Betriebsstoffe

Ottokraftstoffe

Ottokraftstoffe (Benzine) bestehen aus einem Gemisch von Kohlenwasserstoffver-bindungen hoher Energiedichte auf Erdölbasis. Sie werden generell in Normal- und Superkraftstoffe unterteilt. Sie müssen entsprechend dem Prinzip der Fremdzündung beim Ottoprozess eine hohe Selbstzündungstemperatur aufweisen. Superkraftstoff weist eine höhere Klopffestigkeit als Normalbenzin auf und ist deshalb für höher verdichtete Motoren geeignet.

Für die einzelnen Kraftstoffe gelten verschiedene nationale und internationale Normen. Eine europäische Norm beschreibt z. B. das in Europa eingeführte unverbleite Benzin “EURO- Super”.

Flammpunkt

Wegen des sehr niedrigen Flammpunktes (unter 21° C) werden Ottokraftstoffe in die Gefahrenklasse AI (höchste Gefahrenklasse) eingestuft. Als Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit bezeichnet man die Temperatur, bei der gerade so viel Dampf an die umgebene Luft abgegeben wird, dass sich das entstehende Luft- Kraftstoff- Gemisch an einer Zündquelle entzünden kann.

Flammpunkte verschiedener Kraftstoffe

Gefahrenklasse	Flammpunkt	Beispiele
A I	21° C	Benzin (Ottokraftstoffe) Benzol Methanol
A II	21 ….. 55° C	Petroleum Terpentin
A III	55 ….. 100°C	Dieselkraftstoff Heizöl

Klopfen

Hauptproblem bei der Verbrennung von Ottokraftstoffen ist das Klopfen. Unter klopfender Verbrennung versteht man die Selbstzündung eines Teils des Kraftstoff- Luft- Gemisch, bevor er vor der durch Fremdzündung initiierten Flammfront erfasst werden kann. Dieser Gemischanteil verbrennt so heftig, dass Druckwellen hoher Frequenz entstehen. Sie verursachen Klopf- und Klingelgeräusche sowie die Überbeanspruchung von Bauteilen (besonders Kolben und Lager).

Klopffestigkeit

Bei Ottomotoren wird die Klopffestigkeit mit der Oktanzahl bewertet. Je höher die Oktanzahl eines Kraftstoffs, desto geringer ist die Neigung, klopfend zu verbrennen. Eine hohe Oktanzahl bedeutet eine hohe Zündtemperatur und damit einen hohen Zünddruck (Verdichtung); die Selbstzündung des Kraftstoffs wird erschwert.

Die Zahlenwerte der Motor- Oktanzahl MOZ und der Research- Oktanzahl (ROZ) sind in unterschiedlichen Prüfverfahren ermittelt worden. Das Research- Verfahren untersucht in erster Linie das Klopfen eines Ottomotors beim Beschleunigungsvorgang; das Motor- Verfahren überprüft vornehmlich das Klopf-verhalten bei konstant hoher Drehzahl.

Um das für den Motor schädliche Klopfen zu begrenzen, werden den Ottokraftstoffen organische Bleiverbindungen (inzwischen nationale Verbote) oder spezifische Alkohole als Bleiersatz beigemischt. Wegen der Giftigkeit der dann in den Abgasen enthaltenen Bleiverbindungen, ist der Bleianteil in den meisten europäischen Ländern seit 2000 auf 5mg Blei pro Liter begrenzt. Die Bleiverbindungen zerstören außerdem die Edelmetallbeschichtungen von Katalysatoren und die zur Regelung eingesetzten Lambdasonden. Deshalb können die Motoren von Katalysatorfahrzeugen nur mit bleifreiem Benzin betrieben werden. Bleihaltiges Benzin wird nur noch für einen geringen Anteil von älteren Fahrzeugen benötigt. Es wird an den meisten Tankstellen nicht mehr angeboten. Aktuelle bleifreie Ottokraftstoffe erreichen dieselbe Klopffestigkeit wie Kraftstoffe mit Bleiverbindungen.

