Diesel sod

Diesel sod ved start af en lastbilmotor

Diesel sodpartikler produceres altid, når diesel brændes i dieselmotorer . Sammen med andre partikler danner de fint støv . Udstødningsgasser, der synligt indeholder diesel sod, kaldes også sort røg .

Dannelse af diesel sod

Kulbrinteflammer har en tendens til at danne sod under brændstofrige forhold . Imidlertid er brændstofrige forhold uundgåelige i diffusionsflammer . Som et resultat påvirkes benzinmotorer med direkte indsprøjtning også af ”diesel” soddannelse, da mængden af ​​indsprøjtet brændstof øges, især ved højere belastninger og højere hastigheder, mens den tilgængelige tid til blandingsklargøring reduceres. Store dråber brændstof kan ikke fordampe tilstrækkeligt, krakkes af forbrændingstemperaturen og er derfor en kilde til uforbrændt kulstof (sod). Den højeste mængde sod registreres ved fuld belastning , mens hastigheder på kun få procent under fuld belastning fører til en markant reduktion i sodemissioner.

Soddannelsesmekanismer

Sod består af et stort antal partikler i forskellige former og størrelser. Målbare parametre inkluderer partikeltætheden, sotvolumenfraktionen og den gennemsnitlige partikeldiameter. Dannelsen og væksten af ​​sod er opdelt i partikeldannelse, koagulations- og overfladeprocesser såvel som en agglomerering af de primære partikler.

Partikeldannelse

Både ved oxidationsprocesser og ved termisk pyrolyse nedbrydes brændstofmolekylerne i acetylen under lave iltforhold . I dette tilfælde spaltes brint fra molekylet, så der oprindeligt er små, mindre mættede kulbrinter. Disse reaktioner er endotermiske og afhænger derfor stærkt af temperaturen. Acetylen reagerer med CH eller CH 2 til dannelse af C 3 H 3 , som derefter kan danne en såkaldt aromatiske ring gennem rekombination og omlejring. Den efterfølgende tilsætning af acetylen resulterer i højmolekylære polycykliske hydrocarboner (PAH) via yderligere H indvinding og C 2 H 2 addition. Sådanne kondensationsprocesser er kendetegnet ved, at jo flere konstruktionstrin der kræves, jo mere afhænger de af luftforholdet. Under agglomerering (latinsk koagulation) af de plane PAH'er fremkommer de første tredimensionelle strukturer fra gasfasen.

Strukturen af ​​carbonhydridmolekyler, der findes i dieselolie, er også vigtig for partikeldannelse. Kulstofrige molekyler med adskillige dobbeltbindinger, f.eks. B. aromater, dannes lettere til sod og PAH'er end alkaner (paraffiner og nafter). I Sverige blev sod- og PAH-dannelse i dieselmotorer bestemt afhængigt af det aromatiske indhold i forskellige dieselbrændstoffer, f.eks. B. undersøgt af AVL MTC AB i Jordbro syd for Stockholm. På grund af disse resultater har den svenske regering sænket afgifterne på dieselbrændstoffer med lavere aromatisk indhold. Svensk dieselolie har aldrig mere end 5 volumenprocent aromater og aldrig mere end 0,02 vægtprocent polyaromatiske kulbrinter (PAH).

Overfladevækst

Som et resultat af yderligere dehydrogenering og tilsætning af acetylen øges partikelstørrelsen og massen, mens antallet af partikler forbliver konstant. Også her acetylen spiller en vigtig rolle, da væksten igen sker via H indvinding / C 2 H 2 additionssalte mekanismer mellem kernerne og gasfasen. Forholdet mellem hydrogen (H) og carbon (C) falder fortsat, hvilket resulterer i, at partiklerne med stigende størrelse mister deres affinitet for acetylen gennem et fald i deres radikale og ioniske egenskaber. Overfladevækst er mulig i forhold til acetylendannelse og polymerisation selv ved lave temperaturer og lave HC-koncentrationer. Af denne grund er der nok tid til rådighed til denne reaktionsfase i tekniske forbrændingsprocesser. Ca. 95 procent af den samlede mængde sod dannes via overfladevæksten.

Koagulation

Partikelkollisioner fører til en stigning i størrelsen af ​​sodpartiklerne, kendt som koagulation. Antallet af partikler falder med en konstant sodmasse. Da overfladevækst fortsætter, fører partikelkoagulation hurtigt til dannelsen af ​​større partikler. Koagulationen har en afgørende indflydelse på sodens størrelsesfordeling, hvorved størrelsesfordelingen af ​​partikler i udstødningsgassen kan beskrives ved en logaritmisk normalfordelingsfunktion.

