Technischer Lehrgang Motorkraftstoffe

34 Pages·1992·5.597 MB·German

by  A. G. Esso (auth.)

ESSOA.G.
Postfach 600620
Kapstadtring 2
2000 Hamburg 60
UrsprOnglich veroffentlicht in der Reihe "Technische leergangen"
unter dem Titel "Motorbrandstoffen"
von Educatieve en technische uitgeverij DELTA PRESS BV,
Overberg, gem. Amerongen, Niederlande.
© 1991 by Educatieve en technische uitgeverij DELTA PRESS BV,
Overberg, gem. Amerongen, Niederlande
Deutsche Obersetzung:
unitext® GmbH, Berlin
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH,
Braunschweig / Wiesbaden, 1992
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Gedruckt auf siiurefreiem Papier
ISBN-13: 978-3-528-04834-1 e-ISBN-13: 978-3-322-86806-0
001: 10.1007/978-3-322-86806-0
Motorkraftstoffe Inhalt
In Fahrzeugmotoren kannen verschiedene
1 Allgemeine Einteilung der Kraftstoffe 2
Kraftstoffe verwendet werden. Welcher Kraft- 1.1 Einteilung nach dem Aggregatzustand bei
Raumtemperatur und -druck 4
stoff einzusetzen ist, wird durch die Art des
1.2 Allgemeine Merkmale von Kraftstoffen 5
Motors (Otto- oder Dieselmotor) bestimmt, 1.3 Rohal, die Basis der Kraftstoffe
weil jeder spezifische Anforderungen stellt.
2 Erdgas 8
Vor allem der Dieselmotor ist in der Lage, 2.1 Einleitung 8
ohne groBe Probleme mit den verschieden- 2.2 Erdgas als Motorkraftstoff 8
sten Kraftstoffen zu arbeiten. 3 LPG 8
3.1 Einleitung 8
3.2 Herstellung 8
In diesem Lehrgang werden ausschlieBlich 3.3 Eigenschaften 8
die Kraftstoffe fur Otto- und Dieselmotoren 3.4 Vorschriften 11
behandelt, die aus Rohal oder dessen 4 Benzin 12
4.1 Einleitung 12
Nebenprodukten erzeugt werden.
4.2 Produktanforderungen 13
Fur jeden Kraftstoff werden zunachst die 4.3 Herstellung 22
Anforderungen an seine problem lose Anwen- 4.4 Anwendungsbereiche und Probleme 23
dung diskutiert. 5 Petroleum 24
Dabei geht es um die an die Produkte zu 6 Dieselkraftstoff 25
stellenden Forderungen sowie um die sich 6.1 Einleitung 25
6.2 Qualitatsanforderungen an Dieselkraftstoff 26
daraus ergebenden Konsequenzen fur ihre
6.3 Herstellung 30
Herstellung und Zusammensetzung. 6.4 Additive fUr Dieselkraftstoff 30
6.5 Anwendungsbereiche fur Dieselkraftstoff
Danach wird die Herstellung und Anwendung
und seine Grenzen 30
der Produkte dargestellt. Angesprochen 6.6 Vorschriften und Trends 31
werden auch die dabei auftretenden Proble-
7 Alternativen 32
me. 7.1 Kraftstoffe aus Kohlevergasung 32
7.2 Alkohole 32
AbschlieBend behandeln wir auch die Pro-
duktvorschriften, sofern solche bestehen.
2 Allgemeine Einteilung der Kraftstoffe
1 Allgemeine Einteilung der Kraftstoffe
Bild 1.1 BohrplalHorm der NAM in der Nordsee (Esso-Shell)
Kraftstoffe, auBerhalb von Motoren
Brennstoffe genannt, sind Stoffe oder
Stoffmischungen, mit denen Warmeener
gie erzeugt wird. Zumeist bestehen sie aus
den Elementen Kohlenstoff und Wasser
stoff.
In dieser Schrift beschaftigen wir uns mit
Kraftstoffen auf Erdblbasis. Bei ihrem Ver
brauch wird chemische Energie in thermi
sche Energie durch eine Reaktion mit
Sauerstoff umgewandelt, bei der War me
freigesetzt wird.