Flüchtigkeit

Ottokraftstoffe müssen leicht und vollständig vergasen, um gute Kaltstarteigenschaften zu gewährleisten. Bei heißem Motor muss jedoch zu hohe Flüchtigkeit vermieden werden, um der Dampfblasenbildung vorzubeugen.

Dieselkraftstoffe

Bestandteile der Dieselkraftstoffe sind eine Vielzahl einzelner Kohlenwasserstoffe, die zwischen 180° C und 370° C sieden. Sie werden durch stufenweise Destillation aus Rohöl gewonnen.

Dieselmotoren benötigen aufgrund des Prinzips der Selbstzündung im Gegensatz zum Ottomotor zündwillige Kraftstoffe, die eine niedrige Selbstzündungs-temperatur aufweisen.

Eine wichtige Kenngröße von Kraftstoffen ist der spezifische heizwert H. Je größer der Heizwert eines Kraftstoffs, desto geringer ist die für eine bestimmte Leistung benötigte Kraftstoffmenge. Der spezifische Heizwert von Dieselkraftstoffen liegt geringfügig niedrige als bei Normal- und Superbenzin: die Zündtemperatur liegt bei 250° C. Dieselkraftstoffe besitzen im Vergleich zu Ottokraftstoffen einen höheren Flammpunkt von ungefähr 55° C. Sie werden deshalb in die Gefahrenklasse A III eingestuft.

Nageln

Die Selbstzündung eines Dieselmotors muss deutlich unter der Verdichtungstemperatur liegen, ist dies nicht der fall, so sammelt sich nach dem Einspritzen eine größere menge Dieselkraftstoff im Verbrennungsraum an und verbrennt schlagartig. Es kommt zum Nageln des Dieselmotors. Dieses Nageln entspricht dem Klopfen des Ottomotors. Problem ist dabei jedoch nicht das zu frühe, sondern das zu späte schlagartige Verbrennen.

Zündwilligkeit

Um das Nageln eines Dieselmotors zu verhindern, muss der eingespritzte Dieselkraftstoff ausreichende Zündwilligkeit aufweisen. Um die Zündwilligkeit eines Dieselmotors zu beurteilen, benutzt man die Cetanzahl.

Die Cetanzahl CZ des Dieselkraftstoffs entspricht der Research- Oktanzahl ROZ beim Ottokraftstoff. Sie ist ein Maß für die Zündwilligkeit und ist umso größer, je leichter sich der Kraftstoff entzündet. Der Zündverzug bezeichnet die vom Zeitpunkt des Einspritzens bis zum Entzünden des Kraftstoffs vergangene Zeit. Je kürzer der Zündverzug, desto günstiger verläuft die Verbrennung. Ein Kraftstoff mit hoher Cetanzahl ermöglicht einen sehr hohen Zündverzug. Die Cetanzahl wird in Prüfmotoren durch Mischungsvergleich mit einem Eichkraftstoff ermittelt. Das sehr zündwillige Cetan hat die Cetanzahl CZ = 100. Die meisten Motorenhersteller schreiben eine Cetanzahl von mindestens = 45 vor. Eine Cetanzahl von CZ 50 ist für moderne Motoren sinnvoll.

Paraffinausscheidung

Bei tiefen Temperaturen scheiden Dieselkraftstoffe Paraffin aus. Es handelt sich um Kristalle, die schon bei Temperaturen um 0° C entstehen und Kraftstofffilter und Leitungen der Kraftstoffanlage verstopfen können. Durch Zusatz von Additiven wird das Kristallwachstum eingeschränkt. Mit Hilfe dieser Fließver-besserer können die Paraffinkristalle die Filterporen noch passieren.

