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Dieselmotor

Definition: ein Verbrennungsmotor mit selbstgezündeter innerer Verbrennung

Englisch: diesel engine

Kategorien: Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 11.03.2010; letzte Änderung: 16.04.2019

Ein Dieselmotor, benannt nach dem Erfinder Rudolf Diesel, ist ein verbreiteter Typ von Verbrennungsmotor. Er ist ein Hubkolbenmotor mit meist mehreren Zylindern. Es wird eine innere Verbrennung genutzt (im Brennraum über dem Kolben), die selbst zündet als Folge der Temperaturerhöhung bei der Kompression der Luft im Zylinder (Selbstzünder-Prinzip). Die Zylinder sind über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden, über die die mechanische Leistung abgegeben wird.

Funktionsweise des Dieselmotors
Abbildung 1: Die vier Takte beim Viertakt-Ottomotor. Sie werden weiter unten erklärt.

Das Funktionsprinzip des Viertakt-Dieselmotors (der für die meisten Anwendungen gängigen Bauweise) wird in Abbildung 1 gezeigt und im Folgenden erklärt:

Das Prinzip der Selbstzündung setzt die Verwendung einer Kraftstoffeinspritzung für eine innere Gemischbildung mehr oder weniger zwingend voraus; anders ließe sich der Zündzeitpunkt nicht hinreichend kontrollieren. (Ohnehin wäre mit Dieselkraftstoff die Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs schwer möglich, da der Kraftstoff erst bei hohen Temperaturen vollständig verdampfen würde.) Die Kraftstoffeinspritzung kann in eine Vorkammer direkt vor dem eigentlichen Brennraum erfolgen oder vorzugsweise mit höherem Einspritzdruck auch direkt in die Brennkammer (Direkteinspritzer). Eine von Rudolf Diesel anfangs verwendete Version setzte auf das Einblasen des Kraftstoffs mithilfe von Druckluft, was an sich auch recht gut funktionierte, aber einen erheblichen Energieaufwand für die Erzeugung der Druckluft bedeutete.

Da die Regelung der Motorleistung nicht über die Luftmenge geschieht, sondern über die Menge des eingespritzten Kraftstoffs, spricht man von einer Qualitätsregelung (im Gegensatz zur Quantitätsregelung beim Ottomotor).

Das Verdichtungsverhältnis ist beim Dieselmotor deutlich höher als beim Ottomotor (z. B. 20 statt 10), da dies zur Selbstzündung notwendig und auch für den Wirkungsgrad vorteilhaft ist: Dass dadurch ebenfalls höhere Expansionsverhältnis erlaubt es, dem heißen Gas mehr Energie zu entziehen. Beim Ottomotor dagegen muss ja die Selbstzündung vermieden werden, sodass ein geringeres Verdichtungsverhältnis gewählt werden muss.

Wie bei Ottomotoren ist die Turboaufladung eine wirksame Methode zur Leistungssteigerung. Sie kann in Verbindung mit Downsizing auch die Energieeffizienz erhöhen und das Gewicht des Antriebs vermindern. Viele Dieselmotoren werden aber weiterhin als Saugmotoren ausgeführt.

Dieselmotoren arbeiten anders als die meisten Ottomotoren immer mit einem erheblichen Luftüberschuss. Bei Volllast wird das Verbrennungsluftverhältnis (der λ-Wert) meist den Wert 1,2 nicht unterschreiten, und im Teillastbetrieb wird es noch wesentlich höher. (Insofern könnte ein Dieselmotor als Magermotor bezeichnet werden, obwohl dieser Begriff meist bestimmten Ottomotoren vorbehalten ist.) Der hohe Luftüberschuss bei Teillast ist kein Problem, da lokal (in der Nähe der Einspritzdüse) die Konzentration des Kraftstoffdampfs immer noch hoch genug für eine zuverlässige Verbrennung bleibt.

