Erfinder des Dieselmotors ist der deutsche IngenieurRudolf Diesel, der seine Überlegungen zu einem Motor mit besonders hohem Wirkungsgrad erstmals 1893 im WerkTheorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors veröffentlichte. In den Jahren nach 1893 gelang es ihm in einem Labor derMaschinenfabrik Augsburg (heuteMAN), allerdings nur durch Abweichen von dem in seinem Buch beschriebenen Konzept, einen solchen Motor zu bauen. Durch seine in vielen Ländern angemeldeten Patente und seine rege Öffentlichkeitsarbeit wurde er zum Namensgeber des Motors sowie des zugehörigen Dieselkraftstoffs, einesMitteldestillats.
Viertakt-Dieselmotoren saugen beimAnsaugtakt eineZylinderfüllung Luft an; beim Zweitakter beginnt der „Spülvorgang“ kurz bevor der Kolben den unterenTotpunkt erreicht hat und endet kurz nachdem er den unteren Totpunkt wieder verlassen hat – verbranntes Abgas wird durch frische Luft ersetzt. Die frische Luft wird beim Verdichtungstakt stark komprimiert (Verhältnis beim Viertaktmotor etwa 16:1 bis 24:1)[K 1] und dadurch auf etwa 700–900 °C erhitzt (Kompressionswärme). Kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens beginnt die Einspritzung des Kraftstoffs, der dabei in die heiße Luft im Brennraum feinst verteilt und zerstäubt wird. Die hohe Temperatur reicht aus, um das Gemisch zu zünden – es ist also keinZündfunke einerZündkerze notwendig wie beimOttomotor.
Selbstzündung: Die Luft heizt sich durch die (annähernd)adiabate Kompression stark auf, und der in die heiße Luft eingespritzteKraftstoff entzündet sich ohne eine externe Zündhilfe.
Prinzipiell sind DieselmotorenVielstoffmotoren und können daher mit allenKraftstoffen betrieben werden, die bei der Betriebstemperatur des Motors von derEinspritzpumpe gefördert werden können, sich gut zerstäuben lassen und für geringenZündverzug eine ausreichende Zündwilligkeit haben. Das Maß der Zündwilligkeit ist dieCetanzahl, die möglichst hoch sein soll.[E 1] Außerdem sollte derHeizwert hoch sein.[E 1] In der Regel besteht Dieselmotorenkraftstoff aus hochsiedenden und langkettigenKohlenwasserstoffen (C9 bis C30).[H 1] In der Praxis erfüllen (mitunter zäh-)flüssige, aus fossilen Energieträgern destillierte Kraftstoffe wieGasöle undTeeröle mit Heizwerten zwischen ca. 38,8 und 43,5 MJ/kg diese Anforderungen.[E 2] Außer flüssigen Kraftstoffen sind auch gasförmige Kraftstoffe geeignet.[LIT 2] Nach dem Ersten Weltkrieg wurden überwiegend minderwertige, gar billige Öle als Kraftstoffe eingesetzt, weil sie nicht besteuert wurden. Bis in die 1930er-Jahre warenBenzin,Petroleum,Schmieröl, Gasöl undPflanzenöle sowie Mischungen dieser Kraftstoffe üblich. Mit dem Voranschreiten der Dieselmotorentechnik wurden oft bessere, zündwillige Kraftstoffe mit Cetanzahlen von 45 bis 50 CZ unabdingbar. In der Praxis wurden Gasöl,Steinkohlenteeröl und Öl ausKohlenschwelung genutzt.
Bis in die 1940er-Jahre hinein gab es keinen durch Normen standardisierten Dieselmotorentreibstoff, erstmals wurde Dieselkraftstoff nach dem Zweiten Weltkrieg in der DIN 51601 für Landkraftfahrzeuge vereinheitlicht.[M 1] Seit 1993 istDieselmotorkraftstoff in derEN 590 genormt und wird schlichtDiesel genannt, die meisten Dieselmotoren (Kfz, Arbeitsgeräte) sind für den Betrieb mit diesem Kraftstoff ausgelegt oder können damit betrieben werden; großeSchiffsdieselmotoren werden auch heute noch überwiegend mit schwererem Kraftstoff betrieben (sieheSchiffsdieselöl). Dieser Kraftstoff ist in der Norm ISO 8217 genormt. Für welche Kraftstoffsorten ein bestimmtes Dieselmotorenmodell ausgelegt ist, kann meist dem Betriebshandbuch entnommen werden. EinigeWirbelkammer-Motoren etwa sind für den Betrieb mit zündunwilligem Kraftstoff mit besonders hohem Zündverzug ausgelegt (wie zum BeispielMotorenbenzin).[E 3]Direkteinspritzende Dieselmotoren mitMAN-M-Verfahren sind ebenfalls prinzipiell für den Betrieb mit 86-Oktan-Benzin geeignet.[M 2] Werden Dieselmotoren mit falschem Kraftstoff betrieben, dann könnenVerkokungen derEinspritzdüsen[E 2] oderKlopfen (Nageln)[E 3] auftreten. Verunreinigungen des Kraftstoffes, etwa durch Staub, Rost, Sand und Wasser wirken sich ebenfalls schädlich auf den Dieselmotor aus, wobei Verunreinigungen durch Sand besonders ungünstig sind.[E 4]
Der erste Dieselmotor war für den Gebrauch vonMineralöl konstruiert, aber auch für den Betrieb mitPetroleum,Motorenbenzin undLigroin geeignet.[D 1] Den Einsatz von Kraftstoff auf Basis von Pflanzenölen testete Rudolf Diesel im Rahmen derWeltausstellung im Jahr 1900. Er berichtete darüber auf einem Vortrag vor derInstitution of Mechanical Engineers of Great Britain: „… auf der Pariser Weltausstellung 1900 wurde ein kleiner Diesel-Motor derGasmotorenfabrik Deutz AG vonNicolaus Otto gezeigt, der auf Anforderung der französischen Regierung mitErdnussöl (Arachidöl) lief, und er arbeitete so problemlos, dass nur sehr wenige Leute darauf aufmerksam wurden.“[ON 1]
Der Dieselmotor wird im Wesentlichen durch die eingespritzte Kraftstoffmenge geregelt. Bei einer Vergrößerung der Menge wird entsprechend mehr Moment abgegeben, gleichzeitig sinkt dasVerbrennungsluftverhältnis. Bei Turbomotoren kann parallel durch Anhebung des Ladedruckes auch die Luftmenge erhöht werden.
Nicht unterteilter Brennraum eines Common-Rail-DieselmotorsTechnische Zeichnung des Zylinderkopfes eines Wirbelkammerdieselmotors mit unterteiltem Brennraum. Der Brennraum ist in der Mitte der Zeichnung zu sehen und besteht aus der kugelförmigenWirbelkammer, die mit drei die Verwirbelung der Luft darstellenden Pfeilen im Uhrzeigersinn gekennzeichnet ist, und dem damit verbundenenHauptbrennraum im Kolben unten rechts, der flach im oberen Teil des Kolbens ausgebildet ist.
