Prüfmotoren

Prüfmotoren zur Klopfwertbestimmung von Kraftstoffen

Von Prof. Dr.-Ing. W. Wilke VDI, Ludwigshafen a. Rh.1)

Als Maß für die Klopffestigkeit eines Ottokraftstoffs wird allgemein die Oktanzahl benutzt. Sie setzt wegen ihrer Abhängigkeit von der Motorbauart die einheitliche Festlegung eines Prüfmotors voraus.

Bisher diente als solcher allgemein der in den Vereinigten Staaten von Amerika entwickelte sog. CFR-Motor. Neuerdings hat der Reichs- und Preußische Verkehrsminister einen von der I. G. Farben-

industrie entwickelten Prüfmotor als deutschen Prüfmotor für Ottokraftstoffe anerkannt. Sein Aufbau und seine Egebnisse werden nachstehend erstmalig mitgeteilt.

Für die Bewertung der motorischen Eignung der Dieselkraftstoffe hat sich als Maßstab die Cetenzahl neuerdings die Cetanzahl — weitgehend eingeführt, die die Zündwilligkeit des Kraftstoffs

im D ieselm otor anzeigt. Flingegen ist das Meßverfahren zu ihrer Bestimmung noch In der Entwicklung begriffen. A m meisten zur Anwendung kommt das Zündverzugverfahren. Die Erfahrungen

der I. G. Farbenindustrie bei der Entwicklung und Untersuchung eines Prüf-Diesel-motors dürften auch hier für die anzustrebende Vereinheitlichung der Prüfverfahren und -motoren

wertvolle Unterlagen abgeben.

Ottokraftstoffe

Entwicklung der Klopfmaßstäbe

Als im Jahre 1924 die I. G. Farbenindustrie mit der

praktischen Erprobung des von ihr gefundenen Gegen

klopfmittels Eisenkarbonyl begann, war es notwendig, das

verschiedenartige Klopfverhalten der einzelnen K raft

stoffe in eineri Maßstab einzuordnen. Die Einflüsse auf

das Klopfverhalten waren zu jener Zeit noch sehr wenig

bekannt, ebensowenig gab es damals in Deutschland

Klopfprüfmotoren oder gar besonders ausgearbeitete

Prüfverfahren. Nur wenige Stellen befaßten sich mit

der Klopfwertprüfung, und jede einzelne hatte ihren

eigenen Motor mit dazugehörigem Untersuchungsver

fahren. Dieses bunte Bild spiegelt sich schon in der viel-

seitigen Benennung des Klopfens wieder: Klopfen, Deto

nieren, Pinken, Klingeln, Boxen usw. waren damals die

gleichzeitig gebrauchten Ausdrücke für ein und dieselbe

Erscheinung.

Die Entwicklungsgeschichte des KlopfprüfStandes der

I. G. ist zugleich die der Klopfmessung in Deutschland.

Wir begannen unsere Versuche mit einem Vierzylinder-

Benz-Motor. An dieser Maschine wurde das Verdichtungs

verhältnis so eingestellt, daß bei gewöhnlichem Betrieb

das damals übliche Benzin klopfte. Dieses Klopfen konnte

mit Eisenkarbonyl als Zusatz beseitigt werden, und die

hierzu benötigte Menge war ein Maßstab für das Klopfen.

Ein Benzin war also um so klopffester, je weniger Eisen

karbonyl bis zum Verschwinden des Klopfens gebraucht

wurde.

Diese erste Klopfskale ist, zusammen mit den später

entwickelten Klopfmaßstäben, in Bild 1 dargestellt und

umfaßte naturgemäß nur einen verhältnismäßig engen

Meßbereich. Schon damals wurde ein Vergleichsbenzin

bei den Untersuchungen verwendet, und es war eine müh

selige Arbeit, nach dem Aufbrauchen eines Vorrats ein

zweites geeignetes Vergleichsbenzin herzustellen.

