Kraftstoffe (3) - Dieselkraftstoff
Wundersaft Diesel

von kfztech.de | Teil 1 Einführung Kraftstoffe | Teil 2 Ottokraftstoffe | Teil 4 Alternative Kraftstoffe 1 fossile Energieträger | | Teil 5 Alternative Kraftstoffe 2 - biogene Energieträger |

Grundwissen Lernfeld 8 - Mechatronische Systeme des Antriebsmanagements diagnostizieren

Der Siegeszug des Dieselmotors und somit auch des Dieselkraftstoffs in den letzten Jahren in Westeuropa schien unaufhaltsam zu sein. Gleichzeitig wurden die Motoren immer leistungsstärker und sauberer. Seitdem die EU die Euro 3-Norm im Jahr 2000 eingeführt hat, wurde die Stickoxid-Emission von Diesel-Pkw im zugrunde liegenden Prüfzyklus bereits um 84 Prozent reduziert. Aber 10 % der NOx-Emissionen stammen immer noch von Diesel Pkw (Info 2).

Common Rail Systeme sind heute das Herzstück der Hochdruck-Einspritzung mit schaltschnellen Magnet- oder Piezo-Injektoren.

Um sauber einspritzen und verbrennen zu können ist neben moderner Technik ein möglichst effizienter Dieselkraftstoff nötig - Bild: ams

Ein moderner Diesel Pkw hat was Fahrleistung und Fahrkomfort betrifft, praktisch keine Nachteile mehr gegenüber Pkws mit Ottomotoren. Hinzu kommen der niedrigere Verbrauch und der niedrigere Dieselpreis an den Zapfsäulen gegenüber dem Benzin. Dies alles hat zu einer großen Verbreitung des Selbstzünders gesorgt.

Dieselkraftstoff ist rund 20 Ct billiger als Superkraftstoff. - Bild: kfztech.de

Doch seit einiger Zeit steht der Diesel arg in der Schusslinie. War es vor einigen Jahren der höhere Rußausstoß, der schließlich zur Einführung des Rußfilters führte, so ist es nun die Trickserei einiger Automobilherstellers mit der Motorensoftware, die einen viel niedrigeren NOx-Ausstoß am Prüfstand vorgaukelten, als der Diesel in der Wirklichkeit auf der Straße hat. Bürger und Politik sind gleichermaßen geschockt, das Image des angeblichen Saubermanns Diesel ist ramponiert. Was es mit den Stickoxiden und der Gesundheit auf sich hat, erfahren sie in der Info 2. Doch für den Leser soll es hier in erster Linie um den Diesel als Kraftstoff gehen.

Anforderungen: Sauberkeit und Zündwilligkeit

Der Dieselmotor ist ein Wunderwerk elektronisch gesteuerter Feinmechanik und benötigt für einen reibungslosen Lauf einen extrem sauberen Kraftstoff, der z.B. dafür sorgt, dass die feinen Einspritzdüsen sauber bleiben. Nur dann verbrennt der moderne Motor den Kraftstoff optimal. Leistung, Verbrauch, Langlebigkeit, Motorgeräusch und Emissionsverhalten moderner Dieselmotoren hängen auch wesentlich von der Kraftstoffqualität ab.

Die hochmodernen Dieselkomponenten Hochdruckpumpe und Injektoren benötigen saubersten Kraftstoff. - Bild: Bosch

Deshalb haben weltweit alle Automobilhersteller in einer „World Wide Fuel Charter“ Anforderungen an Kraftstoffe formuliert. So soll beispielsweise beim Diesel die Cetanzahl mehr als 55 betragen, und der Selbstzünder-Kraftstoff sollte möglichst rein sein, damit die immer filigraner konstruierten Einspritzdüsen nicht verschmutzen.

Die Cetanzahl beschreibt die Zündwilligkeit von Dieselkraftstoff. Je höher ihre Zahl ist, desto zündwilliger ist der Dieselkraftstoff. Dies hängt unmittelbar mit dem Molekülaufbau des Kraftstoffs zusammen. Je mehr unverzweigt aufgebaute Kohlenwasserstoffmoleküle anteilig im Kraftstoff enthalten sind, desto leichter entzündet er sich. Dieses Verhalten ist bei Dieselmotoren im Gegensatz zum Ottomotor erwünscht.

