DIESELWISSEN
Schiffsdieselmaschinen
2- Takt Dieselmotoren Ein
Dieselmotor ist eine Wärmekraftmaschine die nach dem Dieselverfahren
arbeitet und üblicherweise als Hubkolbenmotor (Verbrennungsmotor) gebaut
wird. Der Dieselmotor wurde 1890 von Rudolf Diesel erfunden und bei der
Firma MAN in Augsburg entwickelt. Ausführungen Es gibt verschiedene Einspritzverfahren, z. B. Es gibt verschiedene Technologien zum
Aufbau der Einspritzdrücke, z. B. bei Motoren mit Direkteinspritzung durch Vor- und Nachteile Die
wirtschaftlichen Vorteile eines Dieselfahrzeuges hängen teilweise auch
von den steuerlichen Randbedingungen ab. In zahlreichen Staaten ist
durch die Besteuerung der Dieselkraftstoff günstiger als Ottokraftstoff,
so dass sich die meist höheren Anschaffungskosten über die Laufzeit
amortisieren. Das grössere Gewicht bei gleicher Leistung
im Vergleich zum Ottomotor (zumindest in der Vergangenheit) Die von Ottomotoren bekannte Vorzündung findet
sich in abgewandelter Form auch in der Motorsteuerung von Dieselmotoren
wieder. Bei mechanisch geregelten Pumpen gibt es dazu zwei Mechanismen:
Der Spritzversteller sorgt abhängig von der Motordrehzahl für eine
frühzeitige Einspritzung vor dem oberen Totpunkt und der
Kaltstartbeschleuniger verlegt den Einspritzbeginn bei tiefen
Temperaturen in der Kaltlaufphase in Richtung 'früh'. Bei elektronisch
geregelten Pumpen werden diese Aufgaben vom Steuergerät übernommen. Motorräder mit Dieselmotoren sind ungewöhnlich,
aber es gibt sie. Nach Stand 2005 sind Umbauten der in Indien
gefertigten Royal Enfield Bullet mit italienischen Lombardi- und einem
deutschen Hatz Dieselmotor käuflich, beide mit ca. 8 kW. Diese
Motorräder dürften die wirtschaftlichsten Kraftfahrzeuge sein. Weblinks Letzte
Aktualisierung am 21/06/10 15:45:23
Bedeutung
Nachdem der Dieselmotor im Automobilbau,
zumindest bei Pkws, jahrzehntelang ein Schattendasein führte, sind
Kraftfahrzeuge mit Dieselmotoren in Europa mittlerweile sehr weit
verbreitet. In einigen Ländern stellen Dieselautos bereits mehr als 75
Prozent aller Neuwagenzulassungen. Neben dem technischen Fortschritt der
Fahrzeuge sind weitere Gründe für den wachsenden Erfolg im geringeren
Kraftstoffverbrauch von Dieselmotoren im Vergleich zu Ottomotoren sowie
in der in vielen Ländern bestehenden, niedrigeren Besteuerung von
Dieselkraftstoff zu sehen. Dieselkraftstoff wird niedriger besteuert, um
die Betriebskosten von Lastkraftwagen, die in Europa ausschliesslich
mit Dieselmotoren ausgestattet sind, niedrig zu halten. Als Ausgleich
hierfür wird in einigen Ländern die Kraftfahrzeugsteuer für
Dieselfahrzeuge angehoben, so dass erst eine hohe Kilometerlaufleistung
zu einer Nettoersparnis führt. In anderen Kontinenten ist der
Dieselmotor deutlich weniger verbreitet, wobei es Planungen
beispielsweise der deutschen Automobilhersteller gibt, in Zukunft auch
auf dem US Markt mit Dieselmotoren Fuss zu fassen. In der Schweiz ist
der Dieselmotor in Pkw weniger verbreitet, aber der Anteil am
Fahrzeugbestand nimmt zu, weil der hohe Dieselanteil in den EU- Ländern
und die dort günstigen Dieselölpreise sich werbewirksam auf die
Schweizer Konsumenten auswirken. Dieselkraftstoff ist dem Heizöl
ähnlich, enthält aber deutlich weniger Schwefel. Bis 1994 waren
Dieselkraftstoff und Heizöl identisch. Wegen der unterschiedlichen
Besteuerung wird Heizöl rot eingefärbt und enthält den Zusatzstoff
Solvent Yellow 124, um die Entdeckung durch die Zollbehörden zu
erleichtern und damit die Verwendung in Dieselmotoren zu unterbinden.
