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Dieselmotor

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Definition: ein Verbrennungsmotor mit selbstgezündeter innerer Verbrennung

Englisch: diesel engine

Kategorien: Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 11.03.2010; letzte Änderung: 13.08.2016

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 Diesel-Prinzip erfordert und erlaubt ein höheres Verdichtungsverhältnis, was dem Wirkungsgrad des Motors zugute kommt.

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.

Der höhere Wirkungsgrad von Dieselmotoren im Vergleich zu Ottomotoren liegt an der höheren Verdichtung und an der Möglichkeit, auch mit sehr großem Verbrennungsluftverhältnis zu arbeiten.

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.

Früher war das “Vorglühen” vor dem Start eines Dieselmotors unabdingbar. Moderne Direkteinspritzer-Motoren in Verbindung mit modernen Glühkerzen brauchen dies nicht mehr.

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.

Beim Vergleich der Verbrauchswerte von Benzin- und Dieselmotoren sollte die höhere Energiedichte von Dieselkraftstoff berücksichtigt werden!

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

Große Dieselmotoren können Wirkungsgrade von ca. 50 % erreichen – weit mehr als Automotoren.

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 Partikelemissionen sind das große Problem der Dieselmotoren. Darüber hinaus gibt es aber auch höhere Stickoxidemissionen als bei Benzinmotoren mit Dreiwegekatalysator, und Diesel-Katalysatoren sind aufwendiger.

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:

Lesen Sie unseren aktuellen Artikel zum VW-Abgasskandal! Schon früher war bekannt, dass Dieselfahrzeuge in der Praxis oft weitaus mehr Stickoxide ausstoßen, als sie in den Abgastests zeigen. Unrealistische Testprozeduren und sogar kriminelle Manipulationen können Ursache hierfür sein.

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.

Moderne Dieselfahrzeuge weisen in den offiziellen Tests relativ niedrige Stickoxidemissionen auf – aber nicht unbedingt im Praxisbetrieb!

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. 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 wesentliche Vorteile und Nachteile:

Wenn man den Kraftstoffverbrauch (gemessen in Litern pro 100 km) zwischen in Deutschland neu zugelassenen Benzin- und Dieselfahrzeugen vergleicht, findet man heute nur noch eine relativ geringere Differenz in der Gegend von 10 %. Wegen der höheren Energiedichte von Dieselkraftstoff bedeutet dies, dass der Energieverbrauch bei beiden Klassen von Fahrzeugen etwa gleich ist. Dies liegt daran, dass Dieselmotoren zwar weiterhin einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweisen, tendenziell aber vermehrt in leistungsstärkeren und schwereren Fahrzeugen eingesetzt werden, was den Vorteil der höheren Effizienz wieder zunichte macht.

Mischbetrieb mit Erdgas oder Flüssiggas: Dual-Fuel-Diesel

Erdgas kann in Dieselmotoren effizienter genutzt werden als in Otto-Gasmotoren.

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-Abgasskandal: Bauteilschutz als Rechtfertigung für Abschalteinrichtungen?"
[5]Blog-Artikel: Dieselfahrzeuge von Volkswagen: Einhaltung von Abgasgrenzwerten mit illegalen Tricks
[6]Blog-Artikel: Stickoxidemissionen von modernen Dieselfahrzeugen – deutlich höher als gedacht

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Dieselkraftstoff, Verbrennungsmotor, Viertaktmotor, Ottomotor, Motor, Abgasrückführung, Rußpartikelfilter, 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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