Fachbegriffe im Automobil-Bereich: O
Einige Begriffe im Zusammenhang mit Autos sind nicht wirklich selbsterklärend. Lesen sie hier, was sich hinter den Fachbegriffen mit dem Anfangsbuchstaben O verbirgt.Oktanzahl 
Die Oktanzahl definiert ein Maß für die Klopffestigkeit eines Ottokraftstoffes. Der Zahlenwert der Oktanzahl bis 100
gibt an, wie viel %-Volumenanteil Isooktan C8H18 (ROZ = 100) sich in einer Mischung mit 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 eines Benzins bedeuten, dass dessen Klopffestigkeit
einem Gemisch aus 95 vol.% Isooktan und 5 vol.% n-Heptan entspricht.
Geschichte: Seit etwa 1912 wurde das unregelmäßige Zünden bei Motoren beobachtet. Das Geräusch wurde
als „Klopfen“ bezeichnet, welches den Motor dann auch relativ 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 Volumen 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.
Oktanzahl und Wirkungsgrad: 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.
Ab 1924 in den USA beziehungsweise 1936 in Deutschland bis 1996 wurde Ottokraftstoffen Tetraethylblei zugesetzt, um die
Oktanzahl zu erhöhen. Das Blei verhindert unter anderem als Radikalenfänger eine unkontrollierte Selbstentzündung des
Kraftstoff-Luftgemisches bei der Verdichtung. Außerdem hat es eine Schmierwirkung für die Ventilsitze. Weil Blei und
seine Verbindungen hochgiftig 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 Katalsysatoren 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.
Auch wird oft Methyl-tertiär-butylether (MTBE) zur Erhöhung der Klopffestigkeit zugegeben, erlaubt sind jedoch nur 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.[1] Heutzutage wird
immer öfter auf Ethyl-tertiär-butylether (ETBE) zurückgegriffen. 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.
Oktanzahlen
In Europa wird an den Tankstellen nur die ROZ angegeben, in den USA wird meist die „Zapfsäulen-Oktanzahl“ (AON – Average
Octane Number) mit (ROZ+MOZ):2 errechnet. Die meisten Anbieter in Europa hingegen werben mit der Research-Oktanzahl, da
diese Werte höher und einfacher zu ermitteln sind als die Motor-Oktanzahl.
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 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.
Ottomotor
Der Ottomotor ist eine zu Ehren von Nicolaus August Otto – einem Miterfinder des Viertaktverfahrens – benannte
Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Vier- oder Zweitaktprinzip arbeiten kann, wobei der Viertaktmotor die heute
gebräuchlichere Bauart ist. Der Begriff „Ottomotor“ geht zurück auf eine Anregung des VDI aus dem Jahre 1936 und wurde
erstmals im Jahre 1946 in der DIN Nr. 1940 verwendet.
Ottomotoren haben Fremdzündung durch Zündkerzen im Gegensatz zum mit Selbstzündung arbeitenden Dieselmotor. Die früher
übliche zusätzliche Unterscheidung nach „äußerer Gemischbildung“ mittels Vergaser oder Saugrohreinspritzung für
Ottomotoren und „innerer Gemischbildung“ bei Dieselmotoren (Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt) ist
seit der Verbreitung der Benzindirekteinspritzung bei Pkw-Ottomotoren (z. B. TSI, siehe Pkw-Direkteinspritzung) nicht
mehr zutreffend.
Geschichte: 1864 war Nicolaus August Otto zusammen mit Eugen Langen Mitbegründer der weltweit ersten
Motorenfabrik N. A. Otto & Cie. in Köln, aus der 1872 die Gasmotoren-Fabrik DEUTZ AG hervorging, die als technischen
Direktor Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach als Leiter der Motorenkonstruktion engagierte. Otto entwickelte bis 1876
im Anschluss an einen 1860 patentierten 2-Takt-Gasmotor von Lenoir einen Viertaktmotor, dessen wesentliche Neuerung die
Einführung eines separaten Verdichtungstaktes und die dafür nötige Ventilsteuerung war. Die damalige Konstruktion hatte
allerdings mit heutigen Motoren wenig Ähnlichkeit. Es handelte sich um einen sogenannten Flugkolbenmotor, auch
atmosphärischer Motor genannt. Das heißt, die Explosion schleuderte den Kolben frei im Zylinder nach oben; erst auf dem
Rückweg leistete er (beziehungsweise der Atmosphärendruck) über eine Zahnstange Arbeit. Dieser mit Leuchtgas betriebene
Viertakt-Motor mit verdichteter Ladung leistete 3 PS bei 180 Umdrehungen pro Minute. Er wurde ab 1877 produziert und
als „Ottos neuer Motor“ vertrieben. Der Lizenznehmer Crossley Brothers in Manchester bewarb ihn als Otto engine. In
Deutz und bei Lizenznehmern wurden rund 5000 Exemplare gebaut.
