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Es gibt wesentliche Unterschiede zwischen Diesel und Benzin. Dafür ist es notwendig, daß wir die beiden Stoffe einen nach dem anderen genauer untersuchen.
DIESELKRAFTSTOFFE
Herstellung:
Dieselkraftstoffe werden wie Benzin auch in einer Raffinerie hergestellt. Diesel erhält man aber nicht einfach durch Destillation aus dem Reinöl, Diesel ist ein Gemisch aus verschiedenen Stoffen (Abb.1), die aus der Destillation des Reinöls gewonnen werden. Nach der Destillation werden die Stoffe entschwefelt. Inzwischen werden diese Stoffe auch über verschiedene Crackverfahren gewonnen.
Es gibt zwei Arten des Crackens (to crack = zerbrechen), das thermische Cracken und das katalytische Cracken. Beim thermischen Cracken werden die langkettigen Ausgangsmoleküle bei einem Druck von 5 bis 6 bar auf ca. 500 °C erwärmt. Durch die Erwärmung fangen die Moleküle an zu schwingen, bis die Schwingungen so stark sind, daß die Moleküle in kleinere Moleküle zerbrechen (Abb.2). Sie nehmen dabei gerade, verzweigte oder sogar ringförmige Gestalt an. Dieser Vorgang erfolgt jedoch ungesteuert und daher zufällig. Deshalb macht man sich das katalytische Cracken zunutze, bei dem man die Entstehung verzweigter oder ringförmiger Moleküle steuern kann.
Dazu kurz zur Wirkungsweise von Katalysatoren (kurz: Kat): ,Sie sind Stoffe, die einen chemischen Vorgang einleiten oder beschleunigen, ohne sich dabei selbst zu verändern'.
Bei diesem Crackverfahren werden hauptsächlich Isomerisierung und Aromatisierung genutzt. Bei der Isomerisierung werden lange, geradkettige Moleküle (z.B. Oktan) in verzweigte, kürzere umgewandelt. Bei der Aromatisierung entstehen ringförmige Moleküle, die wegen ihres aromatischen Geruchs als Aromaten bezeichnet werden. Bei der Herstellung dient Platin als Kat. Daher wird dieser Vorgang auch Platforming-Prozeß genannt. Das Endprodukt heißt Platformat.
Die Komponenten, die aus den verschiedenen Crackverfahren hervorgehen, haben verschiedene Eigenschaften (siehe Abb.3). Welche Komponenten und die damit verbundenen Verfahren für die Dieselkraftstoffgewinnung verwendet werden, hängt von der Ausrüstung der Raffinerie, den physikalischen Daten der Komponenten, deren Mengenbilanz und den zu erzielenden Qualitätsanforderungen ab. Hauptkriterien für die Herstellung (Aufmischung) sind Dichte, Siedeverhalten, Flammpunkt, Kälteverhalten und Cetanzahl, auf die später noch genauer eingegangen wird. Als nächstes muß für die Herstellung beachtet werden, ob man Sommer- oder Winterkraftstoff erhalten will. Für den "Winterdiesel" muß der Anteil von Kerosin und leichtes Gasöl angehoben und der Anteil von schwerem Gasöl und Vacuum-Gasöl reduziert werden. Hat man den gewünschten Dieselkraftstoff erhalten, muß dieser, wie schon genannt, entschwefelt werden. Dazu wird der Stoff unter hohem Druck "wasserstoffbehandelt", wobei sich der Schwefel von der Kohlenwasserstoffverbindung löst und sich mit dem Wasserstoff verbindet. Diese Verbindung wird später in der chemischen Industrie weiter verarbeitet.
Die Wasserstoffbehandlung hat aber noch weitere nützliche Effekte: der Aromatengehalt geht zurück, das heißt der Kraftstoff "stinkt" weniger und durch den abnehmenden Schwefelgehalt nimmt auch die Dichte ab, was zur Folge hat, daß der volumetrische Verbrauch ansteigt. Ein weiterer sehr nützlicher Effekt ist, daß die Cetanzahl (Zündwilligkeit) ansteigt.
Zusammensetzung:
Die Zusammensetzung des Diesels bestimmt wesentlich seine Eigenschaften. Er besteht aus einem Gemisch unterschiedlicher Kohlenwasserstoffverbindungen wie:
Aromaten: Aromaten sind ringförmige Kohlenwasserstoffverbindungen, bei denen die
Kohlenstoffatome wechselweise durch Doppelbindungen miteinander verbunden sind(z.B. Benzol). Diese werden jedoch noch in Mono-Aromaten (ein Ring) und in "Mehr-Ring-Aromaten" (Di-, Tri-, und höhere Polyaromaten) unterschieden. Aromaten, deren Moleküle kurze Seitenketten haben, haben wirklich aromatische Eigenschaften. Sie bewirken eine hohe Löslichkeit anderer Produkte und eine niedrige Cetanzahl. Aromatenmoleküle mit langen Seitenketten verhalten sich eher wie Paraffine.
Die Polyaromaten sind der Gehalt an schwersiedenden Kohlenwasserstoffen mit drei oder mehr ringförmigen Verbindungen im Molekül. Eine Reduktion führt zu einer Abnahme der Partikelemission, welche durch Wasserstoffbehandlung bei hohem Druck und hoher Temperatur möglich ist. Die vorhandenen Raffinerien können einen vollkommene Entfernung jedoch nicht bewerkstelligen, sondern die Polyaromaten nur vermindern.