Die Zusammenarbeit mit der amerikanischen Standard

Oil Co. brachte es mit sich, daß deren Klopfwerte in die

I. G.-Werte zu übersetzen waren, was sehr umständliche

und zeitraubende Vergleichsversuche als Voraussetzung

hatte. Bei der Skale der Standard Oil Co. wurde als Ver

gleichskraftstoff ein Eichbenzin verwendet, dem be

stimmte Mengen Bleitetraäthyl zugesetzt wurden. Man

erkennt, daß z. B. der Klopfwert 15 der I. G.-Skale den

gleichen W ert hatte wie etwa der von 4 der Standard-

Skale.

Die internationale Einführung der Oktan-Skale, die

seit 1932 angewandt wird, war ein wichtiger Schritt zur

Vereinheitlichung der Klopfprüfverfahren. Jetzt endlich

konnte überall mit genau den gleichen Stoffen als Ver

gleichsgrundlage gemessen werden, und deren Ergänzung

stellt keine Aufgabe mehr dar, weil sie als chemisch

reine Stoffe immer und überall in gleicher Beschaffenheit

hergestellt werden können. Diese Eichstoffe sind das

Normal-Heptan, ein unverzweigter Kohlenwasserstoff, und

ein iso-Oktan, das 2-2-4-Trimethyl-Pentan, ein verzweigter

Kohlenwasserstoff5). Das Heptan ist der stark klopfende,

das Oktan der klopffeste Kraftstoff. Der Gehalt an Oktan

in der Mischung, d. i. die Oktanzahl, gibt den Klopfwert

an. Diese Kohlenwasserstoffe, die herzustellen anfangs

außerordentliche Schwierigkeiten machte, werden heute

bei der I. G. synthetisch erzeugt.

Wie sich diese internationale Skale zu den beiden

anderen schon erwähnten Skalen verhält, ist in Bild 1

ebenfalls dargestellt. Zugleich ist angegeben, welche

Klopffestigkeit unsere heute üblichen Kraftstoffe, wie sie

an den Zapfstellen erhältlich sind, haben.

E n t w ic k lu n g d er P rü fm o to re n

So bunt wie die angewandten Prüfverfahren und

Klopfmaßstäbe, so mannigfaltig waren früher auch die

Prüfmotoren. Die Mängel, die den Mehrzylindermotor zur

Klopfwertbestimmung wenig geeignet machen, wurden

schon frühzeitig erkannt, und wir gingen bald zur Ver

wendung von kleinen handlichen Einzylinder-Motoren

über. Da solche in Deutschland nicht vorhanden waren,

stellten wir diese seit dem Jahre 1929 selbst her, und zwar

zunächst mit feststehendem, von 1930 an mit veränder

lichem Verdichtungsverhältnis. Mit diesen Prüfmotoren

beteiligten wir uns an den ersten deutschen Vergleichs

versuchen5“)

Entscheidend beeinflußt wurde das Klopfprüfwesen

durch den im Jahre 1932 von dem amerikanischen Coope-

rative Fuel Research Committee eingeführten CFR-

Motor2), der sich rasch als internationaler Einheitsmotor

zur Klopfwertbestimmung entwickelte. Alle anderen Prüf

motoren traten diesem Gerät gegenüber in den Hinter

grund, und bald dienten bei der internationalen Verstän

digung über das Klopfverhalten ausschließlich Werte, die

an diesem Motor und mit der Oktanzahl als Maßstab er

mittelt worden waren.

Vergleichsversuche zwischen dem I. G.-Motor und dem

CFR-Motor zeigten, daß es nur geringer Änderungen in

den Betriebsbedingungen des I. G.-Motors bedurfte, um

praktisch die gleichen Meßergebnisse wie am CFR-Motor

zu erzielen. Danach arbeiteten wir jahrelang mit diesem

Motor, von dem wir im ganzen vier Stück selbst an

gefertigt hatten, zu unserer vollen Zufriedenheit.