Ein Zündsystem benötigt ein Dieselmotor aufgrund der Selbstzündung nicht. Jedoch wird meistens eine elektrisch beheizte Glühkerze pro Zylinder als Hilfe zum Starten des Motors und für den Beginn der Warmlaufphase verwendet. Bei Vorkammer-Dieselmotoren sitzen die Glühkerzen in den Vorkammern, und häufig ist ein “Vorglühen” notwendig, d. h. die Glühkerzen müssen mindestens für einige Sekunden vor dem Starten des Motors betrieben werden. Bei moderneren Motoren mit Direkteinspritzung sind die Glühkerzen direkt in den Brennräumen angebracht und reichen einige Millimeter in diese hinein. Ihre heißen Oberflächen unterstützen die Selbstzündung. Moderne Bauformen erreichen die nötige Temperatur so schnell, dass auf ein Vorglühen verzichtet werden kann.

Wie Ottomotoren können auch Dieselmotoren als Zweitaktmotoren oder als Viertaktmotoren gebaut werden. In den meisten Fällen wird das Viertaktprinzip eingesetzt; Großdieselmotoren sind jedoch häufig als Zweitaktmotoren ausgeführt.

Dieselkraftstoff

Dieselkraftstoff (kurz Diesel) ist in der Zusammensetzung dem Heizöl EL (extraleicht) ähnlich, wenn auch durch diverse Optimierungen inzwischen weniger als noch vor einigen Jahrzehnten. Die Verwendung von Heizöl anstelle von Dieselkraftstoff ist gesetzlich verboten, weil damit die für Kraftstoffe höhere Mineralölsteuer hinterzogen würde. Außerdem könnten da doch in modernen Motoren und ihren Abgasreinigungsanlagen schwere Schäden entstehen.

Vor allem für schnell laufende Motoren sollte Dieselkraftstoff eine hohe Zündwilligkeit (Cetanzahl) aufweisen. (Interessanterweise ist diese Zündwilligkeit bei längerkettigen Kohlenwasserstoffen höher, obwohl diese z. B. mit einem Streichholz schwerer zu entzünden sind.) Außerdem ist ein niedriger Schwefelgehalt wünschenswert, weil Schwefelanteile nicht nur zu entsprechenden Schwefeldioxid-Emissionen führen, sondern auch zu erhöhten Emissionen von lungengängigen Partikeln.

Im Vergleich zu Benzin besteht Dieselkraftstoff aus schwereren Kohlenwasserstoffen. Er hat eine höhere Dichte und einen entsprechend um ca. 13 % höheren Energiegehalt pro Liter als Benzin, während der massenbezogene Brennwert etwa gleich ist. Auch die CO2-Emissionen pro verbranntem Liter sind um ca. 13 % höher als Benzin, was allerdings zum Teil durch geringere Emissionen in der Raffinerie ausgeglichen wird; in den Erdölraffinerien ist Dieselkraftstoff einfacher herzustellen. Diese Aspekte sollten beim Vergleich von Verbrauchswerten zwischen Diesel- und Ottomotoren berücksichtigt werden.

Der Artikel über Dieselkraftstoff enthält weitere Details.

Energieeffizienz

Kleinere Dieselmotoren z. B. in Autos erreichen bei Volllast Wirkungsgrade von über 35 %, mit Direkteinspritzung und Turboaufladung auch über 40 %; große Schiffsdiesel erreichen sogar ca. 50 %. Bei niedrigerer Auslastung (Teillastbetrieb) fällt die Effizienz ab, aber tendenziell weniger als bei Ottomotoren, weil die Drosselverluste entfallen: Der Dieselmotor darf immer ungehindert Luft ansaugen, während beim Ottomotor im Teillastbetrieb die Luftmenge reduziert werden muss, um das nötige Verbrennungsluftverhältnis zu erhalten. Dieser Vorteil wird aber zum Teil dadurch kompensiert, dass die Reibungsverluste in einem Dieselmotor deutlich höher sind als in einem Ottomotor. Deswegen ist es auch beim Dieselmotor günstiger, eine kleinere Leistung durch viel Gas bei niedriger bis mittlerer Drehzahl zu erzeugen anstatt mit wenig Gas bei hoher Drehzahl.

