Ein Dieselmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die nach dem Dieselverfahren arbeitet und als Hubkolbenmotor (Verbrennungsmotor) gebaut wird.
Technologie
Der Kraftstoff wird während der zweiten Hälfte des Verdichtungsvorgangs in die heiße Vor- oder Wirbelkammer, beim Direkteinspritzverfahren am Ende des Verdichtungsvorgangs in die im Verbrennungsraum enthaltene stark verdichtete Luft eingespritzt wird. Die Temperatur der verdichteten Luft ist so hoch, dass der eingespritzte Kraftstoff sich selbst entzündet. Eine Zündkerze wird prinzipiell nicht benötigt, dennoch gab und gibt es eine Reihe von Zündhilfen: Üblich ist die Glühkerze für den Start des Motors, die bei Kammermotoren unverzichtbar ist und auch noch bei Direkteinsprizern eingesetzt wird. Ältere Konstruktionen sind als Glühkopfmotor (Lanz) bekannt geworden und es gab auch Experimente mit Zündkerzen (MAN FM-Verfahren).
Beim Diesel-Verbrennungsverfahren wird im Gegensatz zum Verbrennungsverfahren beim Ottomotor kein brennbares Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt. Dieselmotoren arbeiten im Gegensatz zu Ottomotoren mit einem starken Luftüberschuss. Es gibt verschiedene Einspritzverfahren, z.B. Vorkammereinspritzung, Wirbelkammereinspritzung, Direkteinspritzung, hierbei verschiedene Technologien zum Aufbau der Einspritzdrücke z.B. in Kammermotoren (ca. 100-200 bar Einspritzdruck), durch Common Rail (1000-1600 bar) und Pumpe-Düse-Einspritzsystemen (bis zu 2000 bar).
Die Merkmale des Verbrennungsverfahrens nach Diesel lassen sich so zusammenfassen:
- Selbstzündung: Die Luft heizt sich so stark auf, dass sich der eingespritzte Kraftstoff von alleine entzündet.
- Innere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt.
- Qualitätsregelung: Die Leistung wird über das Verhältnis von eingespritztem Kraftstoff (variabel) und Luft (konstant) geregelt.
Vorteile des Dieselmotors gegenüber seinem nächsten Verwandten, dem Ottomotor, sind ein besserer Wirkungsgrad und der daraus resultierende geringere spezifische Kraftstoffverbrauch sowie billigere und ungefährlichere Kraftstoffe. Nachteilig sind die aufwendigere und infolge höherer Arbeitsdrücke massivere Konstruktion, das daraus resultierende schlechtere Masse-Leistungs-Verhältnis sowie die höhere Geräuschemission durch größere Druckgradienten bei der Verbrennung.
Dieselmotoren können prinzipiell als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor gebaut werden. Ein Kreiskolbenmotor mit Dieselverbrennung ist zwar möglich (zweistufige Verdichtung), jedoch über das Forschungsstadium nie hinausgekommen. Eine hochinteressante Variante des "Wankel-Diesel" arbeitet mit Fremdzündung, entwickelt von einer kleinen Firma in Korb (Remstal) für den Antrieb von sogenannten Drohnen (unbemannte Kleinflugzeuge). Mit dem Kunstgriff der Fremdzündung scheint es möglich, nicht nur den Wankelmotor als Diesel arbeiten zu lassen sondern auch den wesentlichen Nachteil dieses Motors, die ungünstige Form des Brennraums, in einen klaren Vorteil zu verwandeln, dadurch, dass die Verbrennungszone von einem isolierenden Luftpolster umgeben ist.
Zweitakt-Dieselmotoren werden hauptsächlich als Großmotoren in Schiffen verwendet. Weitaus häufiger ist jedoch der Viertakt-Dieselmotor, dessen Hauptanwendung im Antreiben von Diesellokomotiven, Dieseltriebwagen, Kraftfahrzeugen, Baumaschinen und kleineren Generatoren liegt. (siehe auch Blockheizkraftwerk) In jüngster Zeit sind jedoch auch einige hochmoderne Diesel-Flugmotoren für Kleinflugzeuge auf den Markt gekommen.
Abgasemmissionen und Gesetzgebung
Beim Betrieb von Dieselmotoren entsteht Dieselruß, der bei modernen Konstruktionen durch einen Rußfilter aufgefangen wird. Der erste Hersteller von Kraftfahrzeugen, der einen Partikelfilter serienmäßig einbaute, war der PSA-Konzern, z.B. in den Peugeot der 7-er Serie und den Citroën C5 und C8, wodurch diese seit dem Jahr 2000 bzw. 2002 die ab 1.1.2005 gültige Abgasnorm EU 4 bereits übererfüllen. (0,001 g/km von 0,025 g/km). Erst 2003 begannen langsam auch die anderen Hersteller zu reagieren, wobei die deutschen PKW-Hersteller, wie VW, DaimlerChrysler und BMW bisher noch keine Rußfilter einbauen.
Geschichte
Der Dieselmotor wurde 1892 von Rudolf Diesel erfunden, der damals im Dienste der MAN AG (Maschinenfabrik Augsburg Nürnberg) stand. Ursprünglich wurde er mit Pflanzenöl betrieben und der Kraftstoff wurde mit Luft eingespritzt, da zu Diesels Zeiten keine Einspritzpumpen verfügbar waren, die den flüssigen Kraftstoff alleine hätten genau genug dosieren können.
