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DM12-Dieselmotor der ersten Generation (1906)

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

Ein Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor, der nach dem 1892 von Rudolf Diesel erfundenen Verfahren arbeitet. Das charakteristische Merkmal ist die Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes in der heißen, komprimierten Verbrennungsluft. Das Verfahren wurde bei der Firma MAN in Augsburg entwickelt. Ein Dieselmotor wird überwiegend als Hubkolbenmotor ausgeführt.

Technologie

Prinzip

Beim Diesel-Verbrennungsverfahren wird im Gegensatz zum Ottomotor kein zündfähiges Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt, sondern ausschließlich Luft. Diese Luft wird zunächst im Zylinder hoch verdichtet, wodurch sie sich auf etwa 700 bis 900 °C erwärmt. Vor dem oberen Totpunkt beginnt die Einspritzung und Feinstverteilung des Kraftstoffes in der heißen Luft im Brennraum. Die hohe Temperatur ist ausreichend, um den Kraftstoff von der Oberfläche beginnend zu verdampfen und zu zünden.

Aus thermodynamischer Sicht stellt der von Rudolf Diesel erdachte und nach ihm benannte Diesel-Prozess einen Vergleichsprozess für den Dieselmotor dar. Weil in diesem die tatsächlichen Verbrennungsvorgänge nur unzureichend abgebildet werden, wird besser der Seiliger-Prozess als Vergleichsprozess herangezogen.(mehr dazu im Abschnitt: Thermodynamik des Dieselmotors)

Kennzeichen des Dieselmotors:

• Selbstzündung: Die angesaugte oder durch einen Lader zugeführte Luft heizt sich durch die adiabate Kompression stark auf, und der in die heiße Luft eingespritzte Kraftstoff entzündet sich ohne eine externe Zündhilfe. Die im Ottomotor notwendigen Zündkerzen entfallen, nur zum Kaltstart sind Zündhilfen (z. B. Glühkerzen, Startkraftstoff) notwendig.
• Innere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt.
• So hohes Verdichtungsverhältnis, dass eine solche Selbstzündung möglich ist.
• Die Motorleistung wird nicht durch die Menge des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches (quantitativ) geregelt, sondern durch den Kraftstoffgehalt einer konstanten Gasmenge (qualitativ), der durch die eingespritzte Kraftstoffmenge variiert werden kann.

Ausführungen

Dieselmotoren werden als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor mit und ohne Aufladung ausgeführt. Zweitakt-Dieselmotoren werden oft als Großmotoren in Schiffen und Verbrennungsmotoren-Kraftwerken eingesetzt (siehe auch: Schiffsdieselmotor), die thermodynamisch die effizientesten Verbrennungskraftmaschinen darstellen. Kleinere Einheiten werden auch bei Diesellokomotiven, Lastkraftwagen (insbesondere bei der ehemaligen Lkw-Marke Krupp) aber auch bei Luftfahrtantrieben (z. B. Zoche) verwendet. Häufiger ist jedoch der Viertakt-Dieselmotor, dessen Hauptanwendungen im Antrieb von Diesellokomotiven, Dieseltriebwagen, Kraftfahrzeugen, Baumaschinen und Generatoren liegen. Dieselmotoren gibt es ferner in wasser- oder in luftgekühlter Bauweise; letztere wurde von Klöckner-Humboldt-Deutz entwickelt und lange Jahre für den Antrieb von Magirus-Deutz Nutzfahrzeugen verwendet.

Einspritzverfahren

Im wesentlichen lassen sich die Einspritzverfahren nach einem kompakten Brennraum und nach einem unterteilten Brennraum unterscheiden:

• Geteilter Brennraum in Kammermotoren, die je nach Unterteilung dem Vorkammer-, Wirbelkammer- und Lanova-Einspritzverfahren zugeordnet werden
• Einteiliger Brennraum bei der Direkteinspritzung, wobei der Brennraum teilweise oder ganz im Kolbenboden liegen kann, insbesondere beim MAN-M-Verfahren

Bei den o.a. Verfahren werden verschiedene Pumpensysteme zum Aufbau der Einspritzdrücke verwendet:

• bei Motoren mit Vorkammer- oder Wirbelkammereinspritzung
  • Einzel-Einspritzpumpe
  • Verteiler-Einspritzpumpe oder
  • Reihen-Einspritzpumpe

• bei Motoren mit Direkteinspritzung
  • Einzel-Einspritzpumpe
  • Reihen-Einspritzpumpe
  • Verteiler-Einspritzpumpe
  • Pumpe-Düse-Einspritzsysteme oder
  • Common-Rail-Einspritzung

