Oktanzahl

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Die Oktanzahl definiert ein Maß für die Klopffestigkeit eines Ottokraftstoffes. Der Zahlenwert der Oktanzahl bis 100 gibt an, wie viel %-Volumenanteil Isooktan, 2,2,4-Trimethylpentan, C₈H₁₈ (ROZ = 100) sich in einer Mischung mit n-Heptan C₇H₁₆ (ROZ = 0) befinden muss, damit dieser die gleiche Klopffestigkeit (in einem Prüfmotor nach ROZ oder MOZ) aufweist wie der zu prüfende Kraftstoff. Zum Beispiel würde eine Oktanzahl von ROZ = 95 eines Benzins bedeuten, dass die Klopffestigkeit des Benzins einem Gemisch aus 95 vol.% Isooktan und 5 vol.% n-Heptan entspricht.

Es gibt auch viele Stoffe wie einige Aromate, Erdgas und Flüssiggas, welche eine Oktanzahl größer als 100 aufweisen. Messtechnisch sind diese jedoch schwer zu erfassen, da das Referenzsystem mit Isooktan nur bis zur Oktanzahl 100 definiert ist. Oktanzahlen größer als 100 müssen daher extrapoliert werden. Die Oktanzahl über 100 ROZ / MOZ entspricht der Oktanzahl einer Mischung aus iso-Oktan und Tetraethylblei (TEL); hierbei ist die Oktanzahl des Gemisches einem bestimmten Volumenanteil an TEL im iso-Oktan zugeordnet. Diese Zuordnung erfolgt nach in DIN 51756 Teil 1 festgelegten Tabelle. Sie kann nicht, wie bei der Oktanzahl bis 100, direkt aus dem Mischungsverhältnis des Bezugskraftstoffes abgelesen werden. In diesem Zusammenhang wird auch der Begriff Blendoktanzahl verwendet; in der Luftfahrt eher die Leistungszahl, letzter angegeben als zweiteiliger "Bruch" wie z. B. 115/145, welches bedeutet, dass der hier verwendete Sprit bei armem Gemisch eine Leistungszahl von 115, bei reichem Gemisch eine Leistungszahl von 145 besitzt.

Isooktan ist relativ klopffest, n-Heptan verursacht relativ schnell das so genannte Klopfen beim Motor. Grund dafür ist, dass das n-Heptan unkontrolliert schon beim Verdichtungsvorgang durch die Verdichtungswärme im Zylinder zündet. Isooktan kann relativ stark verdichtet werden, ohne dass es zur Selbstzündung kommt. Beim Ottomotor soll das Benzin-Luft-Gemisch durch einen Zündfunken gezündet werden und mit definierter Flammfront abbrennen (bei der Weiterentwicklung des Ottomotors mit homogener Kompressionszündung entfällt teilweise der Zündfunken).

Man kann zwischen verschiedenen Oktanzahlen unterscheiden:

ROZ Research-Oktanzahl
MOZ Motor-Oktanzahl
SOZ Straßen-Oktanzahl
FOZ Front-Oktanzahl, oft auch mit ROZ_100 °C bezeichnet

[Bearbeiten] Oktanzahl und Wirkungsgrad

Die Erhöhung der Oktanzahl ging einher mit der Weiterentwicklung der Verbrennungsmotoren. Die entwickelten Motoren (mit mehr Leistung) nach dem 2. Weltkrieg benötigen einen Kraftstoff mit einer bestimmten Qualität. Früher konnte das Rohbenzin/Naphtha, welches bei der Primärdestillation anfällt, für Verbrennungsmotoren verwendet werden. Durch stärkere Verdichtung lässt sich der Wirkungsgrad des Motors erhöhen. Eine höhere Oktanzahl als die, für die der Motor ausgelegt ist, bewirkt keine Leistungssteigerung und keinerlei Veränderung im Verbrennungsverhalten.

Von 1939 bis 1996 wurde Tetraethylblei Ottokraftstoffen zugesetzt. Dieses diente dazu, den Verschleiß zu reduzieren (Schmierung der Ventile/Ventilsitze), und nicht der Qualitätsverbesserung, da die Zudosierung im ppm-Bereich lag. Die unterschiedliche Oktanzahl der an den Tankstellen erhältlichen Kraftstoffe kommt durch die unterschiedliche Verwendung der in einer Erdölraffinerie produzierten Komponenten zustande. So enthält Superbenzin mehr hochwertige Komponenten als Normalbenzin. Hochwertige Komponenten durchlaufen mehrere Verarbeitungsschritte, was Auswirkung auf den Endpreis hat. Auch wird oft Methyl-tertiär-butylether (MTBE) als Oktanzahlverbesserer zugegeben, da sich MTBE mit Wasser besser mischt als mit Benzin, jedoch nur bis zu 15 %, da es sonst bei Wassereintritt in den Tank zur Entmischung des Benzins und MTBEs kommen kann. Die Halbwertzeit in der Atmosphäre liegt bei 3 Tagen. Probleme bereitet die extrem schlechte Abbaubarkeit in Wasser. Deswegen ist MTBE als wassergefährdend (WGK 1 = schwach wassergefährdend) eingestuft. Heutzutage wird immer öfter auf Ethyl-tertiär-butylether (ETBE) zurückgegriffen. ETBE hat gegenüber MTBE aufgrund des höheren Siedepunkts einige Vorteile und ist, da es aus Bio-Ethanol gewonnen wird, steuerlich für die Mineralölgesellschaften als Kraftstoffadditiv interessant. Allerdings hat es ebenso wie MTBE den Nachteil, dass es sich im Grundwasser nur schlecht biologisch abbauen lässt.