Ein Idealkraftstoff muBte folgende Bedin
gungen erfulien:
1. Die produzierbare Warmeenergiemen
ge je Massen- und Volumeneinheit
muB mbglichst groB sein.
2. Aus Sicherheitsgrunden muB sich der
Beginn der chemischen Reaktion gut
steuern lassen.
3. Der Kraftstoff muB raumsparend gela
gert werden kbnnen. Daher werden
flussige Kraftstoffe gegenuber gasfbr-
migen bevorzugt. Bild 1.2 Montage einer Bohrplattform. Ein Teil wird zu seinem Standort geschleppt
Allgemeine Einteilung der Kraftstoffe 3
4. Bei der Lagerung von Kraftstoffen
mussen die gewunschten (oder not
wendigen) Temperaturen und Drucke
ohne groBen Aufwand realisiert wer
den kbnnen.
5. Die Produkte und die Reaktionspro
dukte, die beim Verbrauch entstehen,
mussen umweltfreundlich sein.
Es zeigt sich, daB es wegen der Gegen
satzlichkeit dieser Anforderungen keinen
Idealkraftstoff aus Kohlenwasserstoffpro
dukten geben kann.
Bei der Behandlung der verschiedenen
Kraftstoffe werden wir das verdeutlichen.
Generell besteht folgendes Problem:
Kraftstoffe mit einem hohen Energiegehalt
(viel Wasserstoff im Verhaltnis zu Kohlen
stoff) sind bei Raumtemperatur und
-druck gasfbrmig und erfUllen damit nicht
Forderung 3.
Kraftstoffe lassen sich wie folgt einteilen:
- nach ihrem Aggregatzustand,
Bild 1.3 Eine Fordereinrichtung, mit der 01 aus der Erde gepumpt wird
- nach ihrer Anwendung.
In dieser Schrift ist eine Einteilung nach
dem Aggregatzustand gewahlt worden.
Bild 1.4 Mit Dampf und anderen HilfsmiHeln laBt sich selbst schweres 01 fordern. Bild 1.5 Wurde 01 gefunden, muB eine Bohrung
Gezeigt wird eine Anlage in Kanada AufschluB iiber Menge und mogliche Gewinnung
geben
4 Allgemeine Einteilung der Kraftstoffe
1.1 Einteilung nach dem
Aggregatzustand bei
Raumtemperatur und -druck
Brenn-bzw. Kraftstoffe aus Mineralbl gibt
es in gasfbrmiger und flussiger Form.
Gasformig
Dazu zahlen:
- Erdgas mit einem Siedepunkt von
111 oK (-162°C),
- Propan mit einem Siedepunkt von
228 oK (-45 °C),
- LPG (eng I. liquefied petroleum gas,
Flussiggas), ein Gemisch aus Propan
und Butan, mit einem von der Zusam
mensetzung abhiingigen Siedepunkt
zwischen 228 oK (- 45°C) und 273 oK
(0C), sowie
- Butan mit einem Siedepunkt von 273 oK
(O°C).
Aile diese Kraftstoffe lassen sich in Fahr
zeugmotoren einsetzen. Je niedriger der
Siedepunkt, desto hbher ist der Heizwert je
Kilogramm, aber desto grbBere Vorkeh
rungen sind auch bei der Lagerung im
flussigen Zustand erforderlich.
Bild 1.6 Fur den Roholtransport werden meist Tanker elngesetzt
Fli.issig
Dazu gehbren:
Benzin,
Kerosin (oder Petroleum),
Stochlometrisches Dieselkraftstoff,
Luft-Kraflstollverhallnis Leichtes Heizbl,
Schweres Heizbl
100%
100% Die flussigen Kraftstoffe bestehen aus
Kohlenwasserstoffmolekulen verschiede
ner Art und GrbBe.
Dadurch haben sie keinen Siedepunktwie
75
75 ein Stoff aus gleichen Molekulen, sondern
'c": einen Siedebereich, den wir spater genau
'"
~ er diskutieren werden. Das ist ein Tempe
(cI:l c: raturbereich, in den die Siedepunkte der
.§ 0
0 50 gj verschiedenen Molekule fallen.