Schwefelarmer Dieselkraftstoff

Aus Gründen der Umweltverträglichkeit sollte der Schwefelgehalt von Dieselkraftstoffen minimiert werden. Damit verbundene Schäden und den Verschleiß an Einspritzaggregaten und Elastomermaterialien muss man durch besonders Additive vermeiden.

Kennwerte von Diesel- und Ottokraftstoffen

Kennwerte	Normal unverbleit	Super verbleit/ unverbleit	Dieselkraftstoff
Dichte bei 15° C (kg/l	0,72 …. 0,78	0,72 … 0,78	0,82 … 0,85
Siedepunkt Siedebereich ° C	25 … 210	25 … 210	180 … 360
Mittlerer Heizwert KJ/kg	42700	43500	42500
Mittlerer Heizwert KJ/l	22000	32600	35500
Luftbedarf Kg Luft/ kg Kraftstoff	- 14,8	- 14,7	- 14,5
Oktanzahl ROZ Cetanzahl CZ	91 … 94 ROZ	95 … 98 ROZ	45 … 55 CZ

Alternative Kraftstoffe

Wegen immer stärkerer Belastung der Umwelt wird die Verwendung alternativer Kraftstoffe nach wie vor heftig diskutiert. Um die Schadstoffemissionen zu verringern wird der Einsatz “umweltfreundlicher” Kraftstoffe (in Verbindung mit Katalysatoren) in einzelnen Ländern gefördert oder gar gesetzlich vorgeschrieben.

Bei umweltfreundlichen Kraftstoffen wird vor allem der Schwefel- und Aromatengehalt herabgesetzt. Dies muss durch den Einsatz von Additiven ausgeglichen werden.

Neben der Veränderung der Zusammensetzung von Diesel- und Ottokraftstoffen bietet sich die Möglichkeit, alternative Kraftstoffe einzusetzen. Die Wichtigsten sind:

4 Gas 4 Alkohole 4 Pflanzenöle 4 Wasserstoff

Kennwerte alternativer Kraftstoffe

Kennwerte	Flüssiggas	Wasserstoff	Methanol
Dichte bei 15° C (kg/m3	0,51 … 0,58	0,09	0,79
Siedepunkt Siedebereich	- 30	- 253	65
Mittlerer Heizwert kJ/kg	46100	120.000	19700
Mittlere Heizwert kJ/ m3	25400	10800	1560
Luftbedarf Kg Luft/kg Kraftstoff	-15,5	-34,0	- 6,4
Oktanzahl ROZ	94 … 111 ROZ	90 ROZ	106 ROZ

Gas

Bei dem häufig in Pkw eingesetzten so genannten Autogas LPG handelt es sich um ein Gemisch aus den Hauptkomponenten Propan und Butan. Autogas wird unter Druck verflüssigt und in einem Tank mitgeführt (LPG = Liquid Petroleum Gas).

Auch Erdgas ist wegen der großen, bisher im Vergleich zu Erdöl weit weniger ausgebeuteten Ressourcen als Alternativkraftstoff interessant. Es kann als Hochdruckgas oder in flüssiger Form in einem kältefesten Behälter (-160° C) transportiert werden.

Weitaus größere Bedeutung im Nutzfahrzeugbereich hat CNG (Compressed Natural Gas). Es handelt sich dabei um überwiegend um komprimiertes Methan, das sehr schadstoffarm brennt.

Auch die CO2- Belastung der Luft ist bei der CNG- Verbrennung im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen gering. Die Zündneigung und die Klopffestigkeit werden bei Gasen durch die Methanzahl angegeben. Reines Methan hat eine Methanzahl von 100.

Problematisch beim CNG- Betrieb von Nfz sind die sehr großen Tanks, die geringere Reichweite sowie das Tanken an speziellen Füllstationen. Mit einem spezifischen Heizwert von etwa 50 MJ/kg ist CNG jedoch anderen herkömmlichen Kraftstoffen überlegen.

