BB00.40-P-0125-00A

Kraftstoffe für Ottomotoren

Blatt 125.0

Flüssige Kraftstoffe für Ottomotoren sind Gemische aus ketten- und ringförmigen Kohlenwasserstoffen sowie gewissen sauerstoffhaltigen Verbindungen (Ether, Alkohole), die zwischen etwa 30 und 200 °C sieden und fast ausschließlich aus Erdöl gewonnen werden. Sie werden in den einzelnen Ländern in einer oder mehreren Qualitäten verkauft. In der Bundesrepublik Deutschland werden drei Benzinqualitäten angeboten, die sowohl eigenschafts- als auch zahlenmäßig in DIN EN 228 festgelegt sind:

Ottokraftstoff Super Plus DIN EN 228 -SP- unverbleit Ottokraftstoff Super DIN EN 228 -S- unverbleit Ottokraftstoff Normal DIN EN 228 -N- unverbleit

Anforderungen, Eigenschaften, Kennwerte Um einen Ottomotor unter möglichst allen auftretenden Klima- und Fahrbedingungen problemlos betreiben zu können, werden an den Kraftstoff besondere Anforderungen gestellt. Zur Erfüllung dieser Anforderungen müssen eine Vielzahl von Kenndaten eingehalten werden, die über die Qualität des Ottokraftstoffes Auskunft geben. Diese Kennwerte, die in aller Regel auf genormten Prüfverfahren beruhen, sind zwar brauchbare, aber nicht in jedem Falle voll befriedigende Möglichkeiten, um die für den Umgang mit Ottokraftstoff und für die Verbrennung im Motor wichtigen Qualitätskriterien zu definieren.

Mit einer bestimmten Anzahl derartiger Kennwerte, für die Grenzwerte festgelegt sind, werden Normen für die Mindestanforderungen erstellt. In der EU gilt als Anforderungsnorm EN 228 (von Deutschland übernommen als DIN EN 228, s. Blatt 122.2), die die zulässigen Grenzwerte festlegt. Außerdem darf Ottokraftstoff hiernach Zusätze zur Verbesserung enthalten, ebenso sind gewisse Alkohole und Ether in begrenzten Mengen zugelassen. Die Additivierung des Ottokraftstoffs ist aus unserere Sicht zur Qualitätsverbesserung unbedingt erforderlich. Dies hat durch den Lieferanten zu geschehen, da er die Gesamtverantwortung für sein Produkt trägt (siehe hierzu den Abschnitt "Additive").

Klopffestigkeit Eines der wesentlichsten Qualitätsmerkmale von Ottokraftstoffen ist die Klopffestigkeit. Sie ist ausschlaggebend für einen normalen Verbrennungsablauf im Motor und somit entscheidend für den Wirkungsgrad und die spezifische Leistung. Das Maß für die Klopffestigkeit ist die Oktanzahl, die man durch Vergleich mit Iso-Oktan/n- Heptan-Mischungen im CFR-Motor nach ISO 5163 und ISO 5164 bestimmt. Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen zwei Bestimmungsmethoden: a) F 1-Methode, Research-Oktanzahl (ROZ) ISO 5164 b) F 2-Methode, Motor-Oktanzahl (MOZ) ISO 5163 Sie unterscheiden sich durch verschiedene Prüfbedingungen. Bei der ROZ arbeitet man mit einer konstanten Drehzahl von 600/min, einer konstanten Zündeinstellung (13 ° vor OT) und einer Luftvorwärmung von 52 °C, bei der MOZ mit einer konstanten Drehzahl von 900/min, automatisch verstellbarer Zündeinstellung je nach Verdichtung und einer Gemischvorwärmung von 149 °C.