[Bearbeiten] Geschichte

Seit etwa 1912 wurde das unregelmäßige Zünden bei Motoren beobachtet. Das Geräusch wurde als "Klopfen" bezeichnet, welches den Motor dann auch relativ schnell zerstörte. Zunächst wurden als Ursache die neuen batteriebetriebenen, elektrischen Zündanlagen angenommen. Bei genaueren Untersuchungen stellte sich heraus, dass das Klopfen mit der Kompressionsrate zusammenhing, welche die Motoringenieure erhöhten, um mehr Leistung zu bekommen. Es wurden verschiedene Messmethoden probiert, aufgrund der vielen Variablen allerdings (Kraftstoffzusammensetzung, Zündzeitpunkt, Verdichtung, Motortemperatur, Zylinderbauweise...) setzte sich keines der Messverfahren durch.

1927 kam Graham Edgar auf die Idee, dass man Reinstoffe als Referenzsysteme verwenden könnte. Man benötigte zwei Stoffe (einen stark klopfenden und einen klopffesten), welche in großer Reinheit und ausreichenden Mengen hergestellt werden konnten. Des Weiteren sollten diese beiden Stoffe recht ähnliche Eigenschaften aufweisen (Schmelz- und Siedepunkt, Dichte und Verdampfungseigenschaften). n-Heptan konnte destillativ in großer Reinheit gewonnen werden und hatte sehr schlechte Klopfeigenschaften. 2.2.4-Trimethylpentan ("iso-Oktan") konnte durch Anlagerung von Isobuten an Isobutan synthetisiert und destillativ gereinigt werden und hatte sehr gute Klopfeigenschaften.

Die damals erhältlichen Kraftstoffe hatten Klopfverhalten, welche durch Gemische von 40:60 bis 60:40 an i-Oktan:n-Heptan dargestellt werden konnten. Sie ließen sich mit diesem System also gut charakterisieren. Damit hatte das Benzin vor 1930 Oktanzahlen von 40 bis 60.

[Bearbeiten] Oktanzahlen

In Europa wird an den Tankstellen nur die ROZ angegeben, in den USA wird meist die "Zapfsäulen-Oktanzahl" mit (ROZ+MOZ):2 errechnet. Die meisten Anbieter werben mit der Research-Oktanzahl, da diese Werte höher und einfacher zu ermitteln sind als die Motor-Oktanzahl.

[Bearbeiten] Research (Erforschte)-Oktanzahl (ROZ)

Die ROZ wird mit dem Einzylinder-CFR-Prüfverfahren ermittelt.

Sowohl die MOZ und ROZ werden im CFR-Motor (veränderliches Verdichtungsverhältnis) durch Vergleich mit einem Bezugskraftstoff aus Isooktan (OZ = 100) und Normalheptan (OZ = 0) ermittelt. Der Volumenanteil an Isooktan des Bezugskraftstoffes, der die gleiche Klopfintensität hat wie der zu prüfende Kraftstoff, ist dessen Oktanzahl. Die MOZ ist meist niedriger als die ROZ, da sie bei höherer Drehzahl und Gemischvorwärmung auf ca. 149°C ermittelt wird.

Die nach der Research-Methode (DIN EN ISO 5164) ermittelte ROZ soll das Klopfverhalten bei geringer Motorlast und niedrigen Drehzahlen beschreiben.

[Bearbeiten] Motor-Oktanzahl (MOZ)

Die mit der Motor-Methode (DIN EN ISO 5163) ermittelte "Motor-Oktanzahl" soll das Verhalten bei hoher Motorlast und hoher thermischer Belastung beschreiben. Hier werden beim Norm-Motor härtere Bedingungen angelegt, nämlich statt 600 U/min nun 900 U/min, eine automatisch verstellbare Zündeinstellung sowie eine Gemischvorwärmung auf immerhin 149 °C. Dadurch ist die MOZ immer kleiner oder gleich der ROZ.

