoffoxiden. Ein Gemisch aus Stickstoffmonooxid NO, Stickstoffdioxid NO2 und Distickstofftetraoxid N2O4 wird als NOx bezeichnet.



Name
Chemische Formel
AGW
(Arbeitsplatzgrenzwert)
Grenzwert Außenluft
EU (Mittelwerte)
Grenzwert Außenluft
D (Mittelwerte)
Benzol C6H6
k.A. (krebserzeugender Stoff)
5 µg/m³ (Jahr)
5 µg/m³ (Jahr)
Feinstaub PM10
keine Vergleichs-Angaben
20 µg/m³ (Jahr) 40 µg/m³ (Jahr)
Kohlenstoffmonooxid CO
35 mg/m³
10 mg/m³ (8h) 10 mg/m³ (8h)
Ozon
k.A. (krebserzeugender Stoff) 120 mg/m³ (Jahr)
120 mg/m³ (Jahr)
Schwefeldioxid SO2
2,7 mg/m³
50 µg/m³ (Jahr) 125 µg/m³ (24h)
Stickstoffoxide NOx 950 µg/m³ (NO2)
40 µg/m³ (Jahr)
40 µg/m³ (Jahr)

Tabelle: Vergleich der Arbeitsplatzgrenzwerte mit den Grenzwerten der EU und Deutschland im Jahresmittel Außenluft;
Quelle Grenzwerte EU: Dusan Gruden, Umweltschutz in der Automobilindustrie, Vieweg & Teubner, Wiesbaden 2008
Quelle Grenzwerte Deutschland: 39. BlmSchV
und Ozongesetz


Der Arbeitsplatzgrenzwert AGW wird aufgrund wissenschaftlicher Erhebungsmethoden im Tierversuch experimentell ermittelt. Bei Einhaltung des Grenzwertes ist eine akute oder chronische Schädigung der Gesundheit am Arbeitsplatz eines Arbeiters, der aufgrund seines Berufs mit einer erhöhten Belastung des Stoffes zu tun hat, im sogenannten Schichtmittelwert nicht zu erwarten. Für Stickstoffdioxid liegt dieser Wert bei 950 µg/m³. Für Wohnräume und Büros gilt für die Stickoxide ein Grenzwert von 60 µg/m³ (Mittelwert pro Woche). Dieser Grenzwert und auch der Grenzwert für die Außenluft im Jahresmittel mit 40 µg/m³ Luft werden wesentlich niedriger als der AGW angesetzt. Wie lässt sich das erklären?

Die EU bezieht sich mit ihren Grenzwerten auf epidemiologische Abgas-Studien. Dieser Ansatz ist umstritten, vor allem weil die Stickoxid-Grenzwerte nicht experimentell ermittelt, sondern indirekt abgeleitet werden. Die vorliegenden epidemiologischen Studien belegen zwar einen Zusammenhang zwischen erhöhten Abgas- und Stickoxid-Werten und Krankheiten oder Todesfällen in bestimmten Ballungsgebieten. Es wird auch argumentiert, dass die Stickoxide als "Vorläufer" für Feinstaub und Ozon gelten
und diese ihrerseits zusätzlich negative Auswirkungen auf die Gesundheit und die Umwelt haben [Quelle: Science Media Center Germany gGmbH, Diesel-Skandal – Wissenschaftler widersprechen Schlussfolgerungen der Abgeordneten zu gesundheitlichen Schäden durch Stickoxide NOx, Ausgabe am 12. Mai 2017, abgerufen auf (1)]. Aufgrund der gemessenen Konzentrationen und der vorliegenden toxikologischen Daten zum Stickstoffdioxid kann dies aber nicht die ganze Erklärung für die gesundheitlichen Auswirkungen sein. Aus Untersuchungen zu einem Abgas-Mix kann man keine fundierten Grenzwerte für einen einzelnen Stoff ableiten. Die Abgas-Mischung mit ihren zahlreichen toxischen Komponenten ist das eigentliche Problem:


Stickstoffoxide NOx sind starke Atemgifte. Die Hauptverursacher sind der Straßenverkehr und die Energie-Produzenten. Auch im Zigarettenrauch sind Stickoxide in relativ hoher Konzentration enthalten. Die durch Rauchen produzierten Mengen spielen zwar für die Umwelt praktisch keine Rolle, sie wirken aber für den Raucher selbst und dessen direkter Umgebung schädlich. Reines Stickstoffdioxid besitzt eine gelbliche oder braunrote Farbe:
Stickoxid im Reagenzglas