Vor- und Nachteile

Vorteile des Dieselmotors gegenüber einem leistungsgleichen Ottomotor

• Ein günstigerer Wirkungsgrad, vor allem im Teillastbereich, und der daraus resultierende geringere spezifische Kraftstoffverbrauch (entspricht geringeren Kohlendioxid-Emissionen)
• Geringerer Ausstoß von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxid, im Vergleich zu einem Benzinmotor ohne Abgasnachbehandlung
• Einsatz von einfacher herzustellenden, ungefährlicheren Kraftstoffen und die Vielstofffähigkeit
• Die in der Praxis oft beobachtete höhere Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer und
• eine bessere Eignung für Kurzstreckenbetrieb und Kaltlauf, da durch die Einspritzung des Kraftstoffs in die heiße Luft eine Kondensation des Kraftstoffs an den Zylinderwänden und damit ein Abwaschen des Schmierfilms verhindert wird.

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

Nachteile

• Höherer Ausstoß von Stickstoffoxiden gegenüber einem Benzinmotor mit 3-Wege-Katalysator
• Partikelausstoß (Dieselruß und andere), darunter auch lungengängiger Feinstaub, sofern der Motor keinen Partikelfilter besitzt
• Höhere Produktionskosten
• Größere Geräuschemissionen (sog. Dieselnageln)
• Unkultivierter Motorlauf (bei Motoren aus der Zeit vor 2000)
• Höheres Gewicht im Vergleich zum Ottomotor bei gleicher Leistung
• Eine begrenzte Höchstdrehzahl, die durch den Zündverzug des Dieselkraftstoffs begründet ist. Dadurch ist eine weitere Leistungssteigerung nur über eine Erhöhung des mittleren Verbrennungsdrucks (und damit des Drehmoments) möglich.
• Zur Erzielung hoher Leistungsdichten wird eine Aufladung benötigt (Turbolader oder Kompressor), bedingt durch höhere Pumpverluste und niedrigere maximale Drehzahl
• Aufwendige Abgasreinigung, katalytische Nachbehandlung der Stickoxide wegen des hohen Luftüberschuss nur schwer zu verwirklichen. Wobei ein mittlerer Luftüberschuss z. B. beim Betrieb mit einem stufenlosen Getriebe, einem Speicherkatalysator und einem Rußfilter nicht zwingend ist.
• Einsatz verschleißfesterer Materialien z. B. keramikbeschichtete Kolbenringe
• Höhere Ansprüche an das Schmieröl, z. B. höhere Scherbelastung

Besonderheiten bei Motoren für den Antrieb von Kraftfahrzeugen

Drehmomentverlauf und Leistungsabgabe

Dieselmotoren besitzen eine physikalisch bedingte Drehzahlgrenze von etwa 5500 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. Zum Teil gibt es Dieselmotoren, die auch höhere Drehzahlen erreichen können. Ein von der Firma Dr. Schrick GmbH entwickelter direkteinspritzender kleinvolumiger 2-Zylinder-Turbodiesel für Drohnen erreicht seine Nennleistung erst bei 6000 min^-1, der Ventiltrieb ist bis 10.000 min^-1 drehzahlfest ^[1]. Wobei man anmerken muss, dass bei UAVs praktisch keine Abgasvorschriften zu beachten sind und Kerosin (Jet-A1, Petroleum) einen geringeren Zündverzug besitzt als Dieseltreibstoff.

Bei Ottomotoren wird im Gegensatz dazu die Drehzahl vor allem durch die mechanischen Belastbarkeitsgrenzen der Bauteile bestimmt. So drehen aktuelle Formel-1-Motoren bis zu 20.200 min^-1 (Williams-Cosworth, Saisonstart 2006). Ottomotoren mit Glühkerzenzündung für Modellfahrzeuge erreichen wegen der geringeren Abmessungen noch weit höhere Drehzahlen von bis zu 40.000 min^-1.

P sei die Leistung, M das Drehmoment und n die Drehzahl mal 2π ergibt die Kreisfrequenz ω. Aus der Gleichung oder lässt sich folglich ableiten, dass das Drehmoment M eines Dieselmotors aufgrund des kleineren Drehzahlbereiches im Vergleich zu einem Ottomotor höher sein muss um die gleiche Leistung zu erreichen. Dies wird durch einen größeren Hubraum oder eine Aufladung erreicht. Eine vergleichsweise robuste Ausführung der Gebrauchsdieselmotoren führte zu einem höheren Motorengewicht. Dieselmotoren sind oft als Langhuber ausgeführt, um das (im Vergleich zum Ottomotor) höhere geometrische Verdichtungsverhältnis (Kompressionsvolumen, Schadraum) zu erreichen.

