Kraftstoffe des Diesel-Benzin-Motors und ihre Eigenschaften

Kraftstoffe des Verbrennungsmotors

Benzin- und Dieselkraftstoffe, die Derivate des Rohöls sind, werden im Allgemeinen in Verbrennungsmotoren verwendet. Die ungefähre Elementstruktur eines durchschnittlichen Rohöls besteht aus 84% Kohlenstoff, 14% Wasserstoff, 1-3% Schwefel und weniger als 1% Stickstoff, Sauerstoffatomen, Metallen und Salzen. Rohöl besteht aus einer breiten Palette von Kohlenwasserstoffverbindungen, die aus Alkanen, Alkenen, Naphthenen und Aromaten bestehen. Dabei handelt es sich um sehr kleine Molekülstrukturen wie Propan (C3H8) und Butan (C4H10), kann aber auch aus Mischungen verschiedener Strukturen mit sehr großen Molekülen bestehen, wie z. B. Schweröle und Asphalt. Daher muss Rohöl destilliert werden, um in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden zu können. Als Ergebnis der thermischen Destillation von Rohöl erhält man Erdölderivate wie Petroleumgase, Düsentreibstoff, Kerosin, Benzin, Diesel, Schweröle, Maschinenöle und Asphalt. Im Allgemeinen werden bei der Destillation von Rohöl durchschnittlich 30 % Benzin, 20-40 % Diesel und 20 % Schweröl gewonnen.

Bei der Destillation von Rohöl wird Benzin zwischen 40 und 200 °C und Dieselkraftstoff zwischen 200 und 425 °C gewonnen. Um diese Kraftstoffe in Motoren einsetzen zu können, sind einige wichtige physikalische und chemische Eigenschaften wie spezifisches Gewicht des Kraftstoffs, Strukturbestandteil, Wärmewert, Flammpunkt und Verbrennungstemperatur, Selbstentzündungstemperatur, Dampfdruck, Viskosität des Kraftstoffs, Oberflächenspannung, Gefriertemperatur und Kaltfließverhalten erforderlich. Die spezifische Masse, Dichte des Kraftstoffs nimmt mit zunehmendem Wasserstoffgehalt im Molekül ab. Die Dichte von Benzin- und Dieselkraftstoffen wird im Allgemeinen in kg/m3 bei 20°C angegeben. Die API-Nummer (American Petroleum Institute) ist ein internationales Messsystem, das Rohöl nach seiner Viskosität gemäß den amerikanischen Standards klassifiziert. Das spezifische Gewicht kann definiert werden als das Verhältnis des Gewichts eines bestimmten Volumens einer bestimmten Substanz bei 15,15°C (60°F) zum Gewicht des Wassers bei gleichem Volumen und gleicher Temperatur. Die Beziehung zwischen API-Zahl und spezifischem Gewicht wird wie folgt ausgedrückt:

Nach der API-Zahl wird Rohöl in drei Gruppen als schwer, mittel und leicht eingeteilt, und je höher die API-Zahl, desto dünner wird das Rohöl. Der API-Grad von Dieselkraftstoffen variiert zwischen etwa 25 und 45. Die Viskosität, Farbe, Hauptbestandteil und Definition von Rohöl nach dem API-Grad sind in Tabelle 1 angegeben.

