„Dieselmotor“ – Versionsunterschied

Ein Dieselmotor ist ein Hubkolben-Verbrennungsmotor, dessen charakteristische Merkmale Selbstzündung und innere Gemischbildung sind. Er kann mit verschiedenen Kraftstoffen, darunter Dieselkraftstoff, betrieben werden. In den Jahren nach 1893 gelang es Rudolf Diesel im Labor der Maschinenfabrik Augsburg Nürnberg (heute MAN) erstmals, das Prinzip der Selbstzündung bei einem Motor anzuwenden. Dadurch, aufgrund seiner in vielen Ländern angemeldeten Patente sowie seiner regen Öffentlichkeitsarbeit wurde er zum Namensgeber des Motors. Dieselmotoren gibt es als Zweitakt- oder Viertakt-Hubkolbenmotoren; sie zeichnen sich durch einen relativ hohen Wirkungsgrad und der Möglichkeit aus, sie sowohl mit kleiner als auch großer Leistung auszulegen.

Dieselmotoren sind Hubkolbenmotoren, die chemische Energie in Wärme- und Bewegungsenergie umwandeln. Sie können als Zwei- oder Viertaktmotor konstruiert sein und arbeiten nach dem Diesel-Prozess. Aus thermodynamischer Sicht stellt der von Rudolf Diesel erdachte und nach ihm benannte Diesel-Prozess einen Vergleichsprozess für den Dieselmotor dar. Weil in diesem die tatsächlichen Verbrennungsvorgänge nur unzureichend abgebildet werden, wird besser der Seiliger-Prozess als Vergleichsprozess herangezogen.^{[C 1]} (mehr dazu im Abschnitt: Thermodynamik des Dieselmotors)

Dieselmotoren saugen beim Ansaugtakt immer eine volle Zylinderfüllung Luft an. Diese Luft wird beim Verdichtungstakt stark komprimiert (Verhältnis beim Viertaktmotor etwa 16 : 1 bis 24 : 1)^{[K 1]} und dadurch auf etwa ${\displaystyle 700\,^{\circ }\mathrm {C} }$ bis ${\displaystyle 900\,^{\circ }\mathrm {C} }$ erhitzt (Kompressionswärme). Kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens beginnt die Einspritzung unter Feinstverteilung und Zerstäubung des Kraftstoffes in die heiße Luft im Brennraum. Die hohe Temperatur reicht aus, um den Kraftstoff von der Oberfläche beginnend zu verdampfen und das Dampf-Luft-Gemisch zu zünden.

• Innere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt.
• Selbstzündung: Die Luft heizt sich durch die (annähernd) adiabate Kompression stark auf, und der in die heiße Luft eingespritzte Kraftstoff entzündet sich ohne eine externe Zündhilfe.
• Qualitative Regelung: Die Motorleistung wird durch Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge ohne Drosselung geregelt.
• Heterogenes Gemisch: Luft und Kraftstoff sind nicht gleichmäßig im Brennraum verteilt.
• Hohes Luftverhältnis: Der Dieselmotor arbeitet mit Luftüberschuss: ${\displaystyle \lambda _{v}\geq \lambda _{\mathrm {min} }\geq 1}$
• Verbrennungsflamme: Der Sauerstoff diffundiert bei der Verbrennung in die Flamme hinein (Diffusionsflamme).
• Zündwilliger Kraftstoff: Dieselmotoren benötigen hochsiedenden, zündwilligen Kraftstoff.