Paraffine: Paraffine sind gesättigte Kohlenwasserstoffe. Für Dieselkraftstoffe eigenen sich besonders kettenförmige Normal-Paraffine. Diese zeichnen sich durch gute Zündwilligkeit (Cetanzahl) aus, haben aber begrenztes Kälteverhalten (deshalb der Winterdiesel). Paraffine stellen den größten Anteil der
Kohlenwasserstoffe im Dieselkraftstoff dar.
Naphthene: Naphthene bestehen aus ringförmig gesättigten Kohlenwasserstoffen mit einer einfachen Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen im Molekül.
Sie bewirken ein gutes Kälteverhalten, aber eine nur mittelmäßige Cetanzahl.
Olefine: Diese sind einfache ungesättigte, kettenförmige Kohlenwasserstoffe, die im Vergleich zu den Paraffinen eine geringere, aber immer noch recht hohe Cetanzahl haben. Im Vergleich zu den kurzkettigen Olefinen, die im
Ottokraftstoff enthalten sind, hat die einfache Doppelbindung in den langekettigen Diesel-Olefinen nur geringen Einfluß auf die physikalischen
Eigenschaften und das Brennverhalten.
Schwefelgehalt: Der Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffs ist abhängig von dem
Schwefelgehalt des verwendeten Rohöls und würde ohne
Entschwefelung im Bereich von 0,2 bis > 1% liegen; vorgeschrieben ist ein Maximalwert von 0,05%. Der Schwefel liegt in chemisch
gebundener Form vor und wird bei der Verbrennung zu 95% zu gasförmigem, giftigem Schwefeldioxid (SO²) verbrannt. Der Rest findet sich in der Partikelemission der Abgase wieder.
Wassergehalt: Rohöle enthalten geringe Anteile von Wasser. Weiteres Wasser kommt
in der Raffinerie durch Waschprozesse hinzu, die nötig sind, um
unerwünschte aber wasserlösliche Stoffe auszuwaschen und Wasser, das bei der Entschwefelung in Form von Wasserdampf zur Entfernung
des Schwefelwasserstoffs benötigt wurde.
Die maximale Menge gelösten Wassers sinkt mit abnehmendem
Aromatengehalt und der Kraftstofftemperatur. Ein mit Wasser
gesättigter Dieselkraftstoff wird mit absinkender Temperatur trübe und Wasserabscheidungen treten auf. Insbesondere im Winter sollte jedes Eindringen von Wasser in den Dieselkraftstoff vermieden werden, da sich Eiskristalle bilden können, die den Filter verstopfen.
Zusätze : Diese Stoffe verbessern die Kraftstoffeigenschaften und das Verhalten der
(Additive) Kraftstoffe im Motor deutlich. Die wichtigsten und deren Eigenschaften
sind:
Additiv Wirkstoff Verbesserung
Zündbeschleuniger
organische Nitrate z.B. Kraftstoff-Cetanzahl
Ethyl-Hexyl-Nitrat
Motorkaltstart, Abgas-Weißrauch, Motor-
Geräuschbildung, Abgasemission,
Kraftstoffverbrauch
Detergentien
Amine, Amide, Succinimide Düsensauberkeit
Polyalkyl-Succinimide,
Polyetheramine
Fließverbesserer
Ethyl-Vinyl-Accetate Fahrzeugbetriebssicherheit bei niedrigen
Temperaturen, Einsatz paraffinischer
Komponenten mit hoher Cetanzahl
Wax-Anti-Settling Additiv
Alkyl-Aryl-Amide Kraftstofflagerung bei niedrigen Temperaturen
Schmierfähigkeitsverbesserer
Fettsäurederivate Einspritzpumpenverschleiß besonders für
wasserstoffbehandelte, niedrig schwefelhaltige
Kraftstoffe
Antischaum Additiv
Silikonöle bequemes Auftanken (weniger Überschwappen)
Korrosionsschutzadditive Alleylbernsteinsäure-Ester
oder Aminsalze alkenischer Schutz des Kraftstoffsystems (Versorgungsnetz
Succinimidsäure und Fahrzeuge
So bewirkt ein Zündbeschleuniger zum Beispiel, daß die Cetanzahl
angehoben wird und damit eine verbesserte Verbrennung und eine
verminderte Abgasemission entsteht.
Dieselkraftstoff-Detergentien vermindern Rückstände in der Einspritzdüse,
die durch Verkokung hervorgerufen werden, die zu einer Verminderung der
Kraftstoffmenge bei Verbrennungsanfang und einer Verzögerung des
Einspritzbeginns führen. Die Folgen sind steilerer Druckanstieg mit höherer Abgas- und Geräuschemission.
Absenkungen des CFPP (Cold Filter Plugging Point ist der Temperaturwert, bei dem der Kraftstoff bei Kälte noch störungsfrei fließt. Dieselkraftstoffe müssen gemäß der Anforderungsnorm EN 590 eine der Umgebungstemperatur entsprechende Kältefestigkeit vorweisen. Diese wird durch den CFPP ausgedrückt.
Dazu die Werte für Deutschland:
Winter: CFPP bis -20 °C
Frühjahr: CFPP bis -10 °C
Sommer: CFPP bis +/-0 °C
Herbst: CFPP bis -10 °C
Durch den CFPP wird die Betriebssicherheit des Fahrzeugs beschrieben.