Die durch Vereinheitlichung vom Prüfmotor und

Prüfverfahren erzielte Übereinstimmung in den Meß

werten von verschiedenen Prüfständen ist heute sehr be

friedigend. In Bild 2 und 3 sind zwei Versuchsreihen

dargestellt, die auf Anregung des Deutschen Verbandes

für die Materialprüfungen der Technik vor und nach der

Vereinheitlichung durchgeführt sind. Der große F ort

schritt in der Genauigkeit der Klopfwertbestimmung

während dieser drei Jahre ist klar ersichtlich, sinkt doch

die Streuung — deren Höchstwert 27 Einheiten der Oktan

zahl erreicht — von 13,3 auf 2,4 im Mittel aller Ver

suche.

Als es die Devisenlage des Reiches

erschwerte, weitere CFR-Motoren ein

zuführen, tra t im Jahre 1936 der

Deutsche Verband für die Material

prüfungen der Technik mit der Bitte

an die I. G. heran, ihre Erfahrungen

im Bau von Klopfprüfständen der

Allgemeinheit zur Verfügung zu

stellen. Wir kamen diesem Wunsch

nach und übergaben unsere Zeichnun

gen der Firm a Daimler-Benz, Werk

Mannheim, die nunmehr die Geräte

unter der Bezeichnung „I. G.-Priif-

motor“ anfertigt und vertreibt. Um

den Anschluß an die CFR-Werte des

Auslandes zu sichern, werden die

Meßwerte eines jeden einzelnen Prüf

motors vor seiner Ablieferung gründ

lich geprüft.

Aufbau des I. G . - Prüfmotors

für Otto kraftstoffe

Bild 4 und 5 zeigen den Prüf

motor im Schnitt, Bild 6 zeigt ihn in

der Ansicht. Der Unterteil des ver

schiebbaren Zylinders hat ein Flach

gewinde. Die dazugehörige Mutter

ist als Schneckenrad ausgebildet, in

das eine Schnecke eingreift. Durch

Drehen der Schnecke kann das Ver

dichtungsverhältnis von 4 :1 bis 15 :1

geändert werden. Den jeweiligen Stand

des Verdichtungsverhältnisses zeigt die Trommel

skale c an. Neben ihr ist eine Oktanskale, auf der an

näherungsweise der Klopfwert der Probe nach dem CFR-

Motor-Verfahren2) abgelesen werden kann. In dem ab

nehmbaren Zylinderkopf befinden sich die hängenden, von

gleicharmigen Kipphebeln gesteuerten Ventile und der

Springstift- oder Sprungstabindikator2) zum Messen der

Klopfstärke. Die Änderung des Ventilspiels bei der Ver

schiebung des Zylinders wird dadurch ausgeglichen, daß

der Drehpunkt der gleicharmigen Kipphebel die halbe

Verschiebung mitmacht.

Die in dem Kühlmantel eingesetzte „nasse“ Lauf

büchse aus Grauguß ist auswechselbar. Der Kolben ist

aus Leichtmetall; Pleuelstange und Hirth-Kurbelwelle3)

laufen in Rollen- bzw. Kugellagern. Für die Umlauf

schmierung dient eine regelbare Pumpe, der Schmieröl

stand kann durch ein Schauglas überwacht werden. Der

Zündzeitpunkt wird auf einer nachstellbaren Teilung ab

gelesen; die Vorzündung bleibt über den ganzen Meß

bereich des Motors gleich. Eine 12 V-Zünd-Lichtmaschine,

die zugleich den Strom für die Klopfmeßgeräte liefert,

erzeugt die Zündspannung über einen Unterbrecher mit

Spule. Der Zylinder wird durch Verdampfungskühlung

je nach dem Untersuchungsverfahren mittels Wasser oder

Glykol-Wasser-Gemisch gekühlt, wobei der Umlauf durch

Schwerkraftwirkung geschieht und die entstehenden

Dämpfe durch eine besondere Kühlschlange in einen Kon

densator geführt und dort niedergeschlagen werden.

