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Motorsport Engineering Zufallsfunde im Kraftstoff ermöglichen Serientransfer

Autor / Redakteur: Wolfgang Sievernich / Wolfgang Sievernich

Rennkraftstoffe aus der Formel 1 werden für extreme Motorenentwicklungsstufen entwickelt. Die Erkenntnisse vom Saug- zum Turbomotor nutzt Shell für seine Straßenkraftstoffe.

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Während der Straßenkraftstoff eine breite Palette unterschiedlicher Motoren bedient, wird in der Formel 1 ein spezieller Kraftstoff für eine neue Motorenentwicklungsstufe entwickelt. Diese Erkenntnisse fließen auch in neue Straßenkraftstoffe.
Während der Straßenkraftstoff eine breite Palette unterschiedlicher Motoren bedient, wird in der Formel 1 ein spezieller Kraftstoff für eine neue Motorenentwicklungsstufe entwickelt. Diese Erkenntnisse fließen auch in neue Straßenkraftstoffe.
(Bild: Ferrari)

Wenn im Rennsport die Motoren dröhnen und die Fahrzeuge auf die erste Kurve zurasen, spielt der Kraftstoff im Kampf um Sekunden und Plätze eine wichtige Rolle. Von ihm hängt die optimale Leistungsentfaltung des Motors ab. Eine Zauberküche für die Entwicklung von Kraftstoffen ist beispielsweise das Shell Technology Centre in Hamburg. Hier entwerfen die Techniker laufend neue Kraftstoffformulationen für den Motorsport und die Straße.

Kraftstoff für spezielle Betriebsbedingungen

Während der Straßenkraftstoff eine breite Palette unterschiedlicher Motoren bedient, wird in den Top-Motorsportserien der Formel 1 oder der Moto GP spezieller Kraftstoff für eine neue Motorenentwicklungsstufe mit geänderter Brennraumform oder einem Motoren-Mapping für spezielle Betriebsbedingungen formuliert. „Man nimmt sich also aus dem breiten Fenster ein ganz schmales heraus“, erklärt Dr. Wolfgang Warnecke, Chief Scientist for Mobility bei Shell in Hamburg. Basis für die Formulationsarbeit ist das jeweilige Kraftstoffreglement, das die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffs vorgibt. Aus ihm werden dann mehrere Rezepturen aus den grundsätzlich gleichen Komponenten entwickelt, die auch in Straßenkraftstoffen zum Einsatz kommen. Dort werden die Konzentrationsverhältnisse variiert, woraus sich wiederum unterschiedliche Wirkungsweisen im Motor ergeben.

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Formel 1 benötigt extreme Formulationen

Zu unterscheiden sind drei Sorten Rennkraftstoffe: Am Anfang steht ein standardisierter Premiumkraftstoff aus einer lokalen Produktion, wie er auch an Tankstellen angeboten wird. Ihn nutzt beispielsweise die Deutsche Tourenwagen Masters (DTM). Die zweite Option ist bereits reiner Rennkraftstoff, der in der Langstrecken-Weltmeisterschaft WEC von Shell als Shell V-Power LM24 oder Shell V-Power Diesel LM24 an die Rennserie ausgegeben wird. Die extreme Variante finden wir in der Formel 1: Dort wird ein spezieller Kraftstoff für eine spezielle Evolutionsstufe eines Motors einer Marke produziert, im Fall von Shell für Ferrari. Ändern die Ingenieure nur ein wenig am F1-Motor ab, entwickelt Shell bereits eine neue Kraftstoffformulation.

Unterschiedliche Klopffestigkeiten

„Es würde uns eine Menge Geld sparen, wenn wir einen Labortest hätten, der uns die Ergebnisse liefert, die wir mit dem Prüfstand und der Rennstrecke erarbeiten“, sagt Landschof. Das Testfeld Motorsport liefert jeden Tag Zufallsfunde, wie sie alleine über das Labor nicht abzubilden wären. Hinzu kommt: Die kurzen Entwicklungszyklen der Formel 1 sind für einen Technologietransfer prädestiniert. Wie schaut dieser genau aus? Warnecke stellt gleich mehrere Beispiele vor. Beispiel 1: In der Formel 1 waren lange Jahre hochdrehende Saugmotoren üblich. „Bei 20.000 Umdrehungen pro Minute gibt es kein Zeitfenster für das Klopfen, also eine unkontrollierte Vorzündung des Motors. Die Klopffestigkeit ist bei solchen Motoren von sekundärer Bedeutung“, meint Warnecke. Sobald die Zündkerze die Verbrennung startet, muss sich die Flamme extrem schnell ausbreiten. Insofern ist die Flammengeschwindigkeit bei Hochdrehzahlkonzepten ein ganz wichtiger Parameter.