Die Cetanzahl (Cz) beim Diesel wird ähnlich wie bei der Oktanzahl beim Otto in einem Prüfmotor ermittelt. Als Vergleichskraftstoff werden Cetan (Cz = 100) und α-Methyl-Naphtalin (Cz = 0) verwendet. Dazu vergleicht man den zu prüfenden Dieselkraftstoff hinsichtlich seines Zündverzugs. Zum Zündverzug jedoch später mehr. Die Cetanzahl hat für die Güte des Verbrennungsablaufs im Dieselmotor einen entscheidenden Einfluss. 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. Hohe Cetanzahlen erlauben eine leisere Verbrennung.

Zündung mit Verzögerung

In einem Dieselmotor wird der Diesel in der Regel direkt in die verdichtete heiße Luft im Brennraum eingespritzt. Die Entzündung und Verbrennung erfolgt nach einer gewissen Zeitspanne und ohne äußere Zündquelle. Dieselmotoren werden daher auch als Selbstzünder bezeichnet. Die Verzögerung wird allgemein als Zündverzug bezeichnet. Darunter versteht man also die Zeit von Einspritzbeginn in den Zylinder eines Motors bis zum tatsächlichen Brennbeginn des Luft-Kraftstoff-Gemischs. Der Zündverzug ist abhängig von der Konstruktion des Motors (Verdichtungsverhältnis, Strömungsverhältnissen), den Betriebsbedingungen und besonders von der Zündwilligkeit (s.o.) des Kraftstoffes.

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. Speziell bei Dieselmotoren ist der Zündverzug als drehzahlbegrenzendes Merkmal bekannt, da die Verbrennung nicht sofort mit der Einspritzung einsetzt.

Einspritzbild eines Piezo Injektors - Bild Delphi

B7 Biodiesel

Dieselkraftstoff darf in Deutschland nur in den Verkehr gebracht werden, wenn er die Dieselnorm DIN EN 590 erfüllt. Seit 2015 gilt eine geänderte Form des Biokraftstoffquotengesetzes, wonach dem Dieselkraftstoff bis zu sieben Volumenprozent (7%) Biodiesel in Form von FAME beigemischt werden dürfen. Dies wird auch entsprechend an der Zapfsäule mit dem ergänzenden Schriftzug „Enthält bis zu 7% Biodiesel“ gekennzeichnet. Der beigemischte Biodiesel muss wiederum die Anforderungen der deutschen Biodiesel-Norm DIN EN 14214 erfüllen. Dieselkraftstoff B7, der vorwiegend Biodiesel aus Rapsöl (Rapsmethylester) erzeugt wird, ist heute Standardkraftstoff für Kraftfahrzeuge mit dieselmotorischem Antrieb in Deutschland. Und auch in der EU sind über 99% des vermarkteten Dieselkraftstoffes B7. Im Gegensatz zu E10 bei Benzin können alle Diesel-Fahrzeuge mit dem normgerechten B7 Kraftstoff betankt werden – daher ist B7 auch der geltende Diesel-Regelkraftstoff.

Stoffwerte und Eigenschaften

Diesel selbst besteht aus einem Gemisch aus Olefinen, Aromaten und Paraffinen. Langkettige und wenig verzweigte Moleküle sind in der Überzahl.

Verschiedene Dieselkraftstoffe im Vergleich. Das Ultimate von Aral erscheint kristallklar. - Bild: Aral

Der Siedebereich liegt zwischen 170°C und 380°C. 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.

Dieselkraftstoff ist ein entzündliches Stoffgemisch. Sein Flammpunkt liegt knapp über 55°C, weshalb Diesel noch in der Gefahrenklasse AIII eingeteilt ist. 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.

Seine Dichte, gemessen bei 15°C liegt zwischen 0,82 und 0,845 kg/dm3. Die höhere Dichte des Diesels gegenüber dem Ottokraftstoff bedeutet auch einen höheren Energiegehalt je Volumeneinheit.

Für das Kaltstartverhalten ist eine gewisse Leichtflüchtigkeit von Vorteil. Ein zu hoher Anteil an leicht siedenden Bestandteilen im Diesel hätte 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. Ein zu großer Anteil an hoch siedenden Anteilen wie Aromaten würde eine Vergrößerung der Tröpfchen im Einspritzstrahl bewirken. Der dadurch ausgelöste erhöhte Zündverzug würde wiederum eine schlechtere Verbrennung hervorrufen, was sich einer verstärkten Rußneigung bemerkbar machen würde. 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.

Ein Dieselmotor wird immer mit Luftüberschuss betrieben, es steht also immer mehr Luft für die Verbrennung zur Verfügung als rechnerisch für die eingespritzte Kraftstoffmenge benötigt wird. Im Leerlauf ist das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff etwa 10:1, im Vollastbereich bei PKW-Motoren heute etwa 1.8:1.