Stickstoffdioxid ist ein akut toxischer Stoff der Kategorie 2 (nach manchen Herstellern auch Kategorie 1). Ab einer Konzentration von 1 bis 13 ppm treten je nach Empfindlichkeit der Person Reizungen an den Schleimhäuten der Atemwege auf. Ab 10 ppm werden die Augen gereizt. 100 ppm in der Atemluft wirken nach einer Stunde tödlich. Die akute Vergiftung durch Einatmen beginnt mit Schwindel und Kopfschmerzen, ein Lungenödem kann auch noch nach Tagen zum Tod führen. Eine chronische Wirkung auf die Atemwege ist ab 1 ppm dokumentiert. Zum Vergleich: Der AGW liegt bei 950 µg/m³ oder bei 0,5 ml/m³ (= 0,5 ppm Volumenanteile). Asthmatiker reagieren wahrscheinlich nicht empfindlicher als Gesunde [Quelle: Gestis Stoffdatenbank]. Bei Kindern
können Erkrankungen der Atemwege und Infektionen zunehmen, wenn sie sich auf Kinderspielplätzen neben stark befahrenen Straßen aufhalten. Daran sind die Stickoxide zusammen mit anderen Schadstoffen aus den Abgasen beteiligt. Die Stickoxide können auch die Bildung des Atemgiftes Ozon in der Atmosphäre beschleunigen. Aus diesem Grund steigen jedes Jahr im Sommer die Ozonwerte in den Ballungsgebieten.

Kohlenstoffdioxid CO2 aus den Abgasen würde zwar in der darin enthaltenen Konzentration für den Menschen gefährlich wirken, wenn es sich aber mit der Luft verdünnt, dann werden in den Städten nur sehr geringe, für den Menschen ungefährliche Konzentrationen erreicht. Es entsteht bei allen Verbrennungen von organischen Stoffen, auch bei der Verbrennung von Zucker in der Muskulatur der Lebewesen. Menschen und Tiere atmen Sauerstoff ein und geben Kohlenstoffdioxid ab. Dieses Gas bildet in der Erdatmosphäre eine Treibhausglocke und verhindert, dass die Wärme der Sonne wieder in das Weltall entweicht. Durch die weltweite Verfeuerung der fossilen Brennstoffe entstehen riesige Mengen Kohlenstoffdioxid. Der natürliche Treibhauseffekt wird verstärkt, die Erdatmosphäre erwärmt sich.

Kohlenstoffmonooxid CO entsteht bei der unvollständigen Verbrennung von Kraftstoff, es entsteht besonders direkt nach dem Start und im Leerlauf. Es ist ein farb- und geruchloses, aber stark toxisches Gas und wirkt schon in kleinsten Mengen tödlich, da es als Atemgift den Sauerstoff-Transport im Blut behindert. Vor allem Verkehrspolizisten und Raucher weisen im Blut messbare Kohlenstoffmonooxid-Gehalte auf. 0,1 Volumenprozent in der Atemluft wirken bei längerem Einatmen tödlich. Das Einatmen geringer Dosen führt langfristig zu chronischen Erkrankungen am Herz und an den Nerven.
   
Schwefeldioxid SO2 entsteht bei der Verbrennung von Diesel oder Heizöl, die Schwefel enthalten. Schwefeldioxid ist ein stark lungenreizendes Gas. Schon geringe Konzentrationen von 0,04 Volumenprozent in der Luft können Husten, Atemnot oder eine Entzündung der Atemwege und der Schleimhäute hervorrufen. Das Schwefeldioxid löst sich in der Feuchtigkeit der Luft zu Schwefliger Säure, die Bauwerke aus Naturstein zerfrisst. Diese Säure ist der Hauptverursacher für den Sauren Regen und für das Waldsterben. Früher war der Straßenverkehr dafür mit verantwortlich, die heutigen Kraftstoffe enthalten aber kaum noch Schwefel.

Kohlenwasserstoffe HC befinden sich neben den Verbrennungsprodukten als unverbrannte Stoffe aus dem Kraftstoff in den Abgasen, im Benzin kann zum Beispiel der krebserregende Kohlenwasserstoff Benzol enthalten sein.