Rückstände im Kraftstoff

Anders verhält es sich dagegen bei Turbomotoren, bei denen zwar geringere Drehzahlen, durch die hohen Ladedrücke aber sehr heiße Stellen im Brennraum entstehen, die sogenannten Klopfnester. „Diese bewirken ein höheres Klopfrisiko. Hier sind die Zielvorgaben für den Kraftstoff also anders gelagert“, so Warnecke. Höhere Oktanzahlen – noch höher als bei Saugmotoren – beheben das Problem und sorgen dafür, dass der Motor optimal arbeiten kann. Beispiel 2: Bei Dauerlauftests eines Diesel-LMP1 in der Langstrecken-Weltmeisterschaft (WEC) stellten die Techniker vor einigen Jahren ein technisches Problem fest, deren Ursache anfangs unklar blieb. Nach 20 bis 30 Stunden konstatierten die Techniker am Motor des Le-Mans-Prototypen einen Leistungsabfall. „Dieser wurde durch eine geringere eingespritzte Kraftstoffmenge aufgrund von Ablagerungen an den Einspritzdüsen verursacht“, erklärt Jörg Landschof, Kraftstoffwissenschaftler bei Shell.

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Chemischer Reinigungseffekt

Des Rätsels Lösung fand sich im Kraftstoff, in dem sich geringste Mengen Zink an den Einspritzdüsen anlagerten. Doch weder der Kraftstoff, noch die Zuleitungen im Motor enthalten Zink. Es stammte aus den Leitungen und Tanks in der Produktion, wurde vom Kraftstoff aufgenommen und bis in die Einspritzsysteme des Aggregats transportiert. Shell löste das Problem über Additive mit dem sogenannten Keep-clean/clean-up-Effekt. Durch das Additiv erhält der Kraftstoff einen nachweisbaren chemischen Reinigungseffekt. „Man kann also den zunehmenden Leistungsverlust bis zu einem gewissen Grad stoppen, beziehungsweise rückgängig machen“, so Landschof. Die Reinigungswirkung ist ein wesentliches Differenzierungsmerkmal von Kraftstoffen und gilt nicht nur für leistungsstarke Motoren, sondern auch für normale.

Reibung vermindert

Beispiel 3: Die Kolbengruppe, bestehend aus Kolben und Zylinder, macht einen wesentlichen Anteil an der Reibung aus. Während der untere Bereich des Kolbens mit Öl geschmiert wird, kommt oberhalb des Feuerstegs über dem Kolbenkompressionsring nur noch wenig Öl zur Schmierung an. Die Techniker mischten in diesem Fall also dem Kraftstoff einen Reibungsminderer zu, der sich möglichst an der Laufbahn des Zylinders ablegen sollte, ohne an der Verbrennung teilzuhaben. „So konnten wir die Reibung am oberen Teil des Kolbens mindern und messbar feststellen, dass damit die Gesamtreibung der Kolbengruppe reduziert und eine höhere Nutzleistung erzielt wurde“, erklärt Warnecke. Heute enthält auch der an der Tankstelle angebotene V-Power-Kraftstoff diesen Reibungsminderer, der bei straßenzugelassenen Hochleistungsmotoren für die optimale Schmierung sorgen soll.

Die drei Beispiele zeigen, wie wichtig die Erfahrungen aus dem professionellen Motorsport für die Kraftstoffentwicklung sein können. Es ist nicht alleine der Preis an der Tankstelle oder die Werbung mit dem Motorsport, der die V-Power-Kraftstoffe von den herkömmlichen unterscheidet. Insbesondere die strengen Emissionsvorschriften in Europa, Asien und den USA zwingen Entwickler, wie Dr. Wolfgang Warnecke und Jörg Landschof, täglich dazu in die Trickkiste zu greifen – und manche dieser Tricks landen dann eben auch an der Tankstelle.

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