Alkohole

In erster Linie kommen Methanol, Ethanol und daraus abgeleitete Produkte wie z. B. Ether zum Einsatz. Methanol wird aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen (Kohle, Erdgas, Schweröl) hergestellt. Ethanol kann auch durch vergären aus Biomasse (Zuckerrohr, Weizen) gewonnen werden. Sowohl Methanol als auch Ethanolwerden auch als Kraftstoffzusatz eingesetzt. Die sehr niedrigen spezifischen Heizwerte sowie andere fehlende Eigenschaften der Alkohole sind problematisch und machen umfangreiche Änderungen an den verwendeten Motoren nötig.

Pflanzenöle

Pflanzenöle eignen sich nur bedingt zur Verbrennung in Dieselmotoren. Hauptproblem ist die starke Verkokung der Einspritzdüsen. Durch Versetzen der Pflanzenöle mit Methanol (z. B. Rapsölmethylester) können diese Probleme beseitigt werden. Kraftstoffe aus Pflanzenölen sind derzeit nicht wirtschaftlich. Sie unterliegen deshalb keiner Mineralölsteuer.

Wasserstoff

Als weltweit erster Nfz Hersteller erprobt MAN Motoren, die mit Wasserstoff betrieben werden können. Es gilt als umweltfreundlichster Kraftstoff und besitzt fast den dreifachen Heizwert des Dieselkraftstoffs.

BLUETEC

BLUETEC ist ein Modulares Abgas- Reinigungssystem, das Stickoxide reduziert. Diese sind die einzigen Abgas- Komponenten, die heute bei Dieselmotoren konzeptbedingt noch über den Wert von Benzinern liegen.

Daimler hat BLUE TEC in zwei Versionen entwickelt:

Bei Mercedes- Benz E- Klasse etwa werden Oxidations- Katalysator und Partikelfilter mit einem weiterentwickelten, besonders langlebigen Nox Speicher- Katalysator sowie einem zusätzlichen SCR- Katalysator kombiniert.

Die zweite BLUETEC Version ist noch wirkungsvoller. Hierbei wird AdBlue, eine wässrige, harmlose Flüssigkeit, in den Abgasstrom eingespritzt. Dadurch wird Ammoniak freigesetzt, das im nach geschalteten SCR- Katalysator bis zu 80% der Stickoxide zu unschädlichem Stickstoff und Wasser reduziert. Welches BLUETEC- System zum Einsatz kommt, hängt vom jeweiligen Fahrzeugkonzept und- gewicht sowie denoxierungs- Anforderungen ab.

AdBlue

Ad Blue ist der Handelsname einer qualitativ hochwertigen, standardisierten und synthetisch hergestellten wässrigen Harnlösung, die bei der SCR Technik benötigt wird. Sie ist ungiftig, farb- und geruchlos. Durch die Motorelektronik gesteuert wird AdBlue dem heißen Abgasstrom zugemischt, in dem giftige Stickoxide enthalten sind. Der SCR- Katalysator wandelt dann diese Gemisch in harmlosen Stickstoff und Wasserdampf um.

AdBlue wird in einem separaten tank mitgeführt und verursacht keinerlei Probleme für Fahrer und Fahrzeug. Lkw und schwere Nfz mit SCR Technologie erfüllen die ab 2006 geltenden Abgaswert von Euro 4 und werden- in einer weiterentwickelten Version- auch die ab 2009 geltende nächste Stufe, Euro 5 erfüllen können. AdBlue wird von führenden Harnstoff Produzenten in sechs europäischen Ländern hergestellt, um flächendeckende Versorgung zu gewährleisten.

Biodiesel

Die fossilen Energierohstoffe, aus denen auch der herkömmliche Dieselkraftstoff hergestellt wird, werden in einigen Jahrzehnten aufgebraucht sein. Außerdem sind unter dem Gesichtspunkt des Klimaschutzes Maßnahmen zur Verminderung der CO2- Emission erforderlich. Unter beiden Aspekten ist der Einsatz nachwachsender Energie von großer Bedeutung.