Feinstaub besteht aus festen Partikeln, die sich in der Luft befinden oder auf dem Boden abgelagert werden. Auch der Abrieb der Reifen oder des Straßenbelags verursachen Feinstaub. Neben dem Straßenverkehr spielt in den Städten die Verfeuerung von Holz, Briketts und Heizöl in Kaminen als Emissionsquelle eine bedeutende Rolle. Die Bezeichnung PM10 (Particulate Matter) bezeichnet Schwebepartikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikrometer. Bei einer Messung bestehen 50% des Feinstaubs aus diesen Partikeln. Die anorganischen Komponenten im Feinstaub bestehen unter anderem aus Ammonium-, Nitrat-, und Sulfat-Salzen, sowie aus Metallen und ihren Oxiden. Die organischen Komponenten bestehen aus Ruß, sowie aus Reifen- und Teer-Partikel, die durch Abrieb entstehen. Auch die Stickoxide sind an der Partikelbildung beteiligt. An den Feinstaub-Partikeln haften auch polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Dioxine. (Quelle: Gesundheits- und Umweltdepartement Zürich, Feinstaub PM10, abgerufen 4/2018 auf: www.stadt-zuerich.ch)

Zur toxikologischen Beurteilung des Feinstaubs spielen die Partikelgröße und der Partikelaufbau eine Rolle. Sehr kleine Partikel gelangen über die Lungen ins Blut. Generell kann das Einatmen von Feinstaub zu Schäden bis hin zu Krebs an den Atemwegsorganen führen. Chronische Krankheiten werden begünstigt. Einige der vorhandenen polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, die aus den Abgasen und aus dem Reifenabrieb stammen, wirken stark krebserzeugend. Die Platin- und Palladium-Stäube haben ein allergieauslösendes Potenzial. Insgesamt gesehen ist der Feinstaub die problematischste Komponente der Schadstoffe, die aus dem Straßenverkehr stammen. Auch Zigarettenrauch enthält übrigens sehr viele Feinstaubpartikel mit krebserzeugenden Bestandteilen. Bei einer Inversionswetterlage konzentriert sich der Feinstaub im Smog in Bodennähe, so dass für die Bewohner in Städten eine erhebliche Gefahr besteht. Diese Wetterlage kommt vor allem im Winter vor. Dabei wirken die wärmeren, oben liegenden Luftschichten wie eine Käseglocke. Laubbäume mit ihrem Blätterwerk sind fähig, Schadstoffe zu eliminieren, das Fehlen der Blätter im Winter verschärft das Problem noch.


Der Straßenverkehr hatte in Deutschland im Jahr 2015 etwa 38% Anteil an der Luftverschmutzung mit Stickoxiden. 1990 waren es noch mehr als 50%. (Quelle: Umweltbundesamt)  Ein Liter Kraftstoff erzeugt etwa 10000 Liter oder 10 Kubikmeter Abgase. Um den Ausstoß der Schadstoffe an die Umwelt und die damit verbundenen Folgen zu verringern, müssen umfangreiche Maßnahmen zur Säuberung der Abgase erfolgen. Dadurch werden die für den Menschen gefährlichen Schadstoffe beim Benziner auf ungefähr maximal 0,3%, beim Diesel auf maximal 0,1% in der Abgas-Gesamtmenge reduziert [Quelle: siehe Tabelle Abgas-Zusammensetzung].


Abgas-Zusammensetzung
 
Ottomotor und Dieselmotor weisen eine unterschiedliche Abgas-Zusammensetzung auf: Der Diesel produziert in seinen Abgasen etwa dreimal mehr Stickoxide und vor allem auch Feinstaub, dafür ist er wesentlich sauberer beim Ausstoß von Kohlenstoffmonooxid und von Kohlenwasserstoffen. Die Auto-Abgase enthalten etwa 72% Stickstoff, etwa 20% Kohlenstoffdioxid und etwa 8% Wasserdampf.
Aus der Tabelle kann man errechnen, wie viel Stickoxide in einem Kubikmeter Abgas enthalten sind. Beim Benziner mit Ottomotor wären das 0,2 Liter NOx pro Kubikmeter Abgas und beim Diesel etwa 0,6 Liter NOx pro Kubikmeter Abgas. Das sind allerdings nur Durchschnittswerte. Die in der Praxis tatsächlich vorkommenden Werte können stark abweichen, sie hängen zum Beispiel von den Motor-Einstellungen oder von der gelieferten Leistung ab.


