Dieselmotor

Dieselmotor 1.3 Multijet 16V mit Common Rail-Technik und gewählter Motor des Jahres 2005

Ein Dieselmotor ist eine Wärmekraftmaschine die nach dem Dieselverfahren arbeitet und üblicherweise als Hubkolbenmotor (Verbrennungsmotor) gebaut wird. Der Dieselmotor wurde 1892 von Rudolf Diesel erfunden und bei der Firma MAN in Augsburg entwickelt.

Bedeutung

Nachdem der Dieselmotor im Automobilbau bei PKW (im Gegensatz zu LKW, die in Europa nahezu ausschließlich mit Dieselmotoren angetrieben werden) jahrzehntelang ein Schattendasein führte, sind Personenwagen mit Dieselmotoren in Europa mittlerweile sehr weit verbreitet. In einigen Ländern stellen sie bereits mehr als 75 Prozent aller Neuwagenzulassungen. Das liegt vor allem an der Entwicklung leistungsstarker und relativ leiser Dieselmotoren und insbesondere an der Einführung des Turboladers in den letzten Jahren. In Verbindung mit dem prinzipiell begründeten niedrigeren Verbrauch bzw. dem höheren Wirkungsgrad eines Dieselmotors im Vergleich zum Benzin verbrauchenden Otto-Motor (Dieselkraftstoff hat mit 35,3 MJ/l eine höhere Energiedichte als Benzin mit 32 MJ/l, und der Dieselmotor läuft mit einem höheren Verdichtungsverhältnis) sowie der in vielen Ländern praktizierten steuerlichen Begünstigung des Dieselkraftstoffes gewinnt dieser Motor an Attraktivität. Dieselkraftstoff wird niedriger besteuert, um die Betriebskosten von Lastkraftwagen, die in Europa ausschließlich mit Dieselmotoren ausgestattet sind, niedrig zu halten. Eine Ausnahme bilden hierbei die Schweiz und Großbritannien, wo Dieselkraftstoff teurer ist als Benzin. Als Ausgleich hierfür wird in einigen Ländern die Kraftfahrzeugsteuer für Dieselfahrzeuge angehoben, so dass erst eine hohe Kilometerlaufleistung zu einer Nettoersparnis führt.

Für Dieselfahrzeuge spricht weiterhin die Verwendbarkeit von aus Pflanzenöl gewonnenen Alternativkraftstoffen wie Bio-Diesel, die in der Regel wegen fehlender oder geringerer Besteuerung preiswerter als Dieselkraftstoff angeboten werden. In anderen Kontinenten ist der Dieselmotor deutlich weniger verbreitet, wobei es Planungen beispielsweise der deutschen Automobilhersteller gibt, in Zukunft auch auf dem US-Markt mit Dieselmotoren Fuß zu fassen. In der Schweiz ist der Dieselmotor in PKW weniger verbreitet, aber der Anteil am Fahrzeugbestand nimmt zu, weil sich der hohe Dieselanteil in den EU-Ländern und die dort günstigen Dieselpreise werbewirksam auf die Schweizer Konsumenten auswirken.

Der Dieselmotor erreicht nicht so hohe Drehzahlen wie ein vergleichbarer Benzinmotor. Ein Turbodiesel stellt so schon im unteren Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment zur Verfügung. Dieselmotoren liefen bisher in der Regel auch nicht so vibrationsarm wie Ottomotoren. Trotz der Fortschritte auf dem Gebiet der Motorentechnik galten Ottomotoren bezüglich Laufruhe und -kultur als überlegen. Aber hohe Einspritzdrücke bis zu 2.000 bar mit modernen Piezo-Einspritzdüsen, um den Dieselkraftstoff noch feiner zu zerstäuben, und leistungsfähige Motorsteuerungselektronik machen den modernen Dieselmotor „salonfähig“. Auf der Lufteintrittsseite gibt es heute häufig eine Abgasturboaufladung, mit der die Luftmenge im Zylinder erhöht wird. Dies erlaubt die Einspritzung einer höheren Kraftstoffmenge, was die Motorleistung und damit das Beschleunigungsverhalten des Diesel-PKW verbessert.