Abgase

Die Abgase von Dieselmotoren sind deutlich anders zusammengesetzt als bei Ottomotoren. Ohne Abgasnachbehandlung enthalten sie einerseits deutlich weniger Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe als bei Ottomotoren ohne Katalysator, andererseits aber erhebliche Mengen von Ruß und anderen kleinen Partikeln. Der Dieselruß besteht teilweise aus Kohlenstoff-Rußteilchen, teilweise aber auch aus anderen Substanzen wie z. B. Sulfaten, die durch den Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffs entstehen. An die Rußpartikel lagern sich diverse Schadstoffe an. Da die Rußpartikel teils extrem klein sind (deswegen auch als Feinstaub bezeichnet werden), können sie beim Einatmen tief in die Lungen gelangen und sich dort ablagern. Aufgrund von entsprechenden Beobachtungsdaten stufte die WHO in 2012 Dieselabgase als krebserregend ein [2].

Durch rein innermotorische Maßnahmen wie z. B. Abgasrückführung lässt sich der Schadstoffausstoß von Dieselmotoren erheblich reduzieren, aber nicht auf ein unbedenkliches Maß. Es gibt deswegen diverse technische Maßnahmen zur nachträglichen Abgasreinigung, die allerdings tendenziell aufwendiger und insgesamt häufig weniger erfolgreich sind als bei Ottomotoren:

  • Der Feinstaub kann mit einem Rußpartikelfilter (Dieselrußfilter) weitestgehend entfernt werden. Jedoch sind nicht alle Rußfilter sehr wirksam; insbesondere nachträglich eingebaute Filter lassen häufig noch erhebliche Rußmengen durch. Durch den verstärkten Strömungswiderstand im Abgassystem und durch die Notwendigkeit von Regenerationszyklen kann der Kraftstoffverbrauch etwas erhöht werden.
  • Für die Reduktion von Stickoxidemissionen kann ein SCR-Katalysator verwendet werden, der im Betrieb aber zusätzlich z. B. kleine Zugaben von Harnstoff benötigt. Eine einfachere, aber weniger wirksame Technik basiert auf einem Stickoxid-Speicherkatalysator. Es gibt ebenfalls reine Oxidationskatalysatoren, um Emissionen von CO und Kohlenwasserstoffen weiter zu vermindern. Ein Drei-Wege-Katalysator wie beim Ottomotor, der gleichzeitig Stickoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe ziemlich effektiv beseitigt, kann beim Dieselmotor wegen des nötigen Luftüberschusses nicht eingesetzt werden. Der Artikel über Abgaskatalysatoren enthält weitere Details hierzu.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht in der Wassereinspritzung, und zwar entweder gemeinsam mit dem Dieselkraftstoff oder durch separate Einspritzdüsen. Eine gewisse Wassermenge von z. B. 25 % kann den Kraftstoffverbrauch eines Motors um rund 3 % vermindern und dabei gleichzeitig den Ausstoß von Stickoxiden und vor allem von Ruß erheblich senken. Dafür können allerdings die Emissionen von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zunehmen. Mit einer größeren Wassermenge von z. B. 40 % nimmt die Kraftstoffeinsparung wieder ab, dafür ist aber der Effekt der Entstickung noch besser. Diese Methode scheint sich besonders zur Nachrüstung alter Schiffsmotoren zu eignen, weniger dagegen für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, wo die Entwicklung hin zu immer höheren Einspritzdrucken die Beimischung von Wasser problematisch macht.

Der Einsatz eines Abgaskatalysators kann beim Dieselmotor sogar eine Erhöhung des Wirkungsgrads ermöglichen. Man kann den Motor dann nämlich auf höchste Effizienz optimieren, ohne seine Stickoxidemissionen gleichzeitig minimieren zu müssen; diese können ja dann mit dem Katalysator stark reduziert werden. Wenn nur innermotorische Maßnahmen eingesetzt werden, ergeben sich schwierige Zielkonflikte zwischen Energieeffizienz, Stickoxidemissionen und Rußemissionen.

