Oktanzahl

2,2,4-Trimethylpentan oder Isooktan mit Oktanzahl 100 (oben) und n-Heptan mit Oktanzahl 0 (unten)

Die Oktanzahl definiert ein Maß für die negative Zündunwilligkeit und damit für die Klopffestigkeit eines Ottokraftstoffes bzw. Motorenbenzins. Der Zahlenwert der Oktanzahl bis 100 gibt an, wie viel %-Volumenanteil zündhemmendes Isooktan C₈H₁₈ (ROZ = 100) sich in einer Mischung mit zündwilligem n-Heptan C₇H₁₆ (ROZ = 0) befinden muss, damit diese die gleiche Klopffestigkeit (in einem Prüfmotor nach ROZ oder MOZ) aufweist wie der zu prüfende Kraftstoff. Zum Beispiel würde eine Oktanzahl von ROZ = 95 (umgangssprachlich: 95 Oktan) eines Benzins bedeuten, dass dessen Klopffestigkeit einem Gemisch aus 95 Vol.-% Isooktan und 5 Vol.-% n-Heptan entspricht.

Allgemeines

Es gibt viele Stoffe, wie einige Aromaten, Erdgas und Flüssiggas, die eine Oktanzahl größer als 100 aufweisen. Messtechnisch sind diese jedoch schwer zu erfassen, da das Referenzsystem mit Isooktan nur bis zur Oktanzahl 100 definiert ist. Oktanzahlen größer als 100 müssen daher extrapoliert werden. Die Oktanzahl über 100 ROZ/MOZ entspricht der Oktanzahl einer Mischung aus iso-Oktan und Tetraethylblei (TEL); dabei ist die Oktanzahl des Gemisches einem bestimmten Volumenanteil an TEL im iso-Oktan zugeordnet. Diese Zuordnung erfolgt nach der in DIN 51756 Teil 1 festgelegten Tabelle. Sie kann nicht, wie bei der Oktanzahl bis 100, direkt aus dem Mischungsverhältnis des Bezugskraftstoffes abgelesen werden. In diesem Zusammenhang wird auch der Begriff Blendoktanzahl verwendet; in der Luftfahrt eher die Leistungszahl, letzter angegeben als zweiteiliger „Bruch“ wie beispielsweise 115/145, welches bedeutet, dass der hier verwendete Kraftstoff bei magerem Gemisch eine Leistungszahl von 115, bei fettem Gemisch eine Leistungszahl von 145 besitzt.

Abhängigkeit der Oktanzahl (ROZ) von der Zündtemperatur

Isooktan ist klopffest, n-Heptan verursacht schnell das sogenannte Klopfen beim Motor. Grund dafür ist, dass das n-Heptan unkontrolliert schon beim Verdichtungsvorgang durch die Verdichtungswärme im Zylinder zündet. Isooktan kann stark verdichtet werden, ohne dass es zur Selbstzündung kommt. Beim Ottomotor soll das Benzin-Luft-Gemisch durch einen Zündfunken gezündet werden und mit definierter Flammfront abbrennen (bei der Weiterentwicklung des Ottomotors mit homogener Kompressionszündung entfällt teilweise der Zündfunken).

Man kann zwischen verschiedenen Oktanzahlen unterscheiden:

• ROZ – Research-Oktanzahl
• MOZ – Motor-Oktanzahl
• SOZ – Straßen-Oktanzahl
• FOZ – Front-Oktanzahl, oft auch mit ROZ_100 °C bezeichnet

Oktanzahl und Wirkungsgrad

Bitte Quellen nachtragen!

Die Erhöhung der Oktanzahl ging einher mit der Weiterentwicklung der Verbrennungsmotoren. Früher wurde das Rohbenzin/Naphtha, so wie es bei der Primärdestillation anfällt, als Kraftstoff eingesetzt. Die nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelten Motoren benötigen klopffesteren Kraftstoff. Durch stärkere Verdichtung lässt sich der Wirkungsgrad des Motors erhöhen, und damit die spezifische Leistung.