Mittels einer Abgas-Rückführung wurde die Stickoxidproduktion des Dieselmotors positiv beeinflusst. Man muss hier allerdings einen Kompromiss zwischen vertretbaren Stickoxid- und Partikelwerten im Abgas eingehen, denn bei hohen Abgasrückführungsraten sinken zwar Motorleistung und Stickoxidwerte, aber der Rußpartikelausstoß steigt in nicht tolerierbarem Maß an. Dieselmotoren sind wegen ihrer Luftverschmutzung durch den krebserregenden Ruß in die Kritik geraten und werden deshalb zunehmend mit Partikelfiltern ausgestattet. In den Filtern werden die Rußpartikel zurückgehalten; von Zeit zu Zeit müssen sie regeneriert werden.

Der beim Kaltlauf auftretenden, klopfenden Verbrennung (das sogenannte „Nageln“) wird in Common-Rail-Systemen inzwischen durch eine Aufteilung der Einspritzmenge auf mehrere Einspritzvorgänge begegnet, wobei ein Kompromiss zwischen niederer Partikelemissionen und Laufruhe eingegangen werden muss.

Im Vergleich zu modernen Benzinmotoren, die mit 3-Weg-Katalysator ausgerüstet sind, ist der Stickoxidausstoss beim Dieselmotor deutlich höher.

Dieselkraftstoff ist dem Heizöl ähnlich, enthält aber deutlich weniger Schwefel und Paraffin. Bis 1994 waren Dieselkraftstoff und Heizöl identisch. Wegen der unterschiedlichen Besteuerung wird Heizöl rot eingefärbt und enthält den Zusatzstoff Solvent Yellow 124, um die Identifizierung durch die Zollbehörden zu erleichtern und damit die Verwendung in Dieselmotoren zu unterbinden.

Technologie

Prinzip

Beim Diesel-Verbrennungsverfahren wird im Gegensatz zum Ottomotor kein brennbares Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt, sondern reine Luft, und erst nach dem Verdichten wird der Kraftstoff eingespritzt. Dieselmotoren arbeiten im Gegensatz zu Ottomotoren besonders im Teillastbereich mit einem hohen Luftüberschuss. Die Temperatur der verdichteten Luft (bis 25:1) im Zylinder steigt durch die Kompression sehr schnell an (700 bis 900 °C), so dass sich der unter hohem Druck eingespritzte und in sehr feine Tröpfchen vernebelte Kraftstoff selbst entzündet.

Kennzeichen des Dieselprozesses:

Selbstzündung: Die angesaugte Luft heizt sich durch die adiabate Kompression stark auf, und der in die heiße Luft eingespritzte Kraftstoff entzündet sich ohne externe Zündung.
Innere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt.
Qualitätsregelung: Die Leistung wird über die Menge des eingespritzten Kraftstoffs geregelt.

Ausführungen

Dieselmotoren können prinzipiell als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor gebaut werden. Zweitakt-Dieselmotoren werden meist als Großmotoren in Schiffen verwendet. (siehe auch: Schiffsdieselmotor)

Häufiger ist jedoch der Viertakt-Dieselmotor, dessen Hauptanwendung im Antreiben von Diesellokomotiven, Dieseltriebwagen, Kraftfahrzeugen, Baumaschinen und kleineren Generatoren liegt.

Siehe auch: Vielstoffmotor

Einspritzverfahren

Es gibt verschiedene Einspritzverfahren, z. B.

Es gibt verschiedene Technologien zum Aufbau der Einspritzdrücke, z. B.

bei Motoren mit Vorkammer- oder Wirbelkammereinspritzung durch
- Verteiler-Einspritzpumpe oder
- Reihen-Einspritzpumpe,

bei Motoren mit Direkteinspritzung durch
- Verteiler-Einspritzpumpe,
- Pumpe-Düse-Einspritzsysteme oder
- Common-Rail-Einspritzung.

Siehe auch: Einspritzpumpe.

