Worldwide China

Klopfen unerwünscht!

Neue NMR-Methode zur Bestimmung der Klopffestigkeit von Ottokraftstoffen

| Autor / Redakteur: Guido Deußing* / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Auf Zapfsäulen wird hierzulande die sogenannte erforschte (Research) Oktanzahl (ROZ) als Maß für die jeweilige Klopffestigkeit der Kraftstoffes ausgewiesen.
Abb. 1: Auf Zapfsäulen wird hierzulande die sogenannte erforschte (Research) Oktanzahl (ROZ) als Maß für die jeweilige Klopffestigkeit der Kraftstoffes ausgewiesen. (Bild: ©littlewolf1989 - stock.adobe.com)

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.

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.

Um den hohen technischen Ansprüchen zu genügen, werden Ottokraftstoffe einer umfangreichen Qualitätskontrolle unterzogen. Ein wichtiger Fokus liegt auf der Bestimmung der bei ihrer Herstellung zugesetzten Additive, also jener Stoffe, die das Eigenschaftsprofil des Kraftstoffs beeinflussen und die den Motor zudem vor Korrosion schützen sollen. Die Bestimmung der Oktanzahl geschieht heute üblicherweise mithilfe eines oder mehrerer Vergleichskraftstoffe, die im Prüflabor angesetzt werden. Die Messung wiederum erfolgt unter Einsatz eines 4-Takt-CFR-Ottomotors, der über nur einen Zylinder verfügt, dessen Kompression variabel einstellbar ist. Das Kürzel CFR leitet sich her vom Cooperative Fuel Research Committee, das für das zugrundeliegende Prüfverfahren und die Entwicklung des dazugehörigen Motors verantwortlich zeichnet.

NMR-Analyse – eine attraktive Alternative

Ungeachtet ihrer Resultate erweisen sich momentane Standardanalyseverfahren zur Bestimmung des
MTBE-, ETBE-Gehaltes und letztlich der ROZ als langsam und wenig effizient. Das zu ändern, hatten sich Prof. Martin Jäger und sein Team der organischen Spurenanalytik vom Fachbereich Chemie der Hochschule Niederrhein in Krefeld zum Ziel gesetzt. In Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie, namentlich den Analysegeräteherstellern Gerstel und Thermo Fisher Scientific, hat sich der Wissenschaftler gemeinsam mit Robin Legner, Melanie Voigt und Joachim Horst aus seinem Arbeitskreis im Rahmen eines Forschungsvorhabens auf die Suche nach einer effizienten Analysenlösung gemacht. Fündig wurden die Experten für instrumentelle Analytik im Einsatz der Niederfeld-1H-NMR-Spektroskopie (45 MHz Protonen-Larmor-Frequenz) in Verbindungen mit einem online-gekoppelten, vollständig automatisiertem Probenhandling und einer speziellen Software für die multivariate Datenauswertung der ermittelten Spektraldaten.

Hohe Effizienz durch Automatisierung

„Aufgrund ihrer molekularen Eigenschaften erweist sich der Einsatz der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) als bestens geeignet zur Strukturaufklärung und zum Nachweis von MTBE, ETBE und Aromaten in der Benzinmatrix“, berichtet Robin Legner und erläutert den Mehrwert: „Der Vorteil von Niederfeld-NMR-Geräten liegt in der Verwendung von Permanentmagneten. Dadurch sind sie billiger als Hochfeldspektrometer, außerdem kleiner, leichter und kompakter und transportabel.“ Diese Eigenschaften prädestiniere sie für Anwendungen, in denen Empfindlichkeit und Auflösung untergeordnete Rollen spielen, wie bei der Treibstoff- und Speiseölcharakterisierung oder der Prozessanalytik, erklärt der Wissenschaftler.

Ergänzendes zum Thema
 
LP-Info: Klopffestigkeit verbessern

Der Einsatz der Niederfeld-1H-NMR-Spektroskopie stand daher für die Wissenschaftler außer Frage und damit auch die Zusammenarbeit mit Thermo Fisher Scientific, dem Hersteller des verwendeten 1H-NMR-Benchtop-Spektrometer Picospin 45; ausgestattet ist das Gerät mit einer Durchflusszelle, was für einen kontinuierlichen Analysenprozess und damit dessen Automatisierung von grundlegender Bedeutung ist. Jäger und sein Arbeitskreis beschäftigte allerdings zudem die Frage, wie sich ihr Verfahren derart automatisieren ließ, um den von ihnen gewünschten hohen Probendurchsatz zu gewährleisten. An dieser Stelle kam Gerstel ins Spiel, in Mülheim an Ruhr ansässiger Experte für die automatisierte Probenvorbereitung und Probenaufgabe.

Inhalt des Artikels:

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45228350 / Wasser- & Umweltanalytik)