Technik: Wohin verschwindet der teure Sprit beim Motorradfahren? Teuer und Flamme

Wenn das schwarze Erdöl aus der Wüste quillt, kann man sich kaum vorstellen, dass diese zähe Masse, in hochbrennbares Benzin verwandelt, unser geliebtes Motorrad in Bewegung setzt. Das Lästige dabei: Ein Großteil des teuren Destillates verpufft nutzlos in der Atmosphäre.

Wer hätte sie nicht gern, die Ölquelle im eigenen Garten, die munter vor sich hinsprudelt und uns das energiespendende Benzin frei Haus liefert. Weil jedoch das Szenario eines im schwarzen Erdöl badenden Cowboys Westernfilmen vorbehalten bleibt, werden wir auch weiterhin unser Geld zur Tankstelle tragen müssen.

Was ist das eigentlich für ein Saft, den wir uns für teures Geld in den Tank schütten?

Auf dem Weg vom klumpigen Erdöl bis zum hochwertigen Brennstoff Benzin durchläuft der Rohstoff einen langen Prozess. Plankton, das sich Jahrmillionen vor unserer Zeitrechnung als organischer Stoff auf dem Grund der damaligen Meere absetzte, verwandelte sich in mehreren Tausend Meter Tiefe in Öl und Gas. Ein-gelagert in den sogenannten Mutterboden und ohne Sauerstoffzufuhr, lösten extrem hohe Drücke und Temperaturen chemische Prozesse aus, die die organischen Stoffein Erdöl umwandelten. Bei mehr als 150 Grad Celsius wurde Erdöl durch das so-genannte Cracken (Aufbrechen der Molekülketten durch hohen Druck und Temperatur) zu Erdgas.

Mit der Industrialisierung begann die lukrative Suche und Förderung des begehrten Rohstoffs, der je nach Fundort eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweist. Mit rund 85 Prozent Kohlenstoff, 13 Prozent Wasserstoff, bis zu sieben Prozent Schwefel und nur wenigen Prozent Sauerstoffanteilen ist dieser Rohstoff ein idealer Energieträger mit hohem Heizwert.

In den großen Raffinerien angelangt, wird das Rohöl im ersten Verfahren destilliert, woraus sich neben anderen Mineralölprodukten die leichtflüchtigen Kohlen­was­ser­stoffverbindungen als Benzin-Grundstoffe niederschlagen. Der Rückstand, der bei dieser Destillation übrig bleibt, wird anschließend beim künstlichen Cracken in alle erdenklichen chemischen Substanzen verwandelt und als Grundlage für Kunststoffe, Arzneimittel oder synthetische Öle und Benzine weiterverwendet.

Jeder Kraftstoffhersteller veredelt den von den Raffinerien angelieferten Benzin-Grundstoff mit seinen geheimen Rezepturen, die durch Beimengung von Additiven zur Erhöhung der Oktanzahl, als Gefrierschutz oder zur Reinigung von Einspritzdüsen und Brennraum beitragen. Zudem wird das Benzin je nach Marke und Sorte entsprechend eingefärbt.

Benzin ist jedoch nur eines von vielen Rohölprodukten, die wir zum Motorrad­fahren benötigen. Von Bitumen für den Straßenbau mal ganz abgesehen, braucht das Motorrad auch chemisch verwandeltes Rohöl in Form von Ölen zum Schmieren sowie Kunststoffen für die Verkleidungen, Kunstkautschuk für die Reifen oder als Schaum für das Sitzbankpolster.

