Dieselmotor

Einzylinder Schiffsdiesel

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

Der Dieselmotor wurde von Rudolf Diesel erfunden und bei der Firma MAN in Augsburg entwickelt. Der erste Dieselmotor lief dort am 10. August 1893 aus eigener Kraft. Zur Erinnerung an diesen Tag ist der 10. August der International diesel Day.

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 sich der eingespritzte Kraftstoff 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.

1. Vorkammereinspritzung,
2. Wirbelkammereinspritzung,
3. Direkteinspritzung.

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

• bei Motoren mit Vorkammer- oder Wirbelkammereinspritzung durch

1. Verteiler-Einspritzpumpe oder
2. Reihen-Einspritzpumpe,

• bei Motoren mit Direkteinspritzung durch

1. Verteiler-Einspritzpumpe,
2. Pumpe-Düse-Einspritzsysteme oder
3. Common-Rail-Einspritzung.

Siehe auch Einspritzpumpe.

===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 oder bei defekten Glühkerzen, gibt es auch chemische Zündbeschleuniger aus Kohlenwasserstoffen mit besonders niedriger Selbstzündungstemperatur (beispielsweise als 'Startpilot' bekannt)
• Bestimmte Verfahren, wie das FM-Verfahren von MAN setzen auf eine Zündkerze als Zündhilfsmittel (Vielstoffmotor)

Kraftstoffe

Als Kraftstoffe für Dieselmotoren kommen neben mineralischem, gereinigten Dieselkraftstoff auch Schweröl, Kerosin oder veresterte Pflanzelöle ("Biodiesel") zum Einsatz. Auch der Betrieb mit reinen Pflanzenölen ist in vielen Fällen möglich.

Welcher Dieselmotor mit welchem Kraftstoff harmoniert, hängt von der chemischen Verträglichkeit zwischen Kraftstoffen und Gummiteilen (Dichtungen und Schläuchen), der Viskosität des Kraftstoffes, dem Schwebstoffanteil und der Zündwilligkeit des Kraftstoffes (Cetanzahl) ab.

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
• 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 Art der Besteuerung der Dieselkraftstoff günstiger als Ottokraftstoff, so dass sich die meist höheren Anschaffungskosten über die Laufzeit amortisieren.

Zu den Nachteilen zählen

• höherer Ausstoß von Stickoxiden
• das unbehandelte Abgas enthält immer den so genannten Dieselruß
• höhere Produktionskosten
• das größere Gewicht, wenn man den Dieselmotor mit Ottomotoren gleicher Leistung vergleicht und
• die begrenzte Höchstdrehzahl.

Abgase und Umwelt

Gesetzgebung

Der erste Hersteller von Kraftfahrzeugen, 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-, Kohlenwasserstoffemissionen und Kohlendioxidemissionen noch zu hoch waren. Erst 2003 erschienen die ersten Fahrzeuge mit Dieselpartikelfilter, die 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) Daimler-Chrysler im Programm: bei einigen Modellen den Partikelfilter "serienmäßig" einzubauen, jedoch den Kunden einen Minderpreis für die Abwahl des Partikelfilters anzubieten.

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, 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)
• 1968 - Peugeot stellt mit dem 204 den ersten Kleinwagen mit quer eingebautem Diesel vor
• 1976 - bringt VW den ersten Golf mit Dieselmotor heraus
• 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
• 2004 - In Westeuropa steigt der Anteil neuzugelassener Pkw mit Dieselmotor auf über 50 %.

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 19.000 mal in einer Minute.

Wegen der damit verbundenen Kolbengeschwindigkeit, den enormen Ansprüche an die Gleitflächen, an das Schmieröl und wegen der beschleunigten Massen der hochbeanspruchten Verbindungselemente (Kolbenbolzen), sind derart hoch drehende Motoren als sogenannte 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 wie 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, dass der Diesel ein hohes Verdichtungsverhältnis benötigt, damit die komprimierte Luft im Kompressionstakt genügend verdichtet und damit erhitzt wird. Das ist notwendig, damit sich der eingespritzte Dieselkraftstoff selbst entzündet. Daher sind Dieselmotoren meist als so genannte Langhuber ausgeführt, was der Drehmomentabgabe zugute 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 entsprechende Ottomotoren.