Dieselmotoren haben prinzipbedingt Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum (innere Gemischbildung),Modellmotoren und Fahrradhilfsmotoren (Lohmann-Motor) mit Vergaser und Kompressionszündung werden nicht zu den Dieselmotoren gezählt. Eingespritzt wird der Kraftstoff kurz vor Ende des Kompressionstaktes, wenn die Luft ausreichend stark komprimiert wurde und sich dadurch erhitzt hat. Dabei hängt der Verlauf des Einspritzvorganges von der Konstruktion der Einspritzdüse und des Pumpenelementes sowie vom geometrischen Verhältnis der Einspritzleitung und des Entlastungsventils ab. Bei der Einspritzung tritt der flüssige Kraftstoff als Wolke feinstverteilter Tröpfchen in den Brennraum ein, wobei die Luft bereits Zündbedingungen bietet. Nur ein geringer Teil des Kraftstoffes ist in dieser Phase dampfförmig. Die einzelnen Kraftstofftröpfchen haben dabei unterschiedliche Größen und sind nicht gleichmäßig verteilt (heterogenes Gemisch). Damit die Zündung eintreten kann, muss Wärmeenergie aus der komprimierten Luft in die Kraftstofftröpfchen übergehen, sodass die einzelnen Tröpfchen an ihrer Oberfläche verdampfen und sich eine Dampfschicht um die Kraftstofftröpfchen legt, die sich mit der Luft vermischen kann. Erst ab einer lokalen Luftzahl von ist das Gemisch zündfähig. Der Zeitraum vom Einspritzbeginn bis zum Zündbeginn wird als Zündverzug bezeichnet.[N 2]
Stationärdieselmotor mit Lufteinblasung und einer Leistung von 59 kW aus dem Jahr 1915. Prinzipbedingt hat dieser Motor bei geringer Leistung eine hohe Masse und große Abmessungen
Für Dieselmotoren wurden verschiedene Einspritzverfahren entwickelt, die sich im Wesentlichen in der Bauart des Brennraumes und der Einspritzpumpe unterscheiden. Zum einen gibt es Motoren mit einem kompakten Brennraum undunmittelbarer Einspritzung, zum anderen Motoren mit unterteiltem Brennraum und mittelbarer Einspritzung in eine dem Hauptbrennraum vorgelagerte Kammer. Wegen ihres geringeren Wirkungsgrades gilt diese Bauart als überholt.[J 1] Die älteste Methode, das Einblasen mit Druckluft, wurde schon nach dem Ersten Weltkrieg obsolet. Ferner ist die Bauart der Kraftstoffeinspritzpumpe ein wesentliches Merkmal des Einspritzsystems, wobei konventionelle Einspritzpumpen meist mit beiden Brennraumformen kombiniert werden können. Moderne Dieselmotoren für Pkw haben in der Regel unmittelbare Einspritzung; die Zylinder haben eine gemeinsame Hochdruckpumpe und eine ständig unter Druck stehende, für alle Zylinder gemeinsame Hochdruckleitung (Common-Rail); die Einspritzung wird durch das Öffnen der Einspritzventile eingeleitet, die elektronisch angesteuert werden.[J 2] Bei Motoren ohne elektronische Motorsteuerung wird die Einspritzung rein mechanisch eingeleitet. Dabei wird die Einspritzmenge durch die Einspritzpumpe festgelegt, die folglich für jeden Zylinder eine exakt definierte Menge Kraftstoff unter hohem Druck zum Einspritzventil fördern muss. In der Anfangszeit des Dieselmotorenbaus konnte die feine Verteilung des Kraftstoffs nur durchEinblasen mit Druckluft erreicht werden.[LIT 3][D 2] Werden Dieselmotoren mit gasförmigem Kraftstoff betrieben, so kann der Motor entweder ein Dual-Fuel-Dieselmotor oder ein reiner Gas-Dieselmotor sein. Dual-Fuel-Motoren saugen ein Gas-Luft-Gemisch an, das durch eine kleine Menge eingespritzten konventionellen flüssigen Kraftstoffs entzündet wird, der verbrennt (Pilotzündung) und dadurch dann das gasförmige Kraftstoff-Luft-Gemisch entflammt. Diese Art Motor kann auch im reinen Flüssigkraftstoffbetrieb arbeiten. Reine Gas-Dieselmotoren haben eine Hochdruckkraftstoffeinblasung, die ohne Pilotzündung auskommt. Sie können nicht mit flüssigem Kraftstoff betrieben werden.[LIT 2]
Der Arbeitsprozess von Verbrennungsmotoren ist komplex. Um sie mathematisch zu beschreiben und einer Berechnung zugänglich zu machen, werden daher idealisierte theoretisch stark vereinfachteVergleichsprozesse herangezogen. Die Vergleichsprozesse sind Kreisprozesse und gehen abweichend vom tatsächlichen Motor davon aus, dass im Motor ein ideales Gas erwärmt und wieder abgekühlt wird, um mechanische Arbeit zu verrichten. Nach DIN 1940 wird beim vollkommenen Motor davon ausgegangen, dass die Verbrennung nach vorgegebenen Modellgesetzmäßigkeiten verläuft, dass es nur reine Ladung ohne Restgase gibt, keine Strömungs- und Lässigkeitsverluste auftreten, der Ladungswechsel durch eine definierte Wärmeabfuhr modelliert wird und der Motor ansonsten wärmedicht ist.[I 1] In einem tatsächlichen Motor gibt es, anders als im Modell, keineisentrope Kompression und Expansion, aber Strömungsverluste und eine langsame Verbrennung, die einen gewissen Zeitbedarf hat. Ferner müssen auchLadungswechsel undLiefergrad berücksichtigt werden.
Rudolf Diesel hatte die Idee des Dieselmotors auf Basis desCarnot-Kreisprozesses, den er mit einer Maschine verwirklichen wollte. Im Carnot-Kreisprozess wird die Wärme bei konstanter maximaler Temperatur zugeführt und bei konstanter minimaler Temperatur abgeführt, das heißtisotherm: „Isothermen sind Gaszustandsänderungen, bei denen die Temperatur konstant bleibt, während sich Druck und Volumen des Gases ändern.“ Durch die Isothermen hat der Carnot-Kreisprozess den für ein gegebenes Temperaturgefälle maximal möglichenWirkungsgrad.[G 1] Der von Diesel auf Grundlage des Carnot-Prozess erdachte und im BuchTheorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors beschriebeneDieselkreisprozess ist einGleichdruckprozess,[H 2] das heißt, dass die Wärme in ein Gas isobar, also bei gleichbleibendem, maximalen Druck zugeführt wird, während sich das Volumen ändert. Die Wärme wird dem Prozess bei konstantem Volumen, also isochor entzogen, während sich der Druck ändert. Zwischen diesen beiden Phasen gibt es jeweils isentrope Kompression und Expansion, in der Reihenfolge Kompression, Wärmezufuhr, Expansion, Wärmeabfuhr.[C 2] Da der Dieselkreisprozess ein Kreisprozess ist, können diese vier Phasen beliebig oft wiederholt werden.[L 1]
Tatsächlich funktioniert das von Rudolf Diesel ursprünglich erdachte Arbeitsverfahren nicht bei einem realen Motor, da die notwendigen Gaszustandsänderungen nicht möglich sind und die Kompression für einen idealen Wirkungsgrad so groß sein würde, dass der Motor mehr Kompressionsarbeit verrichten müsste, als er selbst liefern könnte.[R 1] Diesel erkannte dieses Problem und verfasste im Mai 1893 ein Manuskript mit dem TitelSchlußfolgerungen über die definitiv f. d. Praxis zu wählende Arbeitsmethode des Motors, in dem er ein geändertes Arbeitsverfahren beschrieb.[R 2] Wichtigste Änderung waren eine verringerte Kompression[R 3] und mehr der Verbrennung zugeführter Kraftstoff.[R 4] Um dieses geänderte Arbeitsverfahren, nachdem alle Dieselmotoren arbeiten, im vereinfachten thermodynamischen Modell zu beschreiben, wird heute der Seiliger-Kreisprozess herangezogen.[C 1]
DerSeiliger-Kreisprozess ist eine Mischung aus Gleichdruck- und Gleichraumprozess. Zunächst wird Luft angesaugt und isentrop komprimiert, danach ein Teil der Wärme dem Gas bei annähernd gleichbleibendem Volumen (isochor) zugeführt. Wenn der maximale Druck erreicht ist, wird der Rest wie beim Diesel-Kreisprozess isobar, also bei veränderlichem Volumen, aber gleichbleibendem Druck zugeführt. Das soll im Rechenmodell die im realen Dieselmotor langsamer als im Ottomotor ablaufende Verbrennung abbilden. Den Rest des Arbeitstaktes expandiert das Gas isentrop. Dabei steigt das Volumen des Verbrennungsgases, Druck im Zylinder und Temperatur sinken. Am unteren Totpunkt wird im idealen Prozess das Gas auf seinen Ausgangszustand abgekühlt, im realen Motor das Abgas ausgestoßen und durch frische Luft ersetzt. Der Prozess beginnt wieder von neuem.[C 1] In einem realen Dieselmotor kann dem Gas zumindestannähernd isobar Wärme zugeführt undannähernd isochor entzogen werden. Damit hat der Dieselmotor bedingt durch die isobare Wärmezufuhr einen niedrigerenthermischen Wirkungsgrad als der Ottomotor.[L 2] Da der Dieselmotor jedoch, dank der Mischung von Kraftstoff und Luft erst nach der Kompression, mit einem wesentlich höheren Verdichtungsverhältnis betrieben werden kann, ist sein tatsächlicher Wirkungsgrad nicht schlechter, sondern besser als der eines Ottomotors.[C 1] Durch die Entwicklung in der Ottomotorentechnik mit neuen Gemischbildungsverfahren und kontrollierter Selbstzündung ist in Zukunft „eine weitreichende Konvergenz“ der Kreisprozesse des Otto- und Dieselmotors zu erwarten.[L 2]