Um einen laufenden Motor auch unterhalb des Cloudpoints und nahe des CFPP zu gewährleisten, werden aktiv geheizte Filter im Kraftstoffsystem angebracht, die die bei Kälte entstehenden Paraffinkristalle herausfiltert und "schmelzen" läßt)
um mehr als 10 °C unter den "Cloudpoint" (der Temperaturwert, bei dem erstmals eine Wolke von Paraffinkristallen auftritt, wenn der Dieselkraftstoff abgekühlt wird) sind alleine durch Fließverbesserer möglich. Weitere Absenkung des CFPP ist nur durch zusätzliche Verwendung von
Wax-Antisettling-Additiven (WASA) möglich. Damit wird gleichzeitig die Sedimentation von Paraffinkristallen bei der Langzeitlagerung unterhalb des Kraftstoff-Cloudpoints vermindert.
Korrosionsschutzadditive bilden durch ihre polaren Molekülgruppen von Estern oder alkenischen Succinimidsäuren eine monomolekulare Schutzschicht auf der Metalloberfläche, die den Zutritt und damit eine mögliche Oxidation von Wasser und Säuren verhindert.
Weitere Additive, die nur bei Bedarf eingesetzt werden, sind Antioxidantien zur Stabilisierung der Crackomponeneten, Biozide zur Vernichtung von Mikroorganismen in Lagertanks, Antistatik-Additive zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und Deodorants zur Verminderung des für den Verbraucher unangenehmen Geruch.
Alle zur Zeit eingesetzten Additive basieren auf organischen Verbindungen, was bedeutet, daß bei ihrer Verbrennung nur Wasserdampf, CO² und Stickstoff entsteht. Einzige Ausnahme sind Schaumdämpfer, deren Wirksubstanz Silikonöl Spuren von Silizium-Verbindungen im Verbrennungsgas entstehen lassen.
Metallorganische Additive, deren Verwundung zur Verminderung der Ruß- und Partikelemission möglich wäre, werden aufgrund der noch nicht ausreichenden Untersuchung auf ihre Toxizität im Abgas noch nicht kommerziell eingesetzt.
Es gibt noch eine Möglichkeit, die Abgasemission zu vermindern, indem man den Kraftstoff reformuliert. Darunter versteht man eine Änderung der Zusammensetzung
und/oder der physikalischen Kenndaten (z.B. Anhebung oder Absenkung des Siedeendes), deren überwiegende Verbesserung die Anhebung der Cetanzahl ist. Abgesehen von den wirtschaftlichen Nachteilen, denn kostenlos ist die Reformulation auch nicht und nicht jede Raffinerie ist mit den nötigen Gerätschaften ausgerüstet, haben einige der Maßnahmen, die möglich sind oder wären, gegenläufige Effekt auf die einzelnen Emissionskennwerte.
Daher können Emissionsverbesserungen nur durch integrale Betrachtungen der Auswirkungen in Luftqualitätsmodellen mit entsprechenden Prioritäten für Luftschadstoffe erreicht werden. Doch dazu müssen noch zusätzlich die Auswirkungen auf andere Kraftstoffeigenschaften berücksichtigt werden, wie in der folgenden Tabelle dargestellt ist.
Eigenschaften:
Die Dieselkraftstoffeigenschaften setzen sich aus der Summe der physikalischen Eigenschaften und aus der Summe der chemischen Eigenschaften zusammen. Dabei müssen diese den Anforderungen entsprechen, die durch den Transport, die Lagerung, die Eignung für den motorischen Betrieb und den Einfluß auf die Umwelt bestimmt werden. Und diese werden durch die Anforderungsnorm EN 590 festgelegt. So darf im Dieselkraftstoff der maximale Anteil an:
relativer Feuchte (Wasser) max. 60 - 80%
relativer Feuchte (CmHn-Dämpfe) max. 60 - 80%
Staub max. 25 - 50 mg/m³
Schwefel (als H2S) max. 2000 - 2200 mg/m³
Schwefelwasserstoff max. 0,15%
Chlor max. 100 mg/m³
Fluor max. 50 mg/m³
Ammoniak max. 55 mg/m³
betragen.
Diese Werte stimmen jedoch nicht für Fahrzeuge mit Katalysatoren. Für sie bestehen weitere Einschränkungen.
Die Anteile können durch die Auswahl der zu verwendenden Rohöle, aber mehr noch durch das eingesetzte Raffinerieverfahren und durch Zugabe oben beschriebener Additive beeinflußt werden.
Des weiteren kommen folgende Eigenschaften hinzu:
Aschegehalt: Der Aschegehalt bestimmt den Wert an anorganischen Fremdstoffen. Dieser darf bei Diesel nicht größer als 0,01% sein (gemessen an EN 26 245). Normalerweise liegt der reelle Wert in den heutigen Kraftstoffen unter der Nachweisgrenze.
Cetanindex: Dieser Index gibt die Zündwilligkeit des Kraftstoffs an, ohne daß man die Cetanzahl kennt. Man errechnet ihn entsprechend ISO 4264 aus Dichte und Siedeverhalten.
