Dieselmotor
Ein Dieselmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die nach dem Dieselverfahren arbeitet und als Hubkolbenmotor (Verbrennungsmotor) gebaut wird.
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2 Geschichte 3 Spezielles und Kurioses zum Diesel 4 Weblinks |
Technologie
Der Kraftstoff wird während der zweiten Hälfte des Verdichtungsvorgangs in die heiße Vor- oder Wirbelkammer, beim Direkteinspritzverfahren am Ende des Verdichtungsvorgangs in die im Verbrennungsraum enthaltene stark verdichtete Luft eingespritzt wird. Die Temperatur der verdichteten Luft ist so hoch, dass der eingespritzte Kraftstoff sich selbst entzündet.
Eine Zündkerze wird prinzipiell nicht benötigt, dennoch gab und gibt es eine Reihe von Zündhilfen: Üblich ist die Glühkerze für den Start des Motors, die bei Kammermotoren unverzichtbar ist und auch noch bei Direkteinsprizern eingesetzt wird. Ältere Konstruktionen sind als Glühkopfmotor (Lanz) bekannt geworden und es gab auch Experimente mit Zündkerzen (MAN FM-Verfahren).
Beim Diesel-Verbrennungsverfahren wird im Gegensatz zum Verbrennungsverfahren beim Ottomotor kein brennbares Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt. Dieselmotoren arbeiten im Gegensatz zu Ottomotoren mit einem starken Luftüberschuss. Es gibt verschiedene Einspritzverfahren, z.B. Vorkammereinspritzung, Wirbelkammereinspritzung, Direkteinspritzung, hierbei verschiedene Technologien zum Aufbau der Einspritzdrücke z.B. in Kammermotoren (ca. 100-200 bar Einspritzdruck), durch Common Rail (1000-1600 bar) und Pumpe-Düse-Einspritzsystemen (bis zu 2000 bar).
Die Merkmale des Verbrennungsverfahrens nach Diesel lassen sich so zusammenfassen:
- Selbstzündung: Die Luft heizt sich so stark auf, dass sich der eingespritzte Kraftstoff von alleine entzündet.
- Innere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt.
- Qualitätsregelung: Die Leistung wird über das Verhältnis von eingespritztem Kraftstoff (variabel) und Luft (konstant) geregelt.
Dieselmotoren können prinzipiell als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor gebaut werden. Ein Kreiskolbenmotor mit Dieselverbrennung ist zwar möglich (zweistufige Verdichtung), jedoch über das Forschungsstadium nie hinausgekommen.
Zweitakt-Dieselmotoren werden hauptsächlich als Großmotoren in Schiffen verwendet. Weitaus häufiger ist jedoch der Viertakt-Dieselmotor, dessen Hauptanwendung im Antreiben von Diesellokomotiven, Dieseltriebwagen, Kraftfahrzeugen, Baumaschinen und kleineren Generatoren liegt. (siehe auch Blockheizkraftwerk) In jüngster Zeit sind jedoch auch einige hochmoderne Diesel-Flugmotoren für Kleinflugzeuge auf den Markt gekommen.
Abgasemmissionen und Gesetzgebung
Beim Betrieb von Dieselmotoren entsteht Dieselruß, der bei modernen Konstruktionen durch einen Rußfilter aufgefangen wird. Der erste Hersteller von Kraftfahrzeugen, der einen Partikelfilter serienmäßig einbaute, war der PSA-Konzern, z.B. in den Peugeot der 7-er Serie und den Citroën C5 und C8, wodurch diese seit dem Jahr 2000 bzw. 2002 die ab 1.1.2005 gültige Abgasnorm EU 4 bereits übererfüllen. (0,001 g/km von 0,025 g/km). Erst 2003 begannen langsam auch die anderen Hersteller zu reagieren. Momentan (2004) bieten DaimlerChrysler und BMW in einigen Fahrzeugen der Oberklasse Partikelfilter als Sonderzubehör an, Audi und VW haben keine im Angebot.
Geschichte
Der Dieselmotor wurde 1892 von Rudolf Diesel erfunden, der seine ersten Motoren im Dienste der MAN AG (Maschinenfabrik Augsburg Nürnberg) baute. Ursprünglich wurde er mit Pflanzenöl betrieben und der Kraftstoff wurde mit Luft eingespritzt, da zu Diesels Zeiten keine Einspritzpumpen verfügbar waren, die den flüssigen Kraftstoff alleine hätten genau genug dosieren können.
Der aus Erdöl hergestellte Dieselkraftstoff wurde erst später massenproduziert und nach ihm benannt. Seit Ende des 20. Jahrhunderts wird zunehmend auch der so genannte Biodiesel PME (Pflanzenölmethylester) eingesetzt. Natürlich können die meisten heutigen Dieselmotoren auch mit Pflanzenöl betrieben werden, insbesondere der verbesserte Elsbett-Motor.
- Im Februar 1897 führte die Entwicklung Diesels zu einen Motor mit befriedigenden Laufeigenschaften und damals sagenhaften 26% Wirkungsgrad.
