Klopfen unerwünscht! Neue NMR-Methode zur Bestimmung der Klopffestigkeit von Ottokraftstoffen

Auf der Suche nach einem Verfahren, mit dem sich die auf Zapfsäulen angegebene Oktanzahl (ROZ) von flüssigem Kraftstoff auf effiziente Weise bestimmen lässt, setzen Experten der Hochschule Niederrhein in Krefeld auf eine intelligent automatisierte NMR-Spektroskopie.

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Wer einen Fahrradreifen vermittels einer klassischen Handluftpumpe befüllt, erfährt unmittelbar die Kraft und Untrennbarkeit der physikalischen Größen Druck, Volumen und Temperatur: Infolge der Arbeit, die an der Pumpe verrichtet wird, verringert sich das Volumen des Pumpenzylinders. Die Kompression verkürzt den Weg, den die Luftteilchen in Innern des Zylinders zurücklegen können und erhöht umgekehrt proportional die Geschwindigkeit, mit der sich die Teilchen durch den Raum bewegen, und den Druck, den sie auf die Innenseite der Zylinderwandung ausüben. Die Veränderung im Innern wird durch eine Steigerung der Temperatur von außen deutlich spürbar. Würde der Luft unter Beibehaltung der instrumentellen Versuchsanordnung Benzin hinzugefügt, ließen sich unter Umständen auch chemische Veränderungen feststellen, und zwar dann, wenn sich die leicht entflammbare Mischung in Folge der kompressionsbedingten Temperaturerhöhung unkontrolliert entzündet und explosionsartig expandiert. Geschieht das im Verbrennungsraum eines Benzin- oder Ottomotors, führte das zum unerwünschten im Fachjargon „Klopfen“ bezeichneten Prozess.

Klopfen – ein unerwünschtes Phänomen

Die unkontrollierte Verbrennung eines Benzin-Luftgemischs führt über kurz oder lang zu Schäden am Motor. Um das zu verhindern, fügt man flüssigen Kraftstoffen chemische Zusätze bei. Die Additive haben u.a. die Aufgabe, die Klopfneigung des Kraftstoffs zu reduzieren bzw. dessen Klopffestigkeit zu erhöhen. Als ihr quantitatives Maß wird die Oktanzahl (OZ) angegeben, die einen Wert zwischen 0 und 100 besitzt. Auf Zapfsäulen wird hierzulande die so genannte Research-Oktanzahl (ROZ) ausgewiesen. Sie gibt an, welcher prozentuale Volumenanteil von schwerer entzündlichem Isooktan (ROZ = 100) in einer Mischung mit leichter entzündlichen n-Heptan (ROZ = 0) enthalten sein muss, um die jeweilige Klopffestigkeit zu erreichen. Motoren mit niedrigem Verdichtungsverhältnis kommen mit einer Oktanzahl von 91 aus, fallen heute aber kaum mehr ins Gewicht; Motoren mit einer höheren Verdichtung und damit höheren Leistung bzw. einem höheren Wirkungsgrad erfordern ein Superbenzin mit einer ROZ von 95, 98 oder durch Additive verbesserte Premiumkraftstoffe darüber. Um die Klopffestigkeit zu erhöhen, werden die heutigen Ottokraftstoffe mit Methyltertbutylether (MTBE) oder Ethyltertbutylether (ETBE) additiviert. Diese Zusätze sind zwar nicht vollkommen unbedenklich, im Vergleich zu früher verwendeten Stoffen (s. LP-Info-Kasten) wohl aber als das kleinere Übel zu bewerten.