Cetanzahl: Die Cetanzahl gibt die Zündwilligkeit des Kraftstoffs an. Dazu werden Kraftstoffe in einem speziellen Einzylinder-Prüfmotor (CFR-Motor DIN EN 25165) mit konstantem Zündverzug zwischen Kraftstoffeinspritzung und Verbrennungsbeginn gezündet und mit der Zündwilligkeit von Cetan C16H34 (CZ 100) und -Methyl-Naphtalin C11H10 (CZ 0) verglichen. Ein Kraftstoff, der die gleiche Zündwilligkeit wie ein Gemisch aus 52% C16H34 und 48% C11H10, erhält definitionsgemäß eine Cetanzahl von 52.
Kraftstoffe mit zu niedriger Cetanzahl, also mit nicht ausreichender Zündwilligkeit, haben einen hohen Zündverzug, was zu schlechtem Kaltstart, hohe Drücke in den Verbrennungsräumen des Motors und damit höhere Abgas- und Geräuschemission führt.
In Europa ist nach der Anforderungsnorm EN 590 eine Mindestcetanzahl von 49 vorgeschrieben. Die meisten Dieselkraftstoffe haben eine Cetanzahl um die 52, wobei Sommerkraftstoffe zu höheren Werten, Winterkraftstoffe zu niedrigeren Werten neigen, da die sehr zündwilligen Paraffine im Winter bei Temperaturen im negativen Bereich kristallisieren und somit nicht mehr die nötigen Kälteeigenschaften gewährleistet wären.
Mit zunehmender Cetanzahl verbessert sich das Start- und das Geräuschverhalten des Motors.
Eine Anhebung der Cetanzahl ist durch Wasserstoffbehandlung bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck möglich.
Dichte: Sie wird bei 15 °C gemessen (nach Bestimmungsnorm DIN 51 551, ISO 3675 und ASTM D 4052) und bestimmt die Masse eines Kraftstoffvolumens.
Die Dichte steigt mit steigendem Kohlenstoffgehalt, also mit zunehmender Kettenlänge der paraffinischen Moleküle und zunehmenden Doppelbindungen. Nach der Anforderungsnorm EN 590 darf die Dichte von Dieselkraftstoffen den Wert 820 kg/m³ nicht unter- und 860 kg/m³ nicht überschreiten. Ausnahmen gibt es bei Kraftstoffen, die unter arktischen Bedingungen verbrennen müssen. Sie haben keine langkettigen Paraffine, ihre Dichte ist also automatisch geringer (800 - 840 kg/m³).
Steigende Kraftstoffdichte verringert den Kraftstoffverbrauch, erhöht aber Ruß- und Partikelemission. Geringere Kraftstoffdichte senkt diese Emissionen, allerdings unter Einbuße von Motorleistung.
Elektrische Leitfähigkeit: Zur Verhinderung elektrostatischer Aufladung bei schneller Kraftstoffverpumpung ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit des Kraftstoffs erwünscht. Bei 20 °C liegt die Leitfähigkeit bei ca. 20 pS/m (pico-Siemensmeter). Diese reicht für den normalen Gebrauch im Straßenverkehr aus. Mit steigender Kraftstofftemperatur steigt auch dessen elektrische Leitfähigkeit.
Energie: Nur wegen ihr brauchen wir den Kraftstoff - um Energie in Bewegung umzusetzen. Die im Dieselkraftstoff enthaltene Energie pro Volumen, die bei der Verbrennung freigesetzt werden kann, wird als Heizwert angegeben.
Für den praktischen Betrieb ist nur der untere Heizwert von Bedeutung, da der obere Heizwert den Energiewert bei Verdampfung des Kraftstoffs angibt, bei dem der Wassergehalt kondensiert. Bei der Nutzung im Verbrennungsmotor kondensiert das Wasser aber nicht im Verbrennungsraum.
Der untere Heizwert wird durch Subtraktion der Kondensationswärme des Wasserstoffgehalts, der vorher über eine Elementaranalyse ermittelt wurde, vom oberen Heizwert ermittelt. Für Dieselkraftstoffe ist der Wert von 43 MJ/kg oder 36 MJ/l realistisch. Die Umwandlung der chemischen Energie in mechanische Energie ist beim Dieselmotor weitaus effektiver als beim Ottomotor, da beim Diesel die Verbrennung bei Luftüberschuß und fehlender Ansaugluftdrosselung von statten geht. Trotz des Vorteils gegenüber dem Ottomotor können nur 43% der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Bewegungsenergie umgewandelt und an die Kurbelwelle weiter gegeben werden. Der Großteil geht in Form von Wärmeenergie an die Umwelt.
Energiedichte: Die Energiedichte bezeichnet den Energiegehalt pro Volumen- oder
Gewichtseinheit. Dieselkraftstoff hat eine 15%ig höhere Energiedichte
pro Volumeneinheit als Ottokraftstoff.
Flammpunkt: Dieser Punkt gibt den niedrigsten Temperaturwert an, bei dem in einem geschlossenen Gefäß unter Normaldruck so viel Gas einer Flüssigkeit freigesetzt wird, daß es unter Fremdzündung verbrennt (ISO 2719). Dieselkraftstoffe haben Flammpunkte über 55 °C. Dies ist für Transport ein wichtiges Kriterium, denn dadurch kann man den Kraftstoff sicher transportieren, ohne Gefahr laufen zu müssen, daß er sich unter normalen Bedingungen entzündet.
Bei der Herstellung begrenzt der Flammpunkt die Verwendung leichtflüchtiger Komponenten.
