Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Dieselmotor

Ein Dieselmotor ist eine Waermekraftmaschine, die nach dem Dieselverfahren arbeitet und ueblicherweise 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 Biodiesel Day.

Prinzip

Beim Diesel-Verbrennungsverfahren wird im Gegensatz zum Ottomotor kein brennbares Luft-Kraftstoff- Gemisch angesaugt. Dieselmotoren arbeiten im Gegensatz zu Ottomotoren mit einem starken Luftueberschuss. Die Temperatur der verdichteten Luft (bis 25:1) im Zylinder ist so hoch (700...900 °C), dass der eingespritzte Kraftstoff sich selbst entzuendet.

Kennzeichen des Dieselprozesses:

• Selbstzuendung: Die Luft heizt sich stark auf, der eingespritzte Kraftstoff entzuendet sich.
• Innere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt.
• Qualitaetsregelung: 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)

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

Einspritzverfahren

Es gibt verschiedene Einspritzverfahren, z. B. Vorkammereinspritzung, Wirbelkammereinspritzung, Direkteinspritzung, hierbei gibt es verschiedene Technologien zum Aufbau der Einspritzdruecke z. B. bei Motoren mit Direkteinspritzung durch Common-Rail- Einspritzung und Pumpe-Düse-Einspritzsystemen. Siehe auch Einspritzpumpe.

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

• üblich ist die Gluehkerze 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
• Gluehkopfmotoren (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 Gluehkerzen, gibt es auch chemische Zuendbeschleuniger aus Kohlenwasserstoffen mit besonders niedriger Selbstzuendungstemperatur (beispielsweise als 'Startpilot' bekannt)
• Bestimmte Verfahren, wie das MAN FM-Verfahren setzen auf eine Zündkerze als Zuendhilfsmittel

Vor- und Nachteile

Vorteile des Dieselmotors gegenüber dem aehnlich gebauten Ottomotor sind:

Zu den Nachteilen zaehlen

• höherer Ausstoss von Stickoxiden und Feinstaub (Dieselruss)
• das groessere Gewicht, wenn man den Dieselmotor mit Ottomotoren gleicher Leistung vergleicht und
• die begrenzte Hoechstdrehzahl.

Abgase und Umwelt

Dieselruss (Feinstaub)

Bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff entsteht vor allem der so genannte Dieselruss. Reiner Russ waere unbedenklich, allerdings haften an dem Dieselruss weitere Verbrennungsrueckstaende an.
Die Entstehung des Dieselruss ist im eigenstaendigen Artikel zum Dieselruss naeher erlaeutert.
Bei modernen Konstruktionen werden die Russpartikel durch einen Russfilter aufgefangen und bei Filtersaettigung verbrannt. Das Filter wird somit regeneriert.

Gesetzgebung

Der erste Hersteller von Kraftfahrzeugen, der einen Partikelfilter serienmaessig einbaute, war der PSA- Konzern, wodurch diese seit dem Jahr 2000 bzw. 2002 die ab 1. Januar 2005 gueltige Abgasnorm EU 4 bereits erfüllen. Erst 2003 begannen langsam auch die anderen Hersteller zu reagieren. Momentan bieten einige deutsche Hersteller in verschiedenen Fahrzeugen Partikelfilter meist als Sonderzubehoer gegen Aufpreis an. Erste Vorschlaege 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 E beim Kauf eines Neuwagens (PKW) mit Partikelfilter reduziert werden, andererseits soll die NOVA bei Neufahrzeugen ohne Filter um 150 E erhöht werden.

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 Praezision der Einspritzventile. Deswegen wurde der Umweg über eine Einspritzung des Kraftstoffes mit Luft gewählt, die es erlaubte, den fluessigen Kraftstoff genau genug zu dosieren und im Brennraum zu verteilen.

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

Im Februar 1897 fuehrte die Entwicklung Diesels zu einem Motor mit guten Laufeigenschaften.
1908 - Prosper L'Orange entwickelt eine praezise arbeitende Einspritzpumpe sowie das Vorkammerprinzip.
1919 meldet Prosper L'Orange seine Erfindung zum Patent an: Ein trichterfoermiger 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
2004 - In Westeuropa steigt der Anteil neuzugelassener PKWs mit Dieselmotor auf über 50%

Drehmomentverlauf und Leistungsabgabe

Dieselmotoren besitzen eine technisch bedingte Drehzahlgrenze von etwa 5.000 Umdrehungen je Minute (min-1). Dies ist durch den Zuendverlauf 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, die enorme Ansprueche an die Gleitflaechen, dem Schmieroel und der wegen der beschleunigten Massen hochgeanspruchten Verbindungselemente (Kolbenbolzen), sind so hoch drehende Motoren als so genannte Kurzhuber ausgefuehrt.