Ein Umstand, der uns in aller Deutlichkeit vor Augen führt, wie abhängig unsere Industrieprodukte und damit die gesamte Gesellschaft vom Rohöl ist. Mit solchen Abhängigkeiten lassen sich natürlich satte Gewinne einfahren. Ob die Öllieferanten selbst, skrupellose Spekulanten an der Börse, staatlich verordnete Steuern oder am Maximalgewinn orientierte Mineralölkonzerne – hier wird zugelangt, was das Zeug hält. Umgerechnet von der einheitlichen Fördergröße Barrel (159 Liter) kostet derzeit ein Liter Rohöl rund 0,40 Euro. Was gemeinsam mit einer kräftigen Anhebung der Steuern dazu führt, dass wir für einen Liter Benzin heute etwa doppelt so viel bezahlen wie vor 20 Jahren. Doch unsere Leidenschaft ist immer noch groß genug, also füllen wir den Tank randvoll und verfolgen gespannt den Weg, den unser teures Benzin zurücklegt, bis es als nutzloses Abgas aus dem Auspuff in alle Winde verweht.
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Wenn der zündende Funke das Inferno entflammt, ist Druck im Kessel

Wer im Physikunterricht aufgepasst hat, weiß: Jede Verbrennung erfordert einen bestimmten Anteil an Sauerstoff – egal, ob das Benzin im Motor abgefackelt wird oder Kohlehydrate in den Muskeln unter Sauerstoffzufuhr verbrennen und in Bewegungsenergie umgewandelt werden.

Das theoretisch optimale Verhältnis von Luft und Benzin liegt bei zirka 14,7 Gewichtsteilen Luft zu einem Gewichts-teil Kraftstoff. Dieses Verhältnis wird mit Lambda=1 bezeichnet. Um das Ganze bildlicher zu machen: Um ein Kilogramm Benzin zu verbrennen, saugt der Motor rund 14,7 kg Luft (Dichte bei 20 Grad: 1,204 kg/m3) an, was einem Volumen von zirka zwölf Kubikmeter entspricht, also dem Laderaum eines Kleintransporters.

Das Problem bei Motorradmotoren: Wegen der oftmals kleinen Einzelhub-räume müssen pro Ansaugvorgang im Standgas oder bei wenig Last extrem geringe Mengen Kraftstoff verteilt werden. Während dieser Vogang bei Vergaser-motoren keine Schwierigkeiten bereitete, müssen bei elektronischen, sequentiellen Einspritzungen die Einspritzdüsen in schier unglaublich kurzen Ansteuerzeiten den Kraftstoff einbringen. Dabei sollte dieser, in feine Partikel zerstäubt, ein möglichst homogenes Gemisch aus Benzin und Luft ergeben. Als Messwert für die Gemisch-zusammensetzung dient die Lambda-sonde, die den im Abgasstrom befindlichen Restsauerstoffgehalt misst, woraus die elektronische Motorsteuerung die aktuelle Zusammensetzung erkennt und wenn nötig korrigiert.

Steigt der Lambdawert auf 1,35, was einem extrem mageren Gemisch entspricht, oder ist dieses mit Lambda=0,75 viel zu fett, erlischt die Flamme, und der Kraft-stoff entfleucht ungenutzt und als giftiger, weil unverbrannter Kohlenwasserstoff in den Auslass. Praktisches Beispiel dafür: Der Kaltstartvorgang, bei dem der Motor gelegentlich abstirbt, weil sich Kraftstoffpartikel an den kalten Oberflächen des Ansaugkanals und der Zylinderwand anlagern und dort hängen bleiben, anstatt sich mit der Ansaugluft zu vermischen. Aus diesem Grund erfordern kalte Motoren immer eine Kraftstoffanreicherung. Das Anfetten des Gemischs bis etwa Lambda=0,85 wirkt sich zudem positiv auf Leistung und Ansprechverhalten des Motors aus, erhöht jedoch den Verbrauch.

Auf seinem Weg in den Brennraum erreicht die Gasströmung am kleinsten Querschnitt des Ansaugkanals, dem Einlassventil, Überschallgeschwindigkeit, also 1188 km/h oder verständlicher ausgedrückt: 330 Meter pro Sekunde, schließlich stehen für den gesamten Ansaugvorgang bei 12000 Umdrehungen nur zirka drei Tausendstelsekunden zu Verfügung. Dabei strömen bei Hochleistungsmotoren etwa 90 bis 105 Prozent des Hubraums, bei einer 200er-Zylindereinheit also etwa 180 bis 210 cm Gas-Luft-Gemisch, in den Zylinder. Aus diesem sogenannten Füllungsgrad ergibt sich dann auch die tatsächliche Verdichtung des Motors.

