Rußpartikel

Dieselrusspartikel werden immer bei der Verbrennung des Dieselkraftstoffs in einem Dieselmotor erzeugt. Sogar in heutigen Direkteinspritzer-Benzinmotoren werden feinstaubige Rußpartikel erzeugt, s. den Beitrag Direct Injection. Kohlenwasserstoffe bilden unter kraftstoffreichen Verhältnissen Ruß. Grosse Brennstofftröpfchen können nicht genügend verdunsten, werden von der Brenntemperatur geknackt und sind daher eine Ursache für unverbrannten Ruß.

Carbon Black ist eine große Anzahl von Teilchen verschiedener Formen und Größen. Rußbildung und Rußwachstum werden in Partikelformation, Koagulations- und Grenzflächenprozesse sowie die Agglomerierung der Primärteilchen unterschieden. Die Brennstoffmoleküle werden sowohl durch Oxidationsverfahren als auch durch Wärmepyrolyse unter Sauerstoffmangel zu Azetylen zersetzt. Durch die Abspaltung von Wasserdampf aus dem Moleküle werden zunächst kleine, weniger ungesättigte Wasserstoffe erzeugt.

Die Acetylenleitung erfolgt über Umsetzungen mit CH oder CH2 zu C3H3, die dann durch Neukombination und Reorganisation einen so genannten aromatische Ringe formen können. Die anschließende Zugabe von Azetylen bewirkt die Bildung hochmolekularer polyzyklischer Kohlenwasserstoffe zu PAK über eine weitere H-Abstraktion und C2H2-Addition. Während der Aggregation (lateinische Koagulation) der ebenen PAKs werden aus der Gasstufe die ersten räumlichen Gebilde gebildet.

Rußreiche Moleküle mit vielen doppelten Bindungen, z.B. Aromate, wandeln sich im Vergleich zu Alkanen (Paraffine und Naftene) besser in Ruß und PAH um. Die Ruß- und PAK-Bildung in Verbrennungsmotoren wurde in Schweden in Funktion des Aromatengehalts in diversen Verbrennungsmotoren erforscht, z.B. bei AVL MTC AB in Jordbro, im Süden von Stockholm.

Die weitere Entwässerung und Zugabe von Azetylen erhöht die Korngröße und Masse, während die Anzahl der Partikel gleichbleibend ist. Eine große Bedeutung hat auch hier das Azetylen, da das Wachsen wieder über H-Abstraktion/C2H2-Additionsmechanismen des Kerns mit der Gasstufe erfolgt. Der Anteil von Wasserstoffatomen (H) zu Kohlenstoffatomen (C) sinkt weiter, wobei die Partikel mit zunehmender Grösse ihre Bindung an Azetylen durch eine Verringerung ihrer radikalen und ionischen Fähigkeiten einbüssen.

Partikelkollisionen verursachen ein Grössenwachstum der Rußpartikel, die Gerinnung. Im weiteren Verlauf des Oberflächenwachstums kommt es durch die Partikelkoagulation rasch zur Entstehung von größeren Partikeln. Darin wird die Ausbildung von kettenartigen Gebilden beschrieben, die auftreten, wenn nicht mehr genügend Kohlenwasserstoffe im Gas enthalten sind oder wenn die Reaktivität der Teilchen nachlässt. Sie können aus mehreren tausend Einzelteilchen zusammengesetzt sein und einen Querschnitt im Bereich von 50 bis 100 Nanometern (nm) haben.

Mit der hohen spezifischen Partikeloberfläche wird eine wirksame Oxydation erreicht, bei der als Oxidationsmittel Molekularsauerstoff und Reste wie HO- eingesetzt werden. Bei der Durchströmung heften sich die Teilchen an die Porenwand, was zu einem Filtrat an der Außenseite führt. Die Partikelfiltrate bestehen überwiegend aus brennbaren Rußen und daran haftenden Kohlenstoffatomen.

7 ] Dies betrifft sowohl verhältnismäßig große Teilchen, wie sie durch offene Brände oder Heizungen entstehen, als auch kleine Teilchen aus Antrieben. Je kleiner die Teilchen jedoch sind, desto riskanter sind sie: Einige Grobpartikel können auch von der Schnauze herausgefiltert werden, während Partikeln aus modernen Verbrennungsmotoren über die Schale bis ins Hirn in die Blutzirkulation vordringen kann.

Der Partikelausstoß moderner Verbrennungsmotoren wird als feiner Staub eingestuft und ist sehr klein und kleiner als zehn Mikrometer oder noch kleiner als ein zehnmal so groß wie der eines Mikrometers und kann daher bis in die Lungen dringen. Dabei gelangen die feinsten Teilchen auch in den Blutkreislauf und sind im ganzen Organismus verbreitet.

Eine Verunreinigung der Raumluft durch diese feinsten Teilchen, die bei der Dieselkraftstoffverbrennung in heutigen Dieseltreibstoffen durch die hohe Einspritzdruckdifferenz und die daraus folgende feinste Atomisierung des Dieselkraftstoffs erzeugt werden, ist zum jetzigen Zeitpunkt kaum messbar, da die eingesetzten Luftqualitätsmesssysteme nicht für diesen Zweck konzipiert sind.