Vor- und Nachteile

Vorteile des Dieselmotors gegenüber dem ähnlich gebauten Ottomotor sind:

Ein günstigerer Wirkungsgrad, vor allem im Teillastbereich, und der daraus resultierende
Geringere spezifische Kraftstoffverbrauch (entspricht geringeren Kohlendioxid-Emissionen)
Geringerer Ausstoß von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid
Ohne Abgasnachbehandlung geringerer Schadstoffausstoß
Einfacher herzustellende, ungefährlichere Kraftstoffe und die Vielstofffähigkeit
Die in der Praxis oft beobachtete höhere Zuverlässigkeit
Lange Lebensdauer.

Die wirtschaftlichen Vorteile eines Dieselfahrzeuges hängen teilweise auch von den steuerlichen Randbedingungen ab. In zahlreichen Staaten ist durch die Besteuerung der Dieselkraftstoff günstiger als Ottokraftstoff, so dass sich die meist höheren Anschaffungskosten über die Laufzeit amortisieren.

Zu den Nachteilen zählen

Höherer Ausstoß von Stickstoffoxiden gegenüber einem Benzinmotor mit 3-Wege-Katalysator
Das Abgas enthält immer Partikel (Dieselruß und andere). Darin ist auch lungengängiger Feinstaub enthalten, sofern der Motor keinen Partikelfilter besitzt.
Höhere Produktionskosten
Unkultivierter Motorenlauf (zumindest in der Vergangenheit, vor 2000)
Das größere Gewicht bei gleicher Leistung im Vergleich zum Ottomotor
Die begrenzte Höchstdrehzahl von ca. 5.500 1/min, die durch den Zündverzug des Dieselkraftstoffs begründet ist. Dadurch ist eine weitere Leistungssteigerung nur über eine Erhöhung des mittleren Verbrennungsdrucks (bzw. des Drehmoments) möglich
Zum Erreichen hoher Leistungsdichten wird eine Aufladung benötigt, (Turbolader oder Kompressor) bedingt durch höherer Pumpverluste und niederer maximaler Drehzahl.
Aufwendige Abgasreinigung, katalytische Nachbehandlung der Stickoxide nur schwer wegen des hohen Luftüberschuss verwirklichbar.
Motorengeräusch noch immer lauter (Dieselnageln) als bei vergleichbaren Benzinern

Abgase und Umwelt

1985 wurde erstmalig serienmäßig ein Partikelfilter in einem Fahrzeug verbaut. Der ausschließlich für den amerikanischen Markt bestimmte Mercedes-Benz 300 SDL hatte jedoch Probleme mit der Dauerhaltbarkeit des Filters, sodass schon 1988 die Produktion eingestellt wurde.

Der erste Fahrzeughersteller, der einen Partikelfilter für den europäischen Markt serienmäßig einbaute, war der PSA-Konzern. Die ab dem 1. Januar 2005 gültige Abgasnorm Euro 4 erfüllten diese Fahrzeuge jedoch noch nicht, weil die Stickoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen noch zu hoch waren. Erst 2003 bot mit Mercedes-Benz ein Hersteller Fahrzeuge mit Dieselpartikelfilter an, die auch Euro 4 erfüllen. Momentan bieten einige deutsche Hersteller in verschiedenen Fahrzeugen Partikelfilter meist als Sonderzubehör gegen Aufpreis an. Eine „Marketing-Variante“ dieses Verfahrens hat momentan (Anfang 2005) DaimlerChrysler im Programm: Der Hersteller baut bei einigen Modellen den Partikelfilter „serienmäßig“ ein, jedoch bietet er den Kunden einen Minderpreis für die Abwahl des Partikelfilters an. Von Peugeot und Citroën werden die Filter in Deutschland auch bei Kleinwagen serienmäßig angeboten, allerdings zunächst nur bei den HDi-Motoren (Common-Rail-Einspritzung) mit einer Leistung von mehr als 74 kW (100 PS). Ab dem 2. Quartal 2006 auch in 66 kW-(90 PS)-Varianten der HDi-Motoren.

Erste Vorschläge des Umweltbundesamtes für den Partikelgrenzwert der Euro-5-Norm sind so niedrig, dass sie nur durch den Einsatz eines Partikelfilters zu erfüllen sind.

In Österreich soll die Normverbrauchsabgabe (NOVA) ab 2005 um 300 € beim Kauf eines Neuwagens (PKW) mit Partikelfilter reduziert werden, andererseits soll die NOVA bei Neufahrzeugen ohne Filter um 150 € erhöht werden.