Verbesserungen der Abgasqualität sind ansonsten auch durch die Verwendung besonders hochwertiger Dieselkraftstoffe möglich. Umgekehrt sind die Abgase von Schiffsdieselmotoren häufig vor allem deswegen so umweltschädlich, weil diese mit billigem, aber minderwertigem Schweröl betrieben werden.

Nur bei Verwendung der modernsten Abgasreinigungstechnologien erzielen Dieselmotoren Abgaswerte, die mit denen von Benzinmotoren mit 3-Wege-Katalysator grob vergleichbar sind. In vielen Fällen liegen insbesondere die Stickoxidemissionen wesentlich höher. Erst die seit September 2015 für neu zugelassene Dieselfahrzeuge geltende Abgasnorm Euro 6 sieht für diese Fahrzeuge den gleichen Stickoxid-Grenzwert vor wie für Benziner, und zwar 80 mg/km; auch dies liegt noch weit höher als der amerikanische Grenzwert von 31 mg/km für NOx.

Leider haben Messungen gezeigt, dass die Stickoxidemissionen vieler moderner Dieselfahrzeuge im Praxisbetrieb weit oberhalb derjenigen liegen, die in den bislang benutzten Zulassungstests gemessen werden [3]. Offenbar kommen in der Praxis viele Fahrsituationen vor (v. a. solche mit hoher Motorleistung), die zu wesentlich höheren Stickoxidemissionen als in den Tests führen – oft sogar zu höheren Emissionen als Lkw unter ähnlichen Verhältnissen, trotz deren viel höherer Motorleistung. Dies legt den Verdacht nahe, dass die bisher verwendeten Tests nicht unter ausreichend realistischen Bedingungen erfolgen und/oder dass manche Hersteller ihre Fahrzeuge nur gezielt auf solche Tests hin optimieren, um die Abgasgrenzwerte auf kostengünstigere Weise (z. B. ohne SCR-Katalysator) zu erzielen.

Vergleich von Diesel- und Ottomotoren

Dieselmotoren haben im Vergleich zu Ottomotoren etliche Vorteile und Nachteile:

  • Der Wirkungsgrad ist meist etwas höher, insbesondere bei großen Motoren und im Teillastbereich. Dies führt zu einem reduzierten Kraftstoffverbrauch. Man beachte aber, dass ein Verbrauchsvorteil von ca. 13 % allein schon dadurch entsteht, dass der Energiegehalt des Kraftstoffs pro Liter höher ist als der von Benzin. Dieser Anteil der Verbrauchsreduktion liegt also nur am Kraftstoff und bedeutet keine Energieeinsparung. Ein Vergleich der Energieeffizienz ist deswegen besser nach den CO2-Emissionen pro Kilometer vorzunehmen, und diesbezüglich sind die Unterschiede zwischen modernen Benzin- und Dieselmotoren nicht mehr wesentlich. Für manche Fahrzeugmodelle (z. B. VW Golf) liegen sie sogar bereits etwa gleichauf.
  • Die Schadstoffemissionen sind meist höher (v. a. betreffend Feinstaub und auch Stickoxide, je nach Kraftstoffqualität auch SO2), außer wenn schwefelfreier Kraftstoff und eine aufwendige Abgasnachbehandlung mit Rußpartikelfilter und Einrichtungen zur Entstickung eingesetzt werden. Die durch Dieselmotoren verursachten Klimagefahren können wegen der höheren Energieeffizienz ein wenig geringer sein als bei Benzinmotoren.
  • Selbst ohne besondere Abgasnachbehandlung liegen die Kosten und das Gewicht von Dieselmotoren deutlich höher.
  • Tendenziell sind Dieselmotoren robuster und langlebiger.
  • Dieselmotoren sind deutlich lauter, vor allem kurz nach dem Kaltstart (Nageln). Durch Schalldämmung kann dieses Problem gelöst werden, was aber das Gewicht weiter erhöht.