E 50 'E
"§ w Aufgrund der Verfahren, mit denen in
~ ~~ Otto-bzw. Dieselmotoren der Kraftstoff mit
.(Q25) ~(5 einer Zundquelle bzw. durch Selbstzun
2
25 25 dung gezundet wird, werden an Benzin
und Dieselkraftstoff besondere Anforde
rungen an die Zundeigenschaften ge
stell1.
co
Mitunter wird auch Kerosin als Kraftstoff in
Dieselmotoren verbrannt, wenn der
o 11 13 15 17 19 21 schadliche AbgasausstoB durch strenge
lelt_ Luft-Kraftstoffgemisch _ mager Vorschriften geregelt ist (z. B. im Bergbau
unter Tage und in Stadtbussen).
In diesem Fall mussen dem Kraftstoff
Bild 1.7 Relative Emissionen als Funktlon des Lult-Kraltsloffverhiiltnlsses zusatzlich Additive gegen einen zu star-
Allgemeine Einteilung der Kraftstoffe 5
ken VerschleiB der Kraftstoffpumpe zuge in ihrer Funktion beeintrachtigen kannen.
fugt werden. Naturlich muB der Kraftstoff auch wasser
Leichtes Heizal ist dem Dieselkraftstoff frei sein. Kraftstoffe fur Ottomotoren dur
sehr ahnlich und wird auch hier und da fen keinen Belag in der Einspritzduse
als solcher eingesetzt. Da es normalerwei bilden, um den Ansaugweg nicht zu
se fUr Hausheizungsanlagen bestimmt ist, beeintrachtigen. Wichtig fUr aile Motor
wird es hier nicht weiter behandelt. kraftstoffe ist ein maglichst niedriger
Ein sehr zahflussiges 01 ist das Schwere Schwefelgehalt, damit die S02-Menge in
Heizal. Man verwendet es in groBen, den Abgasen maglichst klein ist und
langsamlaufenden Dieselmotoren auf Motorschaden infolge von Korrosion ver
Schiffen und in stationaren Anlagen, mieden werden.
wobei es jedoch vorgewarmt werden muB,
um ausreichend flussig zu sein. Auch auf
diesen Kraftstoff wird nicht we iter einge BUd 1.8 Molekiilaufbau von Methan oder Erdgas
gangen.
1.2 Allgemeine Merkmale von
Kraftstoffen
Heizwert
Der spezifische Heizwert Hu (fruher unte
rer Heizwert genannt) und der spezifische
Brennwert Ho (fruher mit oberer Heizwert
bezeichnet) bzw. die Verbrennungswarme
sind GraBen fur den Energiegehalt von
Kraftstoffen. Die GraBe Hu ist um die
Verdampfungswarme des im Abgas ent
haltenen Wasserdampfes geringer als der
Brennwert Ho. 1st der Heizwert des Kraft
stoffes gering, so beeinfluBt dieses den BUd 1.9 Molekiilaufbau von Ethanol oder kon
Laderaum, das Ladegewicht und den zentriertem Alkohol
Aktionsradius negativ, d. h., fUr dieselbe
Menge Energie ist ein graBerer Tankraum
notwendig. Die Motorleistung wird u. a.
yom Heizwert des Kraftstoff-Luft-Ge
mischs bestimmt.
Verdampfungswarme von Benzin
Der Kraftstoff muB im Vergaser teilweise
verdampfen. Dabei entzieht er der Umge
bung War me, die Verdampfungswarme,
und folglich kommt es zu einer Tempera
turerniedrigung. Durch diesen Tempera
turruckgang kann es bei einer bestimmten
Temperatur der AuBenluft (etwa + 2 bis
+ 8 0c) und einer Luftfeuchtigkeit von
mehr als 65% zum Gefrieren von Wasser
im Vergaser kommen: Wasserdampf in BUd 1.10 Molekiilaufbau von Isooktan oder 2,2,4-
der angesaugten Luft kondensiert, gefriert Trimethylpentan, dem Isooktan mit der ROZ 100
und behindert in Form von Reif oder Eis
die Funktion des Lufttrichters oder der
Regelklappe. Mit einem Additiv im Kraft
stoff oder entsprechenden konstruktiven
Anpassungen im Luftansaugbereich laBt
sich dem vorbeugen.