Geschichte

Der Dieselmotor wurde 1892 von Rudolf Diesel erfunden. Während der Entwicklung wurden die verschiedensten Kraftstoffe im Versuch erprobt. Diesel strebte von Anbeginn die direkte Einspritzung in den Brennraum an, scheiterte jedoch an den mangelhaften Pumpen und an der fehlenden Präzision der Einspritzventile. Deswegen wurde der Umweg über eine Einspritzung des Kraftstoffes mit Luft gewählt, die es erlaubte, den flüssigen Kraftstoff genau genug zu dosieren und im Brennraum zu verteilen.

Der heute aus Erdöl hergestellte Dieselkraftstoff wurde (in Deutschland und einigen anderen Ländern) nach dem Erfinder des Motors benannt. Die meisten heutigen Dieselmotoren können auch mit einem Pflanzenöl (Pöl) betrieben werden, jedoch sind dazu meistens Umbauten in der Kraftstoffversorgung, notwendig.

Im Februar 1897 führten die Entwicklungsarbeiten Diesels bei der Maschinenfabrik Augsburg (aus der später die Firma MAN hervorging) zu einem Motor mit guten Laufeigenschaften.
1902 - 1910 produzierte MAN 82 Exemplare des stationären Dieselmotors DM 12.
1908 - Prosper L'Orange entwickelt eine präzise arbeitende Einspritzpumpe sowie das Vorkammerprinzip.
1910 - wurde das norwegische Forschungsschiff Fram als erstes Schiff der Welt mit einem Dieselantrieb versehen. Danach folgte die auf einer dänischen Werft gebaute Selandia als erstes Handelsschiff. Der Dieselantrieb verdrängt bis 1960 Dampfturbine und Kohlebefeuerung
1919 - meldet Prosper L'Orange seine Erfindung zum Patent an: ein trichterförmiger Einsatz in der Vorkammer.
1923 - Erster Traktor mit Vorkammer-Dieselmotor, erster LKW mit Dieselmotor
1936 - Erste PKW mit Dieselmotor (Mercedes-Benz 260 D, Hanomag Rekord und Saurer)
1936 - DB 602/LOF6 Luftschiffmotor für das Luftschiff LZ129 Hindenburg
1937 - Der BMW 114 Flugzeugdieselmotor wird eingestellt.
1944 - Die Ingenieure der Klöckner-Humboldt-Deutz AG (KHD) entwickeln Dieselmotoren mit Luftkühlung zur Serienreife. Damit werden später Lastwagen der Marke Magirus-Deutz angetrieben.
1968 - Peugeot stellt mit dem 204 den ersten Kleinwagen mit quer eingebautem Diesel vor.
1978 erscheint der Golf Diesel von Volkswagen.
1988 - Als erster Hersteller stellt FIAT im Modell Fiat Croma TD i.d. einen richtungsweisenden turboaufgeladenen, direkteinspritzenden Dieselmotor mit einer Leistung von 66 kW (90 PS) vor.
1993 - FIAT erfindet die Common-Rail-Einspritzung und lässt sie patentieren.
2004 - In Westeuropa steigt der Anteil neuzugelassener PKW mit Dieselmotor auf über 50 %.

Besonderheiten

Drehmomentverlauf und Leistungsabgabe

Dieselmotoren besitzen eine physikalisch bedingte Drehzahlgrenze von etwa 5.500 Umdrehungen je Minute (min^-1). Dies ist durch den Zündverlauf des Kraftstoffs gegeben und wird durch den Zündverzug, der zwischen 1 und 10 ms liegt, beschrieben. Bei Ottomotoren existiert diese Beschränkung nicht. So drehen aktuelle Formel-1-Motoren bis zu 20.200 min^-1 (Williams-Cosworth, Saisonstart 2006).

Wegen der damit verbundenen Kolbengeschwindigkeit, den enormen Ansprüchen an die Gleitflächen, an das Schmieröl und wegen der beschleunigten Massen der hochbeanspruchten Verbindungselemente (Kolbenbolzen), sind derart hoch drehende Ottomotoren als sogenannte Kurzhuber ausgeführt.