Kälteverhalten

Dieselkraftstoff enthält wie beschrieben auch Paraffine. Diese kettenförmigen gesättigten Kohlenwasserstoffe neigen jedoch dazu, bei tiefen Temperaturen Kristalle zu bilden. Diese Kristalle fallen aus, und können sich zu wachsartigem „Paraffin-Gatsch" zusammenballen. Der Werkstatt-Fachmann spricht hier auch vom Versulzen. 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. Durch Additive kann die Filtrierbarkeitsgrenze (Cold Filter Plugging Point = CFPP) und der sichtbare Beginn der Paraffinausscheidung (Cloud Point = CP) günstiger beeinflusst werden. Mit Fließverbesserern kann die Größe der Wachskristalle von typischerweise 0,25 mm auf rund 0,03 mm verringert werden. Tankstellen werden z.B. in der Zeit ab 16. November mit einem Winterdiesel beliefert, der eine Filtrierbarkeit bis – 20°C gewährleistet.

Unerwünschter Begleiter Schwefel

Wie bereits beim Benziner erwähnt, hat man bereits in Deutschland 2003 (EU 2008) die Kraftstoffe entschwefelt, so dass sie als schwefelfrei (max. 10 ppm) gelten und zum „sauren Regen“ keinen nennenswerten Beitrag mehr leisten. Aber der Schwefel übt gewissermaßen einen Einfluss auf die als „Partikel“ definierten Abgasbestandteile aus. Im Abgas von Dieselmotoren treten auch die als krebserregend angesehenen Rußpartikel und polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAH) auf. Es werden aber nicht nur diese kritischen Substanzen als „Partikel“ erfasst, sondern auch die aus dem Schwefel gebildeten Sulfate und das daran angelagerte Wasser.

Auch Diesel besitzt eine Viskosität

Die Viskosität, auch Zähflüssigkeit 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.

Kraftpakete

Auch im Dieselkraftstoff werden eine Vielzahl unterschiedlicher Additive eingesetzt, um dessen Eigenschaften positiv zu beeinflussen und die Effizienz des Dieselmotors zu steigern sowie seinen Wert zu erhalten. Werden diese Kraftpakete im Diesel gut eingesetzt, haben diese im Vergleich zu einem nicht additivierten Kraftstoff folgende Vorteile: Geringerer Kraftstoffverbrauch, verringerte Schadstoffemission, Korrosionsschutz sowie geringerer Verschleiß an wichtigen Bauteilen wie Einspritzpumpe und an den Injektoren. Die eingesetzten Additivtypen und ihre Funktion kann der Leser der Info 3 entnehmen.

Info 2 Stickoxide

Stickstoffmonoxid (NO), Distickstoffoxid (N2O) und Stickstoffdioxid (NO2) werden zusammengefasst als Stickoxide (NOx) bezeichnet und entstehen unter anderem bei Verbrennungsprozessen mit hohen Temperaturen - beispielsweise in Kraftfahrzeugen, in Kraftwerken und der Industrie. NO ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, das sich in der Umgebungsluft langsam zu Stickstoffdioxid NO2 umwandelt. NO ist ein Blutgift, das zu Lähmungserscheinungen führen kann. Stickstoffdioxid (NO2) ist ein rotbraunes Gas mit stechendem Geruch, das an der Ozonbildung beteiligt ist. Es kann in hohen Konzentrationen zur Reizung der Atemwege des Menschen führen. Außerdem bildet sich aus NO2 Salpetersäure, einer der Verursacher von "saurem Regen". N2O ist ein farbloses Gas, es dient als Betäubungsmittel, es ist besser bekannt als Lachgas.

Info 3 Additive

Die Kraftstoffreihe wird mit alternativen Kraftstoffen fortgesetzt.

Das könnte sie auch interessieren: Diesel-Umtausch-Prämie | Kraftstoffe |

Quellen (auch der Texte 1 - 4): Aral, Shell, wikipedia, Kraftfahrtbundesamt (KBA), Umweltbundesamt (UBA), Deutscher Wetterdienst (DWD), Toyota, kfztech.de, gibgas.de, desy.de, Audi, Opel, BMW, Bundesverband der deutschen Bioethanolwirtschaft e.V., h2-mobility.de, heise.de, Bosch,

Dieser Artikel erschien bereits 2017 im AMS Technik Profi. Mehr zum Technikprofi und zum Abo  Der Technikprofi