Sauberkeit
Kraftstoffe mussen frei von festen Verun
reinigungen sein, da diese die Leitungen,
Pumpen, Zerstauber usw. blockieren oder
6 Allgemeine Einteilung der Kraftstoffe
1.3 Rohal, die Basis der
Kraftstoffe
Rohbl kommt in ganz unterschiedlicher
Beschaffenheit vor. Es kann dunn- oder
dickflussig sein. bernsteinfarben oder
schwarz. geruchlos oder schweflig rie
chend. Zum einen beruht der Unterschied
zwischen den Sorten auf ihrer Herkunft,
die von reinen Meeresorganismen bis hin
zu Stoffen auf dem Festland reichen kann.
Auch die geochemische Entwicklung
kann solche Unterschiede verursachen.
Manche aus den Tiefen der Erde stam
mende Ole wurden einer naturlichen
Krackung -einer Spaltung von Molekulen
in kleinere Teile - unterzogen, wodurch sie
spezifisch leichter wurden. Andere wieder
um wurden durch Oxidationen oder Bak
terien beeinfluBt. die fUr ein hbheres spe
zifisches Gewicht sorgten. AuBerdem hat
die Migration vom Muttergestein zum
Speichergestein die Eigenschaften des
Rohbls mitunter verandert.
Diese Unterschiede berucksichtigt der
Betreiber einer Raffinerie bei der Auswahl
der Rohble. Er versucht, seine Raffinerie
1 2 3 kapazitaten und die Rohbleigenschaften
mit dem Bedarf des von ihm belieferten
Marktes optimal in Einklang zu bringen.
Mit anderen Worten: Er wird leichtere Ole
wahlen, wenn seine Raffinationsanlage
4 5 6
nur einfach und der Bedarf an Benzin
hoch ist, und schwerere Ole, wenn sich die
Nachfrage vor allem auf Dieselbl oder
Heizbl konzentriert oder wenn er uber
Umwandlungsanlagen (Konversionsan
lagen) verfugt, z. B. eine Krackanlage
oder eine COKER-Anlage, um aus sol
chen schweren Olen mehr Benzin herstel
len zu kbnnen.
Allgemeine Einteilung der Kraftstoffe 7
Einige Beispiele fiir Rohiile:
1 Surachani: das klassische Rohal aus dem russi
schen Kaukasusgebiet. Hell, sehr leicht und frei von
Schwefel; so rein, daB man es fruher direkt in Medi
kamenten verarbeitete.
2 Arabian Light: das 01 aus dem Nahen Osten,
nach dessen Preis sich die Olpreise anderer Sorten
hii.ufig ausrichten. Besitzt einen mittleren Schwefel
gehalt und wird zu Benzin, Flugzeugtreibstoff, Die
selkraftstoff, Leichtem Heizol, Schwerem Heizol und
Ausgangsstoffen fur Schmierol verarbeitet. Es ist
etwa in der Mitte zwischen einem leichten und
einem schweren Rohal einzuordnen.
3 Barrow Island, Australien: ein leichtes Rohal,
das nur sehr wenige schwere Produkte enthii.lt.
4 Nordsee, Brent: 01 mit geringem Schwefelgehalt
und mittlerer Dichte. Liefert Benzin, Flugzeugtreib
stoff, Dieselkraftstoff, Leichtes Heizol und Schweres
Heizol. Auch diese Sorte wird hii.ufig fu r die Preis
findung anderer Ole herangezogen.
5 Arabian Heavy: schwefelreiches Rohal mit einem
hohen Anteil schwerer Fraktionen. Ohne Umwand
lungsverfahren kann hieraus nur wenig Benzin,
Dieselkraftstoff und Leichtes Heizol produziert wer
den. Es wird hii.ufig zur Produktion von Bitumen
eingesetzt.
6 Pennsylvania: noch ein "klassisches" Rohal.
Fruher hii.ufig als Ausgangsstoff fur Schmierol ver
wendet. 7 8 9
7 Boscan: ein bekanntes venezolanisches 01, das
zu den schwersten der Welt zii.hlt. Kann kaum zu
Benzin verarbeitet werden, wird aber fur hochwer
tige Bitumensorten verwendet.