Die Literleistung eines unaufgeladenen Dieselmotors ist deutlich geringer als die eines vergleichbaren unaufgeladenen hubraumgleichen Benzinmotors, auch weil der Dieselmotor mit einem erheblichen Luftüberschuss betrieben werden muss, um akzeptable Rußemissionen zu erzielen

Kommt beim Pkw-Diesel eine Motoraufladung zum Einsatz, liegt das Drehmomentmaximum bevorzugt im Bereich von 1600 min^-1 bis 2000 min^-1. Bei einer Nenndrehzahl um 4000 min^-1 liegen somit günstige Elastizitätswerte vor. Bereits bei Leerlaufdrehzahl kann der Dieselmotor große Drehmomente zur Verfügung stellen (typisch 50 % des Maximalwertes). In einigen Straßenfahrzeugen wird die Drehmomentkurve durch die Steuerelektronik begrenzt, 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 gelegentlich 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, die aus einem weiteren 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. Daneben kann durch die Drosselklappe die Auskühlung der Vorkammer im Schubbetrieb oder Leerlauf verringert werden, so dass bei erneutem Gasgeben die Rußemission geringer ausfällt.

Einspritztechniken

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 im Bereich der Einspritzung 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 (Stand der Technik sind etwa 2500 bar) als bei der Common-Rail-Technik verwendet werden. Das so gesteuerte Pumpe-Düse-System ist gegenwärtig noch teurer als Common-Rail-Systeme.

Kennzeichen des Direkteinspritzer-Diesels ist die meist Omega-förmige Mulde am Kolbenboden. Die geringere Brennraumoberfläche im Vergleich zum einem Dieselmotor mit geteiltem Brennraum (Vor- oder Wirbelkammer) ermöglicht geringere Wärmeverluste, geringere Überströmverluste und damit einen besseren Wirkungsgrad. Deshalb haben diese Motoren einen besonders niedrigen Verbrauch. Bedingt durch die höheren Zünddruckanstiege sind sie aber auch lauter als vergleichbare Kammermotoren.

Heute hat sich bei Dieselmotoren die Turboaufladung in Verbindung mit Direkteinspritzung weitgehend durchgesetzt. Vereinzelt gibt es noch Dieselmotoren ohne Aufladung (Saugdiesel) oder Dieselmotoren mit indirekter Einspritzung.

Direkteinspritzung

Es handelt sich dabei um einen Dieselmotor, dessen Einspritzdüse im direkten Verbrennungsraum (ohne Nebenkammer) angeordnet ist. Die geringere Brennraumoberfläche im Vergleich zum Nebenkammer-Motor ermöglicht geringere Wärmeverluste und der Verzicht auf die Medienbewegung ermöglicht einen besseren Wirkungsgrad, was zu einem geringeren spezifischen Verbrauch führt.

Jahrzehntelang wurden Direkteinspritzer-Dieselmotoren ausschließlich im gewerblichen Fahrzeugbereich und bei Stationärmotoren eingesetzt. Grund war das nachteilige Geräuschbild, das in einem PKW nicht akzeptiert wurde. Deshalb waren bis in die 90er Jahre Vorkammermotoren im PKW-Dieselbereich üblich. Das änderte sich ab 1987; da wurden Dieselmotoren mit Direkteinspritzung in PKW-Großserie erstmals eingesetzt, in dem von Fiat angebotenen Fiat Croma TD i.d.. Der Motor wurde in Zusammenarbeit zwischen Magneti Marelli und dem Fiat Forschungszentrum in Neapel entwickelt. Man adaptierte einen aus dem Nutzfahrzeugbereich bekannten Motor und stattete ihn mit einer elektronischen Einspritzsteuerung aus, wodurch die Laufruhe auf ein für PKW-Verhältnisse brauchbares Maß verbessert werden konnte. Der heutige Erfolg der Dieselmotoren bei PKW ist hauptsächlich auf die Direkteinspritzung zurückzuführen. Sie verbindet geringe Kosten mit einem ausgezeichneten Wirkungsgrad.

