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Kraftstoffe (2) - Ottokraftstoffe
Benzin - Energie zum richtigen Zeitpunkt

von kfztech.de  | Teil 1 Einführung Kraftstoffe | Teil 3 Dieselkraftstoffe | Teil 4 Alternative Kraftstoffe | (Teil folgt)

Grundwissen Lernfeld 8 - Mechatronische Systeme des Antriebsmanagements diagnostizieren

An Tankstellen werden verschiedene Otto-Kraftstoffsorten angeboten: Superbenzin mit einer Oktanzahl von ROZ 95, sowie Super Plus mit ROZ 98. Außerdem gibt es seit 2011 einen Super Kraftstoff, der bis zu 10% Bioethanol enthalten darf und auch als E10 bekannt. Normales Superbenzin darf übrigens auch bis zu 5% Bioethanol enthalten, wird aber nicht unbedingt als E5 gekennzeichnet. Diese drei Sorten halten im Prinzip alle Tankstellen vor. Daneben gibt es noch Spezialsorten mit 100 oder 102 Oktan. Normalbenzin (ROZ 91) ist in Deutschland seit einigen Jahren nicht mehr erhältlich. Benzine sind leichtentzündlich und entsprechen der Gefahrenklasse AI, weil ihr Flammpunkt unter 21°C liegt.

Klopfen darf es nicht

Bei der Produktion in den Raffinerien fallen durch Destillation, Reformation, Raffination, Cracken, Hydrieren und weiteren Verfahren verschiedenste Kraftstoffkomponenten mit unterschiedlicher Klopffestigkeit an. Was es genau mit der wichtigen Eigenschaft Klopffestigkeit und Oktanzahl auf sich hat, findet der Leser in der Info 1.

Raffinerie

Bei der Raffinerie von Erdöl fallen unterschiedlichste Kraftstoffkomponenten an, die weiter zu Benzinen verarbeitet werden. - Bild: Schubalu / pixelio.de

Leichtere und weniger klopffeste Bestandteile wurden bisher zu Normalbenzin verarbeitet; die hochklopffesten Komponenten hingegen zu Super-Kraftstoffen. Die Automobilindustrie nutzte diese Unterschiede bisher zur Differenzierung ihres Fahrzeugangebotes, indem sie Motoren auf Normal- oder Superbenzin auslegte. Das höhere Verdichtungsverhältnis von Super-Motoren erlaubt einen niedrigeren Verbrauch bei höherer Leistung. Mit Einführung der Abgaskatalysatoren Mitte der 80er Jahre wurde das Ende für die verbleiten Kraftstoffe eingeleitet, denn Katalysatoren vertragen kein Blei. Die Schwermetallverbindungen im Benzin sorgten früher für dessen Klopffestigkeit. Sie lagerten sich zudem an den hoch beanspruchten Ventilsitzen ab, wo sie wie ein Dämpfer wirkten, wenn die Ventile beim Schließen mit hohem Tempo auf ihre Sitze zurückschlugen.

bleifrei Zapfpistole

Heute bekommt man nur noch unverbleites Benzin an den Tankstellen. Bild: - manwalk / pixelio.de

Früher standen den Raffineuren zur Verbesserung der Klopffestigkeit, neben dem Einsatz der geeigneten Kraftstoffkomponenten hauptsächlich wie erwähnt Bleialkyle zur Verfügung. Die Herausnahme des Bleis wurde möglich durch die Herstellung hochklopffester Kraftstoffe mit Hilfe des Reformierens. Die technische Entwicklung erlaubte es seit 1989 unverbleiten Superkraftstoff (Super Plus) anzubieten, der mit den gleichen Oktanzahlen (ROZ 98/MOZ 88) aufwarten kann wie verbleiter Superkraftstoff. Dafür sind insbesondere sauerstoffhaltige Verbindungen (Oxigenates), wie z. B. Ethanol und Methanol oder Methyltertiärbutylether (MTBE) verantwortlich. Sie können zum Teil unabhängig vom Erdöl hergestellt werden. Auch bei den Abgasemissionen macht sich der Sauerstoffanteil positiv bemerkbar, da er zu einer Gemischabmagerung und damit zur Emissionssenkung beiträgt.

Benzin verdampft

Eine weitere zentrale Eigenschaft von Ottokraftstoffen ist die Neigung bei Temperaturen ab 30°C beginnend, bereits teilweise zu verdampfen. Der Siedeverlauf erstreckt sich dann bis ca. 215°C. Dann ist auch der letzte Rest in den gasförmigen Zustand übergegangen. Dass Benzin keinen Siedepunkt wie Wasser besitzt, sondern einen Siedebereich, liegt daran, dass es ein Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen ist. Diese Flüchtigkeit des Benzins ist eine wichtige Voraussetzung zum Einsatz als Ottokraftstoff und zugleich ein wesentliches Qualitätsmerkmal.

