Eigenschaften

Voraussetzung für das Dieselprinzip

In einem Dieselmotor wird Kraftstoff in die verdichtete heiße Luft eingespritzt. Die Entzündung und Verbrennung erfolgt nach einer gewissen Zeitspanne ohne äußere Zündquelle. Dieselmotoren werden daher auch als Selbstzünder bezeichnet.   

Die Zeit zwischen Einspritzen und Selbstzündung des Kraftstoffes wird als Zündverzug bezeichnet.   

Der Zündverzug ist abhängig von der Konstruktion des Motors (Verdichtungsverhältnis, Strömungsverhältnissen), den Betriebsbedingungen und besonders von der Zündwilligkeit des Kraftstoffes.   

Das Maß für Zündwilligkeit eines Dieselkraftstoffes ist die Cetanzahl. 

Die Cetanzahl ist der in Volumen-Prozent ausgedrückte Anteil an Cetan in einer Mischung aus Cetan und Alpha-Methylnaphthalin. Sie ergibt bei vorgegebenen Versuchsbedingungen in einem Prüfmotor denselben Zündverzug wie der zu prüfende Dieselkraftstoff.

Es können zwei verschiedene Motoren zur Cetanzahlbestimmung verwendet werden, wobei der BASF-Motor in der Vergangenheit bei der Messung oftmals höher bewertet hat als der CFR-Motor. Die in der Norm angegebene Mindest-Cetanzahl von 51 bezieht sich auf den CFR-Motor, d. h., Ergebnisse aus dem BASF-Motor müssen für Vergleiche umgerechnet werden.  

In den letzten Jahren wurden zunehmend nichtmotorische Verfahren, z.B. der IQT (Ignition Quality Tester) entwickelt.

Als Maßstab für die Zündwilligkeit kann auch der Cetanindex aus Dichte und Siedeverlauf berechnet werden. Dieser kann aber nicht die Cetanzahlerhöhung berücksichtigen, die durch Additive erreicht wird.   

Hohe Cetanzahlen erlauben eine leisere Verbrennung.

Die Cetanzahl hat für die Güte des Verbrennungsablaufs im Dieselmotor entscheidende Bedeutung. Je höher die Cetanzahl, umso besser ist dessen motorisches Verhalten. Neben Einflüssen auf das Start- und Abgasverhalten macht sich die Zündwilligkeit auch im Verbrennungsgeräusch bemerkbar.   

Ist der Zündverzug zu hoch, z. B. durch eine zu niedrige Cetanzahl, verbrennt ein Großteil des eingespritzten Kraftstoffs schlagartig, das dieseltypische laute Verbrennungsgeräusch („Nageln“) wird härter.   

Eine natürliche aber unerwünschte Begleitsubstanz

Erdöl enthält je nach Herkunft bis zu 5% Schwefel. Schwefelarme Rohöle enthalten immer noch 0,5 bis 1% Schwefel. Der aus dem Erdöl stammende Schwefelanteil im Dieselkraftstoff wird bei der Verbrennung in Schwefeldioxid (SO₂) und schwefelige Säuren/Sulfate umgewandelt. Dieses wirkt sich ungünstig auf das Korrosionsverhalten im Motor und die Abgasemissionen aus.    

Die aufwendigen Entschwefelungsmaßnahmen in den Raffinerien führten dazu, dass in Deutschland der Beitrag des Dieselmotorenabgases zum sogenannten „sauren Regen“, also dem S0₂-Eintrag in die Atmosphäre, heute nicht mehr als Problem gesehen wird. Aber der Einfluss des Schwefels auf die als „Partikel“ definierten Abgasbestandteile steht im Vordergrund.   

Im Abgas von Dieselmotoren treten auch die als krebserregend angesehenen Rußpartikel und polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAH) auf.    

Entsprechend der Analysenvorschrift werden aber nicht nur diese kritischen Substanzen als „Partikel“ erfasst, sondern auch die aus dem Schwefel gebildeten Sulfate und das daran angelagerte Wasser. Nur dieser Anteil kann durch eine Entschwefelung des Dieselkraftstoffs weiter reduziert werden.

Als „schwefelfrei“ gelten Kraftstoffe mit max. 10ppm Schwefel. Deutschland hatte in einer Vorreiterrolle bereits 2003 schwefelfreien Diesels eingeführt und dies durch eine höhere Besteuerung von Dieselkraftstoff deren Schwefelgehalt über 0,001 Gew. % lag, flächendeckend und ausnahmslos umgesetzt. Seit 2008 ist Dieselkraftstoff in der EU schwefelfrei.    