Gesamtverschmutzung: Die Summe der ungelösten Fremdstoffe in dem Kraftstoff, wie Rost, Sand und organische Stoffe, darf nicht größer sein als 24 mg/kg (EN 590). Handelsüblich sind Werte von weniger als 10 mg/kg. Hohe Fremdstoffgehalte würden insbesondere im Winter zu Fahrzeugfilterverstopfungen in Verbindung mit Paraffinkristallen führen.
Kälteverhalten: Das Fließverhalten und die Filtergängigkeit bei niedrigen Temperaturen werden durch diese Eigenschaft beschrieben und ist durch den oben erläuterten CFPP definiert. Um ein optimales Kälteverhalten zu erreichen, muß ein optimales Gleichgewicht zwischen Aromaten und Praffinen gefunden werden, so daß das Zündverhalten genau so gut ist, wie die Entstehung von Paraffinkristallen, wobei die schlecht zündenden Aromaten die schnell kristallierenden Paraffine zerkleinern.
Koksrückstand: Er wird durch die letzten 10% des Destillats ermittelt, indem man es verschwelen läßt. Er enthält im wesentlichen organische Bestandteile und gibt Hinweise über die Verkokungsneigung von Kraftstoffen an Einspritzdüsen. Der Koksrückstand wird deshalb dem Destillat entnommen, da Dieselkraftstoff-Additive den Koksrückstand anheben und so zu falschen Ergebnissen führen würden. Maximal dürfen nach EN 590 0,3% Koksrückstand vorhanden sein, im Handel findet man jedoch nur 1/10 davon.
Kompressibilität: Diese Eigenschaft ist wichtig für die Entwicklung der Einspritzanlagen. Mit zunehmender Molekülgröße und abnehmender Temperatur nimmt die Kompressibilität der Paraffine ab.
Korrosionswirkung: Dieselkraftstoffe haben insbesondere bei längerer Lagerung eine korrodierende Wirkung auf Metalle. Dagegen werden Additive dem Kraftstoff beigegeben, die auch unter erschwerten Bedingungen einen Schutz für die mit dem Kraftstoff in Berührung kommenden Metalle bilden.
Lubricity: Das ist die Schmierfähigkeit von Dieselkraftstoffen. Sie wird unter hohem Druck und erhöhter Temperatur mit Hilfe von Wasserstoff verbessert, um den Verschleiß an Verteilereinspritzpumpen und Pumpe/Düse-Systemen zu vermindern.
Oxidationsstabilität: Kraftstoffe können bei Langzeitlagerung teilweise oxidieren und polymerisieren. Das führt zur Bildung von unlöslichen Bestandteilen und damit zur Filterverstopfung. Ursache dafür ist abgespalteter Wasserstoff und Sauerstoff, der sich vorzugsweise an ungesättigte olefinische Kraftstoffmoleküle anlagert. Den sogenannten "freien Radikalen" als Zwischenprodukt laufenden Prozeß der Oxidation hält man durch Verwendung von Antioxidantien (Additive) auf. Dabei dürfen nach ASTM D 2274 nicht mehr als 25 g/m³ lösliche und unlösliche Harzstoffe nach 16 Stunden Labormessung entstehen. In der Praxis sind es nicht mehr als 1 g/m³.
Siedepunkt: Höchste Temperatur, bevor der Kraftstoff verdampft (ca. 350 °C).
Siedeverlauf: Diesel besteht aus verschiedenen Kohlenwasserstoffverbindungen, die zwischen 170 und 380 °C sieden. Der tatsächliche Siedeverlauf beginnt jedoch früher und ist später beendet als der angegebene Siedeverlauf, da bei einer unter praktischen Bedingungen schnellen Verdampfung schwersiedende Komponenten schon früher mitgerissen werden und leichtflüchtige Komponenten noch zurückgehalten werden. Da Dieselkraftstoff zum Großteil direkt aus der Rohöldestillation gewonnen wird, bedeutet eine Einschränkung des Siedebereichs und besonders die Absenkung des Siedeendes eine Reduktion der Kraftstoffverfügbarkeit.
Stockpunkt: Ab diesem Temperaturwert fließt der Kraftstoff nicht mehr. Er liegt damit noch unterhalb des CFPP, hat aber keine Aussagekraft für das Betriebsverhalten.
Verdampfungswärme: Sie ist für die Gemischaufbereitung nach der Einspritzung wichtig und ergibt sich aus den enthaltenen Kohlenwasserstoffen. Mit zunehmender Molekülgröße nimmt die Verdampfungswärme ab. Der typische Bereich liegt zwischen 240 und 260 kJ/kg.
Viskosität: Dieser Ausdruck gibt die Zähigkeit eines fließfähigen Stoffes an und ist die Eigenschaft bei einer Verformung eine Spannung aufzunehmen, die von der Verformungsgeschwindigkeit abhängt (siehe DIN 1342). Sie bestimmt das Kraftstoff-Förderverhalten in Förder- und Einspritzpumpe sowie die Zerstäubung des Kraftstoffs. Ist die Viskosität zu hoch, wird die Pumpfähigkeit bei niedrigen Temperaturen behindert und Kaltstartprobleme treten auf. Ist die Viskosität zu niedrig, sind Heißstartprobleme, Leistungsverlust bei hohen Temperaturen und Pumpenverschleiß die Folge.