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 Verfuegung wie bei 8.000 min-1.

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

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

Kommt eine Motoraufladung zum Einsatz, liegt das Drehmomentmaximum in der Regel bei sehr geringen Drehzahlen; zum Teil bereits bei 1.600 min-1. Bei einer Maximaldrehzahl von etwa 4.000 min-1 liegen somit sehr guenstige Elastizitaetswerte vor. Obwohl der aufgeladene Diesel aufgrund seiner Drehzahlgrenze mit dem nachgeschalteten Getriebe laenger untersetzt wird, beschleunigt er sehr gut. Bereits im Leerlauf kann der Dieselmotor grosse Drehmomente zur Verfuegung stellen (typisch 50 % vom Maximalwert).

In einigen Strassenfahrzeugen wird die Drehmomentkurve durch die Steuerelektronik begrenzt, ein Indiz ist ein breiter Bereich mit konstantem Drehmoment, wenn man den Verlauf des Drehmoments über die Drehzahl in einem Diagramm aufzeichnet. Gelegentlich wird zu dieser Massnahme gegriffen, um den Antriebsstrang vor ueberlastung zu schuetzen.

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 260D 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 wird in vielen modernen 4-Ventil-Pkw- Dieselmotoren wieder eine Drosselklappe verwendet. Dabei wird die Drosselklappen zum Verschliessen von einem der zwei Ansaugkanaele pro Zylinder verwendet, um die Stroemung 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 erhoehen und damit die Gemischbildung zu verbessern. Bei hohen Lasten/Drehzahlen wird der Kanal dann wieder geoeffnet, um den Motor mit ausreichend Frischluft zu versorgen.

Zuendstrategien

Die von Ottomotoren bekannte Vorzuendung findet sich in abgewandelter Form auch in der Motorsteuerung von Dieselmotoren wieder. Bei mechanisch geregelten Pumpen gibt es dazu zwei Mechanismen: Der Spritzversteller sorgt abhaengig von der Motordrehzahl für eine fruehzeitige Einspritzung vor dem oberen Totpunkt und der Kaltstartbeschleuniger verlegt den Einspritzbeginn bei tiefen Temperaturen in der Kaltlaufphase in Richtung 'frueh'. 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 ueberproportional mit dem Luftsauerstoff oxidiert und zu einer wiederum ueberproportional hohen Stickoxid-Konzentration (NOX) im Abgas führt. Aus Umweltschutzgruenden 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 haette der Ottomotor den besseren Wirkungsgrad - wenn er nur so hoch verdichten könnte, wie der Diesel.

Motorraeder

Nach einigen Jahren Forschung, Entwicklungs- und Erprobungszeit ist das erste moderne Diesel-Motorrad als Enduro (die wg. der militaerischen Ausrichtung alternativ auch mit Kerosin betrieben werden kann) auf Basis der KLR 650 mit einem 584 ccm Dieselmotor, 28 PS Leistung und einer Reisegeschwindigkeit von etwa 130 km/h auf den Markt. Die erste Lieferung von über 500 Stueck geht an die US-Armee.
Es besteht Hoffnung, dass das in Zusammenarbeit zwischen der britischen Cranfield University und dem kalifornischen Unternehmen Hayes Diversified Technologies (HDT) entwickelte Motorrad demnächst auch für Zivilpersonen erhältlich sein wird. Ein Verbrauch von unter 3 L/100 km wuerden es als Reiseenduro für Fernreisen geradezu praedestinieren.

Flugzeuge

Seit ein paar Jahren werden erstmalig 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 Derivate auf Basis des Volkswagen 1,9l Vierzylinder TDI-Motors oder des 1,7-l Motors aus der Mercedes A-Klasse.

Probleme mit dem Leistungsgewicht, den in der Luftfahrt hoechst komplizierten Zulassungsverfahren sowie der Marktbeherrschenden Position des Otto-Motors erschweren die Einführung jedoch stark und machen den Flug-Dieselmotor für die grossen Automobilmotor-Produzenten wenig attraktiv. Kleinere Firmen wie z.B der deutsche Hersteller Thielert sind jedoch auf dem Gebiet aktiv.