Dieselmotoren sind wegen angeblicher Luftverschmutzung und des
krebserregenden Russes teilweise in Verruf geraten. Allerdings
hinterlassen moderne Diesel (Euro 3 und höher) mehr Reifen- und
Bremsabrieb auf der Strasse als Russ. Der Dieselmotor erreicht nicht so
hohe Drehzahlen und läuft in der Regel nicht so vibrationsarm wie
Ottomotoren. Trotz der Fortschritte auf dem Gebiet der Motorentechnik
gelten Ottomotoren bezüglich Laufruhe und -kultur als überlegen. Für
Dieselfahrzeuge spricht die Verwendbarkeit billiger Treibstoffe wie
Diesel und Pflanzenöl und dass sie -bezogen auf das Kraftstoffvolumen-
in vergleichbaren Fahrzeugen bei vergleichbaren Leistungsdaten einen
geringeren Treibstoffkonsum im Vergleich zu entsprechenden Ottomotoren
vorweisen.
Der beim Kaltlauf auftretenden klopfenden Verbrennung
("Nageln") wird in Common- Rail- Systemen inzwischen durch eine
Aufteilung der Einspritzmenge auf mehrere Einspritzhübe begegnet.
Technologie
Prinzip
Beim Diesel-
Verbrennungsverfahren wird im Gegensatz zum Ottomotor kein brennbares
Luft- Kraftstoff- Gemisch angesaugt, sondern reine Luft, und erst nach
dem Verdichten wird der Kraftstoff eingespritzt. Dieselmotoren arbeiten
im Gegensatz zu Ottomotoren besonders im Teillastbereich mit einem hohen
Luftüberschuss. Die Temperatur der verdichteten Luft (bis 25:1) im
Zylinder ist so hoch (700...900 °C), dass sich der unter hohem Druck
eingespritzte und in sehr feine Tröpfchen vernebelte Kraftstoff selbst
entzündet.
Kennzeichen des
Dieselprozesses:
Dieselmotoren
können prinzipiell als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor gebaut
werden. Zweitakt- Dieselmotoren werden meist als Grossmotoren in
Schiffen verwendet. (siehe auch: Schiffsdieselmotor)
Häufiger ist
jedoch der Viertakt- Dieselmotor, dessen Hauptanwendung im Antreiben
von Diesellokomotiven, Dieseltriebwagen, Kraftfahrzeugen, Baumaschinen
und kleineren Generatoren liegt.
Einspritzverfahren
bei Motoren mit Vorkammer- oder
Wirbelkammereinspritzung durch
Vorteile des
Dieselmotors gegenüber dem ähnlich gebauten Ottomotor sind:
Zu den Nachteilen zählen
Die
begrenzte Höchstdrehzahl von ca. 5500 U/min, die durch den Zündverzug
des Dieselkraftstoffs begründet ist. Dadurch ist eine weitere
Leistungssteigerung nur über eine Erhöhung des mittleren
Verbrennungsdrucks (bzw. des Drehmoments) möglich
Abgase und Umwelt
Gesetzgebung
1985
wurde erstmalig serienmässig ein Partikelfilter in einem Fahrzeug
verbaut. Der ausschliesslich für den amerikanischen Markt bestimmte
Mercedes 300 SDL hatte jedoch Probleme mit der Dauerhaltbarkeit des
Filters, sodass schon 1988 die Produktion eingestellt wurde. Der erste
Hersteller von Kraftfahrzeugen, der einen Partikelfilter für den
europäischen Markt serienmässig einbaute, war der PSA-Konzern. Die ab
dem 1. Januar 2005 gültige Abgasnorm Euro 4 erfüllten diese Fahrzeuge
jedoch noch nicht, weil die Stickoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen
noch zu hoch waren. Erst 2003 bot mit Mercedes ein Hersteller Fahrzeuge
mit Dieselpartikelfilter an, die auch Euro 4 erfüllen. Momentan bieten
einige deutsche Hersteller in verschiedenen Fahrzeugen Partikelfilter
meist als Sonderzubehör gegen Aufpreis an. Eine "Marketingvariante"
dieses Verfahrens hat momentan (Anfang 2005) Daimler-Chrysler im
Programm: Der Hersteller baut bei einigen Modellen den Partikelfilter
"serienmässig" ein, jedoch bietet er den Kunden einen Minderpreis für
die Abwahl des Partikelfilters an. Bei Peugeot und Citroen werden die
Filter in Deutschland auch bei Kleinwagen serienmässig angeboten.