Dem ganzen stellen wir nun die OTTOKRAFTSTOFFE gegenüber.
Herstellung:
Im Gegensatz zu Dieselkraftstoffen, die aus Destillaten gewonnen werden, ist Ottokraftstoff ausschließlich aus weiterveredelten Raffinerie-Komponenten zusammengesetzt. Zulässig sind geringe Anteile an hochoktanigen Alkoholen und Ethern. Dabei kommt es auf Raffinerieausrüstung an. Daher produziert jede Raffinerie einen geringfügig anderen Kraftstoff. Doch zwei Verfahren werden in jeder Raffinerie genutzt:
Crack-Verfahren: thermisches cracken, katalytisches cracken und katalytisches cracken mit Wasserstoff (hydrocracken)
Reformieren: Platforming mit Platinkatalysator
Bei den oben genannten Crackverfahren wird aus schweren Rohölkomponenten durch Cracken unter hohem Druck, hoher Temperatur und teilweise mit Katalysator und/oder Wasserstoff leichte, für Ottokraftstoffe geeignete Komponenten mit hoher Oktanzahl hergestellt. Thermisch und katalytisch gecrackte Komponenten haben hohe Olefingehalte, Hydrocrackkomponente bestehen aus leichten Normal- und Iso-Paraffinen.
Beim Reformieren wird ebenfalls bei hohen Drücken und Temperaturen mit Kats Wasserstoff von den Kraftstoffmolekülen abgetrennt, so daß sich aromatische Verbindungen mit hoher Oktanzahl bilden. Der freigewordenen Wasserstoff wird für die Entschwefelungsanlage und den Hydrocracker genutzt. Neben diesengenannten Verfahren gibt es noch einige weniger genutzte Raffinationstechniken:
Alkylation: Herstellung von Iso-Paraffinen aus Raffineriegasen mit Schwefelsäure oder Fluorwasserstoffsäure als Katalysator.
Isomerisation: Herstellung leichter Iso-Paraffine durch Destillation oder Abtrennung von Normalparaffinen.
Polymerisation: Herstellung von überwiegend Iso-Paraffinen aus ungesättigten Raffineriegasen.
Weitere Kraftstoffkomponenten können Rückflüsse aus Einsatzprodukten der chemischen Industrie sein.
Zusammensetzung:
Ottokraftstoffe bestehen wie auch Diesel aus einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffen.
Normalparaffine: siehe Dieselkraftstoff
Iso-Paraffine: Das sind gesättigte kettenförmige Kohlenwasserstoffe mit Verzweigungen (z.B. Iso-Oktan). Isoparaffine sind sehr wichtige und wertvolle Bestandteile des Ottokraftstoffs, weil sie im unteren Siedebereich sehr hohe Oktanzahlen aufweisen. Eine der bekanntesten Komponenten ist Isomerisat, welches hohe Gehalte von Isopentan und Isohexan beinhaltet.
Naphtene: siehe Dieselkraftstoffe
Olefine: siehe Dieselkraftstoffe
Aromaten: Sie sorgen im wesentlichen für die hohe Oktanzahl der Ottokraftstoffe und ermöglichen dadurch hohe Verdichtungen im Motor mit hoher spezifischer Leistung und niedrigem spezifischem Kraftstoffverbrauch. Dabei gilt: je höher die Oktanzahl, desto größer der Aromatengehalt und nimmt bei
Normalbenzin: 24,8%
Super: 36,1%
Super Plus: 40,6%
des Kraftstoffvolumens ein.
Im Gegensatz zu Diesel kommen im Ottokraftstoff nur Einring-Aromaten vor. Einfachste aromatische Verbindung ist Benzol C6H6, kommt jedoch aufgrund seiner Toxizität nicht mehr vor. Daher verbleiben:
Produkt Formel Siedepunkt/Bereich Misch-Oktanzahl
ROZ MOZ
Toluol C7H8 110°C 124 112
Ethylbenzol C8H10 136°C 124 107
Xylole C9H11 138-144°C 120-146 103-127
C9Aromaten C10H12 152-176°C 118-171 105-138
geringe Mengen
C9+Aromaten C11H13 169-210°C 114-155 117-144
Die Aromaten sind bereits im Rohöl vorhanden, werden aber hauptsächlich durch den katalytischen Reformer unter Freisetzung von Wasserstoff hergestellt.
Die Aromaten verbrennen wie die anderen Kohlenwasserstoffe im Motor zu 99%. Der Rest wird zu fast 100% vom Kat umgesetzt.
Additive: Der bekannteste Additiv ist wohl das bleihaltige Antiklopfmittel, welches die Oktanzahl und damit die Klopffestigkeit erhöht. Dieser Additiv ist heutzutage jedoch aus toxikologischen Gründen fast von der Bildfläch verschwunden. Bekanntester Stoff war das Bleitetraethyl. Ein anderer vorteilhafter Nebeneffekt war, daß man dadurch die Verdichtung des Motors deutlich anheben konnte.
Ein weiterer wichtiger Additiv sind Detergentien (siehe Dieselkraftstoffe) wie Polyisobutanamine, Polyisobutenpolyamide und Polyetheramine. Besonders gute Wirkung zeigen sie in Verbindung mit temperaturstabilen sythetischen Trägerölen. Des weiteren werden Antioxidantien und Korrosionsschutzadditive (siehe Dieselkraftstoffe) verwendet. Bekannt sind auch Gefrierpunktsverbesserer wie Alkohole und Glykole, die ein Anwachsen der Eiskristalle an Metalloberflächen verhindern.