Auf diesen Motor erwarb Otto 1877, dem Gründungsjahr des „Kaiserlichen Patentamts“, ein deutsches Patent. Wegen älterer
Patent-Ansprüche bzw. der vorherigen Erfindungen des Viertaktmotors, wurde dieses sogenannte Otto-Patent (Patent 532
von Deutz) am 30. Januar 1886 und 1889 in Deutschland per Gericht wieder aufgehoben. Christian Reithmann hatte schon
am 26. Oktober 1860 mehrere Patente auf den Viertaktmotor erhalten und der Franzose Alphonse Beau de Rochas hatte 1862
ein Patent angemeldet. Gottlieb Daimler und Carl Benz konnten somit 1886 ohne Bedenken Viertaktmotoren bauen und
verkaufen. Unabhängig davon hat 1888 bis 1889 auch Siegfried Marcus in Wien ein Kraftfahrzeug mit einem Ottomotor
gebaut. Die weltweiten Patente außerhalb Deutschlands blieben bei Crossley.[1] Von diesem Motorenbau-Unternehmen
blieb der Name erhalten in Form einer Produktlinie von Schiffsmotoren des Triebwerkherstellers Rolls-Royce.
Animation eines Viertakt-Verbrennungsmotors, Ottomotor:
1. Ansaugen - Der Kolben saugt das Benzin-Luft-Gemisch vom Vergaser in den Zylinder.
2. Verdichten - Der Kolben presst das Gasgemisch zusammen.
3. Arbeiten - Der Funke einer Zündkerze entzündet das Gasgemisch, es verbrennt explosionsartig. Der Kolben wird nach
unten gedrückt, das Gas verrichtet am Kolben Arbeit.
4. Ausstoßen - Der Kolben drückt die Verbrennungsgase aus dem Zylinder.
Autor der Graphik: UtzOnBike, scheinbar gemeinfrei
Gemischbildung und Zündung: Der Kraftstoff – in der Regel Motorenbenzin – gelangt durch einen Vergaser
oder über eine (heute meist elektronisch gesteuerte) Benzineinspritzung, als Benzin-Luft-Gemisch in den Brennraum des
Motors. Zeitlich genau wird mit Hilfe einer Zündkerze ein elektrischer Zündfunke erzeugt, der die Verbrennung des
Gemischs auslöst.
Die Verbrennung ist zuerst ein langsamer, laminarer Vorgang. Die Flammfront breitet sich konzentrisch mit einer
Geschwindigkeit von etwa 20 cm/s aus. Diese laminare Verbrennungsphase ist unvollständig und ineffizient, sie steht
für die mechanische Arbeit nicht zur Verfügung und erzeugt den Großteil der Schadstoffe im Abgas. Mit dem Umschlagen
in die turbulente Verbrennungsphase, die mit einer Flammfrontgeschwindigkeit von über 200 m/s den Brennraum durchdringt,
wird die Verbrennung effizient und mechanisch nutzbar.
Die Verbrennung erzeugt in dem relativ kleinen Brennraum ein heißes Gas mit hohem Druck (über 100 bar), das den Kolben
in geradliniger Bewegung in Richtung Kurbelwelle treibt. Über das Pleuel, auch Pleuelstange genannt, wird diese Bewegung
in die rotierende Bewegung der Kurbelwelle umgesetzt.
Als Kraftstoffe für Ottomotoren können auch Gase auf Methan-Basis (Flüssiggas, Erdgas, Biogas, Klärgas, Deponiegas,
Grubengas) sowie Ethanol und Wasserstoff verwendet werden. Motoreinstellungen wie Zündzeitpunkt, Verdichtungsverhältnis
und Verbrennungsluftüberschuss müssen auf den Kraftstoff abgestimmt sein, oder werden bei Mischbetrieb umgeschaltet.