Während der Ära Piëch arbeitete auch Audi an einem solchen Motor. Daraus resultierte 1989 als zweiter PKW dieser Art nach dem Fiat der Audi 100 TDI. Sein Motor zeichnete sich durch ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und guten Fahrleistungen aus. Er begründete den Erfolg der TDI-Motoren aus dem Volkswagen-Konzern. Audi konnte im Jahr 2006 den ersten Sieg eines Rennwagens mit Dieselmotor beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans erringen.

Leistungssteigerung

Hauptlimitierender Faktor ist die beschränkte Höchstdrehzahl (vgl. Zündverzug), weshalb man eine effektive Leistungssteigerung nur durch Aufladung erreichen kann. Die theoretischen Grenzen bezüglich denkbarer Verdichtungs- und Verbrennungsdrücke sind dabei weiter gesteckt, als beim Ottomotor (Klopfen). Allerdings führt hohe effektive Verdichtung bedingt durch eine hohe Aufladung zu höheren Stickoxidwerten im unbehandelten Abgas. Weitere Beschränkungen ergeben sich aus dem Einhalten akzeptabler Werte für die Scherbelastung des Ölfilms und der Lagerbelastung; dennoch ist das Leistungspotential der heutigen Dieselmotoren noch lange nicht ausgeschöpft.

Gängige Maßnahme für die Aufladung ist der Einsatz von Abgasturboladern. Durch die Vorverdichtung 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. Dieses erhöht die Leistung deutlich und auch der Wirkungsgrad des Motors verbessert sich um etwa 5 bis 10% (Downsizing).

Thermodynamik

Als thermodynamischen Vergleichsprozess des Dieselmotors lassen sich der Diesel-Prozess, auch Gleichdruckprozess genannt, und der Seiliger-Prozess heranziehen. Bei beiden Prozessen nehmen die thermischen Wirkungsgrade mit höherer Verdichtung zu. Bei Dieselmotoren ohne Aufladung beträgt das geometrische Verdichtungsverhältnis etwa 1:18 bis 1:25. Bei Dieselmotoren mit Aufladung liegt in der Regel das Verdichtungsverhältnis etwas niedriger.

Bemerkenswert ist, dass der Ottomotor, wenn er genauso hoch verdichten könnte wie der Dieselmotor, einen höheren Wirkungsgrad erreichen würde. Der Grund hierfür ist, dass der thermische Wirkungsgrad des Dieselmotors neben dem Verdichtungsverhältnis auch noch abhängig ist vom Einspritzverhältnis.

Einer Steigerung des Verdichtungsverhältnisses sind allerdings mechanische Grenzen gesetzt. Mit steigender Verdichtung nehmen die Reibungsverluste (Kolbenringe, Lager) immer mehr zu, so dass sie ab einem bestimmten (vom Motor abhängigen Verhältnis) stärker wachsen, als der thermische Wirkungsgrad, und unter dem Strich der Gesamtwirkungsgrad wieder sinkt. Eine höhere Verdichtung hat außerdem ein Ansteigen der maximalen Verbrennungstemperatur zur Folge, sodass der in der Luft enthaltene Stickstoff vermehrt mit dem Luftsauerstoff reagiert und es zu einer, im Vergleich zum Ottomotor, erhöhten Konzentration von Stickoxiden im Abgas kommt.

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.

Abgase und Partikelfilter

1985 wurde erstmalig serienmäßig ein Partikelfilter in einem Fahrzeug verbaut. Der ausschließlich für den amerikanischen Markt bestimmte Mercedes-Benz 300 SDL. Schon 1988 wurde die Produktion eingestellt.

Der erste Fahrzeughersteller, der einen Partikelfilter für den europäischen Markt serienmäßig einbaute, war der PSA-Konzern. 2003 bot mit Mercedes-Benz ein Hersteller Fahrzeuge mit Dieselpartikelfilter an, die auch Euro 4 erfüllen.

Momentan bieten fast alle Hersteller in verschiedenen Fahrzeugen Partikelfilter an. Dies ist neben den latenten Kundenwunsch auf die erwartete Einführung von Fahrverboten in einigen Gebieten für filterlose Fahrzeuge und steuerliche Nachteile zurückzuführen. Es findet also ein ähnlicher Prozess, wie damals bei der Einführung der Katalysatoren bei PKWs mit Benzinmotoren in den 1980ern, statt. Von Peugeot und Citroën werden die Filter in Deutschland auch bei Kleinwagen serienmäßig angeboten.

