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Unverbrannte Kohlenwasserstoffe

Akronym: HC-Emissionen; NMOG = Non-Methane Organic Gases

Definition: Kohlenwasserstoffe in Abgasen, die z. B. durch unvollständige Verbrennung oder Spülverluste entstehen

Englisch: unburnt hydrocarbons

Kategorien: Fahrzeuge, Ökologie und Umwelttechnik

Autor:

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Ursprüngliche Erstellung: 18.04.2015; letzte Änderung: 19.02.2019

Zu den typischen Schadstoffen in den Abgasen vor allem von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren (z. B. Benzinmotoren und Dieselmotoren) gehören diverse unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC); die entsprechenden Emissionen bezeichnet man als HC-Emissionen. Es handelt sich zum Teil um unveränderte Bestandteile des eingesetzten Kraftstoffs, zum anderen Teil aber auch um unvollständig verbrannte (oxidierte) oder anders chemisch umgesetzte Stoffe. Sie sind oft durch charakteristische Gerüche erkennbar, die allerdings je nach Substanzen sehr stark variieren können.

Ursachen der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe

Es gibt sehr unterschiedliche Ursachen solcher Emissionen:

  • In Motoren können unvollständige Verbrennungsprozesse auftreten. Dies geschieht in besonders hohem Maße in der Warmlaufphase nach einem Kaltstart, was auch gerade deswegen besonders ungünstig ist, weil dann ein Abgaskatalysator (siehe unten) noch nicht richtig arbeiten kann. Selbst nach Erreichen der Betriebstemperatur können HC-Emissionen auftreten, vor allem im Leerlauf und bei Motoren mit einer ungünstigen Form des Brennraums; hiergegen kann ein Abgaskatalysator allerdings sehr wirksam sein. Oldtimer zeigen wegen ungünstiger Motorkonstruktion und dem Fehlen eines Abgaskatalysators oft enorm hohe HC-Emissionen, was sich auch in entsprechenden Gerüchen äußert.
  • Vor allem bei Zweitaktmotoren, aber teils auch bei Viertaktmotoren mit großer Ventilüberschneidung sind die sogenannten Spülverluste ein großes Problem: Angesaugtes Kraftstoff-Luft-Gemisch gelangt dort zu einem erheblichen Teil (bei Zweitaktern oft weit über 10 % oder sogar mehr als 20 %) direkt in den Abgastrakt, ohne einer Verbrennung ausgesetzt worden zu sein. Aufgrund der sehr hohen Konzentrationen von Kohlenwasserstoffen ist in diesem Fall eine vollständige Beseitigung mit einem Abgaskatalysator schwierig; dieser wird dann übrigens auch sehr heiß aufgrund der exothermen Oxidation.
  • Bei Anwendung einer sogenannten Gemischschmierung, die wiederum hauptsächlich bei Zweitaktmotoren eingesetzt wird, gerät das gesamte eingesetzte Schmieröl am Ende in die Verbrennung, wird aber meist nur recht unvollständig verbrannt. Durch die bei Viertaktmotoren übliche Druckumlaufschmierung gelangen dagegen kaum Kohlenwasserstoffe in das Abgas. Jedoch konnten früher nennenswerte Mengen durch die Belüftung des Kurbelgehäuses in die Luft gelangen, was heute durch entsprechende Vorschriften weitgehend verhindert wird.
  • Verdampfungsemissionen sind das Resultat der Verdampfung von Kraftstoff. Besonders beim Betanken von Fahrzeugen entstehen solche Emissionen, wenn die Kraftstoffdämpfe nicht über den Tankstutzen abgesaugt und einer Wiederverwendung zugeführt werden. Ein Stück weit können sie auch durch Aktivkohlefilter im Fahrzeug aufgefangen und später wieder der Verbrennung zugeführt werden.

Gesundheitliche und ökologische Effekte von Kohlenwasserstoffen

Für die menschliche Gesundheit sind verschiedene Kohlenwasserstoffe, die über die Atemluft aufgenommen werden können, in sehr unterschiedlichem Maße schädlich. Besonders gefährlich sind erbgutverändernde und krebserregende Substanzen wie Benzol, welches in wesentlichen (obwohl heute limitierten) Mengen als Bestandteil von Benzin vorkommt und unter ungünstigen Bedingungen auch im Abgas vorhanden sein kann. Auch polyzyklische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind äußerst bedenklich. Dagegen gelten diverse Alkane (z. B. Pentan) als harmlos.

Manche Kohlenwasserstoffe wirken auch schleimhautreizend und schädigen auf diese Weise insbesondere die Atemwege.

Kohlenwasserstoffe sind wichtige Ursachen des Smogs in Städten mit schlechter Luftqualität. In der Atmosphäre nehmen sie an diversen (oft durch starke Sonneneinstrahlung verstärkten) chemischen Reaktionen (auch mit Stickoxiden) teil, bei denen zum Teil weitere Schadstoffe wie z. B. das aggressive Ozon entstehen. Vor allem auf diese Weise tragen Motoren zu erhöhten Ozonwerten der Atemluft bei, obwohl Ozon in den Abgasen kaum vorhanden ist. Vor allem für Menschen mit bereits vorgeschädigten Atemwegen sind solche Belastungen sehr schädlich.

Wenn Methan in Abgasen vorkommt (praktisch nicht bei Benzin- und Dieselmotoren, aber bei manchen Gasmotoren), ist dies zwar nicht gesundheitlich bedenklich, aber sehr klimaschädlich, da Methan ein sehr hohes Treibhauspotential hat.