P sei die Leistung, M das Drehmoment und n die Drehzahl mal 2π ergibt die Kreisfrequenz ω. Aus der Gleichung $P=M\cdot 2\pi \cdot n$ oder $P=M\cdot \omega$ lässt sich folglich ableiten, dass das Drehmoment M eines Dieselmotors aufgrund des kleineren Drehzahlbereiches im Vergleich zu einem Benziner wesentlich höher sein muss, um dennoch die geforderte gleiche Leistung zu erreichen. Ein Dieselmotor hat deswegen bei 4.000 min^-1 doppelt soviel Drehmoment zu liefern wie ein Ottomotor mit gleicher Leistung bei 8.000 min^-1. Weiterhin steht bei gleichem Hubraum und 4.000 min^-1 nur halb soviel Luftmasse pro Zeiteinheit zur Verfügung wie bei 8.000 min^-1. Ein höheres Drehmoment bedingt aus physikalischen Gründen höhere Verbrennungsdrücke und somit ein größeres Motorengewicht.

Hinzu kommt, dass der Diesel ein hohes Verdichtungsverhältnis benötigt, damit die komprimierte Luft im Kompressionstakt genügend verdichtet und damit erhitzt wird. Der eingespritzte Dieselkraftstoff entzündet sich dadurch von selbst. Dieselmotoren sind meist als Langhuber ausgeführt, was der Drehmomentabgabe zugute kommt, aber hauptsächlich mit der höheren erreichbaren Verdichtung begründet ist.

Damit benötigen Diesel für vergleichbare Leistungen mehr Hubraum oder eine Motoraufladung, und so sind sie bei dieser Art des Vergleiches schwerer und drehmomentstärker als entsprechende Ottomotoren. Die Leistungsausbeute eines unaufgeladenen Dieselmotors ist deutlich geringer als die eines vergleichbaren unaufgeladenen hubraumgleichen Benzinmotors.

Kommt eine Motoraufladung zum Einsatz, liegt das Drehmomentmaximum in der Regel bei recht geringen Drehzahlen, zum Teil bereits knapp über der Leerlaufdrehzahl, meist zwischen (1.600 ... 2.000) min^-1 (Pkw-Diesel). Bei einer Nenndrehzahl von etwa 4.000 min^-1 liegen somit günstige Elastizitätswerte vor. Obwohl der aufgeladene Diesel aufgrund seiner Drehzahlgrenze mit dem nachgeschalteten Getriebe weniger untersetzt wird, beschleunigt er sehr gut. Bereits im Leerlauf kann der Dieselmotor große Drehmomente zur Verfügung stellen (typisch 50 % vom Maximalwert).

In einigen Straßenfahrzeugen wird die Drehmomentkurve durch die Steuerelektronik begrenzt. Ein Indiz hierfür ist konstantes Drehmoment über einen breiten Drehzahlbereich. Gelegentlich wird zu dieser Maßnahme gegriffen, um den Antriebsstrang (Getriebe, Achsantrieb, Antriebswellen) vor Überlastung zu schützen bzw. um mit der vorhandenen Auslegung des Antriebsstranges eine größere Anzahl von Gleichteilen mit ähnlichen Fahrzeugmodellen zu behalten.

Drosselklappen

Beim Prinzip des Dieselverfahrens sind Drosselklappen prinzipiell nicht erforderlich und wegen der Drosselverluste (Vergrößerung Ladungswechselschleife) für den Wirkungsgrad nicht sinnvoll. Allerdings werden in modernen PKW aus Gründen der strengen Abgasnormen Drosselklappen verbaut. Durch eine Drosselklappe kann im Betrieb mit Abgasrückführung ein höheres Druckgefälle erreicht werden. Zusätzlich kann im Regenerationsbetrieb des Partikelfilters ein zu starkes Durchströmen von Luft, d.h. hier Abkühlen des Abgases verhindert werden. Außerdem kann die Drosselklappe zur Verbesserung des NVH- Verhaltens (Noise Vibration Harshness) genutzt werden.