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. Der insbesondere von deutschen KFZ-Herstellern beschrittene alternative Weg, den Partikelausstoß durch Optimierung der Verbrennung zu verringern, geriet in Kritik, als sich herausstellte, dass die Partikel-Gesamtmasse zwar in bestimmten Lastbereichen reduziert werden konnte, die nun erzeugten Partikel jedoch zahlreicher, kleiner und somit lungengängig und potentiell viel gefährlicher als die groben Stäube waren (siehe auch HCCI).

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.

Bei Flurförderzeugen eingesetzten Dieselmotoren sind Rußpartikelfilter seit den 1970er Jahren üblich. Die Verwendung dieser auch für jeden Motor individuell erhältlichen Filter wird jedoch durch bürokratische Hürden außerhalb dieses Einsatzbereiches verhindert.

International verkehrende Schiffe unterliegen in weiten Teilen der Welt nur sehr geringen Umweltanforderungen. Die Verbrennung von schwefelreichem Schweröl (Bunkeröl C) in Schiffsdieseln führt zu Belastungen in Hafenstädten und stark befahrenen Seegebieten.

Geschichte

Das Patent für Rudolf Diesel vom 23. Februar 1893

Briefmarke zum 100. Geburtstag des Dieselmotors

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. Am 10. August 1893 läuft der erste Prototyp des neuen Motors aus eigener Kraft.^[2]

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 bis 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 Lastkraftwagen mit Dieselmotor
• 1936 – Erste Personenkraftwagen 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.
• 2004 – In Westeuropa steigt der Anteil neuzugelassener PKW mit Dieselmotor auf über 50 %.

Der Diesel-Boom im PKW-Bereich

Bis in die Mitte der 1990er Jahre galten Diesel-PKW 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 schnelllaufenden 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 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). VW geht aber derzeit auch zum Common-Rail-System über, weil dieses System billiger in der Herstellung und inzw. technisch so ausgereift ist, dass es ähnlich hohe Einspritzdrücke ermöglicht, wie das Pumpe-Düse-System.

Heute haben gängige Turbodieselmotoren mehr Leistung als vergleichbare Benzinmotoren ohne Aufladung, bei weiterhin niedrigerem Verbrauch als Benziner.

Bedeutung des Dieselmotors

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 Ottomotor (Dieselkraftstoff hat mit 35,3 MJ/L überdies eine höhere Energiedichte als Benzin mit 32 MJ/L) sowie der in vielen Ländern praktizierten steuerlichen Begünstigung des Dieselkraftstoffes gewinnt dieser Motor an Attraktivität. Dieselkraftstoff wird niedriger besteuert, um die Betriebskosten von Lastkraftwagen 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 Biodiesel, 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, da 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 Ottomotor. Ein Turbodiesel stellt dafür 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 2000 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 Abgasrückführung wurde die Stickoxidproduktion des Dieselmotors positiv beeinflusst. Man muss hier allerdings einen Kompromiss zwischen vertretbaren Stickoxid- und Partikelwerten im Abgas eingehen, da bei hohen Abgasrückführungsraten zwar Motorleistung und Stickoxidwerte absinken, der Rußpartikelausstoß aber in nicht tolerierbarem Maß ansteigt. 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 Drei-Wege-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 eine unerlaubte Verwendung in Dieselmotoren nachzuweisen (Delikt: Steuerhinterziehung).

Einsatzgebiete neben Pkw und Lkw

Motorräder

Sommer-Hatz-Diesel

Motorräder mit Dieselmotoren sind ungewöhnlich, aber es gibt sie. Nach Stand 2005 sind die in Indien gefertigte Royal Enfield Bullet mit italienischen Lombardini- 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

Junkers Jumo 205 Flugdiesel

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 als Ottokraftstoff zu bekommen ist. Die Wankel AG bietet einen Wankelflugmotor, der mit Kerosin betrieben werden kann, aber kein Selbstzünder ist.

Wasserfahrzeuge

Schiffsdieselmotoren sind in der Schifffahrt die häufigste Antriebsart, vom Hilfsmotor bei Segelschiffen bis hin zu riesigen Aggregaten mit mehreren 10.000 kW. Als Kraftstoff dient bei Großmotoren meist preiswertes, ungereinigtes Dieselöl oder Schweröl. Besonders die größeren Schiffsdieselmotoren sind auf einen Betrieb bei niedrigen Drehzahlen ausgelegt und häufig als Zweitaktmotor ausgeführt. Bei Booten werden häufig modifizierte PKW-Motoren (zum Beispiel Volkswagen Marine) oder modifizierte LKW-Motoren (z. B. Volvo Penta) eingesetzt.

