Octanzahl und das Klopfen des Motors

Videotipps: 

Erklärung der Oktanzahl

https://www.youtube.com/watch?v=Xd7C0UhMPDQ

Kraftstoffe, Oktanzahl, Cetanzahl - YouTube 

https://www.youtube.com/watch?v=4wLd_bAU-YY

Videotipp: Was versteht man unter Klopffestigkeit beim Sprit

https://www.youtube.com/watch?v=VpIZTootpEo

Die Klopffestigkeit eines Benzins wird ausgedrückt durch die Octanzahl. Eine hohe Klopffestigkeit (hohe OZ) sorgt dafür, dass das Benzin sich nicht selber entzündet.

Klopfen bedeutet eine selbsttätige Verbrennung des Kraftstoffes ohne Zündung durch die Zündkerze. Der Motor „klopft“ und zerstört werden. Für Dieselkraftstoffe gib es eine „Cetanzahl“.

Octanzahlen von Ottokraftstoffen

Vgl.: Seite „Oktanzahl“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 4. November 2023, 16:33 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Oktanzahl&oldid=238794622 (Abgerufen: 9. Januar 2024, 18:41 UTC)

E10 ist ein Ottokraftstoff, der einen Anteil von 10 % Bioethanol enthält. Er wurde in Deutschland 2011 eingeführt. Bioethanol (Bio-Alkohol) wird ausschließlich aus Biomasse oder den biologisch abbaubaren Anteilen von Abfällen hergestellt. Normalerweise enthält Superbenzin 5% Bioethanol). 

Die Oktanzahl definiert ein Maß für die negative Zündungswilligkeit und steht damit für die Klopffestigkeit

Seite „Oktanzahl“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 4. November 2023, 16:33 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Oktanzahl&oldid=238794622 (Abgerufen: 9. Januar 2024, 18:41 UTC)

Die Octanzahl ist ein Maßstab für die Klopffestigkeit eines Ottokraftstoffes bzw. einer Benzinsorte. Der Zahlenwert der Oktanzahl bis 100 gibt an, wie viel %-Volumenanteil klopffestes Isooctan (= 2,2,4,-Trimethylpentan) C₈H₁₈ (OZ = 100 laut Definition) sich in einer Mischung mit sehr zündfähigem n-Heptan C₇H₁₆ (OZ = laut Defintion) befinden muss, damit diese die gleiche Klopffestigkeit (in einem Prüfmotor) aufweist wie der zu prüfende Kraftstoff.

Vereinfacht gesagt:

Ein Benzin mit OZ=95 hat die gleiche „Klopffestigkeit“ wie ein Gemisch aus 95% Isooctan (= 2,2,4,-Trimethylpentan; OZ = 100 laut Defintion, sehr klopffest) und 5% n-Heptan (OZ = 0 laut Definition). Das Klopfen kann den Motor zerstören!

Vgl.: Seite „Oktanzahl“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 4. November 2023, 16:33 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Oktanzahl&oldid=238794622 (Abgerufen: 9. Januar 2024, 18:41 UTC)

Für Experten: Wie kommt es zum Klopfen des Motors?

Einfach gesagt: Die H-Radikale sind schuld! Beim starken Erhitzen des Treibstoff-Luft-Gemisches im Motor spalten KWS-Moleküle (vor allem wenn sie unverzweigt sind) H-Radikale ab:  

CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃ ———> CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂· + ·H

Diese H-Radikale reagieren leicht mit dem Luftsauerstoff O₂, und zwar auch ohne Zündung durch eine Zündkerze. Dies zeigt auch der Versuch „Chemischer Flammenwerfer“. https://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/07_01.htm
Es kommt dabei zu kleinen Explosionen und „Frühzündungen“ noch bevor die Zündkerze zündet: der Motor klopft.
Vgl.: Prof. Blumes Medienangebot: Technische Chemie im und ums Auto (chemieunterricht.de)
https://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/klopfen.htm