Mittlere Abgas-Zusammensetzung (nach Katalysator)
Ottomotor Dieselmotor
Stickstoff N2
bis 72% bis 72%
Kohlenstoffdioxid CO2
20% 20%
Wasserdampf H2O 8% 8%
Stickoxide NOx
0,020% 0,061%
Kohlenstoffmonooxid CO
0,258% 0,025%
Kohlenwasserstoffe HC
0,018% 0,005%
Feinstaubpartikel
-
0,005%

Quelle der vorliegenden Zahlen: Lenz, H.P., u.a.: Neue Prognose der Abgas-Emissionen in Deutschland und europäische Perspektiven, VDI-Verlag 2004 und Österreichischer Verein für Kraftfahrzeugtechnik (ÖVK): Emissionen (ohne Jahrgang), abgerufen auf: www.auto-umwelt.at.



Der Luftbedarf Lst zeigt das Massenverhältnis zwischen benötigter Luft für ein Kilogramm Brennstoff an.
Das Verbrennungsluftverhältnis λ (Lambda) gibt an, wie viel Luft in einem Verbrennungsmotor für die vollständige, stöchiometrische Verbrennung notwendig ist. Bei λ=1 erfolgt die Verbrennung stöchiometrisch. Ist λ<1, dann wird bei einem Luftmangel ein fettes Gemisch verbrannt. Ist λ>1 dann wird ein mageres Gemisch im Luftüberschuss verbrannt. Ottomotoren arbeiten meistens um λ=1, während Dieselmotoren mit mageren Gemischen von λ=1,3 bis λ=6 betrieben werden.


Luftbedarf bei λ=1 für ein Kilogramm Kraftstoff
für ein Liter Kraftstoff
Ottokraftstoff d=0,75g/cm³
Luftbedarf Lst = 14,7
14,7 kg oder 11369 Liter Luft 11,025 kg oder 8526 Liter Luft
Diesel d=0,83g/cm³
Luftbedarf Lst = 14,5
14,5 kg oder 11214 Liter Luft 12,035 kg oder 9307 Liter Luft


Prinzip des Ottomotors

Der nach Nicolaus August Otto (1832-1891) benannte Ottomotor benötigt Motoren-Benzin oder Ottokraftstoff als Brennstoff und Luft als Oxidationsmittel. Damit das Benzin-Luftgemisch zündfähig ist, muss es in einem bestimmten Verhältnis vermischt werden. Die Mischung erfolgt entweder im Vergaser oder sie findet bei der Einspritzung direkt im Verbrennungsraum oder kurz davor statt.


Funktionsweise eines Vergasers

Prinzip eines Vergasers mit Drosselklappe
  
  
Im Vergaser regelt die Drosselklappe die Luftzufuhr. Das Gemisch gelangt in den Zylinder des Motors und wird dort mit Hilfe einer Zündkerze, die einen Zündfunken erzeugt, zur Zündung gebracht. Vergaser kommen heute nur noch bei Kleinmotoren in Rasenmähern oder Kettensägen vor. Verbreitet ist dagegen die Einspritzung: Bei der Direkteinspritzung wird fein verteiltes Benzin durch eine Einspritzdüse direkt in den Zylinder versprüht. Die Kraftstoff-Einspritzung wird elektronisch geregelt, sie erfolgt mittels einer Hochdruckpumpe. Die Luft gelangt gesondert in den Zylinder, die Luft-Dosierung erfolgt durch einen Drucksensor. Bei der heute kaum noch angewendeten Saugrohreinspritzung erfolgt die Luftzufuhr in den Zylinder durch ein Saugrohr, in das das Benzin kurz vor dem Zylinder eingespritzt wird.

Das zündende Benzin setzt den Kolben im Zylinder in Bewegung. Der Kolben überträgt die Bewegungsenergie auf die Kurbelwelle, die Kurbelwelle treibt ein Getriebe, das Getriebe überträgt die Energie auf die Räder des Autos. Ein Vierzylindermotor besitzt vier nebeneinander liegende Zylinder mit jeweils vier Kolben, die immer abwechselnd der Reihe nach tätig sind. Deshalb muss der Zündzeitpunkt der Zündkerzen exakt stimmen.