Um die Oktanzahl zu erhöhen, wurde ab 1924 in den USA, und von 1936 bis 1996 in Deutschland Ottokraftstoffen Tetraethylblei zugesetzt. Das Blei verhindert unter anderem als Radikalfänger eine unkontrollierte Selbstentzündung des Kraftstoff-Luftgemisches bei der Verdichtung. Außerdem hat es eine Schmierwirkung für die Ventilsitze. Weil Blei und seine Verbindungen giftig sind, wurde in der Bundesrepublik Deutschland ab 1971 der Bleigehalt des Benzins gesetzlich begrenzt, zunächst auf 0,4 g/l, später auf 0,15 g/l. In den 1980er Jahren wurde zusammen mit den Abgas-Katalysatoren bleifreies Benzin eingeführt, weil die Bleizusätze die Katalysatoren unwirksam gemacht hätten. Schließlich wurde am 1. Januar 2000 verbleites Benzin in der Europäischen Union generell verboten. Es gab kaum noch Fahrzeuge, deren Ventilsitze für Blei im Kraftstoff ausgelegt waren.

Die unterschiedliche Oktanzahl der an den Tankstellen erhältlichen Kraftstoffe kommt durch die unterschiedliche Verwendung der in einer Erdölraffinerie produzierten Komponenten zustande. So enthält Superbenzin mehr hochwertige Komponenten als Normalbenzin. Die Herstellung hochwertiger Komponenten erfordert im Allgemeinen höhere Kosten, hochoktanige Benzinsorten sind deshalb teurer.

Oft wird Methyl-tertiär-butylether (MTBE) zur Erhöhung der Klopffestigkeit zugegeben, erlaubt sind bis zu 15 %vol. Wegen schlechter Abbaubarkeit in Wasser ist MTBE als wassergefährdend (WGK 1 = schwach wassergefährdend) eingestuft. In etlichen Staaten der USA ist MTBE bereits wieder aus dem Benzin „verbannt“ worden. Heutzutage wird immer öfter Ethyl-tertiär-butylether (ETBE) eingesetzt. ETBE bietet gegenüber MTBE aufgrund seines höheren Siedepunkts einige Vorteile und ist, da es unter anderem aus Bio-Ethanol gewonnen wird, als Kraftstoffkomponente steuerlich interessant. Wie MTBE hat auch ETBE den Nachteil, dass es sich im Grundwasser nur schlecht abbauen lässt.

Geschichte

Seit etwa 1912 wurde das unregelmäßige Zünden bei Motoren beobachtet. Das Geräusch wurde als „Klopfen“ bezeichnet, welches den Motor dann auch schnell zerstörte. Zunächst wurden als Ursache die neuen batteriebetriebenen, elektrischen Zündanlagen angenommen. Bei genaueren Untersuchungen stellte sich heraus, dass das Klopfen mit der Kompressionsrate zusammenhing, welche die Motoringenieure erhöhten, um mehr Leistung zu erzielen (Zusammenhang zwischen Zündtemperatur des Kraftstoffs und der Temperaturerhöhung des Kraftstoffs während der Reduktion des Volumens beim Verdichten. Siehe Boylesches Gesetz). Es wurden verschiedene Messmethoden probiert, aufgrund der vielen Variablen (Kraftstoffzusammensetzung, Zündzeitpunkt, Verdichtung, Motortemperatur, Zylinderbauweise …) setzte sich allerdings keines der Messverfahren durch.

1927 kam Graham Edgar auf die Idee, dass man Reinstoffe als Referenzsysteme verwenden könnte. Man benötigte zwei Stoffe (einen stark klopfenden mit niedriger Zündtemperatur und einen klopffesten mit hoher Zündtemperatur), welche in großer Reinheit und ausreichenden Mengen hergestellt werden konnten. Des Weiteren sollten diese beiden Stoffe recht ähnliche Eigenschaften aufweisen (Schmelz- und Siedepunkt, Dichte und Verdampfungseigenschaften). n-Heptan konnte destillativ in großer Reinheit gewonnen werden und hatte sehr schlechte Klopfeigenschaften. 2,2,4-Trimethylpentan („Iso-Oktan“) konnte durch Anlagerung von Isobuten an Isobutan synthetisiert und destillativ gereinigt werden und hatte sehr gute Klopfeigenschaften.

Die damals erhältlichen Kraftstoffe hatten Klopfverhalten, welche durch Gemische von 40:60 bis 60:40 an i-Oktan:n-Heptan dargestellt werden konnten. Sie ließen sich mit diesem System also gut charakterisieren. Damit hatte das normale Autobenzin vor 1930 Oktanzahlen von 40 bis 60, konnte jedoch durch hohe Zugaben von „Kartoffelsprit“ oder Benzol beziehungsweise Beigaben von „Bleitetraäthyl“ oder Eisencarbonylen „kompressionsfester“ gemacht werden.