Organische Kalium- oder Natriumverbindungen schützen erfolgreich die "weichen" Auslaßventilsitze. In Deutschland sind sie aber aufgrund unzureichender Erforschung auf Toxizität verboten.
Schwefelgehalt: Der Schwefelgehalt hängt vom eingesetzten Rohöl, vor allem aber von den Produktionsverfahren und den ausgewählten Komponenten ab.
Nach der Qualitätsnorm EN 228 darf maximal 0,05 Masse% Schwefel im unverbleiten Kraftstoff sein, denn Schwefelverbindungen sind unerwünschte Bestandteile im Ottokraftstoff. Abgesehen von der SO2-Emission geben einige Katalysatoren geruchsbelästigende Schwefelwasserstoffe ab.
Handelsübliche Kraftstoffe haben mit zunehmender Oktanzahl abnehmende Schwefelgehalte. Ursache ist der vermehrte Einsatz von katalytischem Reformat bei den höher-octanigen Qualitätskrafstoffen, das praktisch keinen Schwefel enthält.
Zündbeschleuniger: Zündbeschleuniger dieser Art, wie wir sie beim Diesel vorfinden, sind bei Ottokraftstoffen unerwünsch, da sich keinesfalls das Gasgemisch vor dem Zündfunken entzünden soll und auch nach der Zündung soll keine Parallelzündung im noch nicht verbrannten Gas vor der Flammenfront eingeleitet werden. Es gibt jedoch Zusätze auf Kaliumbasis, die die zyklischen Schwankungen beim Verbrennungsbeginn mindern und die Ausbildung der Flammenfront beschleunigen. Dies führt zu einer kürzeren und kompakteren Verbrennung mit positivem Einfluß auf den Wirkungsgrad
Eigenschaften:
Die Eigenschaften des Ottokraftstoffs für Lagerung, Transport und den motorischen Betrieb sind nach DIN EN 228 festgelegt. Der Ottokraftstoff teilt sich in drei verschiedene Kraftstoffe auf:
Normalbenzin: Durch EN 228 spezifizierter bleifreier Ottokraftstoff, dessen Oktanzahl lokal festgelegt wird.
Für Deutschland gilt: ROZ min. 91,0
MOZ min. 82,5
Durch die niedrige Oktanzahl kann Normalbenzin nur in niedrigverdichteten Motoren oder bei späterer Zündeinstellung bei Motoren mit Klopfsensor eingesetzt werden. Durch die niedrige Dichte und der damit verbundenen niedrigen volumetrischen Heizwert ergibt sich ein höherer volumetrischer Kraftstoffverbrauch (Anstieg von 5-8%).
Superbenzin: Durch EN 228 einheitlich genormter Ottokraftstoff mit Oktanzahlen von:
ROZ min. 95,0
MOZ min. 85,0
Einführung parallel zum Start der Katalysator-Fahrzeuge. Ausgelegt für maximalen Wirkungsgrad und möglichst hoher Oktanzahl und das große Angebot an europaweit hergestellten Kraftstoffqualitäten. Die festgelegte Oktanzahlqualität ergibt ein Minimum für den Energieverbrauch bei der Gesamtbetrachtung von Raffinerie und Motor (steigende Oktanzahl erfordert erhöhten Energieeinsatz bei der Herstellung, ergibt jedoch einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch bei entsprechender Auslegung der Motoren).
Super Plus: Ein bleifreier Ottokraftstoff mit gleicher Oktanzahl wie der abgeschaffte verbleite Superkraftstoff.
ROZ min. 98
MOZ min. 88
Super Plus wird größtenteils mit hochoktanigem Ether
(MTBE-Methyltertiärbutylether) als zusätzliche Mischkomponenete hergestellt. Der Benzolanteil ist inzwischen auf 1 Vol% zurückgegangen. Er gewährleistet maximalen Wirkungsgrad des Motors und maximale(s) Leistung/Drehmoment bei entsprechend ausgelegten Motoren. Alte Fahrzeuge, die bisher mit verbleitem Superkraftstoff liefen, können mit Super Plus ohne weiteres auskommen. Für einen eventuellen erforderlichen Verschleißschutz der Auslaßventile stehen Additive zur Verfügung.
Dampfblasenbildung: Darunter versteht man die vorzeitige Verdampfung leichtflüchtiger Kraftstoffbestandteile im Kraftstoffsystem. Dadurch kann Kraftstoffmangel mit Verzögerungen auftreten, wodurch Fehlzündungen hervorgerufen werden können. Des weiteren kann es, wenn die Dampfblasen in der Schwimmkammer auftreten, zur Überfettung des Kraftstoff-Luft-Gemischs kommen und Kraftstoff unkontrolliert in das Einlaßsystem drücken.
Durch Verminderung der Kraftstoffaufheizung, höherem Druck im Kraftstoffsystem und einer günstigen Anordnung von Kraftstoffpumpen kann dies vermindert werden.
Dampfdruck: Das ist der Druck, der sich in einem geschlossenen Behälter in Abhängigkeit der Temperatur durch das Verdampfen eines Kraftstoffs einstellt. Er beeinflußt, teilweise auch mit anderen Kraftstoff- Flüchtigkeitskritrien, Heiß- und Kaltstart des Motors, das Kaltfahrverhalten bei niedrigen Temperaturen und die Verdampfungsverluste. Butan beeinflußt den Dampfdruck in der Regel am meisten und kann von dem Gas "eingestellt" werden.