Während die Dichte von Benzin bei ρ = 700-800 kg/m3 liegt, schwankt sie bei Dieselkraftstoff zwischen ρ = 830-950 kg/m3. Während der Kohlenstoffgehalt in Alkan- und Naphthenkraftstoffen bei 86 % liegt, beträgt er bei Aromaten etwa 89 %. Neben Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen finden sich in Otto- und Dieselkraftstoffen auch Schwefel, Asphalt und Wasser. Insbesondere Schwefel kann Korrosion in Motorenteilen verursachen, und die Verbrennungsprodukte von Schwefel haben negative Auswirkungen auf die Umwelt. Der Asphalt haftet an den Ventilen auf den Kolbenoberflächen und verursacht Verschleiß. Das Wasser verursacht Korrosion und verringert den Heizwert des Kraftstoffs. Dies sind unerwünschte Bestandteile des Kraftstoffs. Die thermischen Werte von flüssigen Kraftstoffen werden als Massenenergieeinheit (kJ/kg oder kcal/kg) angegeben, während die thermischen Werte von gasförmigen Kraftstoffen als Energieeinheit (kJ/l, kJ/m3 oder kcal/m3) angegeben werden. Thermische Werte von Brennstoffen werden auf zwei Arten als unterer und oberer Heizwert angegeben. Wenn sich das Wasser im Brennstoff am Ende der Messung im dampfförmigen Zustand befindet, ergibt dies den niedrigeren Heizwert dieses Brennstoffs. Wenn das Wasser im Brennstoff am Ende der Messung kondensiert, gibt es die Verdampfungswärme an das System ab, und der Messwert gibt den höheren Heizwert des Brennstoffs an. Dadurch entsteht in der Kalorimeterkapsel der einphasige Dampf als Ergebnis der Heizwertmessung, so dass der niedrigere Heizwert gemessen wird. Die Zweiphase (Flüssig-Dampf-Phase) wird erhalten, so dass der höhere Heizwert gemessen wird. Wenn die Temperatur eines Luft-Kraftstoff-Gemisches ausreichend erwärmt ist, beginnt sich der Kraftstoff ohne äußere Zündung von selbst zu entzünden. Diese Temperatur wird als Selbstentzündungstemperatur (SIT) des Kraftstoffs und die Verzögerungszeit für die Verbrennung des Kraftstoffs als Zündverzug (ID) bezeichnet. Die Begriffe SIT und ID sind wichtige Eigenschaften von Motorkraftstoffen. Die SIT- und ID-Werte variieren in Abhängigkeit von Variablen wie Temperatur, Druck, Dichte, Turbulenz, Rotation, Luft-Kraftstoff-Verhältnis und Vorhandensein von Inertgasen. Die Selbstzündung ist die Grundregel des Verbrennungsprozesses in Dieselmotoren. Der SIT-Wert soll bei Ottomotoren hoch und bei Dieselmotoren niedrig sein. Die Selbstentzündungstemperatur des Benzins liegt bei 550°C und höher.

Abhängig von der Art des Benzin- oder Dieselmotors variieren die gewünschten Eigenschaften der Kraftstoffe. Die wichtigsten Eigenschaften von Benzinkraftstoffen sind Eigenschaften wie Flüchtigkeit und Klopffestigkeit, während von Dieselkraftstoffen wichtige Kraftstoffeigenschaften wie Viskosität, Oberflächenspannung und Zündwilligkeit gefordert werden. Bei Benzinkraftstoffen sind die Flüchtigkeit und die Klopffestigkeit einer der wichtigsten Parameter, die die Motorleistung beeinflussen. Die Flüchtigkeit von Ottokraftstoff beeinflusst die Geschwindigkeit und Menge der Verdampfung des Kraftstoffs im Ansaugkanal und im Zylinder. Die geringe Flüchtigkeit des Kraftstoffs beeinflusst die Bildung eines ausreichenden Luft-Kraftstoff-Gemischs, aber wenn er sehr flüchtig ist, kann er den Durchfluss des Kraftstoffs durch die Bildung von Dampfblasen im Ansaugkanal mit dem lokalen Temperaturanstieg verhindern. Wenn die Flammenfront während der Verbrennung voranschreitet, verdichtet sie mit der steigenden Temperatur und dem Druck im Zylinder die Luft-Kraftstoff-Füllung, die die Flammenfront noch nicht erreichen kann. Dadurch kann der Brennstoff eine weitere Verbrennungsfront bilden, da der Brennstoff durch Wärme und Strahlung spontan die Zündtemperatur erreicht. Die Verbrennungsgeschwindigkeiten der Flammenfronten an diesen verschiedenen Punkten können 300-350 m/s betragen, und die Zylinderdrücke können sich auf bis zu 9-12 MPa hinaufbewegen. Bei diesen hohen Geschwindigkeits- und Druckwerten werden die Flammenfronten durch das Aufeinandertreffen untereinander oder gegen die Wände der Brennkammer gedämpft. Diese Dämpfungen verursachen nicht nur Energieverluste, sondern erhöhen auch die lokale Wärmeleitung. Als Folge dieser Situation sinkt die Motorleistung. Dieses Phänomen wird bei Ottomotoren als Klopfen bezeichnet und ist eine unerwünschte Situation. Die chemische Struktur des Kraftstoffs hat einen erheblichen Einfluss auf die Selbstzündungstemperatur. Die Oktanzahl (ON) ist definiert als die Eigenschaft des Kraftstoffs zur Klopffestigkeit bzw. wie gut sich der Kraftstoff selbst entzündet. Die Oktanzahl ist umgekehrt proportional zur Kettenlänge der Kraftstoffmoleküle. Je kürzer die Molekülkettenlänge der Kraftstoffe ist, desto höher ist die Oktanzahl. Die Oktanzahl ist aber auch direkt proportional zum verzweigten Seitenkettenanteil. Je höher die Verzweigung in der Molekülkette ist, desto höher ist auch die Oktanzahl des Kraftstoffs. Mit anderen Worten, sie bewirkt eine höhere Klopffestigkeit von Kraftstoffen. Generell gilt: Je höher die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Zusammensetzung des Kraftstoffs, desto höher die Klopffestigkeit. Allerdings sind die Oktanzahlen von zyklischen Molekülen, Naphthenen, Alkoholen und Aromaten hoch. Um die Oktanzahl von Benzin zu skalieren, werden zwei Referenzpunkte genommen, die die Punkte 0-100 darstellen. Die Oktanzahl von normalem Heptan (C7H16) wird mit 0 angenommen, während die Oktanzahl von Isooktan (C8H18) mit 100 angenommen wird. Der Grund für diese beiden Kraftstoffe als Bezugspunkt ist, dass beide Kraftstoffverbindungen fast die gleichen Werte für Flüchtigkeit und Siedepunkt haben. Der Grund für diese beiden Kraftstoffe als Bezugspunkt ist, dass beide Kraftstoffverbindungen fast die gleichen Werte für Flüchtigkeit und Siedepunkt haben. Es gibt auch Kraftstoffe wie z. B. Alkohole und Benzole mit einer höheren Oktanzahl als der oberen Oktanzahl dieser Maßnahme. Bei Ottomotoren werden Additive eingesetzt, um die Klopffestigkeit des Kraftstoffs zu erhöhen und so das Klopfen zu verhindern. Die beiden am häufigsten verwendeten Methoden zur Bestimmung der Oktanzahl von Kraftstoffen sind die Motormethode und die Forschungsmethode. Die mit diesen Methoden ermittelten Oktanzahlen ergeben die Werte der Motoroktanzahl (MON) bzw. der Forschungsoktanzahl (ROZ). In Tabelle 2 sind die Prüfbedingungen für die Bestimmung der Oktanzahl von Kraftstoffen angegeben.