Der Vergaser ist.bei den neueren Ausführungen ein

Dreischwimmer-Vergaser mit Umschalthahn und gemein

samer Düse samt Trichter, Bild 7 und 8. Die Schwimmer

nadelventile sind durch Drehen der Kraftstoffbehälter

in der Höhe verstellbar, wodurch sich der Brennstoff

spiegel und dadurch das Gefälle gegenüber der feststehen

den Düsenmündung ändert. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch

ist auf diese Weise in seiner Zusammensetzung viel feiner

regelbar als z. B. durch Ändern des Düsenquerschnittes.

Die eingestellten Brennstoffspiegel werden an Marken ab

gelesen, wobei eine Teilstrichänderung durch eine ganze

Umdrehung des Kraftstoffbehälters hervorgerufen wird.

Das Brennstoff-Luft-Gemisch kann in seiner Zuleitung

durch einen Heizeinsatz elektrisch bis zu 150 ° vor

gewärmt werden. Die Vorheizung ist über einen Wider

stand an der Schalttafel regelbar. Die Gemischtempe

ratur wird an einem Quecksilberthermometer abgelesen.

Die Belastung des Prüfmotors geschieht über ein

Keilriemenpaar durch einen gekapselten Drehstrom-Kurz

schlußläufer, der zugleich zum Anlassen dient. E r sitzt

verschiebbar auf Spannschienen, so daß Riemenscheiben

von verschiedenen Durchmessern aufgebracht werden

können. In der Regelausführung kann er auf 380 V oder

220 V Wechselspannung geschaltet werden. Die Drehzahl

des Stromerzeugers bleibt unverändert, während die Dreh

zahl des Prüfmotors durch die Größe der Keilriemen

scheibe bestimmt wird. Über dem Stromerzeuger sitzt die

Zünd-Lichtmaschine; beide sind durch einen weiteren Keil

riemen verbunden.

Die Schalttafel trägt den sog. Klopfstrommesser, den

Heizstrommesser samt Regelwiderstand, die nötigen

Schalter und ein Schreibpult. Ein Leistungsmesser zeigt

die Stromentnahme beim Anfahren des Prüfmotors und

dessen Leistung während des Betriebes an.

Der Klopfstrommesser mißt thermoelektrisch die

Temperaturerhöhung eines Widerstandes durch den Klopf-

strom, d. i. den zwischen den Kontakten des Springstift

indikators übergehenden Strom2). Zur laufenden Be

obachtung hat das Gerät eine Dämpfung, die zum rasche

ren Einstellen des Motors oder zum Prüfen des Spring

stiftindikators abgeschaltet werden kann. Da der In

dikator den Klopfstrom steuert, muß seiner Einstellung

besondere Sorgfalt zugewendet werden, weil hiervon die

Ergebnisse von Vergleichsmessungen mit anderen Prüf

stellen stark abhängig sein können. Es handelt sich hier

bei um die Einstellung der Spannung der beiden Blatt

federn, die die Kontakte tragen, sowie der Spannung der

Schraubenfeder für die Einstellschraube, ferner des Ab

standes der Kontakte selbst. Hierfür sind besondere Hilfs

geräte entwickelt, wobei die gefühlsmäßige Einstellung

durch eine meßtechnische ersetzt wird. Diese Meßgeräte

sind in einem hand

lichen Kasten unterge

bracht, Bild 9.

Die Untersuchungen

über den Verlauf des

Klopfstromes mit der

Braunschen Röhre hat

ten übrigens das be

achtenswerte Ergebnis,

daß der Klopfstrom für

eine Verpuffung nicht

etwa aus einem einzi

gen Stromstoß besteht,

sondern aus mehreren

unregelmäßigen Im

pulsen, Bild 10, die von

der oben erwähnten

Einstellung des Spring

stiftindikators abhan

den.

ie Leistung des Prüfmotors beträgt bei 1 000 U/min

rd. 1kW . Der Kraftstoffverbrauch ist mit etwa 0 ,5 1/h

sehr gering, so daß es in der Regel möglich ist, mit 0,25 1

Kraftstoff die Klopffestigkeit zu bestimmen. Man kann

mit dem I. G.-Prüfmotor Kraftstoffe sowohl für K raft

fahrzeuge als auch für Flugzeuge untersuchen1).

