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Das Auto und seine Abgase
 
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 stellen jedoch nach wie vor die Abgase aus den Verbrennungsmotoren dar. Alternativen ergeben sich durch Kraftfahrzeuge, die mit Erdgas, mit Wasserstoff oder mit elektrischem Strom aus Akku-Aggregaten angetrieben werden.



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



Eigenschaften der Abgase

Bei der Verbrennung des Benzin-Luft-Gemisches in den Zylindern des Motors entstehen gasförmige Verbrennungsprodukte. Benzin besteht aus einem Stoffgemisch organischer Stoffe, welche aus Erdöl gewonnen werden. Das Erdöl ist im Laufe von Millionen von Jahren aus ehemaligen Pflanzenresten tief im Innern der Erde entstanden, es gehört zu den fossilen Brennstoffen. Organische Stoffe enthalten immer chemisch gebundene Kohlenstoffatome. Diese oxidieren bei der Verbrennung von Benzin, bzw. bei der Oxidation mit Sauerstoff, zu Kohlenstoffoxiden. Es können dabei zwei Kohlenstoffoxide entstehen, Kohlenstoffdioxid (CO2) und Kohlenstoffmonooxid (CO). Bei der Verbrennung von Benzin im Motor des Autos entstehen sehr hohe Temperaturen. Dadurch verbrennt der in der Luft enthaltene Stickstoff mit dem Sauerstoff zu Stickstoffoxid. Es können mehrere Stickstoffoxide entstehen, beispielsweise Stickstoffmonooxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2) oder Distickstofftetraoxid: N2O4. Das Gemisch dieser Stickstoffoxide wird als NOx bezeichnet.

Stickstoffoxide sind starke Atemgifte. Bei Kindern nehmen Erkrankungen der Atemwege und Infektionen bei der Aufnahme von kleinsten Mengen zu. Die Stickstoffoxide sind für die Entstehung des Sauren Regens verantwortlich. Außerdem sind sie an der Bildung des Atemgiftes Ozon in der Atmosphäre beteiligt. Aus diesem Grunde steigen jedes Jahr im Sommer die Ozonwerte in Ballungsgebieten mit viel Straßenverkehr bedenklich an. Reines Stickstoffdioxid besitzt eine gelbliche oder braunrote Farbe:
Stickoxid im Reagenzglas

Kohlenstoffdioxid aus den Abgasen wirkt eher wenig toxisch. 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. Es kann zu einer Klimakatastrophe kommen, die sich bereits durch das Abschmelzen des Eises an den Polen und durch verheerende Überschwemmungen ankündigt.  

Kohlenstoffmonooxid 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 Sauerstofftransport im Blut behindert. Vor allem Verkehrspolizisten und Raucher weisen im Blut hohe Kohlenstoffmonooxidgehalte auf.  
   
Schwefeldioxid stammt aus Schwefelresten im Dieselbenzin und im Heizöl. Diese verbrennen bei der Verbrennung im Motor zu Schwefeldioxid, einem stark lungenreizenden Gas. Das Schwefeldioxid löst sich in der Feuchtigkeit der Luft zu einer Säure, welche Bauwerke aus Naturstein zerfrisst. Diese Säure ist auch der Hauptverursacher für den Sauren Regen und für das Waldsterben.  

In den Autoabgasen befinden sich neben den Verbrennungsprodukten unverbrannte Bestandteile des Benzins, zum Beispiel der krebserregende Kohlenwasserstoff Benzol.  

Der Auto- und Schwerlastverkehr trägt mit etwa 50 Prozent am meisten zur Luftverschmutzung mit Stickoxiden bei. Zu bedenken ist, dass ein Liter Benzin 10000 Liter Abgase erzeugt! Um den Ausstoß all dieser Schadstoffe an die Umwelt und die damit verbundenen Folgen zu verringern, müssen umfangreiche Maßnahmen zur Säuberung der Abgase erfolgen.
 

Funktionsweise des Drei-Wege-Katalysators beim Ottomotor    

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

1.) Die Stickoxide werden zu Stickstoff reduziert.  
2.) Das Kohlenstoffmonooxid wird zu Kohlenstoffdioxid oxidiert.  
3.) Die unverbrannten 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 Lambda-Sonde. Diese testet den Gehalt des unverbrannten Sauerstoffs im Abgas. Sauerstoff macht den Katalysator unwirksam. Stellt die Lambda-Sonde zuviel Sauerstoff in den Abgasen fest, ändert sie über eine elektronische Steuerung die Gemischbildung bei der Benzineinspritzung. Bei einem hohen Benzinanteil im Verhältnis zur Luft liegt ein fettes Gemisch vor, das Abgas enthält dann wenig Sauerstoff. Bei einem zu geringen Benzinanteil liegt ein mageres Gemisch vor, dann misst die Lambda-Sonde viel Sauerstoff im Abgas.

Für ein einwandfreies Arbeiten des Drei-Wege-Katalysators ist das Tanken von bleifreiem Benzin notwendig. Bleistäube 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 längerkettige Kohlenwasserstoffe. 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°C. 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°C, 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.

   

Weiteres Material

Arbeitsblätter zur Chemie des Autos
Wirkungsweise eines chemischen Katalysators



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