Dieselruß: Mikrostruktur und Oxidationskinetik

Autoren

Dr. E. Jacob, Dipl.-Chem. D. Rothe, MAN Nutzfahrzeuge AG, Nürnberg; Prof. Dr. R. Schlögl, Dr. D. S. Su, Dipl.-Phys. J.-O. Müller, Fritz Haber Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin; Prof. Dr. R. Nießner, C. Adelhelm, Dipl.-Ing. A. Messerer, Dr. U. Pöschl, IWC, Aerosolforschungsgruppe, TU München; Prof. Dr. K. Müllen, Dipl.-Chem. C. Simpson, Dipl.-Chem. Z. Tomovic, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz

Jahr

2003

Druckinfo

Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 539

Zusammenfassung

Die bei der innermotorischen Emissionsabsenkung von Nfz-Motoren in den letzten 10 Jahren erzielten Fortschritte sind sehr beeindruckend. Die massenbezogene Verminderung der Rußemission ist hierbei auf die Reduzierung der Anzahl der Aggregatpartikel zurückzuführen, wobei auch die der feineren Rußpartikel <50nm deutlich zurückgeht.
Da dies im Sinne weiterer innermotorischer Rußverminderung einer Aufklärung bedarf, werden Rußpartikel aus Nfz-Motoren neuester Bauart hinsichtlich Mikrostrukturen und Bindungsverhältnissen mittels TEM, HRTEM und EELS untersucht. Hierbei werden bei Dieselruß bisher unbekannte Primärpartikel (Größenbereich 10-20nm) mit einer deformiert fulle-renähnlichen Struktur beobachtet. Neben diesem unregelmäßig geformten, fullerenartigen Ruß finden sich in geringerer Anzahl größere, rundliche Primärpartikel mit bekannter Kern-Graphenschalen-Struktur. Die kleineren, fullerenartigen Primärpartikel besitzen eine ausgeprägte Koagulationsneigung und sind damit stets Bausteine eines größeren Rußaggregates [Sum03]. Die Oberflächen der Rußpartikel sind selbst bei Schwarzrauchruß (Graphentyp) weitgehend mit sauerstofffunktionellen Gruppen (XPS, DRIFTS) belegt und damit hydrophil. Ein Modellaerosol zur Simulation des Verhaltens von Rußprimärpartikeln vom Graphentyp wird durch Verdampfung von Hexabenzocoronen hergestellt. Die durch SMPS-Messungen bestimmte Partikelgröße überdeckt den Bereich der Primärpartikel. Bausteine von Primärpartikeln (BSU) im Größenbereich 2nm werden massenspektrometrisch detek-tiert. Das bisher größte gefundene Teilchen ist (C96H30)6 mit der Masse 7098 u. Es werden Beziehungen zwischen der Mikrostruktur der Rußpartikel und der chemischen Reaktivität gegenüber Stickstoffdioxid, NO2, durch kinetische Messungen hergestellt. Die gewonnenen Erkenntnisse sind wertvolle Grundlagen für die weitere Minimierung der Dieselrußemission bei der motorischen Verbrennung und zur Aktivitätssteigerung bei Abgasnachbehandlung mit filterlosen PM-KAT- und GD-KAT-Systemen. Die Erforschung von Entstehung und Eigenschaften des Dieselrußes zukünftiger Nfz-Motoren steht erst am Anfang. Die Kenntnis der Mikrostruktur der Rußpartikel wird zur Aufklärung der Rußbildung im Motor beitragen und der Emissionsverminderung weitere Wege ebnen. Die Bildung von fullerenartigem Ruß als Produkt einer instationären Hochdruckverbrennung im Dieselmotor ist unerwartet. Diese Rußart wurde bisher nur bei vorgemischten, stationären Flammen unter sehr speziellen Bedingungen (30-50mbar) beobachtet. Die Mikrostruktur der Primärpartikel und die chemischen Eigenschaften der Rußoberfläche werden die Toxizität (Schwellenwert des sekundären genotoxischen Effekts) [Bru03] und die Relevanz von physikalischen Messverfahren neu definieren.

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