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Ein Dieselmotor ist ein Hubkolbenmotor, 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.

Technologie Bearbeiten

Prinzip Bearbeiten

Beim Diesel-Verbrennungsverfahren wird im Gegensatz zum Ottomotor kein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt oder durch Aufladung zugeführt, sondern ausschließlich Luft. Diese Luft wird hoch verdichtet. Vor dem oberen Totpunkt beginnt die Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum. Die Temperatur des verdichteten Gases (ca. 700 bis 900 °C) ist ausreichend, um den Kraftstoff zu zünden.

Kennzeichen des Dieselmotors:

  • Selbstzündung: Die angesaugte oder durch Aufladung zugeführte Luft heizt sich durch die 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) notwendig.
  • Innere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt.
  • So hohes Verdichtungsverhältnis, dass eine Selbstzündung möglich ist.
  • Innere Leistungsregelung: Die Motorleistung wird durch die Menge des eingespritzten Kraftstoffs bestimmt.

Ausführungen Bearbeiten

Dieselmotoren werden als Zweitaktmotor, meist jedoch als Viertaktmotor mit und ohne Aufladung ausgeführt. Zweitakt-Dieselmotoren werden oft als Großmotoren in Schiffen eingesetzt. Häufiger ist jedoch der Viertakt-Dieselmotor, dessen Hauptanwendungen im Antrieb von Kraftfahrzeugen und Baumaschinen liegen.

Einspritzverfahren Bearbeiten

Im wesentlichen lassen sich die Einspritzverfahren unterscheiden:

  • indirekte Einspritzung (Vorkammereinspritzung, Wirbelkammereinspritzung): Die Einspritzung erfolgt in eine dem eigentlichen Verbrennungsraum vorgelagerte separate Kammer.
  • Direkteinspritzung: Die Einspritzung erfolgt direkt in den Verbrennungsraum

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-Einspritzsystem oder
    • Common-Rail-Einspritzung

Vor- und Nachteile Bearbeiten

Vorteile des Dieselmotors gegenüber einem leistungsgleichen Ottomotor sind:

  • Ein höherer 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
  • 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 als Kfz-Antrieb hängen teilweise auch von den steuerlichen Randbedingungen ab. In zahlreichen Staaten ist Dieselkraftstoff durch die geringere Besteuerung günstiger als Benzin, so dass sich die meist höheren Anschaffungs- und Versicherungskosten in Verbindung mit dem geringeren Kraftstoffverbrauch über die Laufzeit amortisieren.

Zu den Nachteilen zählen:

  • 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
  • Höhere Geräuschemissionen (sog. "Dieselnageln")
  • Unkultivierter Motorlauf (bei Motoren aus der Zeit vor 2000)
  • Höheres Gewicht im Vergleich zum Ottomotor mit 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 Höchstdrehzahl
  • Aufwändigere Abgasreinigung
  • Einsatz verschleißfesterer Materialien z.B. keramikbeschichtete Kolbenringe
  • Höhere Ansprüche an das Schmieröl, z. B. höhere Scherbelastung

Besonderheiten bei Dieselmotoren in Kraftfahrzeugen Bearbeiten

Drehmomentverlauf und Leistungsabgabe Bearbeiten

Dieselmotoren besitzen eine physikalisch bedingte Drehzahlgrenze von etwa 5.500 Umdrehungen pro Minute (1/min). Dies ist durch den Zündverlauf des Kraftstoffs gegeben und wird durch den Zündverzug, der zwischen 1 und 10 Milisekunden (ms ) liegt, beschrieben. Bei Ottomotoren wird im Gegensatz dazu die Drehzahl vor allem durch die mechanischen Belastbarkeitsgrenzen der Bauteile bestimmt. So drehen aktuelle Vierzylinder-Motorradmotoren in Serien-Supersportlern mittlerweile bereits über 16.000 1/min!