Der aus Erdöl hergestellte Dieselkraftstoff wurde erst später massenproduziert und nach ihm benannt. Seit Ende des 20. Jahrhunderts wird zunehmend auch der so genannte Biodiesel RME (Rapsölmethylester) eingesetzt. Natürlich können die meisten heutigen Dieselmotoren auch mit Pflanzenöl betrieben werden, insbesondere der verbesserte Elsbett-Motor.
- Im Februar 1897 führte die Entwicklung Diesels zu einen Motor mit befriedigenden Laufeigenschaften und damals sagenhaften 26% wirkungsgrad.
- 1914 erste U-Boot-Diesel mit direkter Einspritzung
- 1923 Erster Traktor mit Dieselmotor
- 1924 lief die Lastwagenherstellung mit den ersten Dieselmotoren an: Bei MAN und bei der Süddeutschen Automobilfabrik, die damals schon Carl Benz gehörte
- 1936 Hanomag und Merdedes bauen die ersten Diesel-Pkw
- 1976 bringt VW den ersten Golf mit Dieselmotor heraus
Spezielles und kurioses zum Diesel
Dieselmotoren werden üblicherweise mit Ottomotoren gleicher Leistung verglichen. Dies ist ein wenig ungerecht, da der Diesel in der Regel eine Drehzahlgrenze bei 5000/min hat. Dies liegt am Zündverzug des Kraftstoffes, der eine gewisse Zeit (ca. 1 ms) braucht, um sich soweit aufzuheizen, dass die Selbstzündung beginnen kann.
Ottomotoren haben weniger Probleme mit solchen Drehzahlgrenzen, Motorradmotoren kommen auf 9.000/min bis 10.000/min, Formel 1 Motoren noch höher.
Nun ist aber bekanntlich Leistung = Drehmoment × Drehzahl, wenn also ein Diesel mit 100 kW bei 4.000/min mit einem Benziner mit 100 kW bei 8.000/min verglichen wird, muss der Diesel - wegen der Drehzahlgrenze - doppelt so viel Drehmoment bieten, damit er die gleiche Nennleistung von 100 kW bringt. Bei 4.000/min bekommt ein Motor nur etwa halb so viel Verbrennungsluft wie bei 8.000/min (gleicher Hubraum vorausgesetzt). Damit benötigen Diesel für vergleichbare Leistungen mehr Hubraum oder einen Turbolader und so sind sie bei dieser Art des Vergleiches schwerer und drehmomentstärker als die Ottomotoren.
Ein anderer interessanter Punkt aus der Geschichte ist die Rolle von Mercedes / Daimler Benz / DaimlerChrysler. Mit dem 260D brachte man 1936 den ersten Pkw-Diesel heraus. Noch in den 70er Jahren baute Mercedes in seine Diesel Drosselklappen ein - obwohl die einen Diesel eher stören. Hintergrund ist die Einspritzpumpe, die durch den Unterdruck gesteuert wurde...
Auch Diesel haben so etwas wie eine Vorzündung. Bei Ottomotoren wird die Zündung eingeleitet, bevor der Kolben den oberen Totpunkt (OT) erreicht, damit kurz nach der Zündung der Gasdruck möglichst hoch ist. Beim Diesel gibt es eine entsprechende, drehzahlabhängige Voreinspritzung.
Wenn man den thermodynamischen Modellprozesse betrachtet, beim Diesel ist es der Gleichdruckprozess (Diesel-Prozess und der Seiliger Prozess), stellt man fest, dass mit höherer Verdichtung der Wirkungsgrad immer besser wird. Bei Dieselmotoren spiegelt sich das im geometrischen Verdichtungsverhältnis wider, welches bei etwa 1:17 bis 1:23 liegt. Allerdings bringen höhere Verdichtungen überproportional steigende Reibungsverluste mit, so dass sich höhere Verdichtungsverhältnisse nicht mehr lohnen.
Wenn man nun den Ottomotor und seinen thermodynamischen Vergleichsprozess (den Gleichraumprozess oder Otto-Prozess) nimmt, dann hätte der Ottomotor den besseren Wirkungsgrad - wenn er nur so hoch verdichten könnte, wie der Diesel.
Die Entwicklung von Otto- und Dieselmotoren erinnert ein wenig an die Entwicklung von Glühbirne und Leuchtstofflampe: Ottomotor und Glühbirne sind wesentlich älter, fressen mehr Energie und werden von privaten Kunden bevorzugt. Diesel und Leuchtstofflampe sind etwa um die gleiche Zeit entstanden, gelten als sparsam und haben sich im professionellen/industriellen Umfeld durchgesetzt.
Die Royal Enfield ist das einzige (Serien-)Diesel-Motorrad der Welt und es kommt aus Indien. Die derzeit stärkste Motorvariante (Stand: 06/2004) hat 8,1 kW (11 PS) und bringt das Motorrad auf 110 km/h. Der Durchschnittsverbrauch wird mit 1,7 l Diesel je 100 km angegeben.
Weblinks
Siehe auch: Diesel-Prozeß, Themenliste Straßenverkehr