Dieselmotor

Ein Dieselmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die nach dem Dieselverfahren arbeitet und üblicherweise als Hubkolbenmotor (Verbrennungsmotor) gebaut wird.

Technologie

Prinzip

Beim Diesel-Verbrennungsverfahren wird im Gegensatz zum Ottomotor kein brennbares Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt. Dieselmotoren arbeiten im Gegensatz zu Ottomotoren mit einem starken Luftüberschuss. Die Temperatur der verdichteten Luft ist so hoch, dass der eingespritzte Kraftstoff sich selbst entzündet.

Die Merkmale des Verbrennungsverfahrens:

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.

Zündhilfe

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.

Einspritzverfahren

Es gibt verschiedene Einspritzverfahren, z.B. Vorkammereinspritzung, Wirbelkammereinspritzung, Direkteinspritzung, hierbei verschiedene Technologien zum Aufbau der Einspritzdrücke z.B. in Kammermotoren, durch Common Rail und Pumpe-Düse-Einspritzsystemen.

Vorteile

Vorteile des Dieselmotors gegenüber seinem nächsten Verwandten, dem Ottomotor, sind ein günstigerer Wirkungsgrad und der daraus resultierende geringere spezifische Kraftstoffverbrauch sowie einfacher herzustellende und ungefährlichere Kraftstoffe.

Nachteile

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.

Ausführungen

Dieselmotoren können prinzipiell als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor gebaut werden. Ein Kreiskolbenmotor mit Dieselverbrennung ist zwar möglich, jedoch über das Forschungsstadium nie hinausgekommen.

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.In jüngster Zeit sind jedoch auch einige hochmoderne Diesel-Flugmotoren für Kleinflugzeuge auf den Markt gekommen.

Dieselruß

Bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff entsteht vor allem bei Vollast der so genannte Dieselruß. Reiner Ruß wäre unbedenklich, allerdings haften an dem Dieselruß weitere Verbrennungsrückstände an.
Entstehung: Bei der Einspritzung wird der Kraftstoff möglichst fein vernebelt, um kleinste Tröpfchen mit somit kleiner Oberflächen zu erhalten. Damit wird auch eine schnelle Aufheizung und damit Verdampfung des Kraftstoffes begünstigt. Der Einspritzdruck spielt eine entscheidende Rolle. Je höher dieser ist, desto besser ist die Vernebelung. Vor allem bei Vollast verdampfen trotzdem die niedrigsiedenen Bestandteile zuerst, die Siedetemperatur des Resttropfen steigt der Rest ist nicht verbrannter Kohlenstoff, an dem die problematischen, teilweise krebserregenden polyzyklische Aromate als Überbleibsel anhängen.
Bei modernen Konstruktionen wird der Ruß durch einen Rußfilter aufgefangen und bei Filtersättigung verbrannt. Das Filter wird somit regeneriert.

Abgasemmissionen und Gesetzgebung

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. Momentan (Sommer 2004) bieten erste deutsche Hersteller wie z.B. DaimlerChrysler, BMW und Audi in einigen Fahrzeugen der Oberklasse Partikelfilter als Sonderzubehör an.

Das Bundesumweltministerium hat angekündigt, ab 2005 Dieselfahrzeuge mit Partikelfilter steuerlich zu fördern.

Um die Forderungen nach der Euro 5 Norm zu erfüllen, sind die Motorentwickler dabei die zwei kritischen Abgasbestandteile Stickoxide (NOx) und Rußpartikel weiter zu reduzieren.

Geschichte

Der Dieselmotor wurde 1892 von Rudolf Diesel erfunden, der seine ersten Motoren im Dienste der MAN AG (Maschinenfabrik Augsburg Nürnberg) baute. 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 PME (Pflanzenölmethylester) 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.
1908 - Prosper L'Orange beginnt seine Karriere bei Benz & Cie und entwickelt eine präzise arbeitende Einspritzpumpe sowie das Vorkammerprinzip.
1914 - erste U-Boot-Diesel mit direkter Einspritzung
1919 meldet Prosper L'Orange seine Erfindung zum Patent an: Ein trichterförmiger Einsatz in der Vorkammer garantiert eine sichere Zündung und eine optimale Verbrennung.
1923 - Erster Traktor mit Vorkammer-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 Mercedes-Benz bauen die ersten Diesel-Pkw: Mercedes-Benz 260 D
1976 - bringt VW den ersten Golf mit Dieselmotor heraus
1997 beginnt Mercedes-Benz mit der Common-Rail-Technik

Spezielles und Kurioses zum Diesel

Dieselmotoren werden üblicherweise mit Ottomotoren gleicher Leistung (oder gleichen Hubraumes) 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 so weit aufzuheizen, dass die Selbstzündung beginnen kann.

Ottomotoren kommen leichter auf hohe Drehzahlen, Motorradmotoren auf 9.000/min bis 10.000/min, Formel-1-Motoren bis in Bereiche von 18.000/min.

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.

Wobei wiederum das angegebene meist höhere Drehmoment eines Diesels nicht automatisch schon auch zugleich höhere Zugkraft zum Beschleunigen bedeutet. Aufgrund der niedrigeren Drehzahlen sind Dieselantriebe allgemein "länger" untersetzt: dies schwächt die mögliche Beschleunigung. Es kommt eben letztlich darauf an, wieviel Kraft ein Antrieb an den Antriebsrädern auf die Straße bringt, und nicht allein darauf, wieviel Drehmoment der Motor am Schwungrad anbieten kann.

Der heutzutage große Fahrkomfort guter Dieselmotoren entsteht eher aus dem breiten nutzbaren Drehzahlband und der Elastizität, dass also bereits kurz über der Leerlaufdrehzahl ein hohes Antriebsmoment verfügbar ist und damit große (und teils als unkomfortabel empfundene) Drehzahlen vermieden werden können.

Ein anderer interessanter Punkt aus der Geschichte ist die Rolle von Mercedes-Benz. 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 war die früher verwendete Bauart der Einspritzpumpe, die durch Unterdruck gesteuert wurde.

Inzwischen bietet Honda wieder einen Diesel mit Drosselklappen an, wobei der 4-Ventil-Motor die Drosselklappen nur in einem von zwei Ansaugtrakten je Zylinder verwendet, um die Strömung im Zylinder zu beeinflussen.

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 bedeutet eine höhere Verdichtungen 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 NO_X-Konzentration im Abgas führt. Aus Umweltschutzgründen wird darum auf eine höhere Verdichtung und somit auch auf einen höheren Wirkungsgrad verzichtet.

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 Glühlampe und Leuchtstofflampe: Ottomotor und Glühlampe sind wesentlich älter, verbrauchen 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.

Enfield India bietet das einzige (Serien-)Diesel-Motorrad der Welt an, sie wird in Indien produziert mit den Werkzeugen eines englischen Motorrades aus den 50er Jahren, der Royal Enfield. 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