Eine Art Drosselung wird beim 4-Ventil-Dieselmotor im PKW zur Erhöhung der Luftverwirbelung in jeweils einem Einlasskanal angewandt. Diese bauliche Maßnahme wird Einlasskanalabschaltung genannt und kommt nur im unteren Last- und Drehzahlbereich zum Einsatz (Verminderung des Partikelausstoßes - Beachte Trade Off PM/NOx).

In der Geschichte gibt es Beispiele für Dieselmotoren mit Drosselklappen, die aus einem anderen Grund mit einer Drosselklappe ausgestattet waren. So z. B. der 260D von Mercedes-Benz: Mit diesem Modell wurde 1936 das erste Pkw-Diesel Fahrzeug vorgestellt. Noch bis in die 1980er Jahre baute Mercedes in Dieselmotoren Drosselklappen ein, weil die früher verwendete Bauart der Bosch-Einspritzpumpe pneumatisch, d.h. durch leichten Unterdruck im Ansaugtrakt gesteuert wurde. Diese Art der Regelung ist jedoch recht anfällig für Schwarzrauchbildung in manchen Betriebszuständen: eine Überfettung des Motors mit zu viel Dieselkraftstoff, der nicht komplett verbrennt und Ruß erzeugt.

Einspritzstrategien

Die von Ottomotoren bekannte Vorzündung findet sich in abgewandelter Form auch in der Motorsteuerung von Dieselmotoren wieder. Bei mechanisch geregelten Pumpen gibt es dazu zwei Mechanismen: Der Spritzversteller sorgt abhängig von der Motordrehzahl für eine frühzeitige Einspritzung vor dem oberen Totpunkt, und der Kaltstartbeschleuniger verlegt den Einspritzbeginn bei tiefen Temperaturen in der Kaltlaufphase in Richtung „früh“. Bei elektronisch geregelten Pumpen werden diese Aufgaben vom Steuergerät übernommen.

Eine neuere Entwicklung in der Einspritztechnik ist die Common-Rail-Technik. Dabei wird nicht mehr ein Druckpuls erzeugt, der das Ventil öffnet, sondern es gibt ein gemeinsames Hochdruckreservoir (=Common Rail) für alle Einspritzdüsen, das auf konstantem Druck gehalten wird. Der Einspritzvorgang wird durch das elektromagnetisch oder piezoelektrisch bewegte Ventil gesteuert. Dadurch ist es möglich, extrem kleine Kraftstoffmengen als Voreinspritzung vor der Hauptmenge in den Zylinder einzubringen. Nacheinspritzungen zur Erhöhung der Abgastemperaturen bei der Dieselpartikelfilterregeneration werden dadurch ebenfalls möglich.

Ohne gemeinsames Reservoir, aber ebenfalls mit elektromagnetischem Ventil, arbeitet die Pumpe-Düse-Einspritztechnik. Die Druckerzeugung findet für jede Düse in einem gemeinsamen Bauteil statt. Dadurch entfallen die Druckleitungen, und es können höhere Drücke als bei der Common-Rail-Technik verwendet werden. Das so gesteuerte Pumpe-Düse-System ist gegenwärtig noch teurer als Common-Rail-Systeme.

Der Diesel-Boom im PKW-Bereich

Bis in die Mitte der 1990er Jahre galten Diesel-PKWs als sparsam und zuverlässig, aber auch in Bezug auf Fahrleistungen selbst bei identischer Leistung einem Ottomotor unterlegen. Dies änderte sich mit der zunehmenden Verbreitung der Turboaufladung und durch die Einführung der direkten Kraftstoffeinspritzung. Zuvor wurden zugunsten der Laufruhe bei schnellaufenden Kleindieselaggregaten (PKW-Motoren) der Kraftstoff nicht direkt in den Brennraum injiziert, sondern in eine Vorkammer (z.B. Mercedes, Fiat) oder eine Wirbelkammer (z.B. Volkswagen, BMW) eingespritzt.

