Eigenschaften

Energie zum richtigen Zeitpunkt

Die Mindeststandards für unverbleites Benzin werden seit 1993 in der europäischen DIN EN 228 festgelegt. 

Flüchtigkeit - eine Grundvoraussetzung

Die Neigung des Benzins zur Verdampfung – seine Flüchtigkeit – ist die zentrale Voraussetzung zum Einsatz als Ottokraftstoff und zugleich ein wesentliches Qualitätsmerkmal. Da Benzin ein Gemisch aus vielen Kohlenwasserstoffen ist, hat es keinen definierten Siedepunkt, sondern einen Siedebereich, der etwa zwischen 30 °C und 200 °C liegt. 

Die Flüchtigkeit wird durch den Siedeverlauf in diesem Temperaturband und durch den Dampfdruck charakterisiert. Der Siedeverlauf beschreibt den Anteil verdampfter Flüssigkeit bei verschiedenen Temperaturen; der Dampfdruck resultiert aus den Kraftstoffkomponenten, die bei einer definierten Temperatur in einem geschlossenen Behälter aus der Flüssigphase in die Dampfphase übergehen. 
Die Abhängigkeit „Verdampfte Benzinanteile/Temperatur“ ergibt die so genannte Siedekurve, deren Lage und Charakteristik den Fachleuten Rückschlüsse über das Verhalten des Kraftstoffs im Motor erlauben. 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 an diesem Kriterium Qualitätsunterschiede der Kraftstoffe bemerkbar machen. 

Die Zündfähigkeit des Gemischs wird nicht nur vom Kraftstoff beeinflusst, sondern auch vom Motorkonzept. Das heißt, es ist ein Unterschied, ob der Motor mit „fetten“ oder „mageren“ Gemischen betrieben wird. 

Klopffestigkeit

Die bekannteste Eigenschaft des Ottokraftstoffs ist die Klopffestigkeit mit dem dazugehörigen Maß der „Oktanzahl“. Mit „Klopffestigkeit“ ist das Verhalten des Benzins gemeint, nicht unkontrolliert durch Selbstentzündung, sondern ausschließlich präzise gesteuert durch den Zündfunken zu verbrennen.

Aufgrund hoher Temperaturen und starker Druckwellen im Brennraum kann klopffreudiger Kraftstoff dazu neigen, sich selbst zu entzünden. Problematisch an der 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. 

Oktanzahlen

Das Maß für die Oktanzahl wurde willkürlich gewählt. Es liegt zwischen 0 und 100. Um den genauen Wert für einen bestimmten Kraftstoff zu ermitteln, wird dieser mit einer Mischung aus klopffestem Isooktan und klopffreudigem n-Heptan verglichen. 

Isooktan erhielt dabei die Oktanzahl 100, n-Heptan die Oktanzahl 0. 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. 

Research-Oktanzahl und Motor-Oktanzahl

In diesem Laborverfahren mit dem CFR-Prüfmotor werden zwei Oktanzahlen bestimmt: die „Research-Oktanzahl“ (ROZ) und die „Motor-Oktanzahl“ (MOZ). Der Unterschied liegt in den Bedingungen, unter denen diese Werte bestimmt werden. Während für die ROZ eine konstante Drehzahl von 600 Umdrehungen pro Minute, eine konstante Zündeinstellung und eine Luftvorwärmung von 52 °C vorgegeben sind, wird die MOZ bei einer Drehzahl von 900 Umdrehungen pro Minute, automatisch verstellbarer Zündeinstellung sowie einer Gemisch-Vorwärmung von 149 °C ermittelt. 

Die Motor-Oktanzahl beurteilt die Klopffestigkeit des Kraftstoffs aufgrund der härteren Bedingungen schärfer. Die ROZ fällt immer höher aus als die MOZ, da insbesondere die hohe Gemisch-Vorwärmung bei der Motormethode den Wert drückt: Je empfindlicher ein Kraftstoff gegenüber thermischer Beanspruchung ist, desto niedriger fällt seine MOZ aus. 

Straßen-Oktanzahl

Zusätzlich zu diesen beiden Oktanzahlen ermitteln die qualitätsbewussten Markengesellschaften noch eine dritte, die „Straßen-Oktanzahl“ (SOZ). Der Grund: Die Labordaten geben nur bedingt Auskunft über das tatsächliche Verhalten des Kraftstoffs unter Praxisbedingungen. Anforderungen unterschiedlicher Motorkonzepte kann das Prüfverfahren mit dem CFR-Einzylinder-Motor naturgemäß nicht berücksichtigen. 

Bestimmt wird die SOZ individuell in Serienfahrzeugen – also in „Vollmotoren“ – unter härtesten Betriebsbedingungen, bei denen der Kraftstoff seine Leistungsreserven unter Beweis stellen muss, z. B. bei gleichbleibend hoher Drehzahl bei Vollgas. Auch hier gelten international vereinbarte Verfahren, so dass die SOZ verschiedener Prüfinstitute untereinander vergleichbar sind. 