Erste
Vorschläge des Umweltbundesamtes für den Partikelgrenzwert der
Euro-5-Norm sind so niedrig, dass sie nur durch den Einsatz eines
Partikelfilters zu erfüllen sind.
In Österreich soll die
Normverbrauchsabgabe (NOVA) ab 2005 um 300 € beim Kauf eines Neuwagens
(PKW) mit Partikelfilter reduziert werden, andererseits soll die NOVA
bei Neufahrzeugen ohne Filter um 150 € erhöht werden.
Geschichte und Entwicklung
Der
Dieselmotor wurde 1892 von Rudolf Diesel erfunden. Während der
Entwicklung wurden die verschiedensten Kraftstoffe im Versuch erprobt.
Diesel strebte von Anbeginn die direkte Einspritzung in den Brennraum
an, scheiterte jedoch an den mangelhaften Pumpen und an der fehlenden
Präzision der Einspritzventile. Deswegen wurde der Umweg über eine
Einspritzung des Kraftstoffes mit Luft gewählt, die es erlaubte, den
flüssigen Kraftstoff genau genug zu dosieren und im Brennraum zu
verteilen.
Der heute aus Erdöl hergestellte Dieselkraftstoff
wurde (in Deutschland und einigen anderen Ländern) nach dem Erfinder des
Motors benannt. Die meisten heutigen Dieselmotoren können auch mit
einem Pflanzenöl (Pöl) betrieben werden, jedoch sind dazu meistens
Umbauten, insbesondere in der Kraftstoffversorgung, notwendig.
Im
Februar 1897 führten die Entwicklungsarbeiten Diesels bei der
Maschinenfabrik Augsburg (aus der später die Firma MAN hervorging) zu
einem Motor mit guten Laufeigenschaften.
Besonderheiten
Drehmomentverlauf und Leistungsabgabe
Dieselmotoren
besitzen eine physikalisch bedingte Drehzahlgrenze von etwa 5.500/min.
Dies ist durch den Zündverlauf des Kraftstoffs gegeben und wird durch
den Zündverzug, der zwischen 1...10 ms liegt, beschrieben. Bei
Ottomotoren existiert diese Beschränkung nicht, aktuelle Formel- 1-
Motoren drehen bis zu 19.500/min.
Wegen der damit verbundenen
Kolbengeschwindigkeit, den enormen Ansprüche an die Gleitflächen, an das
Schmieröl und wegen der beschleunigten Massen der hochbeanspruchten
Verbindungselemente (Kolbenbolzen), sind derart hoch drehende
Ottomotoren als sogenannte Kurzhuber ausgeführt.
Aus der
Gleichung Leistung = Drehmoment × Drehzahl x 2 x Pi lässt sich jedoch
ableiten, dass ein Diesel bei 4.000/min doppelt so viel Drehmoment
liefern muss wie ein Ottomotor mit gleicher Leistung bei 8.000/min.
Weiterhin steht bei gleichem Hubraum und 4.000/min nur halb soviel
Luftmasse pro Zeiteinheit zur Verfügung wie bei 8.000/min. Drehmoment
bedeutet gleichzeitig Gewicht und hohe Verbrennungsdrücke.