Mischbetrieb mit Erdgas oder Flüssiggas: Dual-Fuel-Diesel

Es ist möglich, der Verbrennungsluft eines Dieselmotors Erdgas oder Flüssiggas beizumischen und die Menge des eingespritzten Dieselkraftstoffs entsprechend zu reduzieren. Die mögliche Reduktion des Dieselanteils in einem solchen Dual-Fuel-Motor hängt von den jeweiligen Betriebsbedingungen ab und mag 60 %, unter Umständen sogar 90 % betragen. (In der Startphase muss allerdings meist rein mit Diesel gearbeitet werden.) Auf diese Weise wird wenigstens ein wesentlicher Anteil von Gas genutzt, und dies mit einer Effizienz des Dieselmotors, die deutlich über der eines Gas-Ottomotors liegt.

Diese Dual-Fuel-Technologie kann die Abgasemissionen reduzieren und auch die Betriebskosten. Sie ist anwendbar für stationäre Dieselmotoren, aber auch für Motoren von Lastkraftwagen. Bei letzteren bleibt die hohe Reichweite weitgehend erhalten, obwohl ein Tank für Flüssiggas und v. a. für Erdgas mehr Platz braucht.

Literatur

[1]R. van Basshuysen und F. Schäfer (Hrsg.), Handbuch Verbrennungsmotor, Springer Vieweg
[2]WHO stufte Dieselruß als krebserregend ein, http://www.iarc.fr/en/media-centre/pr/2012/pdfs/pr213_E.pdf (2012)
[3]V. Franco et al., “Real-world exhaust emissions from modern diesel cars”, International Council of Clean Transportation, http://www.theicct.org/sites/default/files/publications/ICCT_PEMS-study_diesel-cars_20141010.pdf
[4]Blog-Artikel Diesel-Nachrüstung gegen Stickoxide: wirksam, praktikabel und bezahlbar
[5]Blog-Artikel "Sind Dieselfahrzeuge unverzichtbar für den Klimaschutz?"
[6]Blog-Artikel "Krankheit und Tod durch Dieselabgase – eine Folge von Korruption"
[7]Blog-Artikel "Diesel-Abgasskandal: Bauteilschutz als Rechtfertigung für Abschalteinrichtungen?"
[8]Blog-Artikel: Dieselfahrzeuge von Volkswagen: Einhaltung von Abgasgrenzwerten mit illegalen Tricks
[9]Blog-Artikel: Stickoxidemissionen von modernen Dieselfahrzeugen – deutlich höher als gedacht

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Dieselkraftstoff, Verbrennungsmotor, Viertaktmotor, Ottomotor, Motor, Abgasrückführung, Rußpartikelfilter, Speicherkatalysator, SCR-Katalysator, Kraftstoffeinspritzung, Wassereinspritzung, Ventile beim Hubkolbenmotor, Turboaufladung, dieselelektrischer Antrieb, Ruß, Stickoxide, Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Alles verstanden?


Frage: Welche der folgenden Aussagen sind korrekt?

(a) Dieselmotoren benötigen einen leichter entzündlichen und damit bezüglich Brandschutz gefährlicheren Kraftstoff, weil sich dieser im Motor selbst entzünden muss.

(b) Dieselmotoren sind nur als Viertakter realisierbar.

(c) Abgaskatalysatoren funktionieren bei Dieselmotoren nicht.

(d) Im Vergleich zu Benzinmotoren weisen Dieselmotoren höhere Reibungsverluste auf, dafür aber kaum Drosselverluste.


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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Kommentare von Lesern

02.03.2018

Warum werden nicht die Kühlmitteltemperaturen erhöht, zum Beispiel auf über 100 °C? Es müsste eben eine andere Kühlflüssigkeit her, die einen höheren Siedepunkt hat. Durch die höhere Betriebstemperatur wäre bestimmt eine bessere Verbrennung gegeben.

Antwort vom Autor:

Ich glaube nicht, dass die Verbrennung damit wirklich besser würde. Der eigentliche begrenzende Faktor ist ohnehin nicht das Kühlmittel, sondern die Beständigkeit diverser Materialien. Dazu kommt das Problem, dass z. B. das Schmieröl auch bei hoher Temperatur noch genügend zähflüssig sein müsste, womit es bei tiefen Temperaturen (z. B. nach dem Kaltstart) noch zäher würde. Es ist günstiger, wenn der Temperaturbereich, in dem ein Motor arbeiten muss, nicht allzu groß wird. Zudem wäre es natürlich nachteilig, noch ein spezielles, hoch siedendes Kühlmittel zu benötigen.