Funktionsweise eines Ottomotors
Vierzylindrischer Ottomotor mit Zündkerzen


Beim Viertakter finden vier Arbeitsphasen in einem Zylinder statt. Mit Takt ist eine Bewegung des Kolbens in eine Richtung gemeint.

1. Takt: Beim Ansaugen wird das Kraftstoff-Luftgemisch in den Zylinder geführt.
2. Takt: Beim Verdichten erfolgt die Zündung.
3. Takt: Beim Arbeitshub überträgt sich die Energie auf den Kolben.
4. Takt: Beim Ausstoß werden die Abgase aus dem Zylinder geleitet.

Die Grafiken und Animationen verdeutlichen das Prinzip eines Viertakt-Ottomotors, bei dem die Zündung mit Zündkerzen erfolgt:


Takt 1
Takt 2 Takt 3 Takt 4
1. Takt:
Ansaugen
2. Takt:
Verdichten
3. Takt:
Arbeitshub
4. Takt:
Ausstoß

Funktionsweise des Drei-Wege-Katalysators beim Ottomotor    

Katalysatoren sind Stoffe, die chemische Reaktionen ermöglichen oder diese von selbst ablaufen lassen. Der Drei-Wege-Katalysator beim Kraftfahrzeug initiiert drei chemische Reaktionen:  

1.) Die Stickoxide werden zu Stickstoff reduziert.  
2.) Das Kohlenstoffmonooxid wird zu Kohlenstoffdioxid oxidiert.  
3.) Die nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe werden zu Wasserdampf und zu Kohlenstoffdioxid oxidiert.  

     

Funtkionsweise eines Auto-Katalysators
   
Prinzip eines Dreiwege-Katalysators (elektronische Steuerung vereinfacht)

   
Das Hauptelement des Drei-Wege-Katalysators besteht aus einem Keramikeinsatz, der von winzigen, wabenförmigen Kanälen durchzogen ist. Das darauf fein verteilte Platin wirkt als Katalysator und wandelt die Abgase in harmlosere Produkte um. Das Platin wird dabei nicht verbraucht, durch Alterungsprozesse können jedoch fein verteilte Platinstäube an die Umwelt abgegeben werden. Diese besitzen ein toxisches Potenzial und stehen im Verdacht Allergien auszulösen.


Drei-Wege-Katlysator Querschnitt

Aufgeschnittener Drei-Wege-Katalysator



Zwischen Motor und Katalysator befindet sich eine λ-Sonde. Diese testet den Gehalt des nicht verbrannten Sauerstoffs im Abgas. Sauerstoff macht den Katalysator unwirksam. Stellt die λ-Sonde zu viel Sauerstoff in den Abgasen fest, ändert sie über eine elektronische Steuerung die Gemisch-Bildung bei der Benzin-Einspritzung. Bei einem hohen Benzin-Anteil im Verhältnis zur Luft liegt ein fettes Gemisch vor, das Abgas enthält dann wenig Sauerstoff. Bei einem zu geringen Benzin-Anteil liegt ein mageres Gemisch vor, dann misst die λ-Sonde viel Sauerstoff im Abgas.

Für ein einwandfreies Arbeiten des Drei-Wege-Katalysators ist das Tanken von bleifreiem Benzin notwendig. Blei-Stäube in den Abgasen machen Katalysatoren unwirksam und zerstören sie. Ein Drei-Wege-Katalysator vernichtet etwa 90 Prozent der Schadstoffe. Die Stickstoffoxid-Emissionen des Verkehrs sind seit 1990 zurückgegangen. Dies ist auf den Katalysator zurückzuführen.
  