Agglomeration

Dette beskriver dannelsen af ​​kædelignende strukturer, der opstår, når der ikke længere er nok kulbrinter i gasfasen, eller når partiklenes reaktivitet falder. Ingen af de to betingelser er opfyldt under forbrændingen og ekspansionsfasen, hvilket betyder, at agglomerater kun dannes efter en vis periode tid uden for forbrændingskammeret. Disse aggregerede partikler kan bestå af flere tusinde individuelle partikler og har en diameter i størrelsesområdet fra 50 til 100 nanometer (nm).

Sodoxidation

Det meste af sod oxideres inde i cylinderen. Den høje specifikke overfladeareal af partiklerne muliggør en effektiv oxidation , med molekylært oxygen og radikaler såsom HO • værende mulige oxidationsmidler . Under ca. 1800 K er iltets indflydelse på partikellevetiden ubetydelig. Oxidationstiderne stiger eksponentielt, når temperaturen falder.

Partikelreduktion i dieselmotorer

I de sidste par år kunne sodemissionerne fra dieselmotorer reduceres betydeligt gennem forbedret forbrændingsteknologi. Både den udsendte masse og partikelkoncentrationen faldt. I tilfælde af kompressormotorer kan ufuldstændig forbrænding (som ikke længere kan kompenseres af styresystemet) føre til en kort, signifikant stigning i sodmassen, den såkaldte sodbølge, når den accelererer. For yderligere at reducere sodemissioner er partikelfiltre i stigende grad blevet tilbudt af bilproducenter i de senere år . Partikelfilterets effektivitet er også meget god til ultrafint støv . Det eneste gradvise fald i partikelemissioner skyldes ældre køretøjers lange levetid .

Diesel med meget lavt indhold af aromatiske forbindelser og lavt svovlindhold sælges på mange tankstationer - normalt under separate mærker.

Filterteknologi til dieselbiler

De i øjeblikket anvendte partikelfiltre til udstyr ab fabrik er såkaldte wall-flow filtre, hvor udstødningsgasstrømmen ledes gennem en porøs væg. Partiklerne afsættes på den porøse væg, når de passerer igennem, hvilket resulterer i et overfladefiltrat. På overfladen af ​​væggen dannes en filterkage fra de adskilte partikler. Filtereffektiviteten er op til over 99 procent.

Udstødningsgassen skal strømme både gennem den voksende sodkage og gennem filtervæggen. Udstødningens modtryk stiger på grund af den voksende sodlagsopbygning, hvilket resulterer i øget brændstofforbrug. Hvis en belastningsgrænseværdi overskrides og for at beskytte partikelfilteret mod for høje temperaturer under regenerering, iværksættes der derfor foranstaltninger til at regenerere partikelfilteret.

Partikelfiltratet består overvejende af brændbart sod og kulbrinter, der klæber til det. En lille del består af ikke-brændbare komponenter. I den enkleste form for filterregenerering hæves partikelfiltertemperaturen over sodens antændelsestemperatur (ca. 600 ° C). I denne driftsfase fungerer motoren ikke med optimal effektivitet, hvilket betyder, at der kræves yderligere brændstofforbrug. Efter regenerering brændes sotlaget op til de ikke-brændbare komponenter ( filteraske ). Det vigtigste forbrændingsprodukt er kuldioxid .

Identificerede sundhedsfarer

Diesel sod blev tidligere kun anset for at være kræftfremkaldende, dvs. H. kræftfremkaldende. Den 12. juni 2012, efter en langsigtet videnskabelig undersøgelse , klassificerede Verdenssundhedsorganisationen endelig diesel sod som bestemt kræftfremkaldende og placerede den således på niveau med asbest og arsen . Dette gælder for relativt grove partikler, såsom dem, der er forårsaget af åben ild eller varmesystemer, såvel som for mindre partikler fra motorer. Jo mindre partiklerne er, desto farligere er de: nogle grove partikler kan endda filtreres af næsen, mens partiklerne i moderne dieselmotorer endda kan trænge ind i huden i blodbanen og nå hjernen via blodbanen.