- 1908 - Prosper L'Orange beginnt seine Karriere bei Benz & Cie und entwickelt eine präzise arbeitende Einspritzpumpe sowie das Vorkammerprinzip.
- 1914 - erste U-Boot-Diesel mit direkter Einspritzung
- 1919 meldet Prosper L'Orange seine Erfindung zum Patent an: Ein trichterförmiger Einsatz in der Vorkammer garantiert eine sichere Zündung und eine optimale Verbrennung.
- 1923 - Erster Traktor mit Vorkammer-Dieselmotor
- 1924 lief die Lastwagenherstellung mit den ersten Dieselmotoren an: Bei MAN und bei der Süddeutschen Automobilfabrik, die damals schon Carl Benz gehörte
- 1936 - Hanomag und Mercedes-Benz bauen die ersten Diesel-Pkw: Mercedes-Benz 260 D
- 1976 - bringt VW den ersten Golf mit Dieselmotor heraus
- 1997 beginnt Mercedes-Benz mit der Common-Rail-Technik
Spezielles und Kurioses zum Diesel
Dieselmotoren werden üblicherweise mit Ottomotoren gleicher Leistung verglichen. Dies ist ein wenig ungerecht, da der Diesel in der Regel eine Drehzahlgrenze bei 5000/min hat. Dies liegt am Zündverzug des Kraftstoffes, der eine gewisse Zeit (ca. 1 ms) braucht, um sich soweit aufzuheizen, dass die Selbstzündung beginnen kann.
Ottomotoren haben weniger Probleme mit solchen Drehzahlgrenzen, Motorradmotoren kommen auf 9.000/min bis 10.000/min, Formel 1 Motoren bis in Bereiche von 18.000/min.
Nun ist aber bekanntlich Leistung = Drehmoment × Drehzahl, wenn also ein Diesel mit 100 kW bei 4.000/min mit einem Benziner mit 100 kW bei 8.000/min verglichen wird, muss der Diesel - wegen der Drehzahlgrenze - doppelt so viel Drehmoment bieten, damit er die gleiche Nennleistung von 100 kW bringt. Bei 4.000/min bekommt ein Motor nur etwa halb so viel Verbrennungsluft wie bei 8.000/min (gleicher Hubraum vorausgesetzt). Damit benötigen Diesel für vergleichbare Leistungen mehr Hubraum oder einen Turbolader und so sind sie bei dieser Art des Vergleiches schwerer und drehmomentstärker als die Ottomotoren.
Ein anderer interessanter Punkt aus der Geschichte ist die Rolle von Mercedes / Daimler Benz / DaimlerChrysler. Mit dem 260D brachte man 1936 den ersten Pkw-Diesel heraus. Noch in den 70er Jahren baute Mercedes in seine Diesel Drosselklappen ein - obwohl die einen Diesel eher stören. Hintergrund ist die Einspritzpumpe, die durch den Unterdruck gesteuert wurde und der Bremskraftverstärker, der seine Servowirkung mit Unterdruck erreicht.
Inzwischen bietet Honda wieder einen Diesel mit Drosselklappen an, wobei der 4-Ventil-Motor die Drosselklappen nur in einem von zwei Ansaugtrakten je Zylinder verwendet, um die Strömung im Zylinder zu beeinflussen.
Auch Diesel haben so etwas wie eine Vorzündung. Bei Ottomotoren wird die Zündung eingeleitet, bevor der Kolben den oberen Totpunkt (OT) erreicht, damit kurz nach der Zündung der Gasdruck möglichst hoch ist. Beim Diesel gibt es eine entsprechende, drehzahlabhängige Voreinspritzung.
Wenn man den thermodynamischen Modellprozesse 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 wider, welches bei etwa 1:17 bis 1:23 liegt. Allerdings bringen höhere Verdichtungen überproportional steigende Reibungsverluste mit, so dass sich höhere Verdichtungsverhältnisse nicht mehr lohnen.
Wenn man nun den Ottomotor und seinen thermodynamischen Vergleichsprozess (den Gleichraumprozess oder Otto-Prozess) nimmt, dann hätte der Ottomotor den besseren Wirkungsgrad - wenn er nur so hoch verdichten könnte, wie der Diesel.
Die Entwicklung von Otto- und Dieselmotoren erinnert ein wenig an die Entwicklung von Glühlampe und Leuchtstofflampe: Ottomotor und Glühlampe sind wesentlich älter, verbrauchen mehr Energie und werden von privaten Kunden bevorzugt. Diesel und Leuchtstofflampe sind etwa um die gleiche Zeit entstanden, gelten als sparsam und haben sich im professionellen/industriellen Umfeld durchgesetzt.
Die Royal Enfield ist das einzige (Serien-)Diesel-Motorrad der Welt und es kommt aus Indien. Die derzeit stärkste Motorvariante (Stand: 06/2004) hat 8,1 kW (11 PS) und bringt das Motorrad auf 110 km/h. Der Durchschnittsverbrauch wird mit 1,7 l Diesel je 100 km angegeben.
Weblinks
Siehe auch: Diesel-Prozess, Themenliste Straßenverkehr