 Siedekurven Kraftstoffe

Bei Sommerbenzin (rot) verdampft bei derselben Temperatur ein geringerer Anteil als bei Winterbenzin (blau). Hohe Flüchtigkeit bedeutet gutes Kaltstartverhalten, niedrige dagegen gutes Heißfahrverhalten. - Bild: Wikipedia (gemeinfrei)

Hohe Flüchtigkeit bedeutet gutes Kaltstartverhalten, niedrige dagegen gutes Heißfahrverhalten. Der Siedeverlauf beschreibt den Anteil verdampfter Flüssigkeit bei verschiedenen Temperaturen. Er gibt also an, wieviel Prozent des Kraftstoffs bei welcher Temperatur verdampft sind.

Prinzipiell muss die Flüchtigkeit des Ottokraftstoffs so beschaffen sein, dass in allen Situationen ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch dem Brennraum zur Verfügung steht. Unter bestimmten Betriebsbedingungen – etwa bei besonders kaltem oder besonders heißem Motor – ist diese Voraussetzung schwer zu erfüllen, so dass sich hieran Qualitätsunterschiede der Kraftstoffe bemerkbar machen (Bild 8). Besitzt der Kraftstoff z.B. ziemlich viele niedrigsiedende Anteile neigt der Kraftstoff zu Dampfblasenbildung, was zu Heißstartschwierigkeiten führt. Viele hochsiedende Anteile können durch die Kondensation an den Zylinderwänden zu Kaltstartschwierigkeiten führen. An den Tankstellen gibt es deshalb der Jahreszeit entsprechend Sommer- oder Winterbenzin.

Kraftstoffflüchtigkeit

Hohe Flüchtigkeit bedeutet gutes Kaltstartverhalten, niedrige dagegen gutes Heißfahrverhalten - Bild: Aral

Es schwefelt

Schwefel ist im Gegensatz zum Blei ein natürlicher Bestandteil des Rohöls. Aber im Verbrennungsprozess von Ottomotoren, und insbesondere beim Diesel, möchte man ihn nicht haben. Denn der früher noch weitaus höhere Anteil des Schwefels im Kraftstoff führt zu Ablagerungen z.B. im Rußfilter und im NOx-Speicherkat.

Die Partikelfilter-Regeneration ist mit schwefelarmen Dieselkraftstoff ebenfalls besser, das Startverhalten des Oxi-Kats ist mit aktuellen Dieselkraftstoff doppelt so gut. Durch geeignete Raffinerieverfahren wird er heute weitgehend aus dem Kraftstoff entfernt und weist nur noch geringe Restbestandteile (max. 10 ppm) auf, so dass er sogar als „schwefelfrei“ gekennzeichnet werden darf. Die verbleibenden Spuren reichen jedoch aus, um unter bestimmten Voraussetzungen, wie bei älteren Katalysatortypen und bei deutlichen Schwankungen des Gemischs zwischen „mager“ und „fett“, unangenehme Gerüche hervorzurufen. In den 80er Jahren wurden Kat-Autos als Stinkbomben gebrandmarkt.

Schwefelanteile können in Ottomotoren mit Direkteinspritzung und zugehörigen DeNOx-Kat-Systemen die Katalysator-Effektivität deutlich verschlechtern. Der Katalysator muss dann regeneriert („entschwefelt“) werden, was durch eine Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemischs über das Motormanagement möglich ist (Regenerierung).

Im Abgas bildet der Schwefel Schwefeldioxid. SO2 ist ein farbloses Gas mit stechendem Geruch und starker Reizwirkung, besonders für die Atemwege. In Verbindung mit Wasser und Sonnenlicht wird es zu schwefliger Säure, die als Hauptverursacher des sauren Regens für Gebäudeschäden verantwortlich ist.

Benzin Direkteinspritzer

Direkteinspritzer benötigen wegen den Stickoxiden und Schwefelanteilen im Benzin eine aufwändige Abgasregelung. - Bild: Bosch

Ohne Additive geht es nicht

Wie auch schon das Motoröl nicht ohne chemische Zusatzstoffe auskommt, so benötigt auch das Benzin - sowie auch der Diesel – chemische Hilfsstoffe, Additive genannt, um die Verbrennung zu optimieren.

Im Benzin sind rund 0,1 bis 0,3% Additive enthalten. Diese verwandeln letztendlich den bereits hochwertigen Basiskraftstoff zu einem Hightech-Benzin, vergleichbar dem Salz in der Suppe. Daher ist die Entwicklung neuer auf die aktuellen Motoren abgestimmter Additive eine wichtige Aufgabe der Forschung und Entwicklung von Mineralölgesellschaften.