Oktanzahlen werden im CFR-Motor oder BASF-Motor durch Vergleich mit einem Bezugskraftstoff aus Isooktan (OZ = 100) und Normalheptan (OZ = 0) ermittelt. Der Volumenanteil Isooktan des Bezugskraftstoffes, der die gleiche Klopfintensität hat wie der zu prüfende Kraftstoff, ist dessen Oktanzahl.

Die Differenz zwischen ROZ - MOZ wird als "Empfindlichkeit" (sensitivity) bezeichnet und bringt die Temperaturabhängigkeit der Oktanzahl zum Ausdruck. Eine hohe Empfindlichkeit bedeutet, der Kraftstoff reagiert empfindlich auf höhere thermische Belastung.

[Bearbeiten] Straßenoktanzahl (SOZ)

Die Vergleichswerte werden unter realistischen Bedingungen auf der Straße gemessen. Dabei geht man an die Leistungsgrenze des Kraftstoffs: gleich bleibend hohe Drehzahl bei Vollgas. Damit der SOZ-Wert vergleichbar ist, unterliegt er einer Norm.

[Bearbeiten] Front-Oktanzahl (FOZ)

Die FOZ beschreibt die Oktanzahl der bis ca. 100 °C siedenden Komponenten des Kraftstoffs. Es wird dabei die Research-Oktanzahl der bis 100 °C verdampften Komponenten des Kraftstoffs ermittelt (daher auch die Bezeichnung ROZ_100 °C). Die FOZ beschreibt somit das Verhalten des Kraftstoffs bei niedrigen Motortemperaturen kurz nach dem Starten des Motors (Kaltstartverhalten).

[Bearbeiten] Oktanzahlen einiger Reinstoffe

n-Heptan: 0 ROZ / 0 MOZ (definiert)
i-Oktan: 100 ROZ / 100 MOZ (definiert)
n-Hexan: 25 ROZ / 26 MOZ
2,3-Dimethylbutan: 104 ROZ / 95 MOZ
Cyclohexan: 83 ROZ / 77 MOZ
Benzol: 99 ROZ / 91 MOZ
Toluol: 110 ROZ / 103 MOZ
o-Xylol: 120 ROZ / 102 MOZ
m-Xylol: 118 ROZ / 115 MOZ
p-Xylol: 117 ROZ / 111 MOZ
Ethylbenzol: 107 ROZ / 98 MOZ

[Bearbeiten] Oktanzahlbedarf eines Ottomotors

Der Oktanzahlbedarf beschreibt den Bedarf an Klopffestigkeit des Kraftstoffes eines Motors, damit es nicht zu ungewollten Selbstzündungen kommt. Der Oktanzahlbedarf hängt dabei von den Betriebsbedingungen des Motors (Drehzahl, Temperatur, Brennraumgeometrie, Verdichtungsverhältnis, Gemischzusammensetzung, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Zündzeitpunkt, Ablagerungen etc.) ab. Damit der Motor störungsfrei arbeitet, muss daher das Oktanzahlangebot des Kraftstoffes so hoch sein, dass der Oktanzahlbedarf des Motors auch bei den ungünstigen Betriebsbedingungen noch erfüllt wird - z.B. kann der Oktanzahlbedarf eines Motors bei Vollgas um 10 Oktanzahlen höher liegen als im Leerlauf. Die Verwendung von oberhalb der Motorspezifikation liegenden Oktanzahlen bringt im Regelfall keine Vorteile. Moderne Motoren mit elektronischer Kennfeldzündung in Kombination mit Klopfsensoren können mit verschieden Oktanzahlen bei reduzierter Leistung gefahren werden.

[Bearbeiten] Oktanzahlen von Ottokraftstoffen

Normal: mindestens 91,0 ROZ / 82,5 MOZ
Super / Bleifrei 95: mindestens 95,0 ROZ / 85,0 MOZ
SuperPlus / Bleifrei 98: mindestens 98,0 ROZ / 88,0 MOZ (in den meisten Fällen aber auch schon auf 100,0 ROZ umgestellt)
Shell V-Power 100+: garantiert mehr als 100 ROZ
Aral ultimate: mindestens 100 ROZ
MoGas (Für Flugbetrieb zugelassenes Superbenzin): mindestens 98 ROZ
100LL (AvGas/Flugbenzin): 100 ROZ
Formel 1 Benzin: maximal 102 ROZ / früher bis 108 ROZ
Autogas: 103 bis 111 ROZ
Erdgas: 120 bis 130 ROZ
E85 (Kraftstoff mit 85% Ethanol): 104 ROZ

In Österreich hat die OMV AG im Jahr 2004 Super Plus mit 100 ROZ eingeführt. In die Schweiz führen BP auch Super Plus mit 100 ROZ ein. Dies ist in Deutschland in vielen Fällen bereits auch umgestellt.