Rudolf Diesel gibt in seinem 1893 erschienenen WerkTheorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren an, dass der thermische Wirkungsgrad eines idealen Dieselmotors 73 % betrage, in Wirklichkeit aber dieser Wert nicht erreicht werde. Den effektiven Wirkungsgrad eines Dieselmotors schätzte Diesel mit „das 6 bis 7fache der heutigen besten Dampfmaschinen (…) und später entsprechend mehr“. Bei einem Wirkungsgrad von 7,2 % einerVerbunddampfmaschine entspricht dies einem Wirkungsgrad von 43,2 % beziehungsweise 50,4 %[LIT 5] – tatsächlich erreichten Zweitaktgroßdieselmotoren 2014 effektive Wirkungsgrade von bis zu 55 %.[J 3] Bei Pkw-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung ist der Wirkungsgrad geringer, er liegt im Bestpunkt (Drehmoment undDrehzahl optimal) bei etwa 43 %.[A 1] Am 20. April 2024 stellte der chinesische AutomobilzuliefererWeichai Power auf dem inTianjin stattfindenden Weltkongress für Verbrennungsmotoren[1] einen Lkw-Dieselmotor mit einem Wirkungsgrad am Bestpunkt von 53 % vor.[2][3][4]
Die möglichen Kraftstoffe des Dieselmotors setzen sich primär aus den chemischen ElementenKohlenstoff undWasserstoff zusammen, der für die Verbrennung nötigeSauerstoff entstammt der Ansaugluft.[F 1] Da in der Luft zum überwiegenden AnteilStickstoff enthalten ist, kann dieser nicht unberücksichtigt bleiben.[F 2] Im Brennraum des Dieselmotors findet zwischen Kraftstoff und Ansaugluft eine chemische Reaktion statt, bei der die im Kraftstoff gebundene Energie umgewandelt wird. Dabei verbrennen die Kraftstoffmoleküle mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff, Abgase entstehen. Wird das theoretische Modell des idealen Dieselmotors herangezogen und wird dieser mit einer idealenLuftüberschusszahl betrieben, dann werden alle brennbaren Bestandteile des Kraftstoffes durch eine optimale Sauerstoffzufuhr auf die Endstufe der Oxidation gebracht – die Verbrennung ist vollständig. Das Abgas besteht dann ausKohlenstoffdioxid,Wasser, Stickstoff und gegebenenfalls dem überschüssigen Sauerstoff.[F 3] Unvollständig verbrannte Bestandteile befinden sich im Dieselmotorabgas desidealen Motors daher nicht.[F 4] In der Praxis tritt jedoch der Zustand der unvollständigen Verbrennung auf, bei der einige Kraftstoffbestandteile nicht vollständig umgewandelt werden. Grund dafür kann ein Luftmangel, eine unzureichende Vermischung von Kraftstoff mit der Luft oder eine unvollständige Verbrennung durch teilige Abkühlung des Brennraums sein.[F 3]
Ist die Verbrennung im Dieselmotor durch Luftmangel oder niedrige Temperaturen unvollständig, werden Kohlenstoffbestandteile des Kraftstoffs nicht umgewandelt und es bleibtDieselruß übrig; die Verbrennung des Motors wirdrauchend. Eine solche Verbrennung wirkt sich jedoch infolge der starken Brennraumverschmutzung ungünstig auf die Betriebseigenschaften des Dieselmotors aus, weshalb ein Dieselmotor nicht mit Luftmangel betrieben werden darf.[F 5] Selbst ein idealer Dieselmotor, allgemeiner jeder Motor mit inhomogenerGemischbildung, kann die Brennraumfüllung nicht rußfrei verbrennen. Der eingespritzte Brennstoff liegt in Form feinster Tröpfchen vor, die von außen nach innen durchzünden.[LIT 6] Die dabei auftretende Expansion der Verbrennungsgase verhindert das ausreichende Heranströmen weiterer Verbrennungsluft. Selbst wenn zu Brennbeginn, integral betrachtet, ein großerLuftüberschuss vorliegt, kann dieser nicht vollständig genutzt werden. Dadurch entsteht immer etwas Ruß. Tendenziell wird die Partikelmasse durch feinere Zerstäubung und großen Luftüberschuss geringer. Andererseits ist die inhomogene Gemischbildung die notwendige Voraussetzung zur Zündung einer Brennraumfüllung mit großem Luftüberschuss, da sich immer Volumenelemente finden lassen, in denen zündfähiges Gemisch vorliegt. Bei Motoren mit homogener Gemischbildung muss dieser Zustand durchSchichtladung eingestellt werden.
Im idealen Dieselmotor besteht das Abgas, wie oben beschrieben, aus CO2, H2O, N2 und O2. Dieser Zustand wäre jedoch nur bei niedrigen Verbrennungstemperaturen vorzufinden. In einem realen Dieselmotor entstehen hohe Verbrennungstemperaturen, die das chemische Gleichgewicht verändern; der in der Ansaugluft enthaltene Stickstoffdissoziiert und es bilden sichStickoxide.[F 6] Dies hängt auch vom Verfahren ab, so entstehen beim Wirbelkammerprinzip weniger Stickoxide als bei der Direkteinspritzung.[5]
Rohemissionen eines Pkw-Dieselmotors nach verschiedenen Quellen und bei verschiedenen Betriebspunkten. In der linken Spalte ist ein Betriebspunkt mit niedriger Last (ca. 25 %, und einemVerbrennungsluftverhältnis von 4) dargestellt. In der rechten Spalte ein Betriebspunkt nahe Volllast, bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1.1).
Die Verteilung ändert sich stark in Abhängigkeit vom Lastzustand und gering auch mit der Luftfeuchtigkeit. Die Luftfeuchte wird in der Regel aus den Anteilen des Kraftstoffs zurückgerechnet, da sie selten gemessen wird.[I 2]
Kohlendioxidemission durch die Verbrennung des Diesels
Die Kohlendioxid-Emission, die bei der Verbrennung von einem Liter Diesel entsteht, lässt sich gut abschätzen.[LIT 8][6] Als gute Näherung kann man für Diesel die chemische Formel annehmen. Tatsächlich ist Diesel eine Mischung verschiedener Moleküle. Kohlenstoff C hat eine molare Masse von 12 g/mol und Wasserstoff H (atomar) hat eine molare Masse von ca. 1 g/mol. Damit ist der Anteil von Kohlenstoff an der Gesamtmasse von Diesel ungefähr 12/14. Die Verbrennungsreaktion von Diesel ist:
Kohlendioxid hat eine molare Masse von 44 g/mol, da es aus 2 Sauerstoffatomen (16 g/mol) und einem Kohlenstoffatom (12 g/mol) besteht. 12 g Kohlenstoff ergeben 44 g Kohlendioxid.Mit einer Dichte des Diesels von 0,838 kg pro Liter berechnet sich die Masse Kohlendioxid, die bei der Verbrennung von einem Liter Diesel entsteht folgendermaßen:
Diese Abschätzung ergibt einen Zahlenwert, der in guter Übereinstimmung mit den Werten ist, die man in der Literatur findet.
Dieselmotoren haben durch denZündverzug eine physikalisch bedingte Drehzahlgrenze; theoretisch könnenWirbelkammermotoren bis ca. 5000 min−1 drehen,[B 1] Direkteinspritzer bis etwa 5500 min−1.[B 2] Konstruktiv sind jedoch nicht alle Motoren für den Betrieb an der theoretischen Drehzahlobergrenze ausgelegt.
Um die gleiche Leistung zu erreichen im Vergleich zu einem Ottomotor, muss ein Dieselmotor einen größerenHubraum oder eineAufladung (= höherer mittlerer Innendruck) haben, da das Drehmoment eines Dieselmotors aufgrund des kleineren Drehzahlbereiches höher sein muss:
Ein Ottomotor liefert bei einer Drehzahl von 6000 min−1 (100 s−1) ein Drehmoment von 160 Nm, was einer Leistung von ca. 100 kW entspricht. Ein gewöhnlicher Dieselmotor kann diese Drehzahl nicht erreichen, weswegen sein Drehmoment größer sein muss, um dieselbe Leistung zu erzielen. Um bei einer Drehzahl von 3000 min−1 (50 s−1) eine Leistung von ebenfalls 100 kW zu erzielen, muss das Drehmoment 320 Nm betragen.