Hinzu
kommt, dass der Diesel ein hohes Verdichtungsverhältnis benötigt, damit
die komprimierte Luft im Kompressionstakt genügend verdichtet und damit
erhitzt wird. Der eingespritzte Dieselkraftstoff entzündet sich dadurch
von selbst. Dieselmotoren sind meist als Langhuber ausgeführt, was der
Drehmomentabgabe zugute kommt.
Damit benötigen Diesel für
vergleichbare Leistungen mehr Hubraum oder eine Motoraufladung, und so
sind sie bei dieser Art des Vergleiches schwerer und drehmomentstärker
als entsprechende Ottomotoren.
Kommt eine Motoraufladung zum
Einsatz, liegt das Drehmomentmaximum in der Regel bei recht geringen
Drehzahlen, zum Teil bereits knapp über der Leerlaufdrehzahl, bei
1.600/min (Pkw-Diesel). Bei einer Nenndrehzahl von etwa 4.000/min liegen
somit günstige Elastizitätswerte vor. Obwohl der aufgeladene Diesel
aufgrund seiner Drehzahlgrenze mit dem nachgeschalteten Getriebe weniger
untersetzt wird, beschleunigt er sehr gut. Bereits im Leerlauf kann der
Dieselmotor grosse Drehmomente zur Verfügung stellen (typisch 50 % vom
Maximalwert).
In einigen Strassenfahrzeugen wird die
Drehmomentkurve durch die Steuerelektronik begrenzt. Ein Indiz hierfür
ist konstantes Drehmoment über einen breiten Drehzahlbereich.
Gelegentlich wird zu dieser Massnahme gegriffen, um den Antriebsstrang
(Getriebe, Achsenantrieb, Antriebswellen) vor Überlastung zu schützen
bzw. um mit der vorhandenen Auslegung des Antriebsstranges eine grössere
Anzahl von Gleichteilen mit ähnlichen Fahrzeugmodellen zu behalten.
Drosselklappen
Beim Prinzip
des Dieselverfahrens sind Drosselklappen prinzipiell nicht erforderlich
und wegen der Drosselverluste (Vergrösserung Ladungswechselschleife) für
den Wirkungsgrad nicht sinnvoll. Allerdings werden in modernen PKW aus
Gründen der strengen Abgasnormen Drosselklappen verbaut. Durch eine
Drosselklappe kann im Betrieb mit Abgasrückführung ein höheres
Druckgefälle erreicht werden. Zusätzlich kann im Regenerationsbetrieb
des Partikelfilters ein zu starkes Durchströmen von Luft, d.h. hier
Abkühlen des Abgases verhindert werden. Ausserdem kann die Drosselklappe
zur Verbesserung des NVH- Verhaltens (Noise Vibration Harshness)
genutzt werden.
Eine Art Drosselung wird beim 4- Ventil
Dieselmotor im PKW zur Erhöhung der Luftverwirbelung in jeweils einem
Einlasskanal angewandt. Diese bauliche Massnahme wird
Einlasskanalabschaltung genannt kommt nur im unteren Last- und
Drehzahlbereich zum Einsatz (Verminderung des Partikelausstosses -
Beachte Trade Off PM/NOx).
In der Geschichte gibt es Beispiele
für Dieselmotoren mit Drosselklappen, die aus einem anderen Grund mit
einer Drosselklappe ausgestattet waren. So z. B. der 260D von Mercedes-
Benz: Mit diesem Modell wurde 1936 das erste Pkw-Diesel Fahrzeug
vorgestellt. Noch bis in die 1980er Jahre baute Mercedes in
Dieselmotoren Drosselklappen ein, weil die früher verwendete Bauart der
Bosch- Einspritzpumpe pneumatisch, d.h. durch leichten Unterdruck im
Ansaugtrakt gesteuert wurde. Diese Art der Regelung ist jedoch recht
anfällig für Schwarzrauchbildung in manchen Betriebszuständen: eine
Überfettung des Motors mit zu viel Dieselkraftstoff, der nicht komplett
verbrennt und Russ erzeugt.