Als Additive kommen eine ganze Reihe unterschiedlicher chemischer Verbindungen, wie z.B. Polyisobutylenamine oder Polyetheramine, zum Einsatz, die als Additivpaket dem Basiskraftstoff bei der Abfüllung in die Tankwagen zugemischt werden. So verwendet man beispielsweise Reinigungs- und Reinhalteadditive (Detergents), die den Motor und die Bauteile der Kraftstoffanlage sauber halten.

Ventile

Durch Additive wie Detergentien werden die Ventile sauber gehalten und auch von Ablagerungen an Ventilen befreit. - Bild: Aral

Alterungsstabilisatoren verlangsamen die Oxidation des Kraftstoffs durch die Luft und sorgen dafür, dass auch langgelagertes Benzin noch problemlos funktioniert. Ansonsten würde bei der Reaktion des Kraftstoffs mit Luftsauerstoff ein harzartiges Produkt, „Gum“, entstehen, das zu Verklebungen bzw. Verstopfungen und damit zu Problemen während der Kraftstoffverteilung bzw. im Betrieb führt. Mit den Additiven gelingt es inzwischen, die Ottokraftstoffe bis zu fünf Jahre zu verwenden.

Um Korrosion durch den Ottokraftstoff zu vermeiden, setzt man Korrosionsinhibitoren ein. Diese überziehen die Metallflächen mit einem äußerst dünnen Schutzfilm und schützen die Oxidation der Metallflächen zuverlässig und dauerhaft.

Additive zur Reibungsverminderung dienen als Verschleißschutz für die Kraftstoffhochdruckpumpe. Zusätzlich ermöglicht die Verringerung des Reibungswiderstandes eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs, was insbesondere bei großvolumigen Motoren und niedrigen Geschwindigkeiten nachweisbar ist.

Alkohol im Benzin

Um den Treibhauseffekt zu senken wurde 2011 von der Regierung der Einsatz pflanzlicher Rohstoffe wie z. B. Bioalkohol (aus Pflanzen gewonnenes Ethanol) im Superbenzin angeordnet. Dieser wird in der Regel aus Weizen, Zuckerrüben oder Mais gewonnen. Ob jedoch durch die Pflanzen, die während ihres Wachstums CO2 aufnehmen, eine positive Kohlendioxid-Bilanz entsteht, ist auch unter Fachleuten strittig, u. a. weil auch bei der Bewirtschaftung der Felder bzw. durch den Einsatz von Düngemitteln Treibhausgase entstehen. Der Biokraftstoff Super E10 enthält einen Bioethanol-Anteil von bis zu 10 %. Der Buchstabe "E" steht dabei für Ethanol, die Zahl "10" für max. 10 %. Was manche nicht wissen: Bisher waren bereits 5 % Ethanol im Kraftstoff erlaubt. In Deutschland sind die Kraftstoffanbieter per Verordnung verpflichtet, an allen Tankstellen Super E5 weiterhin anzubieten und zwar zeitlich unbefristet.

Aufkleber Otto Benzin Tankstelle

Diese Aufkleber müssen sein. Super E10 enthält bis zu 10% Bioethanol und Super bis zu 5%. - Bild: kfztech.de

Bei der Einführung von E10 herrschte eine große Unsicherheit, da befürchtet wurde, dass besonders die älteren Fahrzeuge den Biosprit nicht vertragen würden. Denn nicht alle Fahrzeuge (geschätzt rund 3 Millionen) sollen den neuen Kraftstoff überhaupt vertragen. Laut ADAC und anderen Fachorganisationen kann E10 insbesondere bei hohem Druck und hohen Temperaturen korrosiv auf Aluminium wirken. Besonders problematisch ist, dass der Korrosionsangriff bereits nach einer einmaligen Betankung mit E10 ausgelöst werden kann und dann nicht mehr aufzuhalten ist. Hinzu kommen Probleme durch die Lösungseigenschaften von Ethanol für anorganische Komponenten, wodurch das Risiko erhöhter Metallwerte im Kraftstoff gegeben ist. Auch die Verträglichkeit von Dichtungsmaterialen und Schläuchen im Kraftstoffsystem kann problematisch sein. Die Tankstellen müssen diess auch an den Zapfsäulen entsprechend kenntlich machen.