In Deutschland ist der gelb blühende Raps die stoffliche Grundlage zur Herstellung des alternativen Kraftstoffs Biodiesel. Auf 1 Hektar Anbaufläche können ca. 1600 Liter Rapsöl erzeugt werden, die eine etwa gleich große Menge Biodiesel ergeben. Der nachwachsende Rohstoff ist CO2 neutral: Mit jedem Liter Biodiesel werden etwa 3,5 kg Fossiles CO2 eingespart, weil der Kohlenstoff vorher durch die Pflanze aus der Luft gebunden wurde.

Herstellung

Die Rapssaat wird in Ölmühlen gepresst, dabei werden Öl und Presskuchen gewonnen. Der Presskuchen geht zur Weiterverarbeitung in die Futter-mittelindustrie. Das Öl wird vollständig oder teilweise entschleimt.

Da reines Rapsöl in herkömmlichen Dieselmotoren nicht eingesetzt werden kann, muss seine Struktur verändert werden. Diese chemische Veränderung bezeichnet man las “Umesterung”. Dabei wird der dreiwertige Alkohol Glycerin, an dessen Bindungsstellen drei Fettsäuremoleküle als Ester gebunden sind, durch jeweils drei Moleküle Methanol des auf diese Weise gebildeten Fettsäuremethylesters (allgemein als FAME bezeichnet) kleiner als die Originalmoleküle des Rapsöls und nähern sich ihre Eigenschaften dem Mineralöldiesel an. Beispielsweise sinkt die Viskosität auf die für Dieselkraftstoff typischen Werte, und ein auf der Basis von Raps hergestellter Biodiesel (häufig auch als RME bezeichnet) hat bereits ohne Additive eine von Natur aus gegebene Kältefestigkeit (CEPP) von -10 bis - 12° C.

Das für diese Reaktion benötigte Methanol wird von dem vorher gereinigten Rapsöl in einem Anteil von 10 bis 15% beigegeben und mit Hilfe von

Katalysatoren (z. B. Kaliumhydroxid) zur Reaktion gebracht. Nach der Reaktion werden die Nebenprodukte abgetrennt, an denen Glycerin den größten Anteil hat. Überschüssiges Methanol wird durch Destillieren entfernt und in die Reaktion zurückgeführt. Der Roh- Biodiesel wird anschließend mehreren Reinigungsstufen unterzogen und ist nach eine abschließenden Qualitätsprüfung verkaufsfähig.

Biodiesel wird ähnlich wie Mineralöldiesel mit Additiven ausgerüstet, um einerseits im Winter Kältefestigkeit von bis zu - 20°C (CEPP) und anderseits eine ausreichende Oxidationsstabiliät zu erreichen.

Einsatz

Biodiesel kann prinzipiell in jedem Dieselmotor eingesetzt werden; dennoch sind einige spezifische Eigenschaften des Biodiesels zu beachten. Einige Fahrzeughersteller haben die notwendeigen Anpassungen (insbesondere Einsatz von biodieseltauglichen Materialien) vorgenommen und freigaben für die Benutzung von Biodiesel erteilt. Zu beachten sind damit ggf. verbundenen Auflagen, wie beispielsweise verkürzter Intervalle beim Motorölwechsel. In einzelnen Fällen werden auch ganze Fahrzeugflotten bezogene Freigaben erteilt.

Die Freigaben beziehen sich auf den Einsatz von Biodiesel nach der Spezifikation DIN EN 14214 (früher E DIN 51606). Aktuelle Informationen unter www. ufop.de.

Kraftstofffilter

Wer bisher den Motor mit herkömmlichen Dieselkraftstoff betrieben hat, sollte nach 1 - 2 Tankfüllungen mit Biodiesel den Kraftstofffilter austauschen, weil Biodiesel alte Ablagerungen des mineralischen Kraftstoffs im Tank und in den Leitungen löst. Empfehlenswert ist es, einen Reservefilter mitzuführen. Bei den meisten Nfz-Typen können diese auch vom Fahrer mit wenig Aufwand ausgetauscht werden.