Prinzip des Dieselmotors

Dieselkraftstoff ist nach deutschen Ingenieur Rudolf Diesel (1858-1913) benannt. Im Vergleich zum Benzin enthält Diesel Kohlenwasserstoffe mit langen Ketten im Molekül-Bau. Diesel ist zähflüssiger, Siede- und Flammpunkt sind höher. Im Vergleich zum viertaktigen Ottomotor erhält ein Zylinder beim viertaktigen Dieselmotor beim ersten Takt eine volle Ladung Luft. Die Einspritzung des Diesel-Kraftstoffes erfolgt erst im zweiten Takt bei der Verdichtung. Es entstehen ein Druck von bis zu zwei Bar und Temperaturen bis 900° Celsius. Dadurch vermischt sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch und zündet von selbst. Ein Dieselmotor benötigt keine Zündkerzen. Lediglich Glühkerzen zum Aufwärmen beim Kaltstart sind notwendig. Die Motorleistung hängt von der Menge des eingespritzten Kraftstoffes ab.

Der Dieselmotor erzeugt im Vergleich zum Ottomotor weniger Kohlenstoffmonooxid in den Abgasen, dafür ist der Anteil der Stickstoffoxide höher, und es entsteht in erheblichem Umfang Feinstaub in Form kleiner Rußpartikel. Der Feinstaub kann Lungenkrebs, Allergien oder Herz-Kreislauf-Krankheiten verursachen. Im Feinstaubfilter wird
Siliciumcarbid neben anderen keramischen Materialien eingesetzt. Die Abgase strömen durch eine poröse Wand aus Siliciumcarbid, die Rußpartikel bleiben dann darin hängen. Der Filter wird durch das Verbrennen der Partikel regeneriert.

 
Abgasreinigung im SCR-Katalysator (selective catalytic reduction)

Dieselfahrzeuge, die die gültigen Abgasnormen erfüllen müssen, enthalten einen kleinen Zusatztank, in dem sich eine klare Flüssigkeit befindet, die unter dem Handelsnamen AdBlue erhältlich ist. Benutzt wird eine 32,5%ige Lösung von Harnstoff in destilliertem Wasser. Adblue gefriert bei −11° Celsius, daher ist der Tank beheizt. Beim Abschalten des Motors fließt die Harnstofflösung zurück in den AdBlue-Tank, damit die Flüssigkeit nicht gefriert. AdBlue wird über eine Tauchpumpe angesaugt und in den Abgasstrom durch eine regelbare Düse eingespritzt. Die Umwandlung der Stickoxide geschieht in mehreren Schritten. Im kompletten System eines SCR-Katalysators entsteht aus dem Harnstoff
(NH2)2CO neben Kohlenstoffdioxid CO2 das Gas Ammoniak NH3, das die Stickoxide NO und NO2 in Stickstoff N2 und Wasserdampf H2O umwandelt. Gebräuchlich sind mehrstufige Systeme:


Funtkionsweise eines SCR-Katalysators

Funktionsweise eines SCR-Katalysators zur Umwandlung der Stickoxide



I.) Im Oxidationskatalysator wird Stickstoffmonooxid NO teilweise zu Stickstoffdioxid NO2 oxidiert. Die Erhöhung des NO2-Anteils im Abgas beschleunigt die Reaktionsgeschwindigkeit im nachgeschalteten SCR-Katalysator:
2 NO + O2 2 NO2
 
Gleichzeitig werden auch Kohlenstoffmonooxid CO und die nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe CxHx oxidiert:
2 CO + O2  2 CO2
CxHx + O2
→ x CO2 + x H2O
 
Im Oxidationskatalysator kann man auch einen Feinstaubfilter einbauen, bei dem die Rußpartikel aufgefangen und dann im Regenerationsprozess zu Kohlenstoffdioxid verbrannt werden:
C + O2  CO2
 
II.) Die AdBlue-Einspritzung der Harnstofflösung wird je nach Motoren-Drehzahl, Leistung und Verbrennungstemperatur elektronisch gesteuert.

III.) Bei der Harnstoff-Zersetzung verdampft zunächst das Wasser aus der Harnstofflösung, der Harnstoff zersetzt sich am Titandioxid-Katalysator thermisch zu Isocyansäure HNCO, die mit Wasserdampf zu Ammoniak und Kohlenstoffdioxid hydrolysiert. Die Gesamtreaktion kann so formuliert werden:
(NH2)2CO + H2O 2 NH3 + CO2
 
IV.) Im SCR-Katalysator erfolgt die Reduktion der Stickoxide zu Stickstoff und Wasserdampf. Als Katalysator-Stoffe eignen sich beispielsweise Vanadium(V)-oxid oder Zeolithe.
4 NH3 + 4 NO + O2 4 N2 + 6 H2O
8 NH3 + 6 NO2 7 N2 + 12 H2O