Kommt eine Motoraufladung zum Einsatz, liegt das Drehmomentmaximum in der Regel bei recht geringen Drehzahlen, zum Teil bereits knapp über der Leerlaufdrehzahl, bei 1.600 min^-1. Bei einer Maximaldrehzahl von etwa 4.000 min^-1 liegen somit 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).

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 vor Überlastung zu schützen. Beispiel hierfür ist eine Unterscheidung des maximal angebotenen Drehmoments beim V6-Diesel von Daimler-Chrysler mit 3,0 ltr Hubraum: nur die Käufer eines Automatik-Getriebes kommen in den Genuß des vollen Drehmoments; bei der Schaltgetriebe-Version wird die Einspritzmenge limitiert, um nicht mit zu hohem Motor-Drehmoment das Schaltgetriebe zu zerstören.

Drosselklappen

Beim Prinzip des Dieselverfahrens sind Drosselklappen nicht erforderlich und thermodynamisch meist nicht sinnvoll wegen der Drosselverluste. Allerdings gibt es in der Geschichte Beispiele für Dieselmotoren mit Drosselklappen, 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 zuviel Dieselkraftstoff, der nicht komplett verbrennt und Ruß erzeugt.

Inzwischen werden in vielen modernen 4-Ventil-Pkw-Dieselmotoren wieder Drosselklappen verwendet. Hierbei werden die Drosselklappen zum Verschließen von einem der zwei Ansaugkanäle pro Zylinder verwendet, um die Strömung im Zylinder zu beeinflussen. Genau genommen handelt es sich hier um eine so genannte Einlasskanalabschaltung, die bei kleinen Drehzahlen und Lasten aktiviert wird, um die Luftverwirbelung im Zylinder zu erhöhen und damit die Gemischbildung zu verbessern. Bei hohen Lasten und Drehzahlen werden mit den Drosselklappen die Kanäle zu den zweiten Einlassventilen geöffnet, um den Motor mit ausreichend Frischluft zu versorgen.

Zündstrategien

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.

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 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.

Motorräder

mit Dieselmotoren sind ungewöhnlich, aber es gibt sie. Nach Stand 2005 sind Umbauten der in Indien gefertigten Enfield Bullet mit italienischen Lombardi-Dieselmotoren in zwei Hubraum-Versionen käuflich, mit ca. 6,5 PS und mit 9 PS. Diese Motorräder dürften die wirtschaftlichsten Kraftfahrzeuge sein.

Flugzeuge

Seit einigen Jahren werden nun neu, seit den vor etlichen Jahrzehnten aufgegebenen, wenig erfolgreichen Experimenten von Jumo (siehe Gegenkolbenmotor) und Rolls-Royce, wieder ernsthafte Versuche unternommen, die Vorteile des Dieselmotors auch in der Luftfahrt nutzbar zu machen, z.B. durch Umbauten des Volkswagen -Vierzylinder-TDI-Motors oder des 1,7-l Motors aus der Mercedes-A-Klasse.

Probleme mit dem ungünstigeren Leistungsgewicht, mit den in der Luftfahrt komplexen Zulassungsverfahren sowie mit der marktbeherrschenden Position der Otto-Motorenanbieter erschweren die Einführung jedoch und machen den Flug-Dieselmotor für große Automobilmotor-Produzenten wenig attraktiv. Kleine Firmen wie z.B der deutsche Hersteller Thielert sind jedoch auf diesem Gebiet aktiv.

Literatur

• Rudolf Diesel, Die Entstehung des Dieselmotors. Erstmaliges Faksimile der Erstausgabe von 1913 mit einer technik-historischen Einführung., Steiger Verlag, Moers, 1984. ISBN: 3921564700
• Max J. Rauck, 50 Jahre Dieselmotor: zur Sonderschau im Deutschen Museum, Leibniz-Verlag, München, 1949. ISBN: B0000BMMSD

Weblinks

• interaktiver Diesemotor-Prozess
• http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph09/umwelt_technik/08diesel/diesel.htm
• http://michael.abendschoen.bei.t-online.de/hauptmenue.swf
• DEUTZ AG (Wiege des Motorenbaus): www.deutz.de, Chronik