10 11 12
8 Allamount: dieses 01 aus Utah ist stark paraffin
haltig und bei normalen Temperaturen fest. Man
verarbeitet es zu Benzin und Leichtem Heizol und
kann es sogar im Kamin wie Holz verbrennenl
9 Minas: ein weiteres paraffinreiches 01 aus
Sumatra, das bei normalen Temperaturen ebenfalls
fest ist. Enthii.lt fast keinen Schwefel, liefert aber nur
ein geringwertiges Benzin.
8 Erdgas LPG
2 Erdgas 3 LPG
2.1 Einleitung
H H H H H H H
Erdgas ist ein Gas, das in groBen Mengen I I I I I
im Erdboden vorkommt. Gr6Btenteils H-C-C-C-H H-C-C-C-C-H
besteht es aus Methan (CH4), dem kleinst I I I I I
m6glichen Kohlenwasserstoff, wie in Bild
H H H H H H H
1.8 dargestellt.
a Propan b Bulan
2.2 Erdgas als Motorkraftstoff H H H
Wegen des relativ hohen Wasserstoffan H-C-C-C-H
teils im Methan ist Erdgas ein ausgezeich
neter Motorkraftstoff. Sein Heizwert je
H H
Kilogramm liegt h6her als der jeder ande
ren Kohlenwasserstoftverbindung. Erd H-C-H
gas hat eine gute Klopffestigkeit. 1m Otto
I
motor kommt es praktisch nie zum Klop
H
fen, womit sich auch das Risiko von
c Isobulan
Motorschaden verringert.
Nachteilig im Einsatz als Fahrzeugkraft
stoff ist der sehr niedrige Siedepunkt von Bild 3.1
ac.
-162 Daher erfordert das Erdgas
kostspielige MaBnahmen, um es zu ver
flussigen. Praktisch laBt es sich nur als 3.1 Einleitung 12% der Personenwagen und leichten
Flaschengas mitfuhren, was den Aktions Lastwagen mit LPG.
radius begrenzt. LPG ist die Abkurzung fUr Liquified Petro Zukunftig wird die LPG-Nutzung haupt
1m gasf6rmigen Zustand kann es ohne leum Gas, zu deutsch: verflussigtes Erd61- sachlich von der Finanzpolitik in Holland
weiteres fur stationare Motoren verwendet gas. Es handelt sich hierbei um ein bzw. in Europa bestimmt sein.
werden. Daher ist Erdgas fUr solche Moto Gemisch aus hauptsachlich drei Kohlen
ren auch verbreitet. wasserstoffen: Propan (C3Hs), Butan und
Isobutan (jeweils C4H1Q). 3.2 Herstellung
Deren physikalische Eigenschaften erlau
ben es, das Gemisch bei einem Druck von LPG kann auf verschiedenen Wegen
etwa 20 bar zu verflussigen. hergestellt werden. Am gebrauchlichsten
Oamit eignet sich LPG als Motorkraftstoff, ist die Produktion aus Erd61 in Raffinerien.
weil durch seine flussige Lagerung in AuBerdem wird LPG bei der Erd61- und
Drucktanks eine groBe Energiemenge Erdgasf6rderung gewonnen.
raumsparend konzentriert werden kann Fur die Olgesellschaften stellt LPG oft ein
(die Flussigkeit ben6tigt 250mal weniger Nebenprodukt dar, das in Abhangigkeit
Platz als das Gas). So wird ein Aktions von der Nachfrage mitunter auch als
radius m6glich, der dem von Motoren Heizgas fur Gasherde verwendet wird.
nahekommt, die mit Benzin oder Diesel In manchen Gegenden, z. B. in Algerien,
kraftstoff betrieben werden. werden bei der Erd61f6rderung groBe
Schon vor dem 2. Weltkrieg wurde LPG Gasmengen freigesetzt. Da es vor Ort
oder Flussiggas in Nordamerika als nicht genutzt werden kann, wird dieses
Motorkraftstoff verwendet. Gas abgefackelt, d. h. in der Atmosphare
Motoren, die mit LPG fahren, sind stets verbrannt. Nur ein Teil wird durch Kuh
modifizierte Benzinmotoren. Von einer lung und Verdichtung verflussigt und
Fachfirma werden ein zusatzlicher Tank, exportiert.