Der Dieselmotor hat aufgrund der hohen Verdichtung (Expansionsgrad) einen gutenWirkungsgrad. Durch die geringereDrosselung entstehen beim Dieselmotor geringere Ladungswechselverluste und daher insbesondere im Teillastbereich ein geringererspezifischer Kraftstoffverbrauch. Das macht den Dieselmotor besonders wirtschaftlich.[J 6] Darüber hinaus sind die eingesetzten Kraftstoffe einfacher herzustellen und weniger gefährlich, da sie langsamer verdampfen (derFlammpunkt von Dieselkraftstoff beträgt mindestens, der von Benzin).[ON 2] Dieselmotoren eignen sich gut für Turboaufladung auch im niedrigen Drehzahlbereich, da der Kraftstoff wegen der inneren Gemischbildung beim Verdichtungshub nicht unkontrolliert zünden kann[K 2] und das abgegebene Drehmoment durch eine Änderung der Zusammensetzung des Kraftstoffluftgemisches (Qualitätsänderung), aber nicht dessen Menge eingestellt wird.[J 7]
Typisches Verbrennungsgeräusch eines historischen Industriemotors mit Direkteinspritzung, TypeMWM AKD 112 Z
Das Verbrennungsgeräusch des Dieselmotors ist lauter und die spezifische Leistung ist niedriger als beim Ottomotor.[B 3] Um die hohen Drücke aushalten zu können, müssen Gebrauchsdieselmotoren vergleichsweise präzise und robust gebaut sein; das führt zu einer größeren Masse des Motors[LIT 9], was zumindest bei der Anwendung in Fahrzeugen ein Nachteil ist. Daraus resultiert auch ein größerer Herstellungsaufwand und entsprechender Anschaffungspreis als bei einem Ottomotor mit vergleichbarer Leistung. Weiterhin bestehen beim Dieselmotor besondere Herausforderungen bei der Abgasreinigung. Einerseits entstehen bei der VerbrennungStickstoffoxide, die gegebenenfalls ein kompliziertes Abgasnachbehandlungssystem erforderlich machen, da derDreiwegekatalysator beim Dieselmotor nicht funktioniert. Dadurch wird der Dieselmotor deutlich teurer in der Anschaffung und gegenüber einem Dieselmotor ohne Abgasreinigungssystem weniger wirtschaftlich im Betrieb.[LIT 10] Andererseits neigt der Dieselmotor zum Rußen, weshalb sich dieersten Maßnahmen zur Abgasminderung ab Ende der 1950er Jahre auf die Begrenzung derRauchdichte von Dieselfahrzeugen richteten. Heute kann die Rauch- undFeinstaubentwicklung in den meisten Betriebssituationen auf ein Minimum reduziert werden, wofür jedoch neben einem ungeregelten Katalysator auch einDieselrußpartikelfilter erforderlich ist.
Glühwendel-Anzeige am Armaturenbrett eines Dieselfahrzeugs. Der Motor kann gestartet werden, wenn die Lampe erlischt.
Starten
Um einen Dieselmotor zu starten, muss die Einspritzpumpe so eingestellt werden, dass ein ausreichender Kraftstoffeinspritzdruck erzeugt werden kann, anschließend muss die Kurbelwelle in eine ausreichend schnelle Drehbewegung versetzt werden, sodass durch die Kompression die Selbstzündung in Gang kommt. Das Drehen der Kurbelwelle kann zum Beispiel bei kleinen Motoren durch eine Kurbel oder einen Seilzug von Hand, bei größeren Motoren einen Anlassermotor oder Druckluft bewerkstelligt werden. Elektrische Komponenten dienen bei einfachen Motoren lediglich der Überwachung.
Prinzipiell sind keine Starthilfen in Form von Brennkammervorglühanlagen für einen Dieselmotor vonnöten (weshalb nicht alle Dieselmotoren eine Vorglühanlage haben), sie können aber bei einigen Motoren sinnvoll sein. Die Umgebungstemperatur, ab der ein kalter Motor vorgeglüht werden muss, damit er sicher anspringt, hängt von seiner Bauart ab. Diese beträgt ca. beiVorkammermotoren, beiWirbelkammermotoren und beiDirekteinspritzern. Bei kleinen Dieselmotoren (Hubvolumen geringer als 1000 cm³ pro Zylinder) werden elektrischeGlühstiftkerzen eingesetzt, die in den Nebenbrennraum (Vorkammer beziehungsweise Wirbelkammer) eingebaut sind; bei Direkteinspritzern ragen sie in den Hauptbrennraum. Bei großen Nutzfahrzeugmotoren wird anstelle von Glühkerzen eineFlammstartanlage eingebaut. Neben der Funktion als Starthilfe werden bei modernen Motoren die Glühkerzen vom Steuergerät manchmal auch im „Normalbetrieb“ des Motors geheizt, was die Brennraumtemperatur erhöht, beispielsweise um die Regeneration des Partikelfiltersystems zu unterstützen.[J 8]
Um den Anlasswiderstand zu verringern, können bei einigen Motoren die Ventilsteuerzeiten geändert werden. Die einfachste Bauform ist der „Dekompressionshebel“, bei dessen Betätigung die Zylinder-Auslassventile stets geöffnet bleiben, damit sich die Kurbelwelle und deren Schwungscheibe leicht bis zur Startdrehzahl beschleunigen lassen. Nach dem Schließen des Dekompressionshebels arbeiten die Auslassventile wieder normal. DerSchwung soll zum Einsetzen der initialen Zündung führen. BeimVorkammerdieselmotor XII Jv 170/240 von Ganz & Co. werden beim Startvorgang die Steuerzeiten der Einlassnockenwelle verändert, sodass die Einlassventile erst sehr spät öffnen. Dadurch entsteht ein Unterdruck im Brennraum, der dafür sorgt, dass die einströmende Ansaugluft durch den schlagartigen Druckanstieg eine Temperaturerhöhung erfährt; so kann die Zündtemperatur im Motor ohne Glühkerzen erreicht werden.[P 1]
Stoppen
Da keine Zündanlage und (bei Motoren mit mechanischer Einspritzpumpe) kein elektrisches System für das Aufrechterhalten des Motorlaufs benötigt werden, kann bei solchen Motoren das Abschalten der Elektrik auch den Motor nicht stoppen. Bei älteren Fahrzeugen mit Dieselmotor stoppt daher mitunter selbst das Abziehen des Schlüssels die Maschine nicht.
Zum Stoppen des Motors wird entweder eineMotorstaubremse bis zum Absterben des Motors betätigt oder die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzdüsen mittels einer Ventilklappe unterbrochen. Bei modernen Fahrzeugmotoren wird das elektronisch geregelt, sodass sich das Verhalten des „Zündschlüssels“ eines modernen Diesel-Pkw nicht von demjenigen eines Pkw mit Ottomotor unterscheidet.
Besonderheiten bei Motoren für den Antrieb von Kraftfahrzeugen
Beim Prinzip des Dieselverfahrens sindDrosselklappen prinzipiell nicht erforderlich und wegen der Drosselverluste (Vergrößerung Ladungswechselschleife) für den Wirkungsgrad nicht sinnvoll. Jedoch gibt es bei modernen Dieselmotoren Drosselklappen: Bei Motoren mit zwei Einlasskanälen wird ein Einlasskanal als Füllkanal und der andere als Drallkanal konstruiert. In den als Füllkanal konstruierten Einlasskanal wird eine „Drallklappe“ genannte Drosselklappe eingebaut, die im Teillastbereich geschlossen wird. Dadurch wird die Durchmischung von Luft und Kraftstoff verbessert, was zur Reduktion der Abgasemissionen eingesetzt wird.[A 2] Verstärkt wird die Drosselklappe auch zur Verbesserung des Ansaugluftstrom-Geräuschverhaltens (englischSound Design) genutzt.[A 3]
In der Geschichte gibt es Beispiele für Dieselmotoren, die aus einem weiteren Grund mit einer Drosselklappe ausgestattet waren. So z. B. derOM 138 vonDaimler-Benz aus dem Jahre 1936. Noch bis in die 1980er Jahre baute Daimler-Benz in DieselmotorenDrosselklappen ein, weil die früher verwendete Bauart der Bosch-Einspritzpumpe pneumatisch, d. h. durch leichtenUnterdruck imAnsaugtrakt, gesteuert wurde.[P 2] Diese Art der Regelung ist jedoch in manchen Betriebszuständen recht anfällig für Schwarzrauchbildung, die aufgrund von Überfettung des Motors mit zu viel Dieselkraftstoff, welcher nicht komplett verbrennt und Ruß erzeugt, entsteht.