Schläuche und Dichtungen

Kraftstoffschläuche und Dichtungen sind bei einigen nicht ab Werk für Biodiesel freigegebenen Fabrikaten aus Materialien hergestellt, die auf Dauer gegenüber Biodiesel nicht beständig sind. Treten “Aufquellungen” zutage, sollten sie gegen geeignete Werkstoffe ausgetauscht werden.

Lack

Biodiesel sollte mit Lackteilen nicht in Berührung Kommen. Werden betroffene Lackteile jedoch sofort abgewischt, treten i. d. r. auch bei empfindlichen Lacken keine Schäden auf.

Tank- Innenbeschichtungen

Sind generell als kritisch anzusehen und sollten vermieden werden.

Motoröl

Bei schwacher Motorauslastung bzw. Altfahrzeugen kann es, genauso wie beim herkömmlichen Dieselkraftstoff, zu Ölverdünnungen kommen. Im Zweifelsfall ist

die Durchführung einer Motoranalyse angeraten. Die vom Motorhersteller vorgeschriebenen Ölwechselintervalle sind einzuhalten.

Schäden durch Biodiesel

Bei sachgerechtem Umgang und Einsatz von normgerechten Biodiesel sind keine durch den Kraftstoff bedingten Schäden zu erwarten. Falls dennoch Schwierigkeiten auftreten, sollte unbedingt eine genaue Diagnose vorgenommen werden, um durch den Kraftstoff bedingte Probleme von anderen Ursachen zu trennen.

Mischen

Biodiesel und herkömmlichen Mineralöl- Dieselkraftstoff können wechselseitig getankt werden. Ein Mischbetrieb ist technisch problemlos möglich. Mischungen mit anderen Stoffen, z. B. Rapsöl, sind unzulässig und führen zu nachhaltigen Schädigungen am Motor bzw. am Einspritzsystem.

Kraftstoffverbrauch

Biodiesel hat auf Grund seiner chemischen Struktur einen etwas geringeren spezifischen Energiegehalt gegenüber Mineralöldiesel. Dem stehen jedoch deutlich günstigere andere motorische Kennwerte gegenüber, so dass bei gleicher Leistung effektiv ein Mehrverbrauch von bis zu 5% (je nach Fahrweise) zu erwarten ist.

Transport und Lagerung

Biodiesel muss sachgerecht transportiert und gelagert werden. Zur Lagerung sind unterirdische Tanks oberirdischen vorzuziehen. Insbesondere ist der Wassereindrang in das Produkt zu vermeiden. Bei Produktwechsel ist ggf. eine Tankreinigung geboten.

Umwelt, Abgase und Sicherheit

Biodiesel ist auf Grund seiner guten biologischen Abbaubarkeit in die niedrigste Wassergefährdungsklasse (WGK 1) eingeordnet. Er bietet sich daher besonders zum Einsatz in Umweltsensiblen Bereichen mit häufiger mobiler Betankung an (z. B. Forstwirtschaft. Landstraßen- und Autobahnbau).

Hervorzuheben sind weiterhin die niedrigen Konzentrationen der limitierten Emissionen beim Biodiesel. Durch den Biodiesel- Einsatz können die Schadstoffe CO um 10%, HC um 10%, Partikel um 24% und Ruß um 52% gesenkt werden. Bei Vorkammermotoren sind die Werte teilweise noch günstiger.

Da im Biodiesel so gut wie kein Schwefel enthalten ist, führt er nicht zum “Saueren Regen”, und moderne Abgasreinigungssysteme können effektiv eingesetzt werden.

Biodiesel ist aufgrund seines hohen Flammpunktes und weitere günstiger sicherheitstechnischer Eigenschaften nicht als Gefahrgut im Sinne der Gefahrgutverordnung eingestuft.