Deshalb sollten nur vom Hersteller freigegebene Modellreihen mit E10 betankt werden. Von der DAT wurde deshalb eine E10 Verträglichkeitsliste herausgegeben! Wer E10 nicht verträgt kann auf E5 oder Super Plus ausweichen. Wird der Bioethanolgehalt in Ottokraftstoff erhöht, steigt folglich auch der Kraftstoffverbrauch, da Bioethanol einen geringeren Energiegehalt als herkömmlicher Ottokraftstoff (E5) besitzt. Bei einer Anhebung von maximal 5% auf maximal 10% Bio-Ethanolanteil ergibt sich ein rechnerischer Mehrverbrauch von weniger als 2%. Der tatsächliche Kraftstoffverbrauch hängt jedoch von einer Vielzahl von Faktoren ab, insbesondere dem Fahrstil.

Weitere Teile zum Kraftstoff:  Teil 1 Kraftstoffe Einführung | demnächst: Teil 3 Dieselkraftstoffe | Teil 4 Alternative Kraftstoffe |
Lesen Sie auch: Kraftstoffe im Automobil |

Info 1 Oktanzahl und Klopffestigkeit

Die strong>Oktanzahl ist ein Maß für die Klopffestigkeit eines Ottokraftstoffes, also somit für seine Zündunwilligkeit. Das Maß für die Oktanzahl liegt zwischen 0 und 100. Um den genauen Wert für einen bestimmten Kraftstoff zu ermitteln, wird dieser mit einer Mischung aus klopffestem Isooktan C8H18 (Oktanzahl 100) und klopffreudigem n-Heptan C7H16 (Oktanzahl 0) verglichen. Als Grundregel gilt, dass für den motorischen Betrieb die Oktanzahl möglichst hoch sein sollte, da sie die maximal mögliche Verdichtung des Motors festlegt und so die erzielbare Leistung sowie den Kraftstoffverbrauch wesentlich mitbestimmt.

Der Vergleichstest zwischen einer Kraftstoffprobe und dem Isooktan/n-Heptan-Gemisch wird mit einem standardisierten Verfahren in dem so genannten „Einzylinder-CFR-Prüfmotor“ gefahren. Zunächst ermittelt man durch eine variable Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, wann der Motor bei der Kraftstoffprobe zu klopfen beginnt. Anschließend wird die dazugehörige Oktanzahl ermittelt, indem bei konstant bleibendem Verdichtungsverhältnis das Isooctan/n-Heptan-Gemisch in seinem Verhältnis verändert wird. Und zwar so lange, bis der Motor erneut zu klopfen anfängt. Ist in der Isooctan/n-Heptan-Mischung dann 95 Prozent Isooktan, beträgt die Oktanzahl des zu untersuchenden Kraftstoffs „95“. Mit anderen Worten: Der Kraftstoff ist so klopffest wie eine Isooktan/n-Heptan-Mischung mit 95%igem Anteil Isooktan.

Die Abkürzung ROZ steht für Research Oktanzahl und bedeutet, dass der Prüfvorgang nach DIN EN ISO 5163 erfolgt. ROZ soll das Klopfverhalten bei geringer Motorlast und niedrigen Drehzahlen beschreiben. MOZ hingegen steht für Motor Oktan Zahl und kennzeichnet einen Prüfvorgang unter hoher Last. Zusätzlich zu diesen beiden Oktanzahlen ermitteln die qualitätsbewussten Markengesellschaften noch eine dritte realitätsnähere Straßen-Oktanzahl (SOZ).

Aufgrund hoher Temperaturen und starker Druckwellen im Brennraum kann klopffreudiger Kraftstoff dazu neigen, sich selbst zu entzünden. Die Klopffestigkeit ist also die Eigenschaft des verwendeten Kraftstoffes (Benzin, Gas), in einem Ottomotor nicht unkontrolliert durch Selbstentzündung zu verbrennen („Klopfen“), sondern ausgelöst durch den Zündfunken, die Einspritzung oder Kompression.

Problematisch an einer unkontrollierten Verbrennung ist die dadurch verursachte thermische und mechanische Überbeanspruchung des Motors. Die Selbstentzündung erzeugt eine Stoßwelle mit extremen Drücken und hohen Temperaturen, wodurch Motorteile in Schwingungen geraten können. Dies erzeugt das typische „klopfende“ Geräusch. Die Folgen reichen von einem merkbaren Leistungsverlust bis hin zu gravierenden Motorschäden wie etwa durchgebrannte Kolben. Klopffeste Kraftstoffe vermeiden solche „Spontanverbrennungen“. Erkennbar ist dieses Benzin an entsprechend hohen Oktanzahlen.

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Textquellen (Folgen 1-4): Aral, Shell, wikipedia, Kraftfahrtbundesamt (KBA), Umweltbundesamt (UBA), Deutscher Wetterdienst (DWD), Toyota, kfztech.de, gibgas.de, desy.de, Audi, Opel, BMW, Bundesverband der deutschen Bioethanolwirtschaft e.V., h2-mobility.de, heise.de, Bosch,


Autor: Johannes Wiesinger

bearbeitet: 01.10.2018









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