Oktanzahlen

Zapfsäule in den USA mit fünf Benzinsorten (Oktanzahl als AON angegeben)

In Europa wird an den Tankstellen meist als „Zapfsäulen-Oktanzahl“ die ROZ („Researched Oktanzahl“) angegeben, in den USA dagegen meist die AON („Average Octane Number“). Die AON muss dabei relativ aufwendig nach der Formel AON = (ROZ+MOZ):2 berechnet werden. Da die ROZ-Werte höher als die von MOZ oder AON und dazu noch einfacher zu berechnen sind, hat sich an den europäischen Tankstellen die ROZ-Zahl durchgesetzt.

Researched (Erforschte)-Oktanzahl (ROZ)

Die ROZ wird mit dem Einzylinder-CFR-Prüfverfahren ermittelt.

Sowohl die MOZ als auch die ROZ werden im CFR-Motor (veränderliches Verdichtungsverhältnis) durch Vergleich mit einem Bezugskraftstoff aus Isooktan (OZ = 100) und Normalheptan (OZ = 0) ermittelt. Der Volumenanteil an Isooktan des Bezugskraftstoffes, der die gleiche Klopfintensität hat wie der zu prüfende Kraftstoff, ist dessen Oktanzahl. Die MOZ ist meist niedriger als die ROZ, da sie bei höherer Drehzahl und Gemischvorwärmung auf ca. 149 °C (300° Fahrenheit) ermittelt wird.

Die nach der Research-Methode (DIN EN ISO 5164) ermittelte ROZ soll das Klopfverhalten bei geringer Motorlast und niedrigen Drehzahlen beschreiben.

Motor-Oktanzahl (MOZ)

Die mit der Motor-Methode (DIN EN ISO 5163) ermittelte „Motor-Oktanzahl“ soll das Verhalten bei hoher Motorlast und hoher thermischer Belastung beschreiben. Hier werden beim Norm-Motor härtere Bedingungen angelegt, nämlich statt 600 nun 900 Umdrehungen pro Minute, eine automatisch verstellbare Zündeinstellung sowie eine Gemischvorwärmung auf immerhin 149 °C. Dadurch ist die MOZ immer kleiner oder gleich der ROZ.

Oktanzahlen werden im CFR-Motor oder BASF-Motor durch Vergleich mit einem Bezugskraftstoff aus Isooktan (OZ = 100) und Normalheptan (OZ = 0) ermittelt. Der Volumenanteil Isooktan des Bezugskraftstoffes, der die gleiche Klopfintensität hat wie der zu prüfende Kraftstoff, ist dessen Oktanzahl.

Die Differenz zwischen ROZ und MOZ wird als „Empfindlichkeit“ (sensitivity) bezeichnet und bringt die Temperaturabhängigkeit der Oktanzahl zum Ausdruck. Eine hohe Empfindlichkeit bedeutet, der Kraftstoff reagiert empfindlich auf höhere thermische Belastung.

Straßenoktanzahl (SOZ)

Die Vergleichswerte werden unter realistischen Bedingungen auf der Straße gemessen. Dabei geht man an die Leistungsgrenze des Kraftstoffs: gleichbleibend hohe Drehzahl bei Vollgas. Damit der SOZ-Wert vergleichbar ist, unterliegt er einer Norm.

Front-Oktanzahl (FOZ)

Die FOZ beschreibt die Oktanzahl der bis ca. 100 °C siedenden Komponenten des Kraftstoffs. Es wird dabei die Research-Oktanzahl der bis 100 °C verdampften Komponenten des Kraftstoffs ermittelt (daher auch die Bezeichnung ROZ_100 °C). Die FOZ beschreibt somit das Verhalten des Kraftstoffs bei niedrigen Motortemperaturen kurz nach dem Starten des Motors (Kaltstartverhalten).

Oktanzahlen einiger Reinstoffe

Technischer Name	Chemischer Name	ROZ	MOZ	Anmerkung
Heptan	n-Heptan	0	0	definitionsgemäß
Isooktan	2,2,4-Trimethylpentan	100	100	definitionsgemäß
Butan	n-Butan	93,4	90,1
Isobutan	Methylpropan	102	98
Pentan	n-Pentan	61,8	63,2
Isopentan	2-Methylbutan	92,3	90,3
Neopentan	2,2-Dimethylpropan	86	80
Cyclopentan		103	86
Hexan	n-Hexan	24,8	26,0
Isohexan	2-Methylpentan	73,4	73,5
	3-Methylpentan	74	74
Neohexan	2,2-Dimethylbutan	94	93
Diisopropyl	2,3-Dimethylbutan	102	101
Cyclohexan		83	77
Benzol	Benzol	99	91
Toluol	Methylbenzol	124	112
Xylol	o-Xylol	120	102
Xylol	m-Xylol	145	124
Xylol	p-Xylol	146	127
Ethylbenzol	Ethylbenzol	124	107
Ethanol		130	96
MTBE	tert-Butylmethylether	118	100
ETBE	tert-Butylethylether	118	102
Dicyclopentadien	Tricyclo[5.2.1.02,6]deca-3,8-dien	229	167