Dichte: (Definition siehe Dieselkraftstoffe) Mit steigendem Kohlenstoffgehalt, also auch mit zunehmendem Anteil von Doppelbindungen (Aromaten, Olefine) nimmt die Dichte zu. Superkraftstoffe haben aus diesem Grund eine höhere Dichte als Normalbenzin. Für alle drei Ottokraftstoffe gelten die nach DIN EN 228 festgelegte Werte zwischen 725 und 780 kg/m³. Steigende Dichte führt zu ansteigendem volumetrischen Energiegehalt.
Elastomerverträglichkeit: Alkoholfreie Ottokraftstoffe verursachen nur eine geringe Quellung aller im Kraftstoffsystem vorhandener Elastomere und Kunststoffe. Bei alkoholhaltigen Mischkomponenten jedoch steigt die Quellung drastisch an; vor allem bei solchen, die auf Acrylnitril basieren.
Energie: (siehe auch Dieselkrafstoffe) Der Energiegehalt von Ottokraftstoffen ist aufgrund der relativ geringen Dichte im Vergleich zu Diesel sehr gering.
Doch der schlechte Wirkungsgrad kommt vor allem durch die Drosselung der Ansaugluft im Teillastbereich zustande.
Explosionsgrenze: Diese wird unterschieden in obere und untere Explosionsgrenze.
Oberhalb und unterhalb dieser Grenzen findet nach Zündung des Kraftstoffdampfes keine Verbrennung statt. Die Anteile der Dämpfe in Luft liegen bei der unteren Grenze bei etwa 1 Vol%, bei der oberen bei etwa 8 Vol%.
Oktanzahl: Die Oktanzahl ist ein Maß für die Klopffestigkeit von Ottokraftstoffen, also ihrer Fähigkeit, eine unkontrollierte Verbrennung des noch nicht verbrannten Restgas vor Eintreffen der Flammenfront zu verhindern. Klopfender Betrieb mit etwa 10facher Brenngeschwindigkeit darf nur sehr kurzzeitig auftreten, weil wegen steiler Druckspitzen, Druckschwingungen (Kavitation) und hoher Temperaturen im Brennraum andernfalls Zündkerzen, Kolben, Zylinderkopfdichtung und Ventile zerstört werden können, insbesondere, wenn das Klopfen in Vorentflammung übergeht.
Die Neigung eines Kraftstoffs zur unerwünschten Entflammung kann stark von dessen Klopffestigkeit abweichen. Beispielsweise haben Benzol und Methanol sehr hohe Oktanzahlen, neigen jedoch zur Vorentflammung.
Es wird unterschieden in Research-Oktanzahl (ROZ) und Motor-Oktanzahl (MOZ). Beide werden in weltweit genormten CFR-Einzylindermotoren nach EN 25164 und EN 25163 gemessen.
Bei Vollast und niedriger Drehzahl ist die ROZ relevant (Beschleunigungsklopfen!), mit steigender Drehzahl und Vollast gewinnt die MOZ an Bedeutung (Hochgeschwindigkeitsklopfen!).
Der Oktanzahlbedarf ist der Wert, den ein Motor für den klopffreien Betrieb benötigt. Dieser hängt von konstruktiven Parametern (früher Zündzeitpunkt, lange Brennwege, hohe Motorraumtemperaturen, etc.), atmosphärischen Bedingungen (Luftdruck, -temperatur und -feuchtigkeit), den Betriebsbedingungen und dem Kraftstoff ab.
Elektrische Leitfähigkeit: siehe Deiselkraftstoffe
Kälteverhalten: siehe Dieselkraftstoffe
Korrosionswirkung: siehe Dieselkraftstoffe
Oxidationsstabilität: Dient zur Beurteilung der Lagerbeständigkeit des Kraftstoffs.
Additive helfen, die Stabilität auszubauen.
Siedeendpunkt: Der Siedeendpunkt von Ottokraftstoffen liegt bei max. 215 °C. Dieses wird für die Verarbeitung von Komponenten mit hoher spezifischer Dichte und Oktanzahl genutzt. Dabei nimmt jedoch die Kraftstoffverdünnung zu.
Siedeverhalten: Wichtiges Beurteilungskriterium für Ottokraftstoffe. Durch die Vielzahl der Kohlenwasserstoffe liegt der Siedebeginn bei ca. 30 °C, das Siedeende zwischen 205 und 215 °C. Das Siedeverhalten beeinflußt Start- und Fahrverhalten.
Wassergehalt: Um Wasseransammlungen im Kraftstoffsystem zu verhindern, dürfen Ottokraftstoffe nicht trübe sein und kein ungelöstes Wasser enthalten.
Das Wassertragevermögen ist wesentlich höher als bei Dieselkraftstoffen.
Wird ein Verteilersystem von alkoholfreiem auf alkoholhaltigen Kraftstoff umgestellt, so muß es vorher auf Wasseransammlungen überprüft werden, da der Alkohol sonst das Wasser aufnehmen und es zu einer Phasentrennung kommen würde. Die im Tank entstehende Wasser- Alkoholphase würde zum Stehenbleiben des Motors führen.
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