Schwefel hat aber auch eine positive Eigenschaft: das Schmierverhalten. Schwefelfreie Dieselkraftstoffe müssen durch besondere Additive (Lubrifier) so verbessert werden, dass die empfindlichen, kraftstoffgeschmierten Bauteile in den Einspritzanlagen moderner Dieselmotoren (Elektro-Kraftstoffpumpen, Hochdruckpumpen oder Pumpe-Düse-Einheiten, Injektoren) leicht und reibungsfrei arbeiten können. Durch die Beimischung von Pflanzenölmethylestern (Biodiesel) zum schwefelfreien, mineralischen Dieselkraftstoff hat sich das Schmierverhalten ganz beträchtlich verbessert und ist der Einsatz dieser Lubrifier ist seitdem geringer. 

Diese Kraftstoffparameter müssen sich an Grenzen halten

Dieselkraftstoff beginnt bei etwa 160 °C zu verdampfen und hört bei etwa 380 °C auf. Dem Siedeverhalten kommt beim Dieselkraftstoff nicht dieselbe, hohe Bedeutung zu wie beim Ottokraftstoff, da im Dieselmotor im Gegensatz zum Ottomotor die Aufbereitung des zündfähigen Gemisches praktisch direkt im Brennraum erfolgt.  

Kaltstartverhalten

Für das Kaltstartverhalten ist eine gewisse Leichtflüchtigkeit von Vorteil. Ein überhöhter Anteil an Leichtsiedern hat jedoch eine Verdampfung des Dieselkraftstoffes unmittelbar in der Nähe der Einspritzdüse des Motors zur Folge, wodurch eine richtige Verteilung des Kraftstoffes im Verbrennungsraum nicht mehr gewährleistet wäre.  

Siedeende und Rußneigung

Ein zu großer Anteil an Hochsiedern, d. h. ein zu hohes Siedeende – insbesondere durch Aromaten – bewirkt eine Vergrößerung der Tröpfchen im Einspritzstrahl. Der dadurch ausgelöste erhöhte Zündverzug ruft eine schlechtere Verbrennung hervor, die sich u. a. in einer verstärkten Rußneigung bemerkbar macht. Je höher siedend Kohlenwasserstoffe sind, desto mehr Energie müssen sie aus der Umgebung, hier also dem Brennraum, aufnehmen, um zu verdampfen. 

Nur verdampfte Kraftstoffbestandteile können sauber verbrennen, die flüssigen oxidieren nur unter starker Rußbildung. Nebenbei setzt der Motor auch nicht die im Kraftstoff vorhandene chemische Energie in Leistung um, weil sowohl Ruß als auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe noch chemische Energie enthalten. Das merkt man beim Fahren am erhöhten Verbrauch.

Winterhilfe durch Additive

Bestimmte Kohlenwasserstoffe eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften ganz besonders für den Dieselmotor, darunter auch die paraffinischen Kohlenwasserstoffe. Diese neigen aber dazu, bei tiefen Temperaturen Kristalle zu bilden. Diese Kristalle fallen aus, und können sich zu wachsartigem „Paraffin-Gatsch" zusammenballen. Hierdurch wird die Pumpfähigkeit des Diesel-Kraftstoffs beeinträchtigt, Filter können verstopfen und so das Fahrzeug lahmlegen.  

Der Motor springt dann beim Kaltstart gar nicht an, weil er keinen Kraftstoff zur Verbrennung bis in den Brennraum befördern kann. Es kommt aber auch teilweise vor, dass der Motor beim Kaltstart zwar noch anspringt, aber nach wenigen hundert Metern Fahrstrecke der Motor nicht mehr genügend Kraftstoff erhält, um die von ihm erwartete Leistung zu verrichten. Er gibt immer weniger Leistung ab, er ruckelt oder geht ganz aus. Dann wurde die Fahrbarkeitsgrenze (auch „Operability"-Grenzwert genannt) unterschritten.

Da die Fahrbarkeitsgrenze von verschiedensten Faktoren beeinflusst wird, bestimmen verantwortungsbewusste Kraftstoffanbieter nicht nur die in der Norm festgelegte Filtrierbarkeitsgrenze (Cold Filter Plugging Point = CFPP), sondern weitere Kennwerte, wie z. B. den sichtbaren Beginn der Paraffinausscheidung (Cloud Point = CP) bei verschiedenen Bedingungen.  

Erfüllt die ermittelte Fahrbarkeitsgrenze nicht den angestrebten Wert, können Veränderungen bei der Kraftstoffherstellung oder der Einsatz „maßgeschneiderter" Additive helfen. 

Als effektiv hat sich eine Additivierung mit Fließverbesserern erwiesen, die auf den jeweiligen Kraftstoff abgestimmt werden müssen. Hierdurch kann die Größe der Wachskristalle von typischerweise 0,25 mm auf rund 0,03 mm verringert werden.  

