Ottomotor: Oktanzahl 13.03.2012, 11:04

Ottomotor (Ausschnittbild)

Bei einer »klopfenden« Verbrennung wird der Motor mechanisch und thermisch sehr hoch belastet. Dabei auftretende Druckspitzen können Kolben, Lager, Zylinderkopf, Ventile und Zündkerze beschädigen. Um das Klopfen zu verhindern, muss das Benzin eine genügend hohe Oktanzahl besitzen.

Anzeige

Ottomotor: Oktanzahl

Wir sehen uns die Kraftstoffverbrennung im Arbeitstakt etwas genauer an.

Durch die gezielt eingeleitete Verbrennung wird in diesem Takt die chemische Energie des Kraftstoffs über Wärme- und Druckenergie in Bewegungsenergie umgewandelt. Nach dem Überspringen des Zündfunkens wird die Verbrennung des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches eingeleitet. Die Flammenfront breitet sich gleichmäßig mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 m/s aus. Dabei können Temperaturen bis 2 500°C und Drücke bis 60 bar entstehen. Am Ende des Arbeitstaktes hat sich bei etwa 900°C der Druck auf 3 bar bis 5 bar entspannt.
Im heißen Brennraum kann es vorkommen, dass sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch explosionsartig selbst entzündet. Die Gase verbrennen dann unkontrolliert mit hoher Geschwindigkeit. Ein Grund dafür kann ein Kraftstoff mit geringer Oktanzahl sein.

Beim schlagartigen Anstieg von Temperatur und Druck breiten sich die Druckwellen mit Schallgeschwindigkeit im Brennraum aus und hämmern auf die Zylinderwände. Durch eine solche »klopfende« Verbrennung wird der Motor mechanisch und thermisch sehr hoch belastet. Die auftretenden Druckspitzen können die Kolben, Lager, Zylinderkopf, Ventile und Zündkerze beschädigen.

Was versteht man unter der Oktanzahl?

Bei der Ermittlung der Oktanzahl spielen zwei Vergleichskraftstoffe eine wichtige Rolle. Bei den heute erhältlichen Kraftstoffen liegt die Oktanzahl in der Regel über dem Wert 90. Damit ist die Klopffestigkeit gemeint, die einem Gemisch entspricht, das 90 Volumenprozent des klopffesten Isooktans (OZ = 100) und 10 Volumenprozent n-Heptan (OZ = 0) enthält. Heptan hat im Gegensatz zum Oktan einen sehr niedrigen Flammpunkt (ca. 200 °C) und entzündet sich bereits durch die Kompression im Zylinder. Beim Isooktan muss fast die doppelte Temperatur erreicht werden, um eine Verbrennung einzuleiten. Je höher der Anteil des n-Heptans ist, desto niedriger ist auch die Oktanzahl.

So würde eine Oktanzahl 95 bedeuten, dass die Klopffestigkeit des Benzins einem Gemisch aus 95 Volumenprozent Isooktan und 5 Volumenprozent n-Heptan entspricht.

Die Oktanzahl sagt also etwas über die Fähigkeit von Ottokraftstoffen aus, eine unkontrollierte Verbrennung im noch nicht verbrannten Restgas vor Eintreffen der gesteuerten Flammenfront zu verhindern.

Man unterscheidet zwischen der Research-Oktanzahl ROZ und der Motor-Oktanzahl MOZ. Beide werden in weltweit genormten so genannten CFR-Einzylindermotoren gemessen. Ihre Verdichtung kann während des Betriebes von 4 : 1 bis 12 : 1 verändert werden. CFR = Cooperative Fuel Research. 



So wird gemessen: Die Probe eines bestimmten Kraftstoffs wird im CFR-Prüfmotor mit stufenlos verstellbarem Verdichtungsverhältnis verbrannt. Das Verdichtungsverhältnis wird dadurch verändert, dass man die Laufbüchse gegenüber dem Kolben nach oben oder unten verschiebt. Man ermittelt zunächst, bei welcher Verdichtung des Motors die Probe zu klopfen beginnt. Im zweiten Schritt wird ein «Kontrollgemisch» bestehend aus klopfarmem Isooctan (Oktanzahl = 100) und Normalheptan (Oktanzahl = 0) im selben Motor, bei denselben Bedingungen und der zuvor ermittelten Verdichtung verbrannt. Jetzt wird das Mischungsverhältnis der beiden Stoffe im Kontrollgemisch so lange verändert, bis der Motor dieselben Klopfeigenschaften wie bei der zuvor gemessenen Kraftstoffprobe hat. Die Oktanzahl der Kraftstoffprobe entspricht dann dem prozentualen Anteil an Isooctan im Kontrollgemisch. Bei ROZ = 98 würde dies einem Anteil von 98 % entsprechen.

Der Unterschied zwischen MOZ und ROZ liegt in den Bedingungen, unter denen diese Werte bestimmt werden. Während die ROZ bei einer konstanten Drehzahl von 600 Umdrehungen pro Minute, einer konstanten Zündeinstellung und einer Luftvorwärmung von 52 °C gemessen wird, wird die MOZ bei einer Drehzahl von 900 Umdrehungen pro Minute, automatisch verstellbarer Zündeinstellung sowie einer Gemisch-Vorwärmung von 149 °C ermittelt. 

Die Zeichnung unten ist für die Verwendung in Arbeitsblättern gedacht. 

Anzeige