Aus der Gleichung P = M \cdot 2\pi\cdot n (oder P = M \cdot \omega) lässt sich ableiten, dass das Drehmoment (M) eines Dieselmotors auf Grund des kleineren Drehzahlbandes im Vergleich zu einem Ottomotor höher sein muss, um die gleiche Leistung zu erreichen. Dies kann signifikant jedoch nur durch einen größeren Hubraum und/oder Aufladung des Motors erreicht werden.

Dieselmotoren sind in der Regel als Langhuber ausgeführt, um das (im Vergleich zum Ottomotor) höhere Verdichtungsverhältnis zu erreichen.

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

Kommt beim Kfz-Diesel eine Motoraufladung zum Einsatz, liegt das Drehmomentmaximum in der Regel meist zwischen 1.600 und 2.000 1/min (Pkw-Diesel). Bei einer Nenndrehzahl von etwa 4.000 1/min liegen somit günstige Elastizitätswerte vor. Bereits bei Leerlaufdrehzahl kann der Dieselmotor große Drehmomente zur Verfügung stellen (typisch 50 % des Maximalwertes). 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.

Leistungssteigerung Bearbeiten

Hauptlimitierender Faktor ist die beschränkte Höchstdrehzahl, 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, was eine leistungsfähigere Abgasnachbehandlung erfordert. 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 %.

Dieselmotor im Motorrad Bearbeiten

Motorräder mit Dieselmotoren sind selten, aber es gibt sie. Derzeit sind die in Indien gefertigte Royal Enfield Bullet mit italienischem Lombardi- 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). Es dürfte nur noch eine Frage der Zeit sein, bis kompakte, aufgeladene Mehrzylinder-Dieselmotoren in nennenswerten Stückzahlen produziert werden. Gerade im Bereich der Tourenmotorräder liegt eine Verwendung nahe, denn hier wird eher Wert auf ein hohes Drehmoment schon bei niedrigen Drehzahlen und geringen Verbrauch (= hohe Reichweite) gelegt als auf Höchstleistung und minimales Fahrzeuggewicht. Problematisch ist allerdings die andere Klangkulisse, da viele Motorradfahrer den gewohnten Motorsound sehr schätzen.

Geschichte Bearbeiten

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 betrieben werden, jedoch sind dazu meistens Umbauten in der Kraftstoffversorgung notwendig.

  • 1897 - Im Februar führen die Entwicklungsarbeiten Diesel´s bei der Maschinenfabrik Augsburg (aus der später die Firma MAN hervorging) zu einem Motor mit guten Laufeigenschaften.
  • 1908 - Prosper L'Orange entwickelt eine präzise arbeitende Einspritzpumpe sowie die Vorkammereinspritzung.
  • 1919 - Prosper L'Orange meldet seine Erfindung zum Patent an: ein trichterförmiger Einsatz in der Vorkammer.
  • 1988 - Als erster Hersteller stellt FIAT einen richtungsweisenden turboaufgeladenen, direkteinspritzenden Dieselmotor mit einer Leistung von 66 kW (90 PS) vor.
  • 1993 - FIAT erfindet die Common-Rail-Einspritzung und lässt sie patentieren.

Weiterentwicklung des Dieselmotors Bearbeiten

Dieselmotoren liefen bisher in der Regel nicht so vibrationsarm wie Ottomotoren. Trotz der Fortschritte auf dem Gebiet der Motorentechnik gelten Ottomotoren bezüglich Laufruhe und -kultur als überlegen. Aber hohe Einspritzdrücke bis zu 2.000 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 Diesels verbessert.

Mittels einer Abgasrückführung werden die Stickoxide 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.

Literatur Bearbeiten

  • Rudolf Diesel: Die Entstehung des Dieselmotors. Springer, Berlin 1913. Faksimile der Erstausgabe mit einer technik-historischen Einführung. Steiger, Moers 1984. ISBN 3921564700
  • Max J. Rauck: 50 Jahre Dieselmotor. Zur Sonderschau im Deutschen Museum. Leibniz-Verlag, München 1949.
  • Klaus Mollenhauer: Handbuch Dieselmotoren. VDI. Springer, Berlin 2002. ISBN 3-540-41239-5

Weblinks Bearbeiten


Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Dieselmotor aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

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