Neben der ROZ und MOZ gibt es noch die FOZ (Frontoktanzahl) und die SOZ (Straßenoktanzahl). Die FOZ ist die Research-Oktanzahl der bei der Destillation bis 100 °C in dampfförmigen Zustand übergehenden Bestandteile. Sie hat eine gewisse Bedeutung für das Beschleunigungsklopfverhalten. Die SOZ wird im Fahrzeugmotor ermittelt, da jeder Motor durch seine unterschiedliche Konstruktion und die Betriebsbedingungen den Kraftstoff anders bewertet als der CFR-Prüfmotor. Zur Messung werden sowohl Primär-Bezugskraftstoffe (Gemische aus ISO-Oktan und n-Heptan) als auch definierte Kraftstoffe mit vollen Siedebereichen verwendet. Die Messung erfolgt bei gerade noch klopffreier Vollgasbeschleunigung im größten Gang aus niedrigstmöglicher Geschwindigkeit. Der Oktanzahlbedarf eines Fahrzeuges kann der Betriebsanleitung entnommen werden. Die Klopffestigkeit handelsüblicher Ottokraftstoffe ist in den einzelnen Ländern sehr unterschiedlich, eine Aufstellung siehe Blatt 124.0/.1/.2/.3/.4.

Siedeverlauf und Dampfdruck (Flüchtigkeit) Der Siedeverlauf der Ottokraftstoffe liegt zwischen ca. 30 und 215 °C. Wichtig im Zusammenhang mit der Siedekurve sind deren Beginn zum sogenannten 10%-Punkt, der 50%-Punkt und das Siedeende. Von dem Siedeverlauf sind abhängig: Dampfblasenbildung Startverhalten Verdunstungsverluste Übergangsverhalten Motorenölverdünnung Sauberkeit der Verbrennung Der Siedeverlauf ist daher bei Sommerkraftstoffen anders als bei Winterkraftstoffen. In der DIN EN 228 ist dies durch Festlegung der verdampften Menge bei 70 °C, 100 °C und 150 °C geregelt.

Der Siedeverlauf allein reicht nicht aus, die Flüchtigkeit eines Kraftstoffes festzulegen, daher wird als zusätzliches Kriterium der Dampfdruck bei 37,8 °C bestimmt. Dieser Dampfdruck wurde lange Jahre mittels einer Methode "nach Reid" bestimmt, daher häufig als "Reid-Dampfdruck" bezeichnet. Da bei der Bestimmung des "Reid-Dampfdrucks" der Kraftstoff mit Wasser in Kontakt kommt, wird dieser Dampfdruck auch oft als "Nasser Dampfdruck" bezeichnet. In den letzten Jahren wurden Dampfdruck-Messmethoden entwickelt, die den modernen Möglichkeiten der Druckaufnehmer und elektronischen Regelmechanismen Rechnung tragen. Diese Geräte sind einfacher zu bedienen und liefern genauere Werte, ebenso ist eine Anwesenheit von Wasser (was beim "Reid-Dampfdruck" auf eine Thermostatisierung zurückzuführen war) sinnlos geworden. Im Rahmen der europäischen Normung wurde eine solche modernere Dampfdruckmessmethode als EN 13016 T. 1 genormt und in die EN 228 ab Ausgabe 2/99 eingeführt. EN 13016 T. 1 liefert als Messgröße den "ASVP" ("Air Saturated Vapour Pressure"), welcher mittels einer Korrekturformel in den "DVPE" ("Dry Vapour Pressure Equivalent") umgerechnet werden kann. Für alkoholhaltige Kraftstoffe liefert der "Reid-Dampfdruck" etwas niedrigere Werte als der "DVPE", alkoholfreie Kraftstoffe werden gleich bewertet.

DIN EN 228 fixiert den "DVPE"-Dampfdruck im Sommer auf min. 45 und max. 60 kPa und im Winter min. 60 und max. 90 kPa (100 kPa = 1 bar). In der Übergangszeit im Frühjahr und Herbst gilt die Dampfdruckanforderung für Winterkraftstoff, jedoch zusätzlich eine Anforderung an den "VLI" ("Vapour Lock Index", eine rechnerische Größe: VLI = 10 * DVPE + 7 * E70) von max. 1150, dies begrenzt bei vollem Ausschöpfen des Dampfdruckes (z. B. 90 kPa) die zulässige verdamfte Menge bei 70 °C ("E 70") auf max. 28,5 Vol. %. Die europäische Normung bietet die Möglichkeit, zusätzlich den Dampfdruckverlauf oberhalb von 37,8 °C (von 40 °C bis 100 °C) zu bestimmen (EN 13016 T. 2). Hierzu existieren jedoch keine Grenzwerte.

Dichte Die Dichte wird wegen des mit der Temperatur sich ändernden Volumens nach DIN 51757 und ISO 3675 auf 15 °C bezogen. Die Anforderungen an die Dichte betragen nach DIN EN 228 für Normal, Super und Super Plus 0,720 bis 0,775 kg/m3.