Eine hohe Verdichtung der Frischgase ist die Grundlage dafür, dass der Kraftstoff mit hoher Effizienz verbrennt. Allerdings sind dem theoretischen Verdichtungs-verhältnis auch Grenzen gesetzt, weil bei einem zu hohen Verdichtungsdruck die restlichen Frischgase durch die extreme Temperatur einige Zeit nach dem Zündzeitpunkt explosionsartig verbrennen. Man spricht dann von Klingeln oder Klopfen, das auch bei zu magerem Gemisch durch einen zu frühen Zündzeitpunkt oder eine zu geringe Oktanzahl des Kraftstoffs entstehen kann. In letzterem Fall hilft nur eine Spritsorte mit möglichst hoher Oktanzahl, das heißt einer der Superkraftstoffe Shell V-Power oder Aral Ultimate, die jedoch bei den meisten Motoren keine messbare Leistungssteigerung bewirken. Nur wenn Verdichtungsverhältnis und Motorelektronik in Richtung Höchstleistung ausgerichtet sind, bringt die Klopffestigkeit des teuren Benzins tatsächliche Vorteile in Sachen Leistung und Drehmoment, weil man damit das leistungsfressende Klopfen verhindert. Der Brennwert, also die im Benzin enthaltene Energie hingegen ist mit 12,1 Kilowatt-stunden pro Kilogramm (43 Megajoule) bei allen Kraftstoffarten nahezu identisch.

Unter der harten Verbrennung, die man in Tuner-Kreisen statt Klopfen auch gerne als »Detonation« bezeichnet, leidet neben der Leistung zudem die Haltbarkeit von Kolben und Kurbeltrieb. Die kontrollierte, weiche Verbrennung dagegen breitet sich in einer gleichmäßigen Flammfront von der Zündkerze ausgehend über den Brennraum aus und erzeugt einen maximalen Arbeitsdruck von gewaltigen 90 bis 110 bar.

Bei wenig geöffneter Drosselklappe ergibt sich ein erheblicher Leistungsverlust durch den hohen Saugwiderstand, im Fachjargon als Ladungswechselverlust bezeichnet. Zu vergleichen ist dieser Drosselvorgang mit einem Staubsauger, dem einfach der »Rüssel« mit der flachen Hand zugehalten wird, woraufhin der Motor sofort in der Drehzahl absinkt und mit Kraft gegen den Widerstand arbeiten muss.
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Foto: fact

Aus der Energie eines Liter Benzins bleibtlediglich ein mageres Viertel zur Fortbewegung übrig

Ein Verbrennungsmotor arbeitet immer dann sehr effektiv, wenn er mit etwa 90 Prozent Last läuft und der Kolben nach der Zündung mit großer Kraft nach unten bewegt wird und über Pleuel sowie Hubzapfen ein großes Drehmoment auf die Kurbelwelle erzeugt. Aus diesem Grund laufen Verbrennungsmotoren im Bereich des höchsten Drehmoments auch mit dem spezifisch besten Verbrauch. Bei welcher Drehzahl das höchste Drehmoment zur Verfügung steht, lässt sich aus den technischen Daten im Fahrerhandbuch oder den Leistungsdiagrammen in den MOTORRAD-Tests ablesen.

Ein Nachteil bei allen Hubkolbenmotoren: Durch das mehr oder weniger schräg auslenkende Pleuel wird der Kolben mit einer durch den Arbeitsdruck bestimmten Kraft seitlich auf die Kolbenwand gepresst, was im Verbund mit der Reibung der Gleitlager von Pleuel und Kurbelwelle einen hohen Verlust bewirkt, wodurch ein Teil der eingesetzten Energie als Reibungswärme im Öl verschwindet. Zusätzlich addieren sich durch die Lichtmaschine sowie die Öl- und die Wasserpumpe weitere Reibungsverluste hinzu. Ein Teil der eingesetzten Energie geht außerdem durch die Ventilsteuerung verloren, da sowohl der Ketten­antrieb mitsamt Nockenwellenlager an der Effizienz nagt als auch die zusammengepressten Ventilfedern, die nur bei niedrigen Drehzahlen einen Teil der gespeicherten Energie beim Ausfedern wieder abgeben. Bei hohen Drehzahlen hin-gegen wird die Federkraft zur Rückstellung der Ventile aufgebraucht. Da die Desmodromik von Ducati ohne Ventilfedern auskommt, sind hier die Verluste geringer.