„Diesel“-Schriftzug an einem modernen Pkw

Diese Art von Dieselmotoren wurde in Großserie für PKW erstmals ab 1988 in dem von Fiat angebotenen Fiat Croma TD i.d. eingesetzt. Zusammen mit der Turboaufladung und der Ladeluftkühlung wurde diese Dieselgeneration sehr elastisch. Die direkte Kraftstoffeinspritzung mit hohem Druck (über 1000 bar anstatt 200 bar bei den Vor- und Wirbelkammermotoren) führte zu einer Leistungssteigerung, zu einem höheren Wirkungsgrad (damit zu niedrigerem Verbrauch), und der Diesel verlor das oft als leistungsschwach oder „phlegmatisch“ beschriebene Leistungsverhalten. Zu Beginn wurden spezielle Verteilereinspritzpumpen (z.B. die VP44 von Bosch) verwendet, später wechselten die meisten Hersteller zum kostengünstigeren Common-Rail-System oder zur Pumpe-Düse-Technik (insbesondere VW).

Die Leistungssteigerung der Dieselmotoren

In der Theorie kennt der Diesel keinen limitierenden Faktor wie der Ottomotor (Klopfgrenze) bezüglich der Verbrennungsdrücke. Alle derzeitigen Grenzen sind mechanischer Natur. Das Leistungspotential der heutigen Dieselmotoren ist noch lange nicht ausgeschöpft. Erste Hersteller (Opel, BMW) bieten die sogenannte Registeraufladung, welche zu Leistungen bis zu 75 kW (100 PS) pro Liter Hubraum führt. Mittelfristig sind Motoren mit Mehrfacheinspritzung geplant, die eine Leistung von 100 kW je Liter Hubraum erreichen sollen.

Eine der wichtigsten Maßnahmen zur Leistungssteigerung beziehungsweise Erhöhung der Verbrennungdrücke ist, und nicht nur bei Dieselmotoren, die Einführung von Abgasturboladern. Durch die Kompression der Luft erhält jede Zylinderfüllung mehr Sauerstoff, die Einspritzmenge kann dann erhöht werden, und im gleichen Zylinder wird mehr Kraftstoffenergie bei praktisch gleichen Verlusten umgesetzt, was die Leistung und den Wirkungsgrad des Motors deutlich (5-10%) erhöht.

Thermodynamik

Wenn man den thermodynamischen Modellprozess betrachtet, beim Diesel ist es der Gleichraumprozess (fälschlicherweise wird in der Literatur oft vom Gleichdruckprozess gesprochen; dieser geht aber von einer endlichen Verbrennungsgeschwindigkeit aus und ist daher nicht mehr als idealisiert anzusehen) (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 1:16 bis 1:25 liegt.

Allerdings bedeutet eine höhere Verdichtung ein Ansteigen der Maximaltemperatur im Prozess. Das hat zur Folge, dass der in der Luft enthaltene Stickstoff überproportional mit dem Luftsauerstoff oxidiert und zu einer wiederum überproportional hohen Stickoxid-Konzentration (NO_x) im Abgas führt.

Aus Umweltschutzgründen und bei PKW-Motoren aus Gründen der Laufruhe wird darum auf eine höhere Verdichtung und somit auch auf einen höheren Wirkungsgrad verzichtet.

Abhilfe kann die so genannte Abgasrückführung (AGR) schaffen. Dabei wird der dem Motor zugeführten Luft Abgas beigemischt. Dieses bewirkt eine Reduktion des Sauerstoff- und Stickstoffanteils. Dadurch werden die Spitzentemperaturen bei der Verbrennung gesenkt, und damit kommt es zu einer Reduktion des (NO_x)-Anteils im Abgas. Ist der Abgasanteil im Verhältnis zum später eingespritzten Dieselkraftstoff zu hoch, beginnt ein Dieselmotor wegen des Sauerstoffmangels zu rußen (Schwarzrauchbildung). Daher ist die reproduzierbare, aber komplexe Steuerung der zugemischten Abgasmenge in Abhängigkeit von einigen weiteren Einflussfaktoren sehr wichtig.

Wenn man im Vergleich dazu den Ottomotor und seinen thermodynamischen Vergleichsprozess (den Gleichraumprozess oder Otto-Prozess) betrachtet, dann hätte der Ottomotor den besseren Wirkungsgrad – wenn er nur so hoch verdichten könnte wie der Diesel.