Einspritzstrategien
Eine
neuere Entwicklung in der Einspritztechnik ist die Common-Rail-Technik.
Dabei wird nicht mehr ein Druckpuls erzeugt, der das Ventil öffnet,
sondern es gibt ein gemeinsames Hochdruckreservoir (=Common Rail) für
alle Einspritzdüsen das auf konstantem Druck gehalten wird, und das
Einspritzen besorgt das elektromagnetisch oder piezoelektrisch
gesteuerte Ventil selbst. Dadurch ist es möglich, extrem kleine
Kraftstoffmengen als Voreinspritzung vor der Hauptmenge in den Zylinder
einzubringen. Nacheinspritzungen zur Erhöhung der Abgastemperaturen bei
der Dieselpartikelfilterregeneration werden dadurch ebenfalls möglich.
Ohne
gemeinsames Reservoir aber ebenfalls mit elektromagnetischem Ventil
kommt die Pumpe-Düse Einspritztechnik daher. Die Druckerzeugung findet
für jede Düse in einem gemeinsamen Bauteil statt. Dadurch entfallen die
Druckleitungen und es können höhere Drücke als bei der Common Rail
Technologie verwendet werden. Die Pumpe-Düse ist teurer als Common Rail.
Der Diesel- Boom im PKW- Bereich
Bis
in die Mitte der 1990er Jahre galten Diesel- Pkws als sparsam und
zuverlässig, aber auch in Bezug auf Fahrleistungen selbst bei
identischer Leistung einem Ottomotor unterlegen. Dies änderte sich mit
der zunehmenden Verbreitung der Turboaufladung und durch die Einführung
der direkten Kraftstoffeinspritzung. Zuvor wurden zugunsten der Laufruhe
bei schnellaufenden Kleindieselaggregaten (Pkw-Motoren) der Kraftstoff
nicht direkt in den Brennraum injiziert, sondern in eine Vorkammer (z.B.
Mercedes, Fiat) oder eine Wirbelkammer (z.B. Volkswagen, BMW)
eingespritzt.
Diese Art von Dieselmotoren wurde in Grossserie
für PKW erstmals ab 1988 in dem von Fiat angebotenen Fiat Croma TD i.D..
eingesetzt. Zusammen mit der Turboaufladung und der Ladeluftkühlung
wurde diese Dieselgeneration sehr elastisch. Die direkte
Kraftstoffeinspritzung mit hohem Druck (über 1000 Bar anstatt 200 Bar
bei den Vor- und Wirbelkammermotoren) führte zu einer
Leistungssteigerung, zu einem höheren Wirkungsgrad (damit zu niedrigerem
Verbrauch) und der Diesel verlor das oft als leistungsschwach oder
'phlegmatisch' beschriebene Leistungsverhalten. Zu Beginn wurden
spezielle Verteilereinspritzpumpen (z.B. die VP44 von Bosch) verwendet,
später wechselten die meisten Hersteller zu kostengünstigeren
Common-Rail-System oder zur Pumpe-Düse-Technik (insbesondere VW).
Die Leistungssteigerung der Dieselmotoren
In
der Theorie kennt der Diesel keinen limitierenden Faktor wie der
Ottomotor (Klopfgrenze) bezüglich der Verbrennungsdrücke. Alle
derzeitigen Grenzen sind mechanischer Natur. Das Leistungspotential der
heutigen Dieselmotoren ist noch lange nicht ausgeschöpft. Erste
Hersteller (Opel, BMW) bieten die sogenannte Registeraufladung, welche
zu Leistungen bis zu 75 kW (100 PS) pro Liter Hubraum führt.
Mittelfristig sind Motoren mit Mehrfacheinspritzung geplant, die eine
Leistung von 100 kW je Liter Hubraum erreichen sollen.
Thermodynamik
Wenn man den
thermodynamischen Modellprozess betrachtet, beim Diesel ist es der
Gleichdruckprozess (Dieselprozess und der Seiliger- Prozess), stellt man
fest, dass mit höherer Verdichtung der Wirkungsgrad immer besser wird.