Da die Einlasslufttemperatur bei der MON-Methode höher ist als bei der ROZ-Methode, erreicht die Nachverbrennungstemperatur höhere Werte. Dadurch entzündet sich der Kraftstoff spontan und klopft. Daher ist die mit der MON-Methode erhaltene Oktanzahl niedriger als die mit der ROZ-Methode erhaltene Oktanzahl, da bei der MON-Methode mit niedrigeren Verdichtungsverhältnissen gearbeitet wird. Der Wertunterschied zwischen diesen beiden Oktanzahl-Bestimmungsmethoden wird als Kraftstoffempfindlichkeit (FS) bezeichnet. Liegt die Anzahl der Kraftstoffsensitivitäten zwischen 0 und 10, heißt es, dass die Klopfeigenschaft des Kraftstoffs nicht von der Motorgeometrie abhängt, liegt sie über diesen Werten, ist die Klopfeigenschaft des Kraftstoffs stark von der Brennraumgeometrie des Motors abhängig. YD wird wie in Gl. (3) berechnet:

Brennraumgeometrie, Turbulenz, Temperatur und Inertgase sind die Parameter, die die Oktanzahl beeinflussen. Die Oktanzahl ist stark abhängig von der Flammengeschwindigkeit in einer Luft-Kraftstoff-Ladung. Mit zunehmender Flammengeschwindigkeit verbrennt das Luft-Kraftstoff-Gemisch oberhalb der Selbstentzündungstemperatur sofort während des Zündverzugs. Es besteht also ein direkter Zusammenhang zwischen der Flammengeschwindigkeit und der Oktanzahl, da die Flammengeschwindigkeit ein Auslaufen des Kraftstoffs ohne Klopfen ermöglicht. Alkohole haben hohe Flammgeschwindigkeiten, daher sind ihre Oktanzahlen hoch. Die ID-Zeit hängt nicht von den physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffs wie Dichte und Viskosität in einem heißen Motor im eingeschwungenen Zustand ab. Sie ist stark abhängig von den Komponenten der Kraftstoffchemie. Daher werden Additive wie Alkohole oder organische Manganverbindungen zugesetzt, um die Oktanzahl des Kraftstoffs zu erhöhen. Durch die Erhöhung der Oktanzahl von Kraftstoffen ist es möglich, mit höheren Verdichtungsverhältnissen zu arbeiten. So erhöht ein hohes Verdichtungsverhältnis die Motorleistung und sorgt für einen sparsamen Kraftstoffverbrauch.