Man setzte bei Dieselmotoren für Pkw trotz des schlechteren Wirkungsgrades anfänglich auf mittelbare Einspritzung des Kraftstoffes in eine Kammer (Wirbelkammereinspritzung oderVorkammereinspritzung), da sie im Bezug auf Abgas- und Geräuschemissionen günstig ist.[B 1] Ende der 1980er-Jahre wurde zunehmend auf Direkteinspritzung umgestellt. Seit ca. 2010 wurdenPumpe-Düse-Systeme abgelöst, so dass direkteinspritzende Dieselmotoren für Pkw in der Regel mitCommon-Rail-Einspritzung ausgerüstet sind.[LIT 11]
Dieselmotoren stoßen Rußpartikel aus, wobei moderne Fahrzeugmotoren deutlich weniger Rußpartikelmasse ausstoßen als ältere Fahrzeugmotoren. Die ausgestoßene Rußpartikelmasse korreliert dabei mit der Rußpartikelquantität; die Größe der Partikel ist in den letzten Jahrennicht gesunken.[B 4] So betrug die Größe der Rußpartikel Stand 1993 überwiegend zwischen 0,01 und 0,1 µm und 0,3 µm,[Q 1] 2014 war dieser Bereich unverändert.[A 4] Teilweise sind die Partikel im lungengängigen Bereich.[Q 1] Der Kern der Rußpartikel kann eine kanzerogene Wirkung haben.[Q 2] In der Bundesrepublik Deutschland wurden Ende der 1990er-Jahre jährlich rund 72.000 t Dieselruß emittiert, davon stammen 64.000 t aus dem Verkehr, 42.000 t stammen von Nutzfahrzeugen; „dies bedingt jährlich rund 1000 Todesfälle“ (für das Jahr 2000).[LIT 12] Ergebnisse von in den 1980er-Jahren in den USA durchgeführten Studien zeigen, dass das Risiko, durch das Abgas von Dieselmotoren tödlich zu erkranken, sehr niedrig ist; es ist für Stadtbewohner in etwa so wahrscheinlich wie vom Blitz getroffen zu werden und an den Folgen zu sterben. Straßenarbeiter hingegen haben laut Studie ein deutlich höheres Risiko, an den Abgasen tödlich zu erkranken.[Q 2] Zur Reduktion des Gesamtpartikelausstoßes werden Rußpartikelfilter serienmäßig in Pkw eingebaut, sie erreichen Abscheideleistungen von über 90 %.[B 4] Im Partikelfilter werden die Rußpartikel oxidiert.[B 5]
Seit 1990 werden bei Diesel-Pkw ungeregelte Oxydationskatalysatoren eingebaut. Damit lässt sich der Ausstoß einiger Schadstoffe reduzieren: Kohlenwasserstoffe um bis zu 85 %, Kohlenstoffmonoxid um bis zu 90 %, Stickoxide um bis zu 10 % und Rußpartikel um bis zu 35 %.[B 4] Da das abgegebene Drehmoment beim Dieselmotor durch eine Änderung des Luftverhältnisses eingestellt wird () und der Motor meist mit Luftüberschuss () betrieben wird, kann kein konventioneller geregelterDreiwegekatalysator verwendet werden, der ein Luftverhältnis von etwa benötigt. Arbeiten um 2010 beschäftigten sich mit der Verwendung vonPerowskit inFahrzeugkatalysatoren für Dieselmotoren.[LIT 13] Die Dotierung perowskithaltiger Katalysatoren mitPalladium erhöht die Beständigkeit gegen „Vergiftung“ durch Schwefel.[LIT 14]
MittelsAbgasrückführung wird derStickoxidausstoß des Dieselmotors zwar gemindert, es muss hier allerdings ein Kompromiss zwischen vertretbaren Stickoxid- undPartikelwerten im Abgas eingegangen werden, da bei hohen Abgasrückführungsraten zwar Motorleistung und Stickoxidwerte absinken, der Rußpartikelausstoß aber in nicht tolerierbarem Maß ansteigt. Dennoch liegt der durchschnittliche Stickstoffdioxidausstoß von Pkw-Dieselmotoren unter realen Bedingungen sehr deutlich über den zugelassenen Grenzwerten. Während die Grenzwerte für die Abgasnormen Euro 4, Euro 5 und 6 bei 250, 180 bzw. 80 mg NOx pro km liegen, stoßen Dieselpersonenkraftfahrzeuge in Deutschland im tatsächlichen Fahrbetrieb durchschnittlich 674 (Euro 4), 906 (Euro 5) bzw. im Mittel 507 (Euro 6) mg NOx pro km aus (Daten bis Anfang 2017).[ON 3] Insgesamt überschreiten in den wichtigsten Märkten knapp ein Drittel der im Schwerlastverkehr und mehr als die Hälfte der für leichte Transportzwecke eingesetzten Dieselfahrzeuge die jeweilig geltenden Grenzwerte, was jährlich zu etwa 38.000 vorzeitigen Todesfällen zusätzlich führe.[LIT 15]Ohne Abgasnachbehandlungen ist der Stickoxidausstoß eines Dieselfahrzeuges niedriger, als der Stickoxidausstoß eines Fahrzeuges mit Ottomotor. Wird hingegen ein Dieselfahrzeug mit ungeregeltem Oxidationskatalysator mit einem Ottofahrzeug mit geregeltem Dreiwegekatalysator verglichen, so ist der Stickoxidausstoß beim Fahrzeug mit Ottomotor geringer.[Q 3]
In den 1960er- und 1970er-Jahren gab es Versuche, einen kompakten und leichten Kreiskolbenmotor mit Dieselverfahren als Kraftfahrzeugantrieb zu konstruieren. Die Versuche scheiterten am nicht umsetzbaren hohen Verdichtungsverhältnis, sodass die gebauten Prototypen nur mit extern zugeführter vorverdichteter Luft, aber nicht aus eigener Kraft, lauffähig waren.[O 1][O 2][O 3]
Dieselmotoren werden in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt. Sie sind insbesondere dann wirtschaftlich, wenn der Motor stationär arbeitet, oder in sehr großen Fahrzeugen wieLkw undSchiffen eingesetzt wird. Der Grund ist, dass der Dieselmotor gegenüber dem Ottomotor neben dem Vorteil des großen Wirkungsgrads auch den Nachteil des ungünstigeren Masseleistungsverhältnises hat, also die schlechtereLiterleistung. Da sich dasOberfläche-zu-Volumen-Verhältnis nicht linear verhält, wirkt sich die schlechtere Literleistung des Dieselmotors umso stärker negativ aus, je kleiner das Fahrzeug ist. BeiMotorrädern und Kleinmotoren für Boote, Rasenmäher, Modellspielzeug etc. findet der Dieselmotor deshalb kaum Anwendung. BeiLuftfahrzeugen ist das Gewicht ein besonders entscheidendes Kriterium, als Kolbenmotor war daher der Ottomotor verbreitet. Doch die größten jemals gebauten Luftschiffe,LZ 129 undLZ 130, waren mit Dieselmotoren ausgestattet, und gegenwärtig findet sich der Dieselmotor verstärkt inLeichtflugzeugen.