Zwei- und Viertakter: Beim Zweitaktmotor erfolgen am Ende des Arbeitstakts und am Beginn des
Verdichtungstakts der Ausstoß der Verbrennungsgase und das Einleiten des Frischgemisches gleichzeitig, häufig indem
Letzteres Ersteres verdrängt (z. B. bei der Dreikanalumkehrspülung nach Schnürle). Die Steuerung des Ein- bzw.
Auslasszeitpunkts erfolgt, besonders bei Zweitaktmotoren für Gartengeräte und Straßenfahrzeuge, meist durch den Kolben,
der bei entsprechender Hubstellung Gaskanäle öffnet oder schließt. Bei Vergasermotoren oder Saugrohreinspritzung sind Spülverluste
unvermeidlich, was sich nachteilig auf den Verbrauch auswirkt. Bei Direkteinspritzung können die Spülverluste deutlich
reduziert werden. Eine weitere Methode zur Reduzierung der Spülverluste in einem begrenzten Drehzahlbereich ist die
Verwendung eines Resonanzauspuffs. Dabei wird die Druckwelle, mit der der Abgasstrom beim Öffnen der Auslasskanäle in
den Auspuff schießt, reflektiert. Die zurückeilende Druckwelle schiebt dann das Frischgas, das zum Ende des Spülvorgangs
bereits in den Auspuff geströmt ist, wieder in den Zylinder zurück.
Weiterhin ist der nutzbare Kolbenhub für Verdichtung und Arbeitstakt kürzer als der Gesamthub zwischen den beiden Totpunkten,
da er erst mit dem Schließen der Überström- und Auslasskanäle beginnt bzw. mit dem Öffnen der Kanäle endet. Deshalb
wird im Arbeitstakt (bei gleicher Drehzahl) eine geringere Leistung als beim Viertaktverfahren erreicht, was teilweise
dadurch kompensiert wird, dass der Zweitakter alle 360° Kurbelwinkel einen Arbeitstakt hat, anstatt alle 720° wie beim
Viertakter. Mit Zweitaktmotoren ist dadurch im Vergleich zu Viertaktmotoren ein besseres Leistungsgewicht möglich, ein
Nachteil beim spezifischen Kraftstoffverbrauch bleibt jedoch erhalten. Bei einfachen, kleinen Zweitaktmotoren wird die
Ansaugluft im Kurbelgehäuse vorkomprimiert, weshalb sich dort kein Schmieröl befindet: Solche Zweitakter tanken zur
Motorschmierung ein Öl-Benzin-Gemisch. Größere und aufwendiger gebaute Zweitaktmotoren können über einen geschlossenen
Schmierölkreis verfügen, benötigen dann jedoch für die Zylinderfüllung eine Ladepumpe oder -Gebläse.
Beim Viertaktmotor sind dagegen Ein- und Auslasstakt getrennt und in jedem Zylinder gibt es nur alle zwei Umdrehungen
einen Arbeitstakt. Zur Steuerung des Gaswechsels ist eine Ventilsteuerung notwendig, die meist über Nockenwellen
realisiert wird, die mit halber Motordrehzahl laufen. Das bedeutet einen höheren konstruktiven Aufwand, zusätzliche
Reibung sowie höheres Gewicht und Volumen als beim Zweitakter – was aber meist durch den niedrigeren Kraftstoffverbrauch
gerechtfertigt wird. Weiterhin lassen sich Viertakter durch die Ventilsteuerung besser auf ein breiteres Drehzahlband
abstimmen. Bei Zweitaktmotoren ist die Resonanzschwingung der Gassäule im Ansaug- und Abgastrakt entscheidend für den
Füllungsgrad im Zylinder, eine gute Zylinderfüllung und damit gute Leistung und gutes Drehmoment ist daher nur im
Resonanzbereich der Ansaug- und Auspuffanlage, also in einem relativ schmalen Drehzahlbereich möglich.
Ottomotor-Zweitakter werden bei Anwendungen eingesetzt, wo es auf ein niedriges Masse-Leistungs-Verhältnis ankommt, und
nicht auf Kraftstoffkosten, so im Freizeitbereich (Mofa, Moped, Leichtflugzeug, Modellflugzeug oder Jet-Ski), bei
tragbaren Arbeitsgeräten (Motorsägen, Generatoren, Rasenmähern) oder bei speziellen Sportgeräten (Moto-Cross- und
Trial-Motorräder).