Gegenüber Benzinmotoren bieten Dieselmotoren in der Schifffahrt einige Vorteile:

• kostengünstiger Kraftstoff
• weniger gefährlicher Kraftstoff an Bord

Benzin ist sehr leicht flüchtig (d. h. verdampft schnell). Benzindämpfe sind schwerer als Luft, sinken nach unten und sammeln sich im Motorraum an der tiefsten Stelle an. Durch einen Funken können die Dämpfe explodieren. Deshalb sind bei Booten mit Benzinmotor(en) explosionsgeschützte Lüfter notwendig, die den Motorraum entlüften. In der Regel muss zudem vor einem Motorstart der Motorraum mehrere Minuten entlüftet werden.

• keine gegenüber Feuchtigkeit empfindliche Zündanlage

Schienenfahrzeuge

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).

Stromerzeugungsaggregate

Der dieselmotorgetriebene Stromerzeuger wird auch Dieselaggregat genannt und dient der Stromversorgung von meist abgelegenen Gebäuden und anderen Objekten, welche nicht an das Stromnetz der Energieversorgungsunternehmen angeschlossen sind . Als Notstromaggregat wird er eingesetzt, wo man auf eine unterbrechungsfreie Stromversorgung angewiesen ist, wie in Rechenzentren und Krankenhäusern.

Motorsport

Aufgrund von Turboaufladung und Direkteinspritzung wurden Dieselmotoren Ende der 1990er auch im Automobilsport konkurrenzfähig. Gegenüber Ottomotoren haben Dieselmotoren bezüglich Motorleistung und Leistungsentfaltung so keine schwerwiegenden Nachteile mehr. Im Gegenteil haben Dieselmotoren gegenüber Ottomotoren den Vorteil, dass sie weniger Kraftstoff verbrauchen und somit besonders bei Langstreckenrennen bemerkbare Vorteile haben. Hinzu kommt durch den Turbolader ein sehr hohes Drehmoment, welches das Fahren in mittlerern Drehzahlen ohne Beeinträchtigung der Beschleunigung bewirkt und ihnen zudem bei Steigungen Vorteile verschafft. Weil Dieselmotoren etwa 30 % weniger Kraftstoff verbrauchen, muss weniger Kraftstoff mitgenommen werden, was Dieselrennwagen auch einen geringen Gewichtsvorteil verschafft.

So konnte 1998 - Dieselmotoren waren damals im Fahrzeugfeld noch höchst selten - ein BMW 320d als erster mit Dieselkraftstoff betriebener Rennwagen das 24-Stunden-Rennen auf dem Nürburgring gewinnen, wodurch für viel Aufmerksamkeit gesorgt wurde. Heute sind Dieselfahrzeuge bei dieser Rennveranstaltung längst nichts Ungewöhnliches mehr. Auch in der WTCC setzte Seat als erster Hersteller 2007 zwei mit Dieselkraftstoff betriebene Seat León ein, denen auch schon ein Sieg gelang.

Seit 2003 nimmt Volkswagen an der Rallye Dakar teil und setzte von Anfang an Rallyewagen mit TDI-Motoren ein. War der VW Tarek 2003 eher noch ein Versuchsfahrzeug, begann Volkswagen 2004 mit dem VW Race Touareg und seinem 2,5-Liter-Fünfzylinder-Diesel konkurrenzfähig zu werden. Obwohl die Race Touareg die schnellsten Fahrzeuge im Feld sind, konnte Volkswagen zwar bereits mehrere Ettappensiege einfahren, jedoch noch nie einen Gesamtsieg erreichen, weil es den Fahrzeugen noch an Zuverlässigkeit fehlt. Auch das X-Raid-Team bestreitet seit 2002 mit dem BMW X5 und seit 2006 auch mit dem BMW X3, welche von 3-Liter-Sechszylinder-Biturbo- Dieselmotoren angetrieben werden die Rallye Dakar und konnte damit immerhin schon Achtungserfolge und einen Ettappensieg erringen.

2006 nahm Audi mit dem Audi R10 TDI als erstes Team mit Dieselmotoren am 24-Stunden-Rennen von Le Mans teil und konnte gleich im ersten Jahr den Sieg erringen, was 2007 erneut gelang.

Im sogennannten Truck Racing (Rennfahrten mit Lastkraftwagen) ist der Dieselmotor der übliche Standard. Die heutigen Renntrucks haben Dieselmotoren mit rund 1.500 PS, die die rund 5 Tonnen schweren Gefährte in 5 bis 6 Sekunden auf Tempo 160 beschleunigen.

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