Dieselkraftstoffe werden in zwei Hauptkategorien unterteilt, als leichter Diesel und schwerer Dieselkraftstoff. Die chemische Formel von leichtem Diesel ist ungefähr C12.3H22.2, während schwerer Diesel als C14.06H24.8 angesehen wird. Die molaren Gewichte von leichtem und schwerem Diesel liegen bei ca. 170 bzw. 200 g/mol. Viskosität, Oberflächenspannung und Zündneigung des Kraftstoffs sind wichtige Parameter der Kraftstoffeigenschaften von Dieselkraftstoffen. Leichter Dieselkraftstoff hat eine niedrigere Viskosität und erfordert weniger Pumparbeit. Da eine niedrige Viskosität auch die Oberflächenspannung des Kraftstoffs verringert, hat der Kraftstoff beim Sprühen einen kleineren Tröpfchendurchmesser. Im Gegensatz zu Ottomotoren ist bei Dieselmotoren eine hohe Zündwilligkeit erwünscht, da die Verbrennung im Dieselmotor auf der Selbstentzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beruht. An dieser Stelle taucht als Kraftstoffmerkmal die Cetanzahl auf, die ein Maß für die Zündwilligkeit des Kraftstoffs ist. Mit anderen Worten, es ist eine Größe, die die Zündverzögerungszeit quantifiziert. Hexadecan (C16H34), ein geradkettiger Kraftstoff aus der Gruppe der Alkane, gilt als der höchste Bezugspunkt der Cetanzahl, die das Maß für die Zündwilligkeit ist. Der andere Bezugspunkt ist die Cetanzahl 15 als Heptamethylnonan (HMN) C12H34, bzw. der niedrigste Bezugspunkt wurde mit Null als Cetanzahlwert von alpha-Methylnaphthalin C11H10 Kraftstoff angenommen. Zunächst wird der Kraftstoff mit unbekanntem Cetanwert im Motor mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis betrieben. Dann wird der Motortest bis zu der Kompressionsrate durchgeführt, bei der das erste Klopfen zur Bestimmung des Kompressionsverhältnisses des Kraftstoffs einsetzt. Dann wird die Mischung dieser beiden Referenzkraftstoffe in verschiedenen Verhältnissen bei dem vorgegebenen Verdichtungsverhältnis getestet, und die Referenzkraftstoffe werden gemischt, bis das Klopfen beginnt. Der prozentuale Anteil von Hexadecan zum Zeitpunkt des Klopfens im Heptamethylnonan- oder Alpha-Methylnaphthalin-Kraftstoffgemisch ergibt die Cetanzahl des gemessenen Kraftstoffs. Da die Motortests zur Bestimmung der Cetanzahl sehr aufwändig und teuer sind, wurden mehrere empirische Gleichungen unter Verwendung der physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffs entwickelt. Diese Methoden, die die Entzündungsneigung des Kraftstoffs messen, werden als Cetanindex, Anilinpunkt oder Dieselindex bezeichnet. Anilin ist eine aromatische Verbindung, die sich auch bei niedrigen Temperaturen sehr leicht mit Verbindungen ihrer Gruppe mischt, während es mit Alkanen (Paraffinen) schwieriger ist, Mischungen zu bilden. Daher hat Hexadecan (C16H34), das zur Gruppe der Alkane gehört und eine hohe Zündneigung hat, eine hohe Mischtemperatur mit dem Anilin. Die Mischung des Probenkraftstoffs mit der gleichen Menge Anilin wird erhitzt, um den Dieselindex zu ermitteln. Dann wird das gesamte Anilin in dem Kraftstoff gelöst. Danach wird die Mischung abgekühlt, damit sich das Anilin vom Kraftstoff trennen kann. Diese Temperatur, bei der sich das Anilin vom Kraftstoff getrennt hat, wird als Anilinpunkt bezeichnet. Der Dieselindex wird mit dem Anilinpunkt und dem API-Grad gemäß Gleichung (4) berechnet:

Je höher der Wert des Dieselindex ist, desto alkanhaltiger ist der Kraftstoff (in paraffinischer Struktur) und desto höher ist seine Zündneigung. Eine zunehmende Flüchtigkeit in Dieselkraftstoffen führt zu einer Beschleunigung der Kraftstoffverdampfung und einer Abnahme der Viskosität. Dies ist im Allgemeinen unerwünscht, da der Kraftstoff eine Verringerung der Cetanzahl verursacht.