Der größte Anteil unseres teuren Kraftstoffs entweicht jedoch ohnehin als bis zu 800 Grad heißes Abgas nutzlos im Auspuff. Zusätzlich wird Verbrennungswärme, also Energie, von der Zylinderoberfläche an den Kühlwasserkreislauf und letztlich an die Umgebungsluft abgeführt. Dabei gilt die Regel: Ein kalter Motor verbraucht deutlich mehr Kraftstoff als ein Motor mit hoher Öl- und Wassertemperatur. Die Ursachen dafür: je kleiner die Temperaturdifferenz von Zylinderwand/Motorbauteilen und Kühlmittel, das heißt Wasser und Öl, desto geringer der Wärmetransfer. Zudem wird Motoröl mit steigender Temperatur dünnflüssiger und lässt sich leichter durch die Schmier-kanäle pressen.

Als Verlustquelle kommt noch hinzu, dass je nach Größe und Volumen des Feuerstegbereichs (siehe Foto Seite 67) mehr oder weniger kleine Anteile des Kraftstoff-Luft-Gemischs von der Flammfront nicht erreicht werden und unverbrannt im Abgas als giftige Kohlenwasserstoffe verschwinden. Zusätzlich entstehen bei der Verbrennung Kohlendioxid und Stickoxide, die jedoch dank des Katalysators je nach Lambdawert unschädlich gemacht werden.

Unterm Strich können bei den vier Takten Ansaugen, Verdichten, Verbrennen/Arbeiten und Ausstoßen maximal 33 bis 38 Prozent des eingesetzten Kraftstoffs in Antriebsleistung umgesetzt werden. Noch dramatischer gestalten sich diese Verluste bei hohen Drehzahlen. Diese steigern zwar die Höchstleistung, weil sich der Arbeitsvorgang entsprechend oft wiederholt, machen aber durch den überproportionalen, also progressiven Anstieg der inneren Reibung einen Teil der gewonnen Leistung wieder zunichte.

Um diesen Faktor mit handfesten Werten zu unterlegen, fuhr MOTORRAD die Verbrauchsmessung mit der neuen Honda Transalp bei konstant 130 km/h, wozu rund 23 PS benötigt werden. Im normalen Modus, also letzter Gang und 5600/min, gestattete sich die Honda relativ bescheidene 4,6 Liter pro 100 Kilometer. Anschließend wurde der 130er-Zyklus im dritten Gang bei entsprechend wenig Last, also geringer Öffnung des Gasgriffs, aber rund 40 Prozent höherer Drehzahl (7600/min) gefahren. Und jetzt bitte festhalten: Exakt drei Liter mehr Benzin wurden bei gleicher Geschwindigkeit und identischem Fahr­widerstand auf 100 Kilometer durch die Einspritzdüsen gepresst.

Bevor die Antriebskraft am Hinterrad ankommt, frisst noch jedes Gangradpaar, also Primärantrieb und Getriebe, zirka zwei Prozent der angelieferten Motorleistung auf, und auch der Endantrieb über Kette oder Kardan trübt mit etwa drei Prozent Verlustleistung die Energiebilanz. Als letzter Energiefresser überträgt der Reifen die Zugkraft auf die Straße und verbraucht durch Reibung und Schlupf je nach Geschwindigkeit weitere ein bis zwei Prozent unserer Eingangsenergie. Und so bleibt unterm Strich von einem Liter Kraftstoff im günstigsten Fall rund ein Viertelliter Benzin zur tatsächlichen Fortbewegung übrig. Wird der Motor dabei bis zur letzten Drehzahl ausquetscht, sinkt die Energiebilanz auf kärgliche 15 Prozent ab. Eine Erkenntnis, die auch überzeugte Heizer und Gasgriffquäler ins Grübeln bringt.

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