Dieselmotoren können sowohl für große als auch kleine Leistungsbereiche ausgelegt werden; das Leistungsspektrum reicht etwa vom vierstelligen Wattbereich bis in den zweistelligen Megawattbereich: Der leistungsstärkste Dieselmotor der Welt, der vierzehnzylindrige SchiffsmotorWärtsilä RT-flex96C, hat pro Zylinder einen Hubraum von 1,8 m³ und entwickelt eine Nennleistung von mehr als 80 MW[H 3] – der seinerzeit kleinste kommerzielle Dieselmotor der Welt, ein Stationärmotor vonR.H. Sheppard, hat 460 cm³ Hubraum und entwickelt eine Leistung von ca. 2800 W.[LIT 16] Moderne Dieselmotoren für Personenkraftwagen erreichen eineLiterleistung von rund 50–58 kW,[LIT 17] was jedoch nach wie vor deutlich unterhalb der mit Ottomotoren erreichbaren Literleistung liegt. Beispielsweise hat derVW Polo VI 1.0 TSI eine Literleistung von bis zu 85 kW, während die Diesel-Variante maximal 44 kW pro Liter erreicht. Tatsächlich konnte sich trotz jahrzehntelanger Parallelentwicklung im Pkw-Bau der Dieselmotor nicht gegen den Ottomotor durchsetzen, auch nicht in Ländern mit relativ hohen Kraftstoffpreisen. Seit 2015 gerät der Dieselmotor im Pkw-Bereich aus einem anderen Grund, dem sogenanntenAbgasskandal, zunehmend ins Hintertreffen.
Rudolf Diesel (1883)Patent für Rudolf Diesel vom 23. Februar 1893Zweiter Prototyp des Dieselmotors von 1894. Mit diesem Motor wurde am 17. Februar 1894 der erste Leerlauf erzielt.Erster funktionsfähiger Dieselmotor von 1896. Bohrung × Hub: 250 mm × 400 mm (Hubraum: 19.635 cm³, Leistung: 13,1 kW (bei Drehzahl: 154 min−1)), Drehmoment: 812 N·m (bei Drehzahl: 154 min−1), Spezifischer Kraftstoffverbrauch: 324 g/kWh[G 2]
1878 besuchte Rudolf Diesel, damals Student amPolytechnikum München, Thermodynamikvorlesungen des ProfessorsCarl von Linde. Linde erklärte seinen Studenten, dass eine Dampfmaschine nur 6 bis 10 Prozent der vom Brennstoff abgegebenen Wärme in effektive Arbeit umwandelt, beim Carnot-Prozess jedoch alle Wärme in Arbeit umgewandelt würde. Diesel gab an, dass dies sein Schlüsselerlebnis für die Entwicklung einer Maschine sein sollte, die den Carnot-Kreisprozess verwirklichen könnte. Zunächst arbeitete Diesel in seinem Labor in Paris an einer Ammoniakdampfmaschine, was jedoch nicht zur Praxisreife führte. Stattdessen erkannte er, dass anstelle von Ammoniak normale Luft verwendet werden könnte, wenn der Kraftstoff in dieser Luft verbrennt. Diesel meldete eine solche Maschine zum Patent an und veröffentlichte seine Überlegungen zum Motor im WerkTheorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors.[D 3][LIT 5]
Am 23. Februar 1893 erhielt er das Patent RP 67207 „Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungsmaschinen“ und es begann die Zusammenarbeit mit der Maschinenfabrik Augsburg und die Einrichtung eines Labors zur Erprobung verschiedener Arbeitsprinzipien mit dem Ziel eines hohen Wirkungsgrades.[LIT 18] Zu jenem Zeitpunkt hatte Diesel noch nicht erkannt, dass seine Theorie einen Fehler enthält und der in seinem Buch beschriebene Motor nicht funktioniert, da er mehr Verdichtungsarbeit benötigen würde, als er selbst liefern könnte. Dies wurde Rudolf Diesel erst im Frühjahr 1893 bewusst. Er konzipierte zwischen Mai und September 1893 ein verändertes Arbeitsverfahren, das mit weitaus weniger Kompression und einer geringerenLuftzahl auskommt; dieses heute als Dieselverfahren bezeichnete Arbeitsverfahren ist funktionsfähig und Grundlage aller Dieselmotoren. Aus Diesels Aufzeichnungen geht hervor, dass er den wichtigsten Teil dieses veränderten Arbeitsverfahrens bereits vor Beginn der Versuche in Augsburg erarbeitet hatte. Deshalb gilt es als erwiesen, dass Diesel selbst den Dieselmotor und das zugehörige Arbeitsverfahren erfunden hat, obgleich es von dem in seinem WerkTheorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors abweicht. Öffentlich hat Diesel seinen Fehler nicht zugegeben, da er ein Patent auf das in seinem Buch beschriebene, nicht funktionsfähige Arbeitsverfahren hatte, nicht aber auf das eigentliche Arbeitsverfahren des Dieselmotors.[R 2][R 5] Dieses eigentliche Arbeitsverfahren meldete Diesel erst im November 1893 zum Patent an (RP 82168).[D 4]
Diesel gibt explizit an, dass er nicht das Prinzip der Selbstzündung erfunden hat, sondern nur einen Prozess mit höchstmöglicher Wärmeausnutzung finden wollte; ein solcher Prozess setzt Selbstzündung voraus.[D 5] Die erste Versuchsmaschine, die bei M. A. N. nach Diesels Vorgaben gebaut wurde, war im Juli 1893 fertiggestellt und für den Betrieb mit flüssigen Kraftstoffen konzipiert. Sie war ein Viertakter mitKreuzkopfpleuel und OHV-Ventilsteuerung, die Bohrung betrug 150 mm, der Kolbenhub 400 mm.[D 6] Am 17. Februar 1894 lief dieser Motor das erste Mal aus eigener Kraft mit einer Leerlaufdrehzahl von 88 min−1 über einen Zeitraum von knapp einer Minute,[D 2] nachdem er im Januar umgebaut worden war.
Dabei musste Diesel jedoch einen Kompromiss eingehen. Diesel favorisierte die Direkteinspritzung des Kraftstoffes und hatte dafür das Prinzip des Akkumulierens vorgesehen, bei dem die Einspritzdüse aus einem Akkumuliergefäß gespeist wird, in dem mittels einer Luftpumpe ein konstant gehaltener Überdruck herrscht. Allerdings funktionierte dieses System trotz mehrerer Verbesserungen aufgrund der ungeeigneten Pumpen und an der fehlenden Präzision der Einspritzventile nicht gut genug, sodass Diesel die Luftpumpe stattdessen durch einen großen Kompressor ersetzen musste, der das Weglassen des Akkumuliergefäßes ermöglichte und der Kraftstoff nundirekt eingeblasen wurde. Das Konzept des Kompressors stammte vonGeorge Bailey Brayton. Allerdings wollte Diesel lieber einen Motor ohne großen Kompressor bauen.[M 3] Da es ihm nicht möglich erschien, dies umzusetzen, bezeichnete er kompressorlose Direkteinspritzung letztlich als „undurchführbar“.[M 4]
Ab 1894 erhielt Diesel in verschiedenen Ländern mehrere Patente auf wesentliche Verbesserungen des Selbstzündermotors. Insbesondere führte er den Motor in jahrelangen Versuchen zusammen mitHeinrich von Buz, dem damaligen Direktor der Maschinenfabrik Augsburg, zur Praxisreife und bemühte sich hierfür um Entwicklungsgelder, indem er das zukunftsträchtige Prinzip propagierte und Geldgeber gewann. Während der Entwicklung wurden auch Kraftstoffe wie Rohöl, Kohlenstaub und Benzin erprobt.[D 2] Erst 1897 präsentierte Diesel auf der II. Kraft- und Arbeitsmaschinen-Ausstellung in München[LIT 18] seinen Geldgebern und der Weltöffentlichkeit einen Motor, der mit Mineralöl arbeitete und einen tagelangen Dauerversuch überstand. Neuerer Literatur zufolge hatte er einen spezifischen Kraftstoffverbrauch von 258 g/PSh (350,8 g/kWh), was rechnerisch einen Wirkungsgrad von fast 24 % ergibt.[LIT 18] Andere Werke geben auch einen Kraftstoffverbrauch von 324 g/kWh an.[G 2] Der Wirkungsgrad übertraf denjenigen aller bisher bekannten Wärmekraftmaschinen.