Einige Kraftstoffe, die häufig in Motoren verwendet werden, sind in Tabelle 3 dargestellt. Angegeben sind einige wichtige Eigenschaften der Kraftstoffe wie die geschlossenen Formeln, das Molgewicht, der untere Heizwert und der obere Heizwert, das stöchiometrische Luft/Kraftstoff- und Kraftstoff/Luft-Verhältnis, die Verdampfungstemperatur, die Motoroktanzahl (MON), die Forschungsoktanzahl (ROZ) und die Cetanzahl.

Der Cetan-Index kann aus Gl. (5) berechnet werden, die durch Destillation des Kraftstoffs dargestellt wird. Er wird aus den Temperaturen und der Dichte des verdampften Kraftstoffs bei 10, 50 und 90% Volumenverhältnis durch die Destillation des Kraftstoffs berechnet:

Die Werte von T10, T50 und T90 sind die Temperaturen, bei denen der Kraftstoff in Volumenverhältnissen von 10, 50 bzw. 90% verdampft. B = -exp – 1, wobei ρ = Dichte in kg/m3 bei 15°C. Diese Formel ist auf die Cetanzahl bezogen, es sei denn, dem Kraftstoff werden cetanzahlerhöhende Additive zugesetzt. Ansonsten kann die Cetanzahl von dotierten Kraftstoffen durch Motortestversuche gemessen werden. Eine andere Methode zur Berechnung des Cetanindex ist die empirische Gleichung in Gl. (6), die unter Verwendung einiger physikalischer Eigenschaften des Kraftstoffs berechnet wird :

wobei G = (141,5/Sg) -131,5 der API-Grad des Kraftstoffs ist. Sg und Tgn sind die relative Siedepunkttemperatur in °F bzw. die relative Dichte.

Der semiempirische Ausdruck, der die ID-Dauer basierend auf der Cetanzahl und anderen Betriebsparametern vorhersagt, lautet wie folgt:

ID (°CA) ist eine Zeit im Kurbelwellenwinkel, EA = (618.840)/(Cetanzahl + 25) Aktivierungsenergie, Ru = 8,314 kJ/kmol K universelle Gaskonstante, Tem und Pem Temperatur zu Beginn der Verdichtungszeit (K) bzw. Druck (bar), ε = Verdichtungsverhältnis und k = cp/cv = 1,4 sind die Werte, die in der Luft-Standardzyklusanalyse verwendet werden. ID wird nach der in Gl. (8) angegebenen Formel berechnet. Sie wird in Millisekunden für einen Motor bei n U/min ausgedrückt :

Die niedrige Cetanzahl von Dieselmotoren führt zu einer Erhöhung der ID-Zeit, was wiederum die für die Verbrennung und CA benötigte Zeit reduziert. Eine erhöhte TG-Zeit führt dazu, dass sich mehr Kraftstoff im Brennraum ansammelt als erforderlich. Dieser überschüssige Kraftstoff verursacht somit plötzliche und hohe Druckanstiege während des Beginns der Verbrennung. Diese plötzlichen Druckanstiege verursachen mechanische Spannungen und einen harten Motorbetrieb, der als Dieselklopfen bekannt ist.

Kurz gesagt, beziehen sich die Cetanzahl und die Oktanzahl auf die spontane Verbrennung von Kraftstoffen. Eine höhere Cetanzahl gibt an, dass Dieselkraftstoff plötzlich und leicht verbrennt. Die hohe Oktanzahl definiert die Widerstandsfähigkeit von Benzin gegen plötzliche Entzündung. Im Allgemeinen gilt: Wenn die Cetanzahl hoch ist, ist die Oktanzahl niedrig. Es besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen diesen beiden Eigenschaften, so dass die Cetanzahl niedrig ist, wenn die Oktanzahl hoch ist.