Oktanzahlbedarf eines Ottomotors

Der Oktanzahlbedarf beschreibt den Bedarf an Klopffestigkeit des Kraftstoffes eines Motors, damit es nicht zu ungewollten Selbstzündungen kommt. Der Oktanzahlbedarf hängt dabei von den Betriebsbedingungen des Motors (Drehzahl, Temperatur, Brennraumgeometrie, Verdichtungsverhältnis, Gemischzusammensetzung, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Zündzeitpunkt, Ablagerungen etc.) ab. Damit der Motor störungsfrei arbeitet, muss daher das Oktanzahlangebot des Kraftstoffes so hoch sein, dass der Oktanzahlbedarf des Motors auch bei den ungünstigsten Betriebsbedingungen noch erfüllt wird – beispielsweise kann der Oktanzahlbedarf eines Motors bei Vollgas um 10 Oktanzahlen höher liegen als im Leerlauf. Die Verwendung von oberhalb der Motorspezifikation liegenden Oktanzahlen bringt im Regelfall keine Vorteile. Moderne Motoren mit elektronischer Kennfeldzündung in Kombination mit Klopfsensoren können mit verschiedenen Oktanzahlen bei reduzierter Leistung gefahren werden.

Oktanzahlen von Ottokraftstoffen

Normal/Benzin Bleifrei	mindestens	91 ROZ	82,5 MOZ
Super/Bleifrei 95	mindestens	95 ROZ	85 MOZ
SuperPlus/Bleifrei 98	mindestens	98 ROZ	88 MOZ		(meist schon auf 100,0 ROZ umgestellt)
Shell V-Power 100+	mindestens	100 ROZ	88 MOZ
Aral/BP ultimate102	mindestens	102 ROZ	88 MOZ
MoGas	mindestens	98 ROZ	88 MOZ		(Für Flugbetrieb zugelassenes Superbenzin)
AvGas UL91	mindestens	96 ROZ	91 MOZ		(Flugbenzin, unverbleit)
AvGas 100LL	mindestens		100 MOZ		(Standard-Flugbenzin, verbleit)
Autogas		103 bis 111 ROZ	97 bis 99 MOZ
Erdgas		120 bis 130 ROZ
E85 (Kraftstoff mit 85 % Ethanol)	mindestens	104 ROZ
E10 (Kraftstoff mit 10 % Ethanol)	mindestens	95 ROZ	85 MOZ		(meistens aber schon 97 ROZ)
Rennbenzin	gibt es mit	120 ROZ
Formel-1-Benzin	maximal	102 ROZ			(früher bis 108 ROZ)

In Österreich hat die OMV AG im Jahr 2004 Super Plus mit 100 ROZ eingeführt, in der Schweiz führt BP auch Super Plus mit 100 ROZ ein. Das ist auch in Deutschland in vielen Fällen bereits umgestellt, zusätzlich wird dort nun Ultimate102 geführt.

Literatur

• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3.
• Peter A. Wellers, Hermann Strobel, Erich Auch-Schwelk: Fachkunde Fahrzeugtechnik. 5. Auflage, Holland+Josenhans Verlag, Stuttgart, 1997, ISBN 3-7782-3520-6.
• Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert: Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. 2. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 2001, ISBN 3-528-13114-4.
• Kurt-Jürgen Berger, Michael Braunheim, Eckhard Brennecke: Technologie Kraftfahrzeugtechnik. 1. Auflage, Verlag Gehlen, Bad Homburg vor der Höhe, 2000, ISBN 3-441-92250-6.

Siehe auch

• Cetanzahl bei Dieselkraftstoff
• Methanzahl bei gasförmigem Kraftstoff

Weblinks

Wiktionary: Oktanzahl – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Historischer Zusammenhang zwischen Oktanzahl und erreichbarem Verdichtungsverhältnis
• Gasoline FAQ
• François GARIN: FORMULATIONS OF FUELS (Memento vom 15. Oktober 2005 im Internet Archive) (PPT).