LPG-Leitungen und ein Verdamp
fer/Druckregler eingebaut. Der Motor laBt
sich leicht von Benzin auf LPG und 3.3 Eigenschaften
umgekehrt umstellen.
In Europa ist LPG nur in den Niederlanden LPG besteht hauptsachlich aus Propan
seit Beginn der funfziger Jahre als Kraft (C3Hs), normalem Butan sowie Isobutan
stoff eingefuhrt. Wegen der niedrigen (beide C4H1Q). Daneben sind in geringen
steuerlichen Belastung, der nur eine Mengen Ethan (C2H6), Pentan (C5H12) und
geringfugig h6here Kraftfahrzeugsteuer die ungesattigten Verbindungen Propen
gegenubersteht, wurde LPG schnell po und Butene enthalten.
pular. 1988 fuhren in Holland bereits etwa Die Eigenschaften von LPG werden von
LPG 9
seiner Zusammensetzung stark beein
fluBt. In seiner niederlandischen Zusam
mensetzung (etwa 50% Propan, 25%
Butan und 25% Isobutan) hat LPG im
Vergleich mit Benzin folgende Eigenschaf
ten:
mehr Energie je Masseneinheit,
aber aufgrund der geringen Dichte 21 %
weniger Energie je flussiger Volumenein
heit,
hbheres stbchiometrisches Luft-Kraft
stoffverhaltnis auf Massenbasis,
wesentlich hbhere Research-Oktanzahl,
hbhere Motor-Oktanzahl.
AuBerdem hangt der Dampfdruck von
LPG stark von der Temperatur und
Zusammensetzung abo
In der folgenden Tabelle sind einige
Eigenschaften von Propan, Butan, Isobu
tan und einem Durchschnittsbenzin an
gegeben.
Neben diesen Eigenschaften ist LPG
durch folgendes gekennzeichnet:
Es bildet mit Luft ein gutes Gemisch, auch
bei ungunstigen Lufttemperaturen und
Betriebsbedingungen des Motors (Winter
wetter, haufiger Stadtverkehr oder viele
Kurzstrecken).
Dadurch wird BUd 3.2 Fraktionlerkolonnen (Esso-Raffinerie Rotterdam)
• Schmierbl weniger durch Kraftstoff ver
dunnt, was den MotorverschleiB senkt
und die Lebensdauer des Schmierbls
verlangert;
• der AusstoB schadlicher Abgase wie
Kohlenmonoxid und Kohlenwasser
stoffen niedriger. (Basis: ohne Kataly
sator)
LPG entwickelt hbhere Verbrennungs
temperaturen bei Teillast, weil der ver
dampfende Kraftstoff nicht kuhlend auf
das Gemisch und das EinlaBsystem
wirkt.
LPG zeigt gegenuber Benzin einen Lei-
stungsabfall bei Vollast, weil der gasfbrmi
ge Kraftstoff im EinlaBsystem mehr Volu Propan Butan Isobutan Benzin
men beansprucht als Benzin in nur teil Spez. Gewicht, flussig, bei 15°C kg/m3 500-510 570-580 550-560 720-730
weise verdampfter Form. Spez. Gewicht. gasfbrmig. bei 273 K
und 1,013 bar kg/m3 2,0 2,7 2,5
Dampfdruck
bei -18°C bar 2,6 0,5 0,7
bei +21 °C bar 8,5 2,2 3,1
bei +38 °C bar 13,0 3,5 5,0 0,5-0,9
Siedepunkt bei 1,013 bar °C -42 - 0,5 - 12 30-210
Unterer Heizwert (Ho) kJ/kg 46100 45500 45400 43000
Unterer Heizwert, flOssig kJ/1 23300 26200 25000 31200
Stbchiometrisches Luft-
Kraftstoflverhii.ltnis m3/m3 24,1 31,9 31,9
Stbchiometrisches Luft-
Kraftstoflverhii.ltnis 15,6 15,4 15,4 14,8
ROZ MOZ Research-Oktanzahl kg/kg 112 94 100 90-99
Motor -Oktanzahl 97 89 98 80-90
Propan 103,2 80,0 Hauptbestandteile Masse-% 82C,18H 83C,17H 83C,17H 86C,14H
Butan 99,7 77,9 Verbrennungstemperatur °C 470 365 365 300-400