Quelle^{[LIT 1]}

Prinzipiell sind Dieselmotoren Vielstoffmotoren und können daher mit allen Kraftstoffen betrieben werden, die bei der Betriebstemperatur des Motors von der Einspritzpumpe gefördert werden können, die sich gut zerstäuben lassen, ausreichende Zündwilligkeit haben und somit möglichst wenig Zündverzug (also eine hohe Cetanzahl) aufweisen.^{[E 1]} Weiters sollte der Heizwert nach Möglichkeit sehr hoch sein.^{[E 1]} In der Regel besteht Dieselmotorenkraftstoff aus schwersiedenden und langkettigen Kohlenwasserstoffen (C₉ bis C₃₀).^{[H 1]} In der Praxis erfüllen flüssige, aus fossilen Energieträgern destillierte Kraftstoffe wie Gasöle und Teeröle mit Heizwerten zwischen ca. 38,8 und 43,5 MJ/kg diese Anforderungen.^{[E 2]} Neben 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 waren Benzin, Petroleum, Schmieröl, Gasöl und Pflanzenöle sowie Mischungen dieser Kraftstoffe üblich. Mit dem Voranschreiten der Dieselmotorentechnik wurden qualitativ hochwertigere Kraftstoffe unabdingbar, die Cetanzahlen von 45 bis 50 CZ aufweisen. In der Praxis wurden Gasöl, Steinkohlenteeröl und Öl aus Kohlenschwelung genutzt. Bis in die 1940er-Jahre hinein gab es keinen genormten Dieselmotorentreibstoff, erstmals wurde Dieselkraftstoff nach dem Zweiten Weltkrieg in der DIN 51601 genormt.^{[M 1]} Seit 1993 ist Dieselmotorkraftstoff in der EN 590 genormt und wird schlicht Diesel genannt, die meisten Dieselmotoren sind für den Betrieb mit diesem Kraftstoff ausgelegt oder können damit betrieben werden. Für welche Kraftstoffsorten ein bestimmtes Dieselmotorenmodell ausgelegt ist, kann meist dem Betriebshandbuch entnommen werden. Einige Wirbelkammer­motoren etwa sind für den Betrieb mit zündunwilligem Kraftstoff ausgelegt, der zu einem besonders hohen Zündverzug führt, (wie zum Beispiel Motorenbenzin).^{[E 3]} Direkteinspritzende Dieselmotoren mit MAN-M-Verfahren sind ebenfalls prinzipiell für den Betrieb mit 86-Oktan-Benzin geeignet.^{[M 2]} Werden Dieselmotoren mit falschem Kraftstoff betrieben, dann können Verkokungen der Einspritzdüsen^{[E 2]} oder Klopfen (Nageln)^{[E 3]} auftreten. Verunreinigungen des Kraftstoffes, etwa durch Staub, Rost, Sand und Wasser wirken sich ebenfalls negativ auf den Dieselmotor aus, wobei Verunreinigungen durch Sand besonders schädlich sind.^{[E 4]}

Der erste Dieselmotor war für den Gebrauch von Mineralöl konstruiert. Den Einsatz von Kraftstoff auf Basis von Pflanzenölen testete Rudolf Diesel im Rahmen der Weltausstellung im Jahr 1900. Er berichtete darüber auf einem Vortrag vor der Institution of Mechanical Engineers of Great Britain: „… auf der Pariser Weltausstellung 1900 wurde ein kleiner Diesel-Motor der Gasmotorenfabrik Deutz AG von Nicolaus Otto gezeigt, der auf Anforderung der französischen Regierung mit Arachidöl lief, und er arbeitete so problemlos, dass nur sehr wenige Leute darauf aufmerksam wurden.“^{[ON 1]}

Im Wesentlichen lassen sich die Einspritzverfahren nach einem kompakten Brennraum und nach einem unterteilten Brennraum unterscheiden:

• Geteilter Brennraum in Kammermotoren, die je nach Unterteilung dem Vorkammer-, Wirbelkammer- und Lanova-Einspritzverfahren sowie dem Acro-Luftspeicherverfahren zugeordnet werden^{[LIT 3]}
• Einteiliger Brennraum bei der Direkteinspritzung, wobei der Brennraum teilweise oder ganz im Kolbenboden liegen kann, insbesondere beim MAN-M-Verfahren

Bei den oben angegebenen Verfahren werden verschiedene Pumpensysteme zum Aufbau der Einspritzdrücke verwendet:

• Bei Motoren mit Vorkammer- oder Wirbelkammereinspritzung: Einzel-, Verteiler- oder Reihen-Einspritzpumpe.
• Bei den ersten Dieselmotoren mit Direkteinspritzung war Lufteinblasung die einzige Möglichkeit, den Kraftstoff einzuspritzen,^{[LIT 4]} bei neueren Motoren kommen ebenfalls Einzel-, Verteiler- oder Reihen-Einspritzpumpen zum Einsatz. (Eine Bauart der Einzel-Einspritzpumpe ist die Einzelstempelpumpe, umgangssprachlich häufig Steckpumpe genannt.) Außerdem gibt es Pumpe-Düse-Einspritzsysteme und die Common-Rail-Einspritzung.