E r g e b n is s e d e s P r ü f m o t o r s

Die gute Übereinstimmung der Meßergebnisse mit

dem I. G.- und dem CFR-Motor zeigen Versuche, die die

Arbeitsgemeinschaft für Kraftfahrwesen beim Reichs- und

Preußischen Verkehrsministerium kürzlich durchführtela).

In Bild 11 und 12 sind aus der Fülle der Versuche für vier

CFR-Motoren und vier I. G.-Prüfmotoren die Streuungen

der gemessenen Klopfwerte verschiedener Kraftstoffe

dargestellt. Im Mittel ergibt sich bei den CFR-Motoren

eine Streuung von 3,4, bei den I. G.-Prüfmotpren. dagegen

nur von 2 £ Einheiten der Oktanzahl. Man erkennt dem

nach, daß zwischen dem CFR-Motor und dem I. G.-Prüf

motor praktisch kein Unterschied besteht. Aus diesem

Grunde ist der I. G.-Prüfmotor nach dem Erlaß des

Reichs- und Preußischen Verkehrsministers vom 25. März

1938 in Deutschland für die einheitliche Klopffestigkeits

prüfung von Leichtkraftstoffen zugelassen.

Wie groß das Bedürfnis nach einem deutschen Klopf-

prüfgerät ist, ergibt sich aus der Verbreitung, die der

Motor in der kurzen Zeit von zwei Jahren gefunden hat:

Es sind heute über 100 Motoren im Betrieb oder- im Bau.

In Bild 13 sind die Eichergebnisse der ersten 25 I. G.-

Prüfmotoren zusammengefaßt. In jedem der Prüfmotoren

wurden sechs Kraftstoffe (Erdölbenzine und Hydrier

benzine), und zwar Fliegerbenzine (1, 2, 3) und K raft

wagenbenzine (a, b, c ) untersucht. Die Unterschiede

betragen durchweg ebenfalls nur 2 bis 3 Oktanzahl-Ein

heiten und sind damit nicht größer als die der CFR-

Motoren. Weiter wurde für alle Prüfmotoren die Eich

kurve mit I. G.-Eichbenzin in Mischung mit Reinbenzol

nach dem CFR-Motor-Verfahren aufgestellt; die Streuung

dieser Werte beträgt, ähnlich wie bei den Einzelunter-

suchungen, nur 2 bis 3 Einheiten der Oktanzahl.

Dieselkraftstoffe

Auch bei den Dieselkraft stoffen spielt die Untersuchung des Verbrennungsablaufes eine große Rolle, wobei das Klopfen ebenfalls diejenige; Eigenschaft der Kraftstoffe ist, die bei der Erzeugung vorwiegend zu berücksichtigen ist. Ein Maß für die Neigung des Kraftstoffes zum Klopfen ist der Zündverzug, d. i. die Zeit vom Ein spritzbeginn bis zum Zündbeginn.' Man hat versucht, analytische Meßverfahren zur Beurteilung der Dieselkraftstoffe heranzuziehen; die, wenn auch nicht zahlreichen, Abweichun gen von dem vorausgesetzten Zusammenhang machen aber die analytischen Bestimmungen — ebenso wie bei den Ottokraftstoffen — unsicher. Im Gegensatz zu den Klopfprüf-verfahren für Ottokraftstoffe, die allgemein anerkannt sind, geht man indessen bei der Untersuchung der Dieselkraftstoffe in bezug auf ihr Klopfverhalten weder in Deutschland noch im Ausland einheitlich vor. E s hat sich zwar eingebürgert, die Diesel kraftstoffe nach Cetenzahlen5) oder Cetanzahlen“) zu bewerten, jedoch sind über den Prüfmotor doch keine ein heitlichen Vorschläge vorhanden. Bekanntlich weist das Klopfverhalten der beiden Motorengattungen, des Otto- und des Dieselmotors, eine Gegensätzlichkeit auf, Übersichtstafel 1. Die wichtigsten Übersichtstafel

1. V o r a u s s e t z u n g e n d e s K l o p f e n s i m D i e s e l - u n d O t t o m o t o r .