Versuch: Der chemische Flammenwerfer
vgl.: https://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/07_01.htm
(Schutzbrille! Vorsicht! Abstand!) Wir füllen ein heiles, „nicht schwer schmelzbares“ Reagenzglas ca. 3 cm hoch mit Wachsstückchen. Über einer Brennerflamme wird es erhitzt. Es bildet sich rasch weißer Rauch. Vorsicht, dass sich dieser nicht durch Kontakt mit der Brennerflamme entzündet. Das Wachs beginnt zu sieden.
Wichtig: Es reicht nicht aus, das Wachs nur "heiß" zu machen. Es muss eine Minute wirklich sieden - also mit aufsteigenden Siedeblasen. Sonst funktioniert der Versuch nicht!
Nun wird der Boden des Glases ca. 2-3 cm tief in kaltes Wasser getaucht. Dabei achtet man darauf, dass man das Glas schräg von sich weghält. Es fegt zunächst weißer Rauch aus dem Reagenzglas, der anschließend in einem beeindruckenden Flammenball aufgeht.
Nach der Reaktion ist das Glas sehr heiß!
Der Versuch darf nur von ausgebildetem Fachpersonal durchgeführt werden!

Chemischer Flammenwerfer Chemie Leistungskurs vom 01 12 2022 SEG Neuerburg

https://www.youtube.com/watch?v=Z9iohg9c6QM

Oktanzahlen einiger Reinstoffe

Vgl.: Seite „Oktanzahl“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 4. November 2023, 16:33 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Oktanzahl&oldid=238794622 (Abgerufen: 9. Januar 2024, 18:41 UTC)

Erklärung für Experten:
Unverzweigte KWS
- neigen zu C-H-Spaltungen =>H-Radikale bilden sich => „Klopfen“
- C-C-Spaltungen sind eher selten. Sie würden zu weniger stabilen primären Alkylradikalen führen.  

Verzweigte KWS
- neigen eher zu C-C-Spaltungen, es können Alkylradikale höherer Stabilität (z. B. tert. Alkylradikale) gebildet werden. 

Diese stabileren Alkylradikale sind relativ stabil und reagieren mit den H-Radikalen (bevor diese mit Sauerstoff reagieren können) unter Rückbildung von normal abbrennenden Kohlenwasserstoffen. Stabile tertiäre Alkylradikale können  also als „H-Radikalfänger“ wirken, man nennt sie auch „Scavenger“ (engl. Straßenkehrer).

Bei der Antiklopfwirkung von verzweigten Alkanen wie Isooctan handelt es sich in Wirklichkeit um einen komplizierten Mechanismus, der über das simple Einfangen von Radikalen hinausgeht.

https://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/antiklop.htm

Was kann man gegen des Klopfen des Motors tun?

Gegen das „Klopfen“ kann man zweierlei tun:

1. Man nutzt als Treibstoffe, die KWS mit hoher OZ enthalten, welche weniger H-Radikale bilden, z. B. stärker verzweigte KWS und aromatische KWS wie Benzol oder Toluol.

2. Man setzt „Antiklopfmittel“ hinzu, das sind Verbindungen zu, aus denen rasch Kohlenwasserstoff-Radikale entstehen, welche als Radikalfänger wirken.

Tetraethylblei (TEL) wurde als Antiklopfmittel seit 1921 in den USA und seit 1936 in Deutschland eingesetzt. 

Verbleites Normalbenzin wurde 1988 in Westdeutschland verboten; das Verbot von verbleitem Superbenzin folgte 1996. Schon lange war bekannt, dass Tetraethylblei (Bleitetraethyl) für den Menschen gesundheitsgefährdend ist, zum Verbot hat aber vor allem die Tatsache beigetragen, das das bei der Verbrennung des Tetraethylbleis entstehende Blei als Katalysatorgift wirkt und den Fahrzeugkatalysator zerstören würde.

Heute verwendet man Methyl-tert-butylether (MTBE), Ethyl-tert-butylether (ETBE) und tert-Amylmethylether (TAME) als Antiklopfmittel.