Grundlage für die Entwicklung desFahrzeug-Dieselmotors war dieVorkammer, die 1909 vonProsper L’Orange zum Patent angemeldet wurde. Durch Einspritzung des Kraftstoffes in die Vorkammer genügte ein geringerer Einspritzdruck, was den Verzicht auf ein bis dahin nötiges kompliziertes und großesLufteinblassystem erlaubte. So reduzierte Baugröße und Gewicht des Dieselmotors ermöglichte den Einbau inLandfahrzeuge.[K 3]
1924 stellte MAN den ersten Dieselmotor mit Direkteinspritzung fürNutzfahrzeuge vor, die Leistung lag bei etwa 30 kW. In den darauffolgenden Jahren stieg die Leistung der Motoren immer weiter, bereits Mitte der 1930er-Jahre gab es Motoren mit mehr als 100 kW Leistung für Nutzfahrzeuge.
Bis in die 1960er-Jahre hinein warenKammermaschinen im Nutzfahrzeugsektor weit verbreitet, ehe derDirekteinspritzer aufgrund seiner höheren Wirtschaftlichkeit hier eine marktbeherrschende Stellung einnahm. DasCommon-Rail-Prinzip ist heute (2014) beim Fahrzeug-Dieselmotor das am weitesten verbreitete System.[J 2] Es wurde 1976 von derETH Zürich entwickelt. Ein erstes Common-Rail-System wurde im Winter 1985/1986 an einem modifizierten Dieselmotor der Type6VD 12,5/12 GRF-E im Straßenverkehr-Dauerbetrieb mit einem LkwIFA W50 erfolgreich erprobt. Der Motor-Prototyp ist heute imIndustriemuseum Chemnitz zu besichtigen.[ON 4]
Den ersten belegbaren Einbau eines Dieselmotors in einen Pkw vollzogHermann Dorner im Jahr 1924. Es handelte sich um einen Kleinstwagen mit luftgekühltemZweizylinder-Viertakt-V-Motor, der 3,3 kW bei 1300/min leistete undSchweröl als Kraftstoff benötigte. Aufgrund der damaligenHyperinflation kam es jedoch nur zu einer Kleinserie von vermutlich 24 Fahrzeugen.[7] 1927 folgten umfangreiche Erprobungen an einem Pkw vonStoewer, in denBosch versuchsweise einen Dieselmotor eingebaut hatte. Weitere auf Dieselmotor umgebaute Versuchs-Pkw folgten. Parallel führteCummins ab 1929 ähnliche Versuche an US-amerikanischen Pkw durch. Weitere Umbauten von Pkw auf Basis eigenentwickelter Dieselmotoren folgten ab 1932 durchGardner in England,Saurer in der Schweiz undOberhänsli in Österreich.[7]
Daimler-Benz indes forcierte erstmals die auf Pkw gerichtete Entwicklung eines Dieselmotors: Anfang der 1930er Jahre begann man dort mit der Entwicklung eines Dieselmotor mit Vorkammereinspritzung nach l’Orange, dem TypOM 138. Er war ab 1936 imMercedes-Benz W 138 erhältlich. Zur gleichen Zeit wurde eine Diesel-Variante desHanomag Rekord herausgebracht, die jedoch nicht sofort lieferbar war. Beide Fahrzeuge wurden im Februar 1936 auf derBerliner Automobilausstellung präsentiert. AuchCitroën arbeitete seinerzeit an Dieselmotoren für kleinere Kraftfahrzeuge und brachte 1936 mit den Typ „500 DI“ einen für gewerbliche Zwecke gedachten Kombiwagen mit Wirbelkammer-Dieselmotor heraus. Nach dem Zweiten Weltkrieg gab es den weiterentwickeltenOM 636 imMercedes-Benz W 136 ab 1949. 1959 begann beiPeugeot mit dem403 Diesel der Bau von Diesel-Pkw.
Die Verbreitung des Dieselmotors im Pkw blieb jedoch trotz seines guten Wirkungsgrads gehemmt, aus mehreren Gründen. Ein Dieselmotor verursachte größere Herstellungskosten als ein Ottomotor mit vergleichbarer Motorleistung. Beispielsweise kostete der Zylinderkopf desVW Golf I Diesel das Dreifache gegenüber dem entsprechenden Zylinderkopf des Ottomotors. DieEinspritzpumpen waren teurer als die Einspritz- oder Vergasersysteme für Ottomotoren, die hohe Verdichtung erforderte eine höhere Präzision in der Fertigung, das größere Gewicht zog entsprechenden Materialbedarf nach sich, Zahnriemen der Nockenwelle, Anlasser und Batterie mussten kräftiger bemessen sein und anderes mehr. Einer Studie von 1978 zufolge lagen die Herstellungskosten für einen Dieselmotor bei 150 % der Kosten eines hubraumgleichen Ottomotors und sogar über 200 % verglichen mit einem leistungsgleichen Ottomotor.[5] Ein weiteres Hemmnis war, dass die Motoren eine geringeLiterleistung hatten. Beispielsweise brachte es der 200 D imMercedes-Benz /8 auf 40 kW, während der etwa hubraumgleiche Ottomotor 70 kW leistete. Wegen des größerenOberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses des Pkw wirkt sich der Effekt hier stärker aus als bei Lkws, und dem besseren Wirkungsgrad des Dieselmotors stand im Pkw die relativ große Motormasse gegenüber. Hinzu kam ein abträgliches „Nutzfahrzeug-Image“, das auch mit dem vergleichsweise unkultivierten Motorlauf, dem Motorklang, dem eingeschränkten Drehzahlband und der erheblichenRußbildung im Abgas zusammenhing. Gekauft wurden die meisten Diesel-Pkw von Taxiunternehmen (wegen der geringeren Betriebskosten) und Landwirten (wegen des subventioniertlen Treibstoffs).
Dennoch begannen in den 1970er Jahren weitere Hersteller die Produktion von Diesel-Pkw, darunter – zu Peugeot gehörend –Citroën mit demCX undVolkswagen mit demVW Golf I, wobei man sichPerkins’ Erfahrungen zunutze machte. Während derSeat 132 D einen Benz-Diesel hatte, entwickelten sichFiat undAlfa Romeo eigenständig Dieselmotoren. Die Dieselmotor-Entwicklungen vonOpel (imRekord D ab 1972) undFord (Granada II ab 1977) bezogen sich im Wesentlichen auf Peugeot-Erfahrungen.[8] 1979 ging imVolvo 240 der ersteSechszylinder-Dieselmotor aus dem VW-TransporterLT in einem Pkw in Großserie. Indes blieb Mercedes-Benz spätestens ab den 1970er Jahren der einzige Hersteller, der für seine Pkw Dieselmotoren mitVorkammereinspritzung baute, alle anderen Pkw-Hersteller setzten in den 1970er Jahren auf dasWirbelkammerverfahren. Außerdem hatte sich damals dieVerteiler- gegen dieReiheneinspritzpumpe durchgesetzt, ebenso wie die fliehkraftgesteuerte Drehzahlregelung gegen die pneumatische Regelung.[5]
Zum wirklichen Durchbruch führten die Entwicklung desTurbodiesel und der elektronisch gesteuertenDirekteinspritzung für Pkw-Dieselmotoren, womit das bisherige Problem der geringen Literleistung überwunden und die Wirtschaftlichkeit gesteigert werden konnten. Bis in die 1990er-Jahre waren Pkw-Dieselmotoren noch mitKammerverfahren konstruiert, da das Verbrennungsgeräusch geringer ist.[K 3] Den ersten Turbodiesel in einem Serien-Pkw gab es 1978 imMercedes 300 SD. Das erste elektronische Steuergerät für Pkw-Dieselmotoren mitVerteilereinspritzpumpe, genanntEDC, wurde von Bosch entwickelt und erstmals 1986 beimBMW M21 eingesetzt.[LIT 20] 1987 erschien mit demFiat Croma 1,9 TD i.d. erstmalig ein Pkw mit elektronisch gesteuerter Direkteinspritzung und Turbo, bald darauf folgten 1988 derAustin Montego MDi und 1989 derAudi 100 2.5 TDI.