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. 

Hohe Oktanzahlen natürlich ohne Blei!

Früher standen den Raffineuren zur Verbesserung der Klopffestigkeit – neben dem Einsatz der geeigneten Kraftstoffkomponenten – hauptsächlich Bleialkyle zur Verfügung. Die Herausnahme des Bleis und die zunehmende Auslegung moderner Motoren auf Superbedarf erfordern heute andere Verfahren zur Bereitstellung hochklopffester Kraftstoffe. Ihre Herstellung erfolgt am besten mit dem Raffinerieverfahren – dem „Reformieren“. Die Entwicklung und steigende Verfügbarkeit neuer sauerstoffhaltiger Kraftstoffkomponenten erlaubt zusätzlich seit 1989 einen unverbleiten Superkraftstoff (SuperPlus) anzubieten, der mit den gleichen Oktanzahlen (ROZ 98/MOZ 88) aufwarten kann wie verbleiter Superkraftstoff.

Die sauerstoffhaltigen Verbindungen bieten sich auch als Ersatz von Erdöl an. Diese „Oxigenates“ z. B. Ethanol und Methanol oder Ether – etwa Methyltertiärbutylether (MTBE) – können z. T. unabhängig vom Erdöl hergestellt werden und haben relativ hohe Labor-Oktanzahlen. Auch bei den Abgasemissionen macht sich der Sauerstoffanteil positiv bemerkbar, da er zu einer Gemischabmagerung und damit zur Emissionssenkung beiträgt. Einige US-Bundesstaaten mit hoher Kohlenmonoxid-Belastung schreiben daher Kraftstoffe mit mindestens 2,5 Gewichtsprozent Sauerstoff vor. 

Bleiersatzstoffe

Den Möglichkeiten der Oxygenates sind allerdings enge Grenzen gesetzt, da die Benzin- Alkohol- Gemische die Neigung haben, sich bei Anwesenheit von Wasser bzw. bei niedrigen Temperaturen zu entmischen und in die einzelnen Phasen aufzutrennen. Allein die Luftfeuchtigkeit, die über die Tankatmung in den Behälter gelangt, kann u. U. hierfür vollkommen ausreichen. Der problemlose Einsatz der Alkohole, aber auch der Ether erfordern ein besonderes Know-how und die Einhaltung von Grenzwerten. So ist der Methanol-Zusatz in der Kraftstoffnorm auf maximal drei Volumenprozent limitiert.

Zur Verhinderung der Entmischung sind zusätzliche Lösungsvermittler erforderlich. Höhere Methanolanteile können zu Problemen an Kunststoffen bzw. Elastomeren (Aufquellen), zu einer Verschlechterung des Fahrverhaltens sowie zu einer negativen Beeinflussung des Klopfverhaltens bei höheren Volllastdrehzahlen führen. Das gleiche gilt prinzipiell auch für Ethanol, allerdings erst bei höheren Konzentrationen. Die zweite wichtige Sauerstoffkomponente, der MTBE, weist selbst bei Anteilen von bis zu 15 % diese Schwierigkeiten nicht auf. MTBE ist in seinem chemischen Aufbau konventionellen Kraftstoffkomponenten sehr viel ähnlicher als Alkohole. 

Schwefel als natürlicher Bestandteil

Schwefel ist im Gegensatz zu Blei oder den Oxygenates ein natürlicher Bestandteil des Rohöls. Trotzdem ist er bei dem Verbrennungsprozess unerwünscht. Durch geeignete Raffinerieverfahren wird er weitgehend aus dem Kraftstoff entfernt und weist nur noch Restbestandteile auf. Die verbleibenden Spuren reichen jedoch aus, um unter bestimmten Voraussetzungen – ältere Katalysatortypen und deutliche Schwankungen des Gemischs zwischen „mager“ und „fett“ – die bekannten unangenehmen Gerüche („Stinkbomben“) hervorzurufen. 

Zudem kann Schwefel u. U. die Effektivität der Schadstoffreduktion in den Katalysatoren beeinflussen. Diese Schwefelanteile können in den neuerdings in den Markt drängenden Ottomotoren mit Direkteinspritzung und zugehörigen neuen („DeNOx“-)-Katalysator-Systemen eine noch weitreichendere Bedeutung haben. So kann sich die Katalysator-Effektivität zur Reduzierung der relativ hohen NOx-Emission – abhängig von dem Gehalt des Schwefels – relativ schnell und deutlich verschlechtern. Der Katalysator muss dann regeneriert („entschwefelt“) werden, was durch eine Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemischs über das Motormanagement möglich ist. Ein solcher Vorgang erhöht allerdings auch den Kraftstoffverbrauch– je nach Gehalt des Schwefels bzw. Intensität der Anfettung / Regenerierung.