Heizwert Der Heizwert des Kraftstoffs gibt an, welche Wärmemenge bei seiner Verbrennung frei wird, d. h. wieviel Energie in einer bestimmten Menge Kraftstoff enthalten ist. Die Maßeinheit des Heizwertes ist MJ/kg. Man unterscheidet den spezifischen Brennwert (oberer Heizwert) und den spezifischen Heizwert (unterer Heizwert), sie sind die auf die Masse bezogene Wärmemenge, die bei der Verbrennung frei wird, einmal mit und einmal ohne Berücksichtigung der Kondensationswärme des gebildeten Wassers. Da die Abgase stets eine höhere Temperatur als 100 °C aufweisen, interessiert bei der motorischen Verbrennung nur der untere Heizwert. Bei Kraftstoffen, die nur aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) bestehen, ist deren Heizwert abhängig von ihrem C- und H- Gehalt, denn H hat einen Heizwert von 119,8 MJ/kg, C nur einen Heizwert von 33,9 MJ/kg. Das C/H-Verhältnis (in Gew.-% C/H) von Kraftstoffen ist jedoch nur in engen Grenzen variabel, nämlich theoretisch von 86/14 bis 88/12, die zugehörigen Heizwerte betragen rund 43,8 und 42,5 MJ/kg, d. h., die maximale Differenz beläuft sich auf etwa 3 %. Da andererseits Kraftstoffe mit hohem C/H-Verhältnis zwangsläufig eine größere Dichte aufweisen und Kraftstoffe nach Volumen und nicht nach Gewicht verkauft werden, sind die genannten Heizwerte mit den zugehörigen Dichten zu multiplizieren, um für den Verbraucher zu realen Verhältnissen zu gelangen. Z. B. Normal- und Superkraftstoff mit folgenden Daten:

C/H-Verhältnis d/15 °C Heizwert Heizwert (Gew.-%) (kg/l) (MJ/kg) (MJ/I) Normal 86,5/13,5 0,730 43,5 31,8 Super 87,5/12,5 0,765 42,7 32,7 d. h. die in 1 l Super-Kraftstoff enthaltene Energie ist um etwa 2,8 % größer als die von 1 l Normalbenzin. Enthält der Kraftstoff sauerstoffhaltige Komponenten, so trägt der Sauerstoff nichts zu seinem Heizwert bei. Der Sauerstoffanteil ist daher abzuziehen. Dies wird in gewissem Maße ausgeglichen durch den hohen H-Gehalt der sauerstoffhaltigen Verbindungen, so dass bei nicht zu hohen Anteilen (siehe Abschnitt "Sauerstoffhaltige Komponenten") der Heizwert nur unwesentlich beeinflusst wird. Reinheit Feste Fremdstoffe und Wasser können zu Störungen in der Kraftstoffversorgung führen. Wasser kann darüber hinaus Korrosionen auslösen; die Korrosionsprodukte können wiederum die Kraftstoffversorgung stören. Der Abdampfrückstand des Kraftstoffes (50 ml des Kraftstoffs werden in einem Becherglas auf einem Bad mit 160 °C unter Aufblasen von Luft verdampft) gibt Hinweise auf zu erwartende Verschmutzung des Einlasssystems. Ölige Abdampfrückstände sind harmloser, ungünstiger hingegen sind lack- oder harzartige Abdampfrückstände.

Schwefelgehalt Der Schwefelgehalt im Ottokraftstoff sollte so gering wie möglich sein, wir empfehlen die Verwendung von schwefelfreiem Kraftstoff in Mercedes-Benz-Fahrzeugen. Weitere Informationen s. Blatt 126.0 "Schwefel im Ottokraftstoff". Stabilität Kraftstoffe sollen auf dem mehr oder weniger langen Weg vom Hersteller zum Verbraucher nicht an Qualität verlieren, d. h. es sollen die einzelnen Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffes nicht mit dem Sauerstoff der Luft oder untereinander reagieren. Diese chemische Instabilität resultiert aus der Gegenwart von ungesättigten Kohlenwasserstoffen im Kraftstoff (z. B. Diolefine) und führt zur so genannten "Gum"-Bildung. Bemerkbar macht sich dies durch Ablagerungen im gesamten Kraftstoff- sowie im Ansaugsystem und auf den Einlassventilen. Als Beurteilungskriterien werden die Oxidationsstabilität nach ISO 7536 und der Abdampfrückstand herangezogen. Eine echte Qualitätsbeurteilung kann aber zur Zeit nur durch einen Vollmotorentest erfolgen.