Einsatzgebiete neben dem Fahrzeugbereich

Motorräder

Motorräder mit Dieselmotoren sind ungewöhnlich, aber es gibt sie. Nach Stand 2005 sind die in Indien gefertigte Royal Enfield Bullet mit italienischen Lombardi- und einem deutschen Hatz-Dieselmotor käuflich, beide mit ca. 8 kW. Diese dürften die wirtschaftlichsten Motorräder sein. Die FHT Esslingen hat im Rahmen eines studentischen Projekts ein Motorrad mit Smart-Dieselmotor, Abgasrückführung und Partikelfilter entwickelt. (EDiMo).

Flugzeuge

Seit einigen Jahren werden, zum ersten mal nach den vor etlichen Jahrzehnten aufgegebenen Entwicklungen von Junkers (siehe Gegenkolbenmotor), Rolls-Royce und Packard, wieder ernsthafte Versuche unternommen, die Vorteile des Dieselmotors auch in der Luftfahrt nutzbar zu machen.

Beispiel hierfür sind die durch Umbauten des Volkswagen-Vierzylinder-TDI-Motors oder des 1,7-l Motors aus der Mercedes-A-Klasse geschaffenen Flugmotoren. Von Diamond Aircraft wird bereits sehr erfolgreich ein kleines Flugzeug mit einem von der Thielert AG umgebauten Mercedes-Motor verkauft.

Die Fortschritte in der Dieseltechnologie erlauben es, bei gleicher Reichweite einen kleineren und damit leichteren Tank einzubauen, der das höhere Motorgewicht relativiert. Damit kann das Leistungsgewicht des Gesamtsystems Motor + Treibstoff auf Ottomotorniveau gesenkt werden, bei höheren Reichweitenanforderungen ist das Dieselmotorsystem sogar klar im Vorteil.

Probleme mit dem ungünstigeren Leistungsgewicht, mit den in der Luftfahrt komplexen Zulassungsverfahren sowie mit der marktbeherrschenden Position der Ottomotoren-Anbieter erschweren die Einführung jedoch und machen den Flug-Dieselmotor für große Automobilmotor-Produzenten wenig attraktiv. Kleine Firmen wie z.B Thielert, DeltaHawk oder die Société de Motorisations Aéronautiques (jetzt SAFRAN) sind jedoch auf diesem Gebiet aktiv. Dieselmotoren sind für den Antrieb von Flugzeugen interessant, weil man sie mit Kerosin (JET-A1) betreiben kann, das auf Flughäfen günstiger zu bekommen als Ottokraftstoff. Die Wankel AG bietet einen Wankelflugmotor, der mit Kerosin betrieben werden kann, aber kein Selbstzünder ist.

Schiffe und Schienenfahrzeuge

Schiffsdieselmotoren sind in der Schifffahrt die häufigste Antriebsart, vom Hilfsmotor bei Segelschiffen bis hin zu riesigen Aggregaten mit mehreren 10.000 PS. Als Kraftstoff dient hierbei meist preiswertes, ungereinigtes Dieselöl oder Schweröl. Besonders die größeren Schiffsdieselmotoren sind auf einen Betrieb bei niedrigen Drehzahlen ausgelegt. Daneben werden neuerdings TDI-Automotoren wie beispielsweise von Volkswagen Marine eingesetzt.

Neben Elektromotoren stellen Dieselmotoren die meistverwendete Antriebsart für Triebwagen und Lokomotiven dar (siehe Diesellokomotive). Häufig kommt eine Kombination beider Antriebsarten zum Einsatz (siehe Dieselelektrischer Antrieb).

Dieselaggregat

Dieselaggreagate dienen zur Stromerzeugung und werden dort eingesetzt, wo man auf eine unterbrechungsfreie Stromversorgung angewiesen ist (z.B. Rechenzentren, Krankenhäuser).

Siehe auch

Literatur

Rudolf Diesel: Die Entstehung des Dieselmotors. Springer, Berlin 1913. Faksimile der Erstausgabe mit einer technik-historischen Einführung. Steiger, Moers 1984. ISBN 3921564700
Max J. Rauck: 50 Jahre Dieselmotor. Zur Sonderschau im Deutschen Museum. Leibniz-Verlag, München 1949.
Klaus Mollenhauer: Handbuch Dieselmotoren. VDI. Springer, Berlin 2002. ISBN 3-540-41239-5

Weblinks