Daneben werden auch „Wax Anti Settling Additive" (WASA) eingesetzt, womit nochmals eine deutliche Verkleinerung der Kristalle möglich wird. Mit WASA wird das Absetzverhalten und Zusammenballen weitgehend unterbunden, so dass es sich bereits im „Vorleben" des Dieselkraftstoffs - d. h. im Lager- und Verteilungssystem - positiv auswirken kann.  

Neben dem Kraftstoff haben auch andere Faktoren einen erheblichen Einfluss auf die Fahrzeug-Operability bei niedrigen Temperaturen. Hierzu gehört auch die Fahrzeugtechnik. Fahrversuche mit Winter-Dieselkraftstoff in Fahrzeugen unterschiedlicher Anbieter haben gezeigt, dass das „beste“ Fahrzeug bis zu einer um 16 °C niedrigeren Temperatur noch fahrbar war.
 

Ein Maß für die Entzündbarkeit

Dieselkraftstoffe sind entzündliche Stoffgemische. Als Maß für ihre Entzündbarkeit und die daraus abzuleitenden Sicherheitsmaßnahmen im Lager- und Verteilungssystem ist der Flammpunkt von Bedeutung. Der Flammpunkt ist diejenige Temperatur, bei der sich nach einem genormten Laborverfahren in einem geschlossenen Tiegel die Kraftstoffdämpfe durch Fremdzündung erstmals entflammen lassen.   

Gefahrenklasse

Dieselkraftstoffe müssen einen Flammpunkt von über 55 °C aufweisen. Schon geringe Vermischungen mit Ottokraftstoffen, wie sie z. B. durch mangelnde Restentleerung der Tankwagen bei wechselweiser Befüllung im Tankstellenlieferdienst von Otto- und Dieselkraftstoff entstehen können, führen zu Unterschreitungen dieses Grenzwertes.   

Saubere Düsen für eine optimale Verbrennung

Für eine optimale Verbrennung besonders in direkteinspritzenden modernen Dieselmotoren ist entscheidend, dass die feinen Einspritzdüsen sauber bleiben. Bei modernen Diesel-Hochdruckeinspritzsystemen arbeiten die Düsen bereits über 2.000 bar.   

Um eine bestmögliche Energieumsetzung zu gewährleisten, muss an jedes Kraftstoffmolekül Sauerstoff aus der Verbrennungsluft herankommen. Dazu sind zunächst feinste Tröpfchen hilfreich, denn sie verdampfen leichter und die Gaswolke verbrennt dann fast ohne Rußbildung. Daher ist das Bestreben der Motorenbauer nach immer kleineren Tröpfchen nur über höhere Drucke bei gleichzeitig immer kleineren Düsenbohrungen realisierbar. Die heute in Serie befindlichen Injektoren haben 6, 7, 8 oder 10 Düsenbohrungen mit unter 0,1 mm Durchmesser. Ihre Größe ähnelt der eines menschlichen Haares (ca. 0,07 mm).

Daher muss der Kraftstoff, der von ihnen unter Hochdruck verteilt wird, möglichst sauber und rein sein. Lagern sich in den Düsenbohrungen sog. Koksrückstände ab, wird die Einspritzung des Kraftstoffs und damit die Verbrennung erheblich verschlechtert. Erstens wird nicht mehr die Menge eingespritzt, die bei sauberen Düsenbohrungen durchgesetzt wird, was die Leistung negativ beeinflusst. Aber auch das Strahlbild ändert sich und es bilden sich größere Tropfen. Diese verbrennen weniger gut, dadurch erhöht sich der Partikelausstoß, und der Motor produziert aus der gleichen Kraftstoffmenge weniger Leistung.   

Bestimmte Additive leisten einen Beitrag, die Düsen sauber zu halten, aber auch Kraftstoffe, deren Siedeende relativ niedrig liegt.

Auch Kraftstoffe besitzen eine Viskosität

Die Viskosität, auch Zähigkeit oder innere Reibung genannt, muss in einer bestimmten Spanne liegen, damit eine ausreichende Schmierung der gleitenden Teile der Einspritzanlage gewährleistet ist. Früher hatten die Einspritzpumpen einen eigenen Ölvorrat, der zur Schmierung der empfindlichen Bauteile genutzt wurde. Heute sind fast ausnahmslos alle Einspritzanlagen für Dieselmotoren kraftstoffgeschmiert.  

Eine zu hohe Viskosität würde einen höheren Druck im Einspritzsystem erfordern und wegen steigender Tröpfchengröße im eingespritzten Kraftstoff eine schlechte Gemischbildung im Brennraum bewirken. Folgen wären verschlechterte Kraftstoffausnutzung, d. h. geringere Leistung und Erhöhung der Rußemissionen im Abgas. Die Viskosität nimmt im Allgemeinen mit steigender Dichte zu.