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 (bis 25:1) im Zylinder ist so hoch (700 ... 900) °C, dass der eingespritzte Kraftstoff sich selbst entzündet.

Kennzeichen des Dieselprozesses:

Selbstzündung: Die Luft heizt sich stark auf, der eingespritzte Kraftstoff entzündet sich.
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. Vorkammereinspritzung, Wirbelkammereinspritzung, Direkteinspritzung, hierbei verschiedene Technologien zum Aufbau der Einspritzdrücke z.B. in Kammermotoren, durch Common-Rail-Einspritzung und Pumpe-Düse-Einspritzsystemen.

===Zündhilfen=== Eine Zündkerze wird vom Prinzip her nicht benötigt, dennoch finden eine Reihe von Zündhilfen im Dieselmotorenbau Anwendung:

Üblich ist die Glühkerze für den Start des Motors, die bei Kammermotoren unverzichtbar ist und auch noch bei Direkteinspritzern eingesetzt wird.
Vorkammermotoren von Mercedes besaßen einen Kugelstift, der sich im Betrieb aufheizte und bei warmem Motor die Zündung beschleunigte
Glühkopfmotoren (beispielsweise von Lanz) haben eine Wand im Brennraum, die im Betrieb besonders heiß wird und die Zündung beschleunigt
Für den Notstart (insbesondere unter winterlichen Bedingungen) bei defekten Glühkerzen können auch chemische Zündbeschleuniger aus Kohlenwasserstoffen mit besonders niedriger Selbstzündungstemperatur verwendet werden (beispielsweise als 'Startpilot' bekannt)
Bestimmte Verfrahren, wie das MAN FM-Verfahren setzen auf eine Zündkerze als Zündhilfsmittel

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 sowie
einfacher herzustellende und ungefährlichere Kraftstoffe
die in der Praxis oft beobachtete, höhere Zuverlässigkeit

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

Zu den Nachteilen zählen

das größere Gewicht, wenn man den Dieselmotor mit Ottomotoren gleicher Leistung vergleicht und
die begrenzte Höchstdrehzahl

Abgase und Umwelt

Dieselruß

Bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff entsteht vor allem 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 größtmöglicher Gesamtoberfläche zu erhalten. Damit wird auch eine schnelle Aufheizung und damit Verdampfung des Kraftstoffes begünstigt. Der Einspritzdruck spielt - neben der Düsenform - eine entscheidende Rolle: Je höher dieser ist, desto besser ist die Vernebelung. Die niedrigsiedenen Bestandteile verdampfen zuerst, die Siedetemperatur des Resttropfens steigt an dem Rest, an dem die problematischen, teilweise krebserregenden polyzyklische Aromate als Überbleibsel anhängen.
Bei modernen Konstruktionen werden die Rußpartikel durch einen Rußfilter aufgefangen und bei Filtersättigung verbrannt. Das Filter wird somit regeneriert.

Gesetzgebung

Der erste Hersteller von Kraftfahrzeugen, der einen Partikelfilter serienmäßig einbaute, war der PSA-Konzern, wodurch diese seit dem Jahr 2000 bzw. 2002 die ab 1.1.2005 gültige Abgasnorm EU 4 bereits übererfüllen. Erst 2003 begannen langsam auch die anderen Hersteller zu reagieren. Momentan bieten erste deutsche Hersteller in einigen Fahrzeugen der Oberklasse Partikelfilter als Sonderzubehör an. Um die Forderungen nach der Euro-5-Norm zu erfüllen, sind die Motorentwickler dabei die zwei kritischen Abgasbestandteile Stickoxide und Rußpartikel zu reduzieren.

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 aus heute 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, insbesondere in der Kraftstoffversorgung, notwendig.

