Das Abgas eines Verbrennungsmotors besteht aus einer komplexen Kombination chemischer Komponenten.

Bei einer idealen Verbrennung, d.h. ohne Bildung von Nebenprodukten, bei 20 °C, reagiert 1 kg Kraftstoff (Diesel oder Benzin) mit etwas mehr als 14 kg Luft, das sind ca. 12 m³ Luft, davon 3,4 kg Sauerstoff O2.
Dabei enstehen ca. 3,15 kg Kohlendioxid CO2 pro kg Kraftstoff und ca. 1,25 kg Wasser pro kg Kraftstoff in Form von Wasserdampf.

In Abbildung 1 werden die entsprechenden Verhältniswerte wiedergegeben.

wichtigste Komponenten
Abbildung1 : Wichtigste Komponenten und Produkte bei der idealen motorischen Verbrennung
 
Real verläuft die Verbrennung nie ideal, deshalb entstehen unerwünschte Nebenprodukte, Abbildung 2. Die Anteile im Abgas sind jedoch sehr gering. Bei Ottomotoren entfallen 0,3% der Masse des Abgases auf gesetzlich limitierte Komponenten. Bei Dieselmotoren liegt dieser Wert bei 0,1%. In den letzten 35 Jahren wurden viele Fortschritte erreicht - 1970 waren die Anteile dieser Schadstoffe im Abgas ungefähr zehn Mal so hoch. [1]
Mittlere Abgaszusammensetzung
Abbildung 2: Mittlere Abgaszusammensetzung von Otto- und Dieselmotoren [1]
 
UNERWÜNSCHTEN KOMPONENTEN IM ABGAS (klicken für mehr/weniger Informationen)
Die wichtigsten unerwünschten Abgaskomponenten sind folgende:
1.
Unverbrannte Kohlenwasserstoffe, mit der Abkürzung HC in der Literatur bezeichnet. Es sind viele verschiedene Verbindungen, mit kleiner (Methan) aber meist mit großer Anzahl an Atomen im Molekül. Gründe für die Entstehung können Mangel an Sauerstoff (zu hoher Kraftstoffanteil im Brenngemisch oder ein lokal inhomogenes Gemisch) oder zu niedrige Temperaturen an den Brennraumwänden sein, welche die Verbrennungsreaktionen hindern.
Die Wirkungen auf den Menschen können bei hohen Konzentrationen von anoxidierten HC Schleimhautreizungen, Atemnot oder Asthma sein.
2.
Kohlenmonoxid CO, ein sehr giftiges farbloses geruchloses Gas. CO bindet sich fester als Sauerstoff an das Hämoglobin im Blut und beeinträchtigt die Sauerstoffversorgung des Körpers. Diese Vergiftung kann, bei entsprechend hoher Konzentration, zur “inneren Erstickung“ führen.
Kohlenmonoxid entsteht wie HC bei unvollständiger Verbrennung der Kraftstoffe.
3.
Stickstoffoxide NO und NO2, ihre Summe wird als NOx bezeichnet. Stickstoffoxide bilden sich aus dem Stickstoff der Luft, der bei lokalen Temperaturspitzen im Brennraum mit Sauerstoff reagiert.
Stickstoffoxide sind bei entsprechender Konzentration gefährlich; sie tragen zur Geruchsbelästigung und geringfügig zum Treibhauseffekt (globale Erwärmung der Erde) bei.
4.
Partikel: Diese wurden in den 80er-Jahren von der IARC (International Agency for Research on Cancer) als "probably carcinogenic to humans" eingestuft.
Je kleiner die Partikel, desto tiefer können sie in die Atemwege eindringen. Partikel kleiner als 1µm wie die meisten aus der motorischen Verbrennung können bis zu den Alveolen gelangen, Abbildung 3.
Als Abgaspartikel werden feste und auch flüssige Partikel bezeichnet, die sich bei der gesetzlich vorgeschriebenen gravimetrischen Messung bei einer Abgasprobenahme am Auspuff eines Autos auf einem teflonbeschichteten Glasfaserfilter sammeln. Die kleinsten Partikel, zwischen 2 und 10 nm, sind meistens flüssige Tröpfchen, die größeren (bis maximal 10 µm) bestehen aus einem festen Kern aus Ruß, seltener aus metallischer Asche, worauf sich Kondensate anlagern. Unter diesen Kondensaten sind kleine Anteile von kanzerogenen PAH (Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe), Schwefelsäure und viele andere Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die aus dem Motor in gasförmigem Zustand herauskommen.
Die Partikelbildung teilt sich somit in Ruß- und Kondensatbildung.
Nach der aktuellen Theorie der Rußbildung entstehen sogenannte Rußpartikel wie folgt:  Abbildung 3: Partikelabscheidung in Atemwegen
je nach Partikelgröße
Während der Verbrennung lösen sich die leichten, kleinen Wasserstoffatome der Kohlenwasserstoffe vom Molekül und wandern (diffundieren infolge der Konzentrationsdifferenz) zur Flamme, also zum Sauerstoff. Die trägen Molekülreste (Radikale) bleiben in Ansammlungen zurück, krümmen sich zusammen und bilden sogenannte Primärpartikel, primär weil sie als erste gebildet werden. Diese Primärpartikel schließen sich dann zu festen Agglomeraten (sekundäre Partikel) zusammen.
Abbildung 4 zeigt eine schematische Darstellung der dieselmotorischen Rußbildung.
Rußbildung schematisch
Abbildung 4: Schematische Darstellung der Rußbildung und Koagulation
der Primärpartikel um ein brennendes Kraftstofftröpfchen [2]
In Abbildung 5 sieht man Aufnahmen von Agglomeraten mittels Elektronenmikroskop.
Dieselrussagglomerate
Abbildung 5: Aufnahmen mittels Elektronenmikroskop
von verhältnismäßig großen Dieselrussagglomeraten [3]
Eine Sonderrolle spielen Stoffe wie z.B. Aldehyde, Benzol, Benzo(a)pyren aus der Gruppe der polyzyklischen Aromaten, die jedoch in deutlich geringerer Konzentration im Abgas auftreten und heutzutage durch die Abgasnachbehandlungssysteme praktisch eliminiert werden. Der Anstieg von NH3 und N2O durch Katalysatoren ist vernachlässigbar.
 
LITERATURVERZEICHNIS (klicken für mehr/weniger Informationen)

[1] Lenz, H.P., Illini, B. und Fellner, B.: Neue Prognose der Abgasemissionen in Deutschland und europäische Perspektiven. Vortrag bei der VDI-Veranstaltung "Innovative Fahrzeugantriebe". Dresden: VDI Verlag, 2004.
[2] Jing, L.: Charakterisierung der dieselmotorischen Partikelemission. Dissertation an der Philosophisch-naturwissen-schaftl. Fakultät, Universität Bern, 1997.
[3] Hohenberg, G., Hamm, E.: Geruchsprobleme von DI-Ottomotoren; 20. Internationales Wiener Motorensymposium, VDI - Fortschritt - Bericht Reihe 12 Nr. 376, Band 1, S.138.

 
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