21.08.2018

Eine höhere Betriebstemperatur führt aber auch dazu, dass die Temperaturdifferenz kleiner wird, dadurch verringert sich der thermische Wirkungsgrad. Also braucht man auch wieder mehr Sprit und verursacht mehr Abgase.

Warum sollte die Verbrennung bei höherer Betriebstemperatur besser sein? Die Verbrennungstemperatur müsste dabei ja ca gleich bleiben und hätte somit nicht wirklich einen Effekt.

Würde die Verbrennungstemperatur erhöht, dann sollte sich der Wirkungsgrad auch erhöhen, allerdings entstehen dann wieder mehr Stickoxide und das Material würde sicher schneller Probleme machen (wie der Autor schon geschrieben hat).

Ich denke eher, dass die Temperatur vor dem Verdichten und vor dem Einspritzen geringer sein sollte um einen positiven Effekt zu erzielen. Aber um das zu realisieren, gibt es wieder andere Einflussfaktoren.

Antwort vom Autor:

Bekanntlich ist die Verbrennung nach dem Kaltstart schlechter als bei erreichter Betriebstemperatur. Der Einfluss auf die Verbrennungstemperatur ist dabei nicht der wesentliche Aspekt. Es ist eher die schlechtere Verdampfung des Kraftstoffs.

16.11.2018

Bei allen Arten von Verbrennungsmotoren (ich zähle jetzt mal auch die “Holzgas- oder ”Mitteldruckmotoren dazu, letzterer lief auf Petroleum) kommt es entscheidend auf den Kraftstoff an sich an. Die Thermodynamik legt dem gesamten Verbrennungsmotoren-Prinzip die Fesseln an. Sprich, die Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Verbrennungstemperatur und der Resttemperatur nach Entnahme der Bewegungsenergie. Daran ist nicht mehr viel zu optimieren.

Ich denke deswegen, es kommt besonders darauf an, woher der Treibstoff kommt.

Der ein oder andere wird sich noch daran erinnern, wie vor einigen Jahren die Leute auf Salatöl statt Diesel mit ihren 3'er Golf oder T4 herumfuhren – Stichwort nachwachsende Rohstoffe. Die Technik ist da, und es wird dabei nur geringfügig mehr CO2 (wegen der Raffinierung von Speiseöl, was nicht einmal zwingend notwendig ist) freigesetzt, als durch das Wachstum der Pflanzen gebunden wurde. Und außerdem liegt z.B. bei Oliven oder Mais und Raps das Öl gleich mit Wasser vor – für den Fall, dass jemand das Prinzip der Wassereinspritzung in Betracht zieht.

Übrigens, das Gas, welches dem Benziner durch LPG eingespeist wird, ist genau das Gas, welches bei vielen Raffinerien auch heute noch im Fackelturm einfach verfeuert wird, anstatt zu sammeln und der LPG-Tankstelle zu zu leiten.

Antwort vom Autor:

Bei heutigen Automotoren ist dringend davon abzuraten, Salatöl u. ä. einzusetzen; Motor und Abgasanlage könnten damit schwer geschädigt oder endgültig zerstört werden.

Es werden heute große Mengen von Biodiesel aus Rapsöl gewonnen, weil es insgesamt in unseren Breiten derzeit die praktikabelste Methode ist. Aber auch dieser Ansatz bringt erhebliche Probleme mit sich. Vor allem aber ist das Potenzial sehr begrenzt wegen der geringen Flächenproduktivität dieser Art von Energiegewinnung.

Die Aussage über das abgefackelte Gas stimmt so nicht; in größeren Mengen wird hauptsächlich Erdgas abgefackelt, dessen Nutzung als nicht rentabel betrachtet wird. Erdgas ist aber keineswegs identisch mit Flüssiggas (LPG).

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