Im Februar 1897 führte die Entwicklung Diesels zu einem Motor mit guten Laufeigenschaften.
1908 - Prosper L'Orange entwickelt eine präzise arbeitende Einspritzpumpe sowie das Vorkammerprinzip.
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 - Erster PKW mit Dieselmotor (Mercedes-Benz 260 D)
1976 - bringt VW den ersten Golf mit Dieselmotor heraus

Besonderheiten

Drehmomentverlauf und Leistungsabgabe

Dieselmotoren besitzen eine technisch bedingte Drehzahlgrenze von etwa 5.000 Umdrehungen je Minute (min^-1). Dies ist durch den Zündverlauf des Kraftstoffs gegeben, den so genannten Zündverzug, der bei etwa 1 ms (Millisekunde) liegt. Bei Ottomotoren existiert dieses Hemmnis nicht, aktuelle Formel 1-Motoren drehen bis zu 18.500 min^-1.

Wegen der damit verbundenen Kolbengeschwindigkeit, die enorme Ansprüche an die Gleitflächen, dem Schmieröl und der wegen der beschleunigten Massen hochgeanspruchten Verbindungselemente (Kolbenbolzen), sind so hoch drehende Motoren als so genannte Kurzhuber ausgeführt.

Aus der Gleichung Leistung = Drehmoment × Drehzahl lässt sich jedoch ableiten, dass ein Diesel bei 4.000 min^-1 doppelt so viel Drehmoment liefern muss als ein Otto-Motor 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.

Hinzu kommt, das der Diesel ein recht hohes Verdichtungsverhältnis benötigt, damit die komprimierte Luft im 2. Takt genügend verdichtet und damit erhitzt wird. Das ist notwendig, damit sich der eingespritzte Dieselkraftstoff auch tatsächlich selbst entzündet. Daher sind Dieselmotoren als so genannte Langhuber ausgeführt, was der Drehmomentabgabe zu Gute kommt.

Damit benötigen Diesel für vergleichbare Leistungen mehr Hubraum oder eine Motoraufladung, und so sind sie bei dieser Art des Vergleiches schwerer und drehmomentstärker als die Ottomotoren.

Kommt eine Motoraufladung zum Einsatz, liegt das Drehmomentmaximum in der Regel bei sehr geringen Drehzahlen; zum Teil bereits bei 1600 min^-1. Bei einer Maximaldrehzahl von etwa 4000 min^-1 liegen somit sehr günstige Elastizitätswerte vor. Obwohl der aufgeladene Diesel aufgrund seiner Drehzahlgrenze mit dem nachgeschalteten Getriebe länger untersetzt wird, beschleunigt er sehr gut. Bereits im Leerlauf kann der Dieselmotor große Drehmomente zur Verfügung stellen (typisch 50 % vom Maximalwert).

Drosselklappen

Vom Prinzip des Dieselverfahrens sind Drosselklappen nicht erforderlich und thermodynamisch nicht sinnvoll. Allerdings gibt es in der Geschichte Beispiele für Dieselmotoren mit Drosselklappen, so z.B. der 26D von Mercedes-Benz. Mit diesem Modell wurde 1936 das erste Pkw-Diesel Fahrzeug vorgestellt. Noch in den 1970er Jahren baute Mercedes in seine Diesel Drosselklappen ein, weil die früher verwendete Bauart der Bosch-Einspritzpumpe indirekt durch den Unterdruck im Ansaugtrakt 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.

Zündstrategien

Die von Ottomotoren bekannte Vorzündung findet sich in abgewandelter Form auch in der Motorsteuerung von Dieselmotoren wieder. Ein so genannter Einspritzversteller sorgte abhängig von der Motordrehzahl für eine frühzeitige Einspritzung vor dem oberen Totpunkt. Heute wird diese Aufgabe vom Steuergerät übernommen.

Thermodynamik

Wenn man den thermodynamischen Modellprozess 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 wieder, 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 Stickoxid-Konzentration (NO_X) 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.

Motorräder

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.

Weblink

http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph09/umwelt_technik/08diesel/diesel.htm