Später verbesserte die erstmalig an einem Pkw 1997 imAlfa Romeo 156 JTD umgesetzteCommon-Rail-Einspritzung bzw.Pumpe-Düse unter anderem die Laufruhe, und mit der Einführung desRußpartikelfilters, dessen Durchbruch mit demPeugeot 607 ab 2000 gelang, konnte auch der lästigeRuß im Abgas weitgehend beseitigt werden. Zunehmend wurde der Pkw-Dieselmotor vom Verbraucher akzeptiert, sodass in Europa im Jahr 2017 rund jedes zweite neu zugelassene Auto einen Dieselmotor hatte.[K 2]
Abhängigkeit der Verbreitung von den Kraftstoffpreisen
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Prozentanteil an verkauften Pkw-Neuwagen 2014 nach Funktionsprinzip:[ON 5]
B: Brasilien,Ch: China,E: Europa,I: Indien,
J: Japan,USA: Vereinigte Staaten
Die Verbreitung des Dieselmotors für Personenkraftwagen hängt weltweit von verschiedenen Faktoren ab, sodass auf einigen Märkten kaum Personenkraftwagen mit Dieselmotor anzutreffen sind. Hauptvorteil des Dieselmotors ist die aufgrund seines besseren Wirkungsgrades höhere Wirtschaftlichkeit, die jedoch nur bei hohen Kraftstoffkosten ins Gewicht fällt.[LIT 21]
Bis in die 1990er-Jahre dominierte in Deutschland die Meinung, ein Dieselwagen rentiere sich wegen seines höheren Anschaffungspreises nur für Vielfahrer. Wegen des erheblichen Minderverbrauchs insbesondere auf der Kurzstrecke in der Stadt und auch wegen der Preisdifferenz des niedriger besteuerten Dieselkraftstoffs (der Steuervorteil beträgt ca. 22 Cent/Liter)[ON 6] reichten bei vielen Fahrzeugen – trotz der deutlich höherenKraftfahrzeugsteuer (je 100 cm³ Hubraum: 9,50 €/a für neuere Diesel- statt 2,00 €/a für Benzinfahrzeuge) sowie der oft höheren Versicherungsprämie – zum Zeitpunkt April 2018 schon weniger als 10.000 Kilometer pro Jahr, damit sich der Dieselamortisiert.[ON 7]
In den USA ist Motorenbenzin deutlich günstiger als in Europa, daher kommt der Vorteil der Wirtschaftlichkeit nicht zum Tragen. Zudem hat der Dieselmotor in den USA einen schlechten Ruf aufgrund desOldsmobile-Dieselmotors aus den 1970er-Jahren und desAbgasskandals 2015. Der Marktanteil der Dieselwagen betrug daher in den USA 2017 nur knapp 2,7 %. Marktführer sind deutsche Automobilhersteller, die meisten amerikanischen Automobilhersteller haben keine Dieselfahrzeuge im Angebot. Auch Volkswagen bietet mit seinen Marken Audi und VW seit dem Abgasskandal keine Dieselwagen mehr an. Das Angebot an Dieselfahrzeugen ist jedoch zunehmend, sodass 2018 ein Anstieg des Dieselwagenmarktanteils prognostiziert wurde.[LIT 21]
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Neuzulassungen von Diesel-Pkw in den USA zwischen 2011 und 2014 nach Hersteller
Schon um 1980 wurde in der Fachliteratur auf das Problem hingewiesen, dass Dieselmotoren insbesondere bei Direkteinspritzung hohe Stickoxid-Emissionen erzeugen, die künftigen Umweltschutz-Standards nicht standhalten würden. VW selbst wertete dies seinerzeit als „hohes Entwicklungsrisiko“ für die Direkteinspritzung in Pkw-Motoren.[5] Nun offenbarte sich, dass die Automobilhersteller dieses Problem nur scheinbar gelöst hatten: Im September 2015 räumte der Volkswagenkonzern öffentlich ein, dass das Abgasnachbehandlungssystem seiner Dieselfahrzeuge bei Erkennung eines Prüfstandlaufs illegalerweise spezielle Prüfstands-Einstellungen verwendet und ihre Autos nur dadurch während des Prüfstandlaufs die vorgeschriebenen niedrigen Abgaswerte für Stickoxide erreichen. In der Folge wurden auch Manipulationen bei weiteren Abgas-Parametern bekannt. DieserVW-Abgasskandal brachte den Dieselmotor als effiziente Antriebstechnologie in die Kritik. Auch wurde in der Folge bekannt, dass viele Diesel-Fahrzeugtypen auch anderer Hersteller im Alltagsbetrieb oft Vielfache der zulässigen Schadstoffe ausstoßen. Ab 2016 wurden möglicheFahrverbote für Dieselfahrzeuge in deutschen Städten diskutiert. In Folge sank die Popularität des Dieselmotors in Deutschland, Volkswagen kostete der Abgasskandal laut Schätzungen der WirtschaftszeitschriftManager Magazin aus dem Jahr 2016 bis Mitte 2017 etwa 20–25 Milliarden Euro.[LIT 22]
Auf der Tagung des „Nationalen Forum Diesel“ des deutschenBundesverkehrsministerium undBundesumweltministerium sowie weitere fachbezogene Ministerien und Vertreter derAutomobilindustrie sowie Entscheidungsträger der Länder wurde am 2. August 2017 nach den Abgasskandalen und dem Urteil desVerwaltungsgerichts Stuttgart zur Luftverschmutzung eine bundesweite Lösung zur Reduzierung der Stickoxidemissionen bei Diesel-Pkw diskutiert. Eine Beteiligung von Umwelt- und Verbraucherschutzverbänden am „Nationalen Forum Diesel“ war nicht vorgesehen.[ON 8] Man einigte sich darauf, dass bei rund 5,3 Millionen Diesel-Pkw der Abgasnormen Euro 5 und 6 durch Herstellerumrüstmaßnahmen der Stickoxidausstoß bis zum Jahresende 2018 um etwa 25–30 % gesenkt werden soll. Dieses Ziel konnte jedoch, mit Stand Februar 2019, noch nicht vollständig erreicht werden.[ON 9] Weiters sollen die Automobilhersteller den Umstieg auf umweltfreundliche Fahrzeuge durch Prämien attraktiver machen und zusammen mit dem Bund einen Fonds „Nachhaltige Mobilität für die Stadt“ auflegen. Ausländische Automobilhersteller wurden ebenfalls dazu aufgefordert, den Schadstoffausstoß ihrer Fahrzeuge zu senken.[ON 10]
Am 23. Mai 2018 verhängte bundesweit erstmals seit dem Abgasskandal mit derHamburgerBehörde für Umwelt und Energie eineöffentliche Stelle Fahrverbote für Fahrzeuge mit älteren Dieselmotoren. Laut dem HamburgerLuftreinhalteplan gelten ab dem 31. Mai 2018 in Teilen derMax-Brauer-Allee sowie derStresemannstraße Fahrverbote für Fahrzeuge, die nicht mindestens dieAbgasnorm Euro 6 erfüllen. Zuvor hatte dasBundesverwaltungsgericht derartige Fahrverbote grundsätzlich für zulässig erachtet, um die Luftbelastung mitStickoxiden zu verringern.[ON 11] DerBUND Hamburg kritisierte die Entscheidung, weil der Verkehr und die schädlichen Stickoxide nur auf andere Straßen verteilt würden, wo keine Messungen durchgeführt werden. Zielführend seien nur flächendeckende Fahrverbote.[ON 12]
Pkw-Bestand in Deutschland nach Treibstoffart, 2004 bis 2017
Im Jahr 1991 hatten in Deutschland 13 % allerneu zugelassenen Pkw einen Dieselmotor; 2004 waren es 44 %. Bis 2008 blieb der Prozentanteil der jährlich zugelassenen Diesel-Pkw etwa konstant. Im Jahr 2009 wurden wegen derUmweltprämie überdurchschnittlich viele neueKleinwagen und Kleinstwagen in Deutschland zugelassen, die nur selten einen Dieselmotor hatten. 2011 bis 2016 lag der Anteil der neu zugelassenen Diesel-Pkw stets über 45 Prozent. 2017 waren nur 38,8 Prozent der neu zugelassenen Pkws Diesel-Pkws; ein Grund für den Rückgang war derDiesel-Abgasskandal und die Diskussionen über Fahrverbote.[ON 13]2017 hatte etwa ein Drittel aller in Deutschlandzugelassenen Pkws einen Dieselmotor.[ON 14][ON 15][ON 16]
Anteil von Diesel-Pkw an den Neuzulassungen in Deutschland von 1991 bis 2020
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↑Editors: Gerhard Knothe, Jon van Gerpen, Jürgen Krahl: The Biodiesel handbook. (PDF; 21,3 MB) AOCS Press, Champaign-Illinois, 2005, S. 13, 14, abgerufen im Januar 2011 (englisch).
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