Bei Dieselmotoren spiegelt sich das im geometrischen
Verdichtungsverhältnis wieder, welches bei etwa 1:16 bis 1:25 liegt.
Allerdings
bedeutet eine höhere Verdichtung ein Ansteigen der Maximaltemperatur im
Prozess. Das hat zur Folge, dass der in der Luft enthaltene Stickstoff
überproportional mit dem Luftsauerstoff oxidiert und zu einer wiederum
überproportional hohen Stickoxid- Konzentration (NOX) im Abgas führt.
Aus
Umweltschutzgründen und bei Pkw-Motoren aus Gründen der Laufruhe wird
darum auf eine höhere Verdichtung und somit auch auf einen höheren
Wirkungsgrad verzichtet.
Abhilfe kann die so genannte
Abgasrückführung (AGR) schaffen. Dabei wird der dem Motor zugeführten
Luft Abgas beigemischt. Dieses bewirkt eine Reduktion des Sauerstoff-
und Stickstoffanteils. Dadurch werden die Spitzentemperaturen bei der
Verbrennung gesenkt und damit kommt es zu einer Reduktion des
(NOx)-Anteils im Abgas. Ist der Abgasanteil im Verhältnis zum später
eingespritzten Dieselkraftstoff zu hoch, beginnt ein Dieselmotor wegen
des Sauerstoffmangels zu rußen (Schwarzrauchbildung). Daher ist die
reproduzierbare, aber komplexe Steuerung der zugemischten Abgasmenge in
Abhängigkeit von einigen weiteren Einflussfaktoren sehr wichtig.
180px-Emme1Wenn
man im Vergleich dazu den Ottomotor und seinen thermodynamischen
Vergleichsprozess (den Gleichraumprozess oder Otto- Prozess) betrachtet,
dann hätte der Ottomotor den besseren Wirkungsgrad – wenn er nur so
hoch verdichten könnte wie der Diesel.
Motorräder
Flugzeuge
Seit einigen Jahren
werden, seit den vor etlichen Jahrzehnten aufgegebenen Entwicklungen von
Junkers (siehe Gegenkolbenmotor), Rolls-Royce und Packard, wieder
ernsthafte Versuche unternommen, die Vorteile des Dieselmotors auch in
der Luftfahrt nutzbar zu machen.
Beispiel hierfür sind die durch
Umbauten des Volkswagen -Vierzylinder-TDI-Motors oder des 1,7-l Motors
aus der Mercedes-A-Klasse geschaffenen Flugmotoren. Von Diamond Aircraft
wird bereits sehr erfolgreich ein kleines Flugzeug mit einem von der
Thielert AG umgebauten Mercedes- Motor verkauft.
Die
Fortschritte in der Dieseltechnologie erlauben es, bei gleicher
Reichweite einen kleineren und damit leichteren Tank einzubauen
der das höhere Motorgewicht relativiert. Damit kann das
Leistungsgewicht des Gesamtsystems Motor + Treibstoff auf
Ottomotorniveau gesenkt werden, bei höheren Reichweitenanforderungen ist
das Dieselmotorsystem sogar klar im Vorteil.
Probleme mit dem
ungünstigeren Leistungsgewicht, mit den in der Luftfahrt komplexen
Zulassungsverfahren sowie mit der marktbeherrschenden Position der Otto-
Motorenanbieter erschweren die Einführung jedoch und machen den
Flugdieselmotor für grosse Automobilmotor- Produzenten wenig attraktiv.
Kleine Firmen wie z.B Thielert, DeltaHawk oder SMA sind jedoch auf
diesem Gebiet aktiv. Dieselmotoren sind für den Antrieb von Flugzeugen
interessant, weil man sie mit Kerosin (JET-A1) betreiben kann. Das ist
auf Flughäfen günstiger zu bekommen als Otto Kraftstoff. Die Wankel AG
bietet einen Wankelflugmotor der mit Kerosin betrieben werden kann, aber
kein Selbstzünder ist.
Literatur
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