De partikler, som moderne dieselmotorer udsender, klassificeres som fint støv og er meget fine og mindre end ti mikrometer eller endog mindre end en tiendedel mikrometer i diameter og kan derfor trænge dybt ned i lungerne . De ultrafine partikler går endda ind i blodbanen og fordeles i kroppen. Luftforureningen af ​​disse ultrafine partikler, der opstår, når diesel brændes i moderne dieselmotorer på grund af det høje indsprøjtningstryk og den resulterende ekstremt fine forstøvning af diesel, kan i øjeblikket næppe registreres ved hjælp af måleteknologi, da de installerede systemer til måling af luftkvaliteten ikke er designet til dette . I dyreforsøg med meget høje koncentrationer af fint støv kunne der påvises en signifikant stigning i kræftsygdom afhængigt af den undersøgte dyreart . Yderligere undersøgelser har vist, at kræftfremkaldende ændringer forekommer i forskellige typer partikler. Hos mennesker, der har været udsat for en meget høj støvkoncentration i lang tid, er sygdomme, især i lungerne, blevet bevist og anerkendt som erhvervssygdomme (for eksempel støvede lunger hos underjordiske arbejdere). Det vides endnu ikke, om der er en tærskel, over hvilken sådanne sygdomme opstår. Da fint støv forekommer uafhængigt af menneskelige aktiviteter, er meningsfulde langvarige epidemiologiske undersøgelser meget vanskelige at udføre, da en uforurenet sammenligningsgruppe ikke kan bestemmes.

Politiske foranstaltninger

Siden 1. januar 2005 har nye EU-grænseværdier for fint støv i henhold til EF-direktiv 1999/30 / EF været gældende. I det første år blev grænseværdierne ikke overholdt ved 41 målestationer på mere end de tilladte 35 dage. De hyppigste overskridelser skete i store byer på travle gader, Stuttgart og München var frontløberne med 107 dage.

Epidemiologiske beregninger af diesel sod dødelighed i Tyskland

Epidemiologen Heinz-Erich Wichmann beregnede 14.400 yderligere dødsfald om året alene fra diesel sod. Det statistiske interval varierer fra omkring 10.000 til 19.000. De anvendte parametre er baseret på undersøgelser af partiklers langtidsvirkninger og den tilsvarende dødelighed. Den Umwelt- und prognose-Institut (UPI) i Heidelberg tidligere beregnet på et andet grundlag af data kun omkring 8500 dødsfald om året som følge af lungekræft fra diesel sod.

Begge kilder modsiger ikke hinanden, da beregningerne af H. Erich Wichmann (undersøgelse 2352 foretaget af det føderale miljøagentur) ikke kun inkluderer dødelighed fra lungekræft, men også fra andre sygdomme forårsaget af diesel sod.

Se også

svulme

Individuelle beviser

  1. Hol H. Holtei: Nyere målemetoder til bestemmelse af dieselmotoremissioner. I: VDI Kommissionen for at holde luften ren, VDI Society for Vehicle Technology: Reduktion af emissioner fra biludstødningsgasser - dieselmotorer. VDI-Verlag Düsseldorf 1985, ISBN 3-18-090559-X , s. 319–334.
  2. ↑ Wissenschaft.de: Diesel sod - Syv overraskende svar - Bild der Wissenschaft, fra 1. december 1999 , adgang til 17. februar 2017
  3. Itte Brigitte Fritsch: Bilproducent på vej til bæredygtighed: Individuel transport på farten ind i det 21. århundrede . Diplomica Verlag, 2014, ISBN 978-3-8428-9883-7 , s. 71 ( begrænset forhåndsvisning i Google Book-søgning).
  4. ^ Rolf Isermann : Modelbaseret kontrol, regulering og diagnose af forbrændingsmotorer . Springer-Verlag, 2011, ISBN 978-3-642-55698-2 , s. 180 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning).
  5. ↑ patent-de.com: Metode til forbedring af reaktionsadfærd for turboladere - Dokument DE10061796A1 , tilgængelig 17. februar 2017
  6. ↑ Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz: Energiteknologisystemer til energiomdannelse. Kompakt viden til studier og arbejde . Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-8348-2279-6 , pp. 203 ( begrænset forhåndsvisning i Google Book-søgning).
  7. ↑ Ultrafint partikelformet materiale og fordelene ved at reducere partikelnumre i USA - En rapport til producenterne af emissionskontrolforeninger (MECA) , udarbejdet af Gladstein, Neandross & Associates, juli 2013
  8. ↑ Gunter Zimmermeyer, Bernhard Lüers, Bastian Holderbaum: Vejen til en ren dieselmotor. I: Farlige stoffer - renhed. Luft . 77, nr. 6, 2017, ISSN  0949-8036 , s. 215-223.
  9. ↑ IARC: DIESEL MOTORUDSTYR CARCINOGENIC, 12. juni 2012 (PDF; 190 kB).
  10. ↑ Finstøv (PM10): overskridelser pr. År; komplette data. (Ikke længere tilgængelig online.) Arkiveret fra originalen den 27. september 2007 ; Hentet 20. oktober 2011 . Info: Arkivlinket blev indsat automatisk og er endnu ikke kontrolleret. Kontroller original- og arkivlinket i henhold til instruktionerne, og fjern derefter denne meddelelse. @ 1@ 2Skabelon: Webachiv / IABot / www.env-it.de