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Klopffestigkeit

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Definition: ein Maß für die Neigung eines Kraftstoffs oder Brennstoffs, sich unkontrolliert selbst zu entzünden

Englisch: anti-knock properties

Kategorien: Energieträger, Fahrzeuge, Grundbegriffe

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 05.02.2011; letzte Änderung: 28.04.2015

Die Klopffestigkeit ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Kraftstoffen wie z. B. Benzin. Je höher die Klopffestigkeit, desto geringer die Neigung des Kraftstoffs, sich bei Verwendung in einem Hubkolbenmotor unkontrolliert selbst zu entzünden.

Eine ausreichende Klopffestigkeit ist für den Motor sehr wichtig – eine noch höhere Klopffestigkeit dagegen nutzlos.

Bei Verwendung von Benzin mit nicht ausreichender Klopffestigkeit in einem Ottomotor kann es (vor allem bei Betrieb mit hoher Leistung) vorkommen, dass sich nach der regulären Zündung des Gemischs das bis dahin noch unverbrannte Gemisch durch den Druckanstieg unkontrolliert selbst entzündet, anstatt dass sich die Flammenfront allmählich über den gesamten Brennraum ausbreitet. Dadurch entsteht ein plötzlicher scharfer Druckanstieg und in der Folge eine rasche Schwingung des Drucks. Dieses Phänomen führt zu einem hörbaren Klopfen oder Klingeln und zu einer stark erhöhten Belastung des Kolbens und des Kurbeltriebs, damit auch zu erhöhtem Verschleiß des Motors. (Der Artikel über Klopfen beim Ottomotor enthält hierzu viele weitere Details.) Es sollte deswegen so weit wie möglich vermieden werden.

Das zuverlässigste Mittel gegen das Klopfen ist die Verwendung eines Kraftstoffs mit ausreichend hoher Klopffestigkeit. Es ist allerdings meist nicht vorteilhaft, für einen Motor Kraftstoff mit einer höheren Klopffestigkeit als nötig zu verwenden.

Die Oktanzahl ist das gebräuchliche Maß für die Klopffestigkeit eines Kraftstoffs.

Ein quantitatives Maß für die Klopffestigkeit eines flüssigen Kraftstoffs ist die Oktanzahl. Je nach Testverfahren wird sie als ROZ = Research-Oktanzahl oder MOZ = Motor-Oktanzahl bezeichnet. Sie gibt an, welcher Volumenanteil (in Prozenten) von Isooktan in einer Mischung mit n-Heptan enthalten sein muss, um die jeweilige Klopffestigkeit zu erreichen. Bei gasförmigen Kraftstoffen wie Erdgas gibt es auch die Methanzahl.

Die Anforderungen an Dieselkraftstoffe sind übrigens in etwa umgekehrt: Diese sollen sich zuverlässig bei der Einspritzung selbst entzünden. Eine hohe Zündwilligkeit wird durch eine hohe Cetanzahl ausgedrückt, was eine niedrige Oktanzahl bedeutet.

Einfluss des verwendeten Motors

Die Anforderungen an die Klopffestigkeit des Benzins für einen Ottomotor sind umso höher, je höher das Verdichtungsverhältnis des Motors ist. Motoren mit niedrigem Verdichtungsverhältnis kommen bereits mit Normalbenzin mit einer Oktanzahl von 91 aus, welches allerdings kaum mehr erhältlich ist. Eine höhere Verdichtung, die eine höhere Leistung und einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht, also auch den Kraftstoffverbrauch reduziert, erfordert Superbenzin (ROZ 95) oder sogar Super plus (ROZ 98).

Manche Motoren sind mit Klopfsensoren ausgestattet, die die Betriebsweise beim ersten Auftreten von Klopfen automatisch entsprechend anpassen (etwa durch Beeinflussung des effektiven Verdichtungsverhältnisses beim Atkinson-Motor oder durch Verschiebung des Zündzeitpunkts) und somit Kraftstoffe mit verschiedenen Oktanzahlen optimal ausnutzen können. Motoren für hoch-klopffeste Kraftstoffe wie z. B. Erdgas sollten entsprechend optimiert sein (insbesondere über ein hohes Verdichtungsverhältnis), um die hohe Klopffestigkeit im Interesse eines hohen Wirkungsgrads auszunutzen. Leider wird dies teilweise erschwert durch die Notwendigkeit, im Notfall einen weniger klopffesten Kraftstoff einsetzen zu können.

Optimierung der Klopffestigkeit von Benzin

Höhere Oktanzahlen werden durch eine Optimierung der chemischen Zusammensetzung des Kraftstoffs erreicht.

Zunächst einmal weisen leichtere Kohlenwasserstoffe eine höhere Oktanzahl auf als schwerere. So hat beispielsweise Pentan (C5H12) eine ROZ von 61,8, das etwas schwerere Hexan (C6H14) dagegen nur 24,8. Außerdem haben Kohlenwasserstoffe mit verzweigten Molekülen höhere ROZ-Werte; z. B. erreicht Isopentan einen ROZ von 92,3, also viel mehr als das lineare n-Pentan mit 61,8. Besonders klopffest sind ebenfalls aromatische Substanzen wie Benzol (Benzen), die allerdings wegen ihrer krebserregenden Wirkung nur in begrenzter Menge verwendet werden können.

Die Oktanzahl kann also am besten erhöht werden, indem man eine höhere Konzentration von Stoffen mit verzweigten Molekülen wählt, wie man sie in Erdölraffinerien beispielsweise durch Alkylieren und Cracken erhält. Es gibt für diesen Zweck auch spezielle Additive, die man dem Kraftstoff beimischen kann. Früher wurde dem Benzin Bleitetraethyl zugemischt (verbleites Benzin), was jedoch zur Emission giftigen Bleistaubs führte. Auch das Benzin wurde durch diesen Zusatz noch wesentlich giftiger. Die Abkehr vom verbleiten Benzin wurde dann durch die Einführung der Abgaskatalysatoren erzwungen, da diese durch Blei im Abgas rasch unwirksam gemacht (“vergiftet”) würden. (Heute werden Bleiadditive nur noch in Sonderfällen dem Kraftstoff beigemischt, z. B. für bestimmte Oldtimer und Flugmotoren.) Heute wird häufig Methyl-tertiär-butylether (MTBE) oder das umweltfreundlichere Ethyl-tert-butylether (ETBE) verwendet, das aus Bioethanol hergestellt werden kann. Die Beimischung von Bioethanol (oder anderem Ethanol) erhöht ebenfalls die Klopffestigkeit, vermindert allerdings den Heizwert.

Probleme mit der Zündung

Tendenziell bedeutet eine hohe Klopffestigkeit, dass auch die gewollte Zündung mithilfe einer Zündkerze schwieriger wird. Bei mit benzinbetriebenen Ottomotoren ist dies freilich kein Problem; eine mäßige Zündenergie reicht für eine zuverlässige Zündung aus, auch bei hoher Oktanzahl des Kraftstoffs.

Problematischer wird die Situation allerdings bei mit Erdgas oder Biogas betriebenen Ottomotoren mit Turboaufladung. Die sehr hohe Klopffestigkeit dieser Gase in Verbindung mit einem hohen Ladedruck macht das Zünden deutlich schwieriger, sodass eine erhöhte Zündenergie (zu erreichen mit einem verstärkten Zündsystem) nötig werden kann.

Siehe auch: Klopfen beim Ottomotor, Kraftstoff, Benzin, Bioethanol, Hubkolbenmotor
sowie andere Artikel in den Kategorien Energieträger, Fahrzeuge, Grundbegriffe

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