Reduktion von HC-Emissionen bei Motoren

Grundsätzlich können HC-Emissionen sowohl durch innermotorische als auch durch außermotorische Maßnahmen reduziert werden. Im ersten Fall geht es darum, die Verbrennungsprozesse im Motor zu optimieren. Besonders wichtige Aspekte sind:

  • Ein zu niedriges Verbrennungsluftverhältnis (Lambda-Wert) sollte vermieden werden, weil unter Sauerstoffmangel besonders viele unverbrannte Kohlenwasserstoffe verbleiben. Der Einsatz eines sogenannten Drei-Wege-Katalysators in Verbindung mit einer Regelung des Lambda-Werts mithilfe einer Lambdasonde bietet hierfür eine sehr gute Voraussetzung. Allerdings ist es auch bei heutigen Benzinfahrzeugen leider noch vollkommen üblich, bei starker Last (bei nahezu Vollgas, v. a. bei höheren Drehzahlen) eine sogenannte Volllastanreicherung vorzunehmen, also den Motor absichtlich mit einem Lambda-Wert unterhalb von 1 zu betreiben. In den heute gültigen Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte wird dieses Phänomen leider kaum berücksichtigt, da in den verwendeten Testzyklen Zustände mit sehr hoher Last nicht vorkommen.
  • Der Brennraum in einem Motor sollte möglichst einfach (idealerweise fast kugelförmig) gestaltet werden, da sonst Zonen entstehen können, in denen aufgrund des Kontakts mit den Brennraumwänden keine für eine vollständige Verbrennung ausreichende Temperatur erreicht wird.

Bei den außermotorischen Maßnahmen (nachträgliche Abgasbehandlung) ist der Einsatz von Abgaskatalysatoren die heute vorherrschende Methode. (Früher genügte zum Teil das Zusetzen einer gewissen Frischluftmenge zum heißen Abgas, sodass restliche Kohlenwasserstoffe mithilfe des zusätzlichen Sauerstoffs im Abgasrohr nachverbrannt werden konnten.) Die Beseitigung der Kohlenwasserstoffe erfolgt dadurch, dass diese im Katalysator mithilfe von Sauerstoff oxidiert werden. Hierfür muss einerseits noch eine gewisse Menge Sauerstoff im Abgas enthalten sein (was beispielsweise beim Betrieb mit Volllastanreicherung nicht der Fall ist), und andererseits muss der Katalysator eine ausreichend hohe Temperatur erreicht haben (was in der Warmlaufphase erst mit einer gewissen Verzögerung geschieht). Unter günstigen Umständen kann ein Katalysator die HC-Emissionen aber sehr stark reduzieren.

In den Abgasen von Dieselmotoren können Kohlenwasserstoffe auch an feine Partikel angelagert werden und deren Schädlichkeit wesentlich erhöhen. Dieses Problem kann mit Rußpartikelfiltern wirksam bekämpft werden.

HC-Emissionen von Kleinmotoren

Kleine Motoren, wie sie beispielsweise in Rasenmähern und Laubbläsern eingesetzt werden, weisen oft sehr hohe HC-Emissionen auf, vor allem soweit es sich um Zweitaktmotoren handelt. Für solche Motoren gelten weitaus weniger strenge Abgasvorschriften als für die Motoren von Autos und größeren Fahrzeugen. Zwar setzen solche Kleinmotoren insgesamt viel geringere Kraftstoffmengen um als Autos und emittieren deswegen entsprechend weniger Abgase. Lokal können aber hohe Belastungen der Atemluft mit gesundheitsschädlichen Kohlenwasserstoffen und auch mit Kohlenmonoxid auftreten. Dies ist vor allem für Arbeiter ein Problem, die sich häufig in den Abgasfahnen solcher Motoren aufhalten müssen. Die HC-Belastung wird trotz der charakteristischen Gerüche jedoch oft weniger beachtet als die Lärmbelastung solcher Maschinen, die viele Menschen extrem stört.

Verminderung von Verdampfungsemissionen

Die Verdampfung von Kraftstoff ist bei Benzin ein viel größeres Problem als bei Dieselkraftstoff oder gar Schwerkraftstoffen, weil Benzin besonders viele leicht flüchtige Substanzen enthält.

Der Kraftstofftank und das gesamte Kraftstoffsystem muss bei heutigen Fahrzeugen so gestaltet sein, dass im Betrieb oder im Stand normalerweise nur sehr geringe Mengen von Kohlenwasserstoffen durch Verdampfung (Verdunstung) in die Luft gelangen können. Hierzu kann auch ein Aktivkohlefilter beitragen, der bei stehendem Fahrzeug die Kraftstoffdämpfe aufnimmt und später im Betrieb dem Motor zuführt. Jedoch werden beim Füllen des Kraftstofftanks die darin befindlichen Kraftstoffdämpfe größtenteils nach außen verdrängt und gelangen dann in die Luft, soweit die Betankungsvorrichtung diese Dämpfe nicht absaugt und einer Wiederverwendung zuführt. Dies bedeutet insbesondere wegen des immer noch nennenswerten Benzolgehalts von Benzin eine gesundheitliche Belastung von Personen, die mit dem Betanken von Fahrzeugen beschäftigt sind.

Natürlich sollten Kraftstoffe – insbesondere leicht flüchtige wie Benzin – immer sorgfältig gelagert werden, sodass möglichst geringe Verdampfungsemissionen auftreten.

Siehe auch: Kohlenwasserstoffe, Abgas, Verbrennungsmotor, Abgaskatalysator, Benzol
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Ökologie und Umwelttechnik

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