Korrosion Kraftstoffe sind von Haus aus praktisch wasserfrei, können aber beim Umschlag in geringem Maße Wasser lösen. Das Lösungsvermögen hängt von der Struktur der Kohlenwasserstoff-Verbindungen sowie von der Temperatur ab. Bei Abkühlung fällt ein Teil des gelösten Wassers aus. Wasser und Kraftstoff trennen sich. Solange das Wasser in Lösung ist, wirkt es nicht korrosionsfördernd. Durch freies Wasser kommt es zu Rost- und Korrosionserscheinungen an Eisen- und Nichteisenmetallen.

Kraftstoffzusätze, Additive Um die genannten Anforderungen erfüllen zu können, werden den Kraftstoffen Additive zugesetzt. Additive für Ottokraftstoffe können zwei Gruppen zugeordnet werden: Additive, die die Eigenschaften des Kraftstoffes verbessern bzw. verändern Additive, die dem Kraftstoff neuartige bzw. zusätzliche Eigenschaften verleihen Man muss hierbei außerdem unterscheiden zwischen Additiven für Transport und Lagerung und solchen, die bei der motorischen Verbrennung wirksam sind. Zu den Additiven zählen auch Farbstoffe, mit denen verbleite Kraftstoffe aus Sicherheitsgründen gekennzeichnet sein müssen. Die Farbe ist dabei nicht vorgeschrieben, sondern den Herstellern überlassen, die mit jeweils speziellen Farben ihre Kraftstoffe erkennbar machen. Die hier skizzierte Additivierung des Ottokraftstoffes, die insbesondere im Hinblick auf Systemsauberkeit und Korrosionsschutz wichtig ist, hat für einen störungsfreien und emissionsarmen Betrieb der MB-Fahrzeuge große Bedeutung. Der additivierte Kraftstoff sollte dem Kunden an der Tankstelle zur Verfügung stehen, eine Additivierung durch den Kunden lehnen wir ab, da ein fachgerechter und der Kraftstoffqualität angepasster Additiveinsatz nicht gewährleistet ist.

Sauerstoffhaltige Komponenten Ottokraftstoffen werden aus verschiedenen Gründen (meist wirtschaftlicher Art, manchmal Erhöhung der Klopffestigkeit) sauerstoffhaltige Komponenten hinzugegeben. Im Regelfall handelt es sich hierbei um Alkohole und Ether; am häufigsten werden die Alkohole Methanol und Tert.-Butanol und als Ether Methyl.-Tert.-Butyl Ether (MTBE) eingesetzt. Da sauerstoffhaltige Komponenten die Eigenschaften eines Kraftstoffs verändern können, gehen in vielen Industrieländern die Bestrebungen dahin, ihre Verwendung zu reglementieren. Auf die in der EU geltenden Vorschriften soll im folgenden kurz eingegangen werden. Die zulässigen Maximalkonzentrationen dieser Komponenten, die in DIN EN 228 festgeschrieben sind, lauten wie folgt: Methanol 3 Vol.-% Ethanol 5 Vol.-% Isopropanol 10 Vol.-% Tert.-Butanol 7 Vol.-% Isobutanol 10 Vol.-% Ether (min. 5 C-Atome) 15 Vol.-% Sauerstoff-Gehalt 2,7 Gew.-%

Der Sauerstoffgehalt bezieht sich auf den gesamten Massenanteil Sauerstoff, der durch die sauerstoffhaltigen Komponenten in dem Kraftstoff vorhanden ist.Dadurch können sinnvollerweise nicht alle zulässigen Höchstwerte der Einzelkomponenten gleichzeitig ausgeschöpft werden. Der Kraftstoffhersteller ist verpflichtet, dafür Sorge zu tragen, dass Ottokraftstoffe mit sauerstoffhaltigen Komponenten keine Nachteile aufweisen im Vergleich mit Kraftstoffen ohne sauerstoffhaltige Bestandteile.