V.) Bei der Ammoniakvernichtung wird überschüssiges Ammoniak zu Stickstoff und Wasserdampf oxidiert:
4 NH3 + 3 O2 2 N2 + 6 H2O

Der AdBlue-Verbrauch beträgt im Durchschnitt ungefähr fünf Prozent im Vergleich zum Dieselverbrauch. Wenn ein Fahrzeug fünf Liter Diesel auf 100 Kilometer verbraucht, hält ein gefüllter Tank mit 25 Liter AdBlue etwa 10000 Kilometer. So kann der AdBlue-Tank bei den regelmäßigen Wartungen in der Werkstatt nachgefüllt werden. Die Harnstofflösung ist auch an Tankstellen erhältlich. Auch der SCR-Katalysator kann wie der Drei-Wege-Katalysator bis zu 90 Prozent oder mehr der Stickoxide umwandeln.


Grenzen der Abgas-Reinigung

Katalysatoren in Kraftfahrzeugen können Schadstoffe in den Abgasen zwar stark reduzieren, aber nicht vollständig eliminieren. Die Katalysatoren selbst produzieren zusätzliche Schadstoffe, zum Beispiel Platin- oder Palladium-Stäube. Die Edelmetalle Platin und Palladium sind in kompakter Form völlig harmlos, in fein zerstäubter oder nanoskaliger  Form haben sie dagegen ein sehr hohes toxisches Potenzial. Sie stehen auch im Verdacht, Allergien auslösen zu können. Das dem Benzin zugemischte Antiklopfmittel Methyl-tert-Butylether (MTBE) kann mit dem Motorenöl stark toxische Verbindungen bilden. Auch das krebserzeugende Benzol ist nach wie vor in den Abgasen enthalten.

Nach den vom Gesetzgeber vorgegebenen Vorschriften zur Erreichung einer Abgasnorm darf pro Kilometer nur eine bestimmte Menge der jeweiligen Abgase an die Umwelt abgegeben werden. Nach der Euro-6-Norm dürfen es beim Diesel zum Beispiel nicht mehr als 80 Milligramm Stickoxide pro gefahrenem Kilometer sein. Beim Benziner mit Ottomotor werden nach der Euro-6-Norm maximal 60 Milligramm Stickoxide pro Kilometer gefordert. Beim Diesel können diese Werte ohne einen SCR-Katalysator mit AdBlue-Einspritzung nicht erreicht werden. Die sogenannte "Abgasaffäre" wurde 2015 international bekannt: Die Autohersteller setzten eine manipulierte Abschalteinrichtung in der Motorsteuerung ein. Obwohl die stark abweichenden Praxiswerte schon seit Jahren bekannt waren, reagierten die Gesetzgeber viel zu spät.

Doch die Abgasaffäre ist nicht das eigentliche Poblem. 
Mit technischen Mitteln ist das Abgas-Problem nur teilweise lösbar, weil die Schadstoffe nicht komplett eliminiert werden können. Die Abgas-Emissionen in der Gesamtbilanz werden trotz Abgasreinigung durch andere Faktoren zunehmen:
  • Die Gesamtzahl der Kraftfahrzeuge nimmt mit steigender Bevölkerungszahl zu.
  • Das Gesamtgewicht eines PKWs steigt durch Sicherheitselemente und Bedienungskomfort, dies erhöht wiederum den Verbrauch.
  • Durch überhöhte Mieten in Ballungsräumen und durch weite Arbeitsplatzwege müssen Pendler große Entfernungen zurücklegen.
Alternativen ergeben sich durch Kraftfahrzeuge, die mit Erdgas, mit Wasserstoff oder mit elektrischem Strom aus Akku-Aggregaten angetrieben werden. Ob diese Fahrzeuge den Verbrennungsmotor vollständig ersetzen können, wird sich noch zeigen. Sinnvoll wären auch Maßnahmen, um die beruflichen Pendler zu entlasten, beispielsweise könnten der Nahverkehr oder die Mietangebote besser gefördert werden.


Weiteres Material

Arbeitsblätter zur Chemie des Autos
Wirkungsweise eines chemischen Katalysators



Internetlinks   
 
Copyright: T. Seilnacht