Werden Dieselmotoren mit gasförmigem Kraftstoff betrieben, so kann der Motor entweder ein Dual-Fuel-Dieselmotor, oder ein reiner Gas-Dieselmotor sein. Bei Dual-Fuel-Motoren wird konventioneller flüssiger Kraftstoff eingespritzt, der sich entzündet und dann den eigentlichen gasförmigen Kraftstoff entzündet. Diese Art Motor kann auch im reinen Flüssigkraftstoffbetrieb arbeiten. Reine Gas-Dieselmotoren haben eine Hochdruck-Kraftstoffeinblasung, die ohne Pilotzündung auskommt. Sie können nicht mit flüssigem Kraftstoff betrieben werden.^{[LIT 2]}

Der Arbeitsprozess des Dieselmotors ist sehr komplex, weswegen in der Fachliteratur sogenannte idealisierte Vergleichsprozesse herangezogen werden, um das Funktionsmodell des Dieselmotors theoretisch stark vereinfacht am vollkommenen Motor darzustellen, der einen vorgegebenen Brennverlauf hat. Die Vergleichsprozesse sind Kreisprozesse und gehen abweichend vom tatsächlichen Motor davon aus, das im Dieselmotor ein ideales Gas von außen erwärmt wird und beliebig oft im Kreisprozess verwendet werden kann, um Arbeit darzustellen. Nicht berücksichtigt wird dabei, dass ein realer Motor niemals diese Eigenschaften haben kann, weil die Prozesse irreversibel sind und es somit keinen Kreisprozess geben kann. Nach DIN 1940 wird beim vollkommenen Motor davon ausgegangen, dass eine vollständige Verbrennung nach vorgegebenen Modellgesetzmäßigkeiten verläuft, dass es nur reine Ladung ohne Restgase gibt, keine Strömungs- und Lässigkeitsverluste auftreten, es keinen Ladungswechsel gibt und der Motor absolut wärmedicht ist, dem Prozess also keine Wärmeenergie entweichen kann.^{[I 1]} In einem tatsächlichen Motor gibt es, anders als im Modell, keine isentrope Expansion, aber Ströumgsverluste und eine langsame Verbrennung, die einen gewissen Zeitbedarf hat. Ferner müssen auch Ladungswechsel und Liefergrad berücksichtigt werden.

Rudolf Diesel hatte die Idee des Dieselmotors auf Basis eines solchen Vergleichsprozesses. Ursprünglich wollte er den Carnot-Kreisprozess mit einer Maschine umsetzen. Der Carnot-Kreisprozess ist ein Gedankenexperiment, das eine Maschine vorsieht, die reversibel Wärme in Arbeit umwandelt. Er fußt auf den Prinzip der sogenannten Isothermen: „Isothermen sind Gaszustandsänderungen, bei denen die Temperatur konstant bleibt, während sich Druck und Volumen des Gases ändern.“ Durch die Isothermen hat der Carnot-Kreisprozess einen besonders hohen Wirkungsgrad.^{[G 2]} Der von Diesel auf Grundlage des Carnot-Prozess erdachte Diesel-Kreisprozess ist ein sogenannter Gleichdruckprozess,^{[H 2]} das heißt, dass die Wärmezufuhr in ein Gas isobar, also bei gleichbleibendem Druck, erfolgt, während sich das Volumen ändert. Die Wärme wird dem Prozess jedoch isochor entzogen, das Volumen des Gases bleibt also konstant, 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][L 1]} Durch die isentrope Kompression beim Diesel-Kreisprozess ist das Verdichtungsverhältnis größer,^{[L 1]} was einen guten Wirkungsgrad begünstigt. Da der Diesel-Kreisprozess ein Kreisprozess ist, können diese vier Phasen beliebig oft wiederholt werden. Weitere Ursache dafür, dass es nicht möglich ist, den Diesel-Kreisprozess in einem realen Motor praktisch umzusetzen, ist es neben den eingangs genannten Modellmodalitäten, dass einem Gas keine Wärme zugeführt werden kann, ohne dabei den Druck zu erhöhen. Aus diesem Grund wird der Seiliger-Kreisprozess herangezogen, um die Thermodynamik des Dieselmotors im vereinfachten Modell zu beschreiben.^{[C 1]}

Der Seiliger-Kreisprozess ist eine Mischung aus Gleichdruck- und Gleichraumprozess. Zunächst wird Luft angesaugt und isentrop komprimiert, wodurch die Wärme dem Gas bei annähernd gleichbleibendem Volumen (isochor) zugeführt wird, bis der Kraftstoff eingespritzt wird und sich entzündet. Im weiteren Verlauf verläuft der Seiliger-Kreisprozess wie der Diesel-Kreisprozess: Es wird durch die Verbrennung über den oberen Totpunkt des Kolbens hinaus der Prozess annähernd isobar, dem Gas wird die Wärme also bei veränderlichem Volumen, aber gleichbleibendem Druck zugeführt. In diesem Moment wird die eigentliche Arbeit am Kolben verrichtet. Anschließend endet die Verbrennung und es erfolgt eine isentrope Expansion, die den Kolben nach unten drückt. Dabei steigt das Volumen des Verbrennungsgases an, Druck im Brennraum und Temperatur sinken jedoch, bis der Kolben den unteren Totpunkt erreicht. Als letzter Schritt erfolgt das Ausstoßen des Abgases, bis der Prozess erneut beginnt.^{[C 1]} In einem realen Dieselmotor kann dem Gas zumindest annähernd isobar Wärme zugeführt und annähernd isochor entzogen werden. Damit hat der Dieselmotor bedingt durch die isobare Wärmezufuhr einen niedrigeren thermischen Wirkungsgrad, als der Ottomotor.^{[L 2]} Da der Dieselmotor jedoch, aufgrund 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]} Aufgrund der Entwicklung in der Ottomotorentechnik mit neuen Gemischbildungsverfahren und kontrollierter Selbstzündung, lässt sich in Zukunft „eine weitreichende Konvergenz“ der Kreisprozesse des Otto- und Dieselmotors erwarten.^{[L 2]}

Die möglichen Kraftstoffe des Dieselmotors setzen sich primär aus den chemischen Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff zusammen, der für die Verbrennung nötige Sauerstoff entstammt der Ansaugluft.^{[F 1]} Da in der Luft auch Stickstoff enthalten ist, muss auch dieser berücksichtigt werden.^{[F 2]} Im Brennraum des Dieselmotors findet zwischen Kraftstoff und Ansaugluft eine chemische Reaktion statt, bei der die chemisch im Kraftstoff gebundene Energie umgewandelt wird. Dabei verändert sich die Zusammensetzung des Kraftstoffes, Abgase entstehen. Zieht man das theoretische Modell des idealen Dieselmotors heran und wird es mit einer idealen Luftüberschusszahl betrieben, werden also alle brennbaren Bestandteile des Kraftstoffes durch eine optimale Sauerstoffzufuhr auf die Endstufe der Oxidation gebracht, ist die Verbrennung vollständig. Das Abgas besteht dann aus Kohlenstoffdioxid, Wasser, Stickstoff und gegebenenfalls dem überschüssigen Sauerstoff.^{[F 3]} Unvollständig verbrannte Bestandteile findet man im Dieselmotorabgas des idealen Motors fast nicht.^{[F 4]} In der Praxis tritt auch 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]}

Findet im Dieselmotor aufgrund von Luftmangel oder niedrigen Temperaturen eine unvollständige Verbrennung statt, werden die Kohlenstoffbestandteile des Kraftstoffes nicht umgewandelt und bleiben als Dieselruß übrig, die Verbrennung des Motors wird rauchend. Eine solche Verbrennung wirkt sich jedoch aufgrund der starken Brennraumverschmutzung negativ auf die Betriebseigenschaften des Dieselmotors aus, weshalb ein Dieselmotor nicht mit Luftmangel betrieben werden darf.^{[F 5]} Beim idealen Dieselmotor kommt dieser Betriebszustand nicht vor. In der Praxis entsteht bei einigen Betriebszuständen des Dieselmotors dennoch Ruß: Da die Drehzahl des Dieselmotors, anders als die des Ottomotors, nicht durch eine Drosselung der bereits mit Kraftstoff vermischten Ansaugluft, sondern die Menge des eingespritzten Kraftstoffes geregelt wird, steigt beim Gasgeben immer zuerst die Kraftstoffmenge im Brennraum an, bevor entsprechend Luft einströmen kann, da der zum Ansaugen der Luft nötige Unterdruck im Brennraum erst durch eine Bewegung des Kolbens entsteht. Somit wird die Luftüberschusszahl beim Gasgeben kurzzeitig gesenkt und die Verbrennung tendiert in Richtung rauchender Verbrennung. Begünstigt wird dieser Umstand durch einen nicht auf Betriebstemperatur befindlichen Motor, bei dem sich Luft und Kraftstoff schlechter durchmischen.

Im idealen Dieselmotor besteht das Abgas, wie oben beschrieben, aus CO₂, H₂O, N₂ und O₂. Dieser Umstand ist jedoch nur bei niedrigen Abgastemperaturen vorzufinden. In einem realen Dieselmotor entstehen durch vollständige Verbrennung hohe Abgastemperaturen, die das chemische Gleichgewicht verändern. Eine Dissoziation findet statt und es bilden sich unter anderem Stickoxide.^{[F 6]}

Rohemissionen eines Pkw-Dieselmotors nach verschiedenen Quellen.

Die Verteilung ändert sich beispielsweise in Abhängigkeit vom Lastzustand und der Luftfeuchtigkeit. Die Luftfeuchte wird in der Regel aus den Anteilen des Kraftstoffs zurückgerechnet, da sie selten gemessen wird.^{[I 2]}

Dieselmotoren haben unter anderem durch den Zündverzug eine physikalisch bedingte Drehzahlgrenze; Wirbelkammermotoren können bis ca. 5000 min⁻¹ drehen,^{[B 1]} Direkteinspritzer bis 5500 min⁻¹.^{[B 2]}

Um die gleiche Leistung zu erreichen im Vergleich zu einem Ottomotor, muss ein Dieselmotor einen größeren Hubraum oder eine Aufladung (= höherer mittlerer Innendruck) haben, da das Drehmoment ${\displaystyle M}$ eines Dieselmotors aufgrund des kleineren Drehzahlbereiches höher sein muss:

${\displaystyle P=2\pi nM=\omega M}$

${\displaystyle P}$ .. Leistung [W]; ${\displaystyle M}$ .. Drehmoment [Nm]; ${\displaystyle n}$ .. Drehzahl [s⁻¹]; ${\displaystyle \omega }$ .. Winkelgeschwindigkeit [rad s⁻¹] (${\displaystyle 2\pi n=\omega }$)

Rechenbeispiel

Ein Ottomotor liefert bei einer Drehzahl ${\displaystyle n}$ von 6000 min⁻¹ (100 s⁻¹) ein Drehmoment ${\displaystyle M}$ von 160 Nm, was einer Leistung ${\displaystyle P}$ von ca. 100.000 W entspricht. Ein gewöhnlicher Dieselmotor kann diese Drehzahl nicht erreichen, weswegen sein Drehmoment größer sein muss, um dieselbe Leistung zu erzielen. Um bei einer Drehzahl ${\displaystyle n}$ von 3000 min⁻¹ (50 s⁻¹) eine Leistung ${\displaystyle P}$ von ebenfalls 100.000 W zu erzielen, muss das Drehmoment ${\displaystyle M}$ 320 Nm betragen.

Der Dieselmotor hat aufgrund der hohen Verdichtung (Expansionsgrad) einen guten Wirkungsgrad. Durch die geringere Drosselung entstehen beim Dieselmotor geringere Ladungswechselverluste und daher insbesondere im Teillastbereich ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch. Das macht den Dieselmotor besonders wirtschaftlich.^{[J 2]} Darüber hinaus sind die eingesetzten Kraftstoffe einfacher herzustellen und weniger gefährlich, da sie langsamer verdampfen (der Flammpunkt von Dieselkraftstoff beträgt mindestens ${\displaystyle 55\,^{\circ }\mathrm {C} }$, der von Benzin ${\displaystyle -25\,^{\circ }\mathrm {C} }$).^{[ON 2]} Dieselmotoren eignen sich gut für Turboaufladung auch im niedrigen Drehzahlbereich, da der Kraftstoff der inneren Gemischbildung wegen nicht beim Verdichtungshub unkontrolliert zünden kann.^{[K 2]}

Bei der Verbrennung im Dieselmotor entstehen Stickstoffoxide, die gegebenenfalls ein Abgasnachbehandlungssystem erforderlich machen. Dadurch wird der Dieselmotor deutlich teurer in der Anschaffung und weniger wirtschaftlich.^{[LIT 6]} Weiters sind Verbrennungsgeräusch größer und spezifische Leistung niedriger, als beim Ottomotor.^{[B 3]} Um die hohen Drücke aushalten zu können, müssen Gebrauchsdieselmotoren vergleichsweise robust gebaut sein; das führt zu einer größeren Masse des Motors.^{[LIT 7]}

Um einen Dieselmotor zu starten, muss die Einspritzpumpe so eingestellt werden, dass ein ausreichender Kraftstoffdruck 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 durch eine Kurbel oder einen Seilzug von Hand, einen Anlassermotor oder Druckluft bewerkstelligt werden. Elektrische Komponenten dienen bei einfachen Motoren lediglich der Überwachung.

Prinzipiell sind keine Starthilfen für einen Dieselmotor vonnöten. Ist der Motor warm, springt er auch bei niedrigen Temperaturen sofort an. Nicht betriebswarme Motoren müssen jedoch gegebenenfalls vorgeglüht werden. Die Lufttemperatur, aber der ein Motor vorgeglüht werden muss, hängt von seiner Bauart ab. Diese beträgt ${\displaystyle <40\,^{\circ }\mathrm {C} }$ bei Vorkammermotoren, ${\displaystyle <20\,^{\circ }\mathrm {C} }$ bei Wirbelkammermotoren und ${\displaystyle <0\,^{\circ }\mathrm {C} }$ bei Direkteinspritzern. Bei kleinen Dieselmotoren (Hubvolumen geringer als 1000 cm³ pro Zylinder) werden Glühstiftkerzen eingesetzt, die in den Nebenbrennraum eingebaut sind; bei Direkteinspritzern ragen sie in den Hauptbrennraum. Bei großen Nutzfahrzeugmotoren wird anstelle von Glühkerzen eine Flammstartanlage eingebaut. Neben der Funktions als Starthilfe werden bei modernen Motoren die Glühkerzen vom Steuergerät auch in Nichtstartphasen des Motors angesteuert, um die Brennraumtemperatur zu erhöhen, was unter anderem die Regeneration des Partikelfiltersystems unterstützt.^{[J 3]}

Einige Motoren haben als Starthilfe auch einen „Dekompressionshebel“, bei dessen Betätigung die Zylinder-Auslassventile geöffnet bleiben, bis die Kurbelwelle und deren Schwungscheibe Startdrehzahl erreicht haben. Nach dem Schließen des Dekompressionshebels soll der Schwung zum Einsetzen der initialen Zündung führen.

Beim Prinzip des Dieselverfahrens sind Drosselklappen 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 1]} Verstärkt wird die Drosselklappe auch zur Verbesserung des Ansaugluftstrom-Geräuschverhaltens (englisch Sound Design) genutzt.^{[A 2]}

In der Geschichte gibt es Beispiele für Dieselmotoren, die aus einem weiteren Grund mit einer Drosselklappe ausgestattet waren. So z. B. der OM 138 von Daimler-Benz aus dem Jahre 1936. Noch bis in die 1980er Jahre baute Daimler-Benz in Dieselmotoren Drosselklappen ein, weil die früher verwendete Bauart der Bosch-Einspritzpumpe pneumatisch, d. h. durch leichten Unterdruck im Ansaugtrakt, gesteuert wurde.^{[LIT 8]} 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.

Man setzte bei Dieselmotoren für Pkw trotz schlechteren Wirkungsgrades anfänglich auf mittelbare Einspritzung des Kraftstoffes, da sie im Bezug auf Abgas- und Geräuschemissionen günstig ist.^{[B 1]} Erst Ende der 1980er-Jahre wurde zunehmen auf Direkteinspritzung umgestellt. Moderne direkteinspritzende Dieselmotoren für Pkw haben in der Regel Common-Rail-Einspritzung.^{[LIT 9]}

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 Jahren nicht gesunken. Zur weiteren 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 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]} Arbeiten um 2010 beschäftigten sich mit der Verwendung von Perowskit in Fahrzeugkatalysatoren für Dieselmotoren, die mit Sauerstoffüberschuss betrieben werden, um ihren Wirkungsgrad zu verbessern.^{[LIT 10]} Der im Abgas enthaltene Sauerstoff verhindert die Nutzung herkömmlicher Abgaskatalysatoren. Die Dotierung perowskithaltiger Katalysatoren mit Palladium erhöht die Beständigkeit gegen „Vergiftung“ durch Schwefel.^{[LIT 11]}

Mittels Abgasrückführung wird der Stickoxidausstoß des Dieselmotors zwar positiv beeinflusst, es muss hier allerdings ein Kompromiss zwischen vertretbaren Stickoxid- und Partikelwerten 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 auf deutschen Straßen sehr deutlich über den zugelassenen Grenzwerten. Während die Grenzwerte für die Abgasnormen Euro 4, Euro 5 und Euro 6 bei 250, 180 bzw. 80 mg NO_x pro km liegen, stoßen Dieselpersonenkraftfahrzeuge in Deutschland im tatsächlichen Fahrbetrieb durchschnittlich 674 (Euro 4), 906 (Euro 5) bzw. im Mittel 507 (Euro 6) mg NO_x pro km aus.^{[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 führt.^{[LIT 12]}

1878 besuchte Rudolf Diesel, damals Student am Polytechnikum München, Thermodynamikvorlesungen des Professors Carl von Linde. Linde erklärte seinen Studenten, dass eine Dampfmaschine nur 6–10 % der vom Brennstoff abgegebenen Wärme in effektive Arbeit umwandelt, beim Carnot-Prozess jedoch alle Wärme in Arbeit umgewandelt würde. Diesel gibt 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 Werk Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors.^{[D 1][LIT 13]}

Am 23. Februar 1893 erhielt er das Patent 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 14]} 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 2]} 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 mit Kreuzkopfpleuel und OHV-Ventilsteuerung, die Bohrung betrug 150 mm, der Kolbenhub 400 mm.^{[D 3]} Am 17. Februar 1894 lief ein erster Prototyp des neuen Motors aus eigener Kraft.^{[D 4]}

Ab 1894 erhielt Diesel in verschiedenen Ländern mehrere Patente auf wesentliche Verbesserungen des Selbstzündermotors. Insbesondere führte er den Motor in jahrelangen Versuchen zusammen mit Heinrich 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. Diesel strebte von Anbeginn die direkte Einspritzung in den Brennraum an, scheiterte jedoch an den zu dieser Zeit dafür ungeeigneten Pumpen und an der fehlenden Präzision der Einspritzventile. Deswegen wurde der Umweg über ein Einblasen des Kraftstoffes mit Druckluft gewählt, die es erlaubte, den flüssigen Kraftstoff genau genug zu dosieren und im Brennraum zu verteilen.^{[D 4]} Erst 1897 präsentierte Diesel auf der II. Kraft- und Arbeitsmaschinen-Ausstellung in München^{[LIT 14]} seinen Geldgebern und der Weltöffentlichkeit einen Motor, der mit Petroleum arbeitete und einen tagelangen Dauerversuch überstand. bescheinigt. 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 14]} Andere Werke geben auch einen Kraftstoffverbrauch von 324 g/kWh an.^{[G 1]} Der Wirkungsgrad übertraf denjenigen aller bisher bekannten Wärmekraftmaschinen.

Aufgrund seiner Konstruktion war der Dieselmotor zunächst nur als Stationärmotor einsetzbar, der erste gewerblich genutzte Dieselmotor, ein Zweizylinderviertaktmotor mit einer effektiven Leistung von 60 PS_e (rund 44 kW_e) bei 180 min⁻¹, ging 1898 in der Zündholzfabrik Union in Kempten in Betrieb. Ab 1902 kam der Dieselmotor erstmals in Schiffen zum Einsatz, ab 1923 auch in Lastkraftwagen. Ende der 1940er-Jahre hatte der Dieselmotor als Antrieb für Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge und Schiffe weite Verbreitung gefunden.^{[LIT 15]} Grundlage für die Entwicklung des Fahrzeugdieselmotors war die Vorkammer, die 1909 von Prosper L’Orange zum Patent angemeldet wurde. Durch die Einspritzung des Kraftstoffes in die Vorkammer musste der Einspritzdruck nicht besonders hoch sein, was den Einsatz eines zur Erzeugung des Einspritzdruckes bei Dieselmotoren bis dahin nötigen komplizierten und großen Lufteinblassystems überflüssig machte, wodurch die Abmessungen des Dieselmotors sanken; Dieselmotoren mit Lufteinblasung sind zu groß und zu schwer, um sie in Landfahrzeuge einzubauen.^{[K 3]}

1924 stellte MAN den ersten Dieselmotor mit Direkteinspritzung für Nutzfahrzeuge 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 Nkw. Im Februar 1936 wurden auf der Berliner Automobilausstellung die beiden ersten deutschen Serien-Pkw mit Dieselmotor präsentiert – der Mercedes-Benz 260 D und der Hanomag Rekord. Bis in die 1960er-Jahre hinein waren Kammermaschinen im Nutzfahrzeugsektor weit verbreitet, ehe der Direkteinspritzer aufgrund seiner höheren Wirtschaftlichkeit hier eine marktbeherrschende Stellung einnahm. Pkw-Dieselmotoren waren noch bis in die 1990er-Jahre mit Kammerverfahren konstruiert, da das Verbrennungsgeräusch geringer ist.^{[K 3]} Doch konnten sich Pkw-Dieselmotoren lange Zeit nicht durchsetzen, da sie als zu leistungsschwach galten. Dies änderte sich erst mit der Umstellung auf elektronische Hochdruck-Direkteinspritzung (Common-Rail bzw. Pumpe-Düse) in Kombination mit Abgasturboaufladung. Zunehmend wurde der Pkw-Dieselmotor vom Verbraucher akzeptiert, sodass in Europa mittlerweile (Stand 2017) rund jedes zweite neu zugelassene Auto einen Dieselmotor hat.^{[K 2]}

Das erste elektronische Steuergerät für Pkw-Dieselmotoren mit Verteilereinspritzpumpe, genannt EDC, wurde von Bosch entwickelt und erstmals 1986 beim BMW M21 eingesetzt.^{[LIT 16]} Das Common-Rail-Prinzip ist heute (2014) beim Fahrzeugdieselmotor das am weitesten verbreitete System.^{[J 4]} Es wurde 1976 von der ETH Zürich entwickelt. Ein erstes Common-Rail-System wurde im Winter 1985/1986 an einem modifizierten Dieselmotor der Type 6VD 12,5/12 GRF-E im Straßenverkehr-Dauerbetrieb mit einem Lkw IFA W50 erfolgreich erprobt. Der Motor-Prototyp ist heute im Industriemuseum Chemnitz zu besichtigen.^{[ON 4]}

Früher 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]} reichen bei vielen Fahrzeugen - trotz der deutlich höheren Kraftfahrzeugsteuer (je 100 cm³ Hubraum: 9,50 €/a für neuere Diesel- statt 2,00 €/a für Benzinfahrzeuge) sowie der oft höheren Versicherungsprämie - heute schon weniger als 10.000 Kilometer pro Jahr, damit sich der Diesel amortisiert.^{[ON 7]}

Im September 2015 räumte der Volkswagenkonzern öffentlich ein, beim Abgasnachbehandlungssystem seiner Dieselfahrzeuge manipuliert zu haben. Dadurch wurde der VW-Abgasskandal ausgelöst, was den Dieselmotor als effiziente Antriebstechnologie in die Kritik brachte. Ab 2016 wurden mögliche Fahrverbote für Dieselfahrzeuge in deutschen Städten diskutiert. In Folge sank die Popularität des Dieselmotors in Deutschland, Volkswagen kostete der Abgasskandal laut Schätzungen des Manager-Magazins aus dem Jahr 2016 bis Mitte 2017 ca. 20 bis 25 Milliarden Euro.^{[LIT 17]}

Auf der Tagung des „Nationalen Forum Diesel“ des deutschen Bundesverkehrsministerium und Bundesumweltministerium sowie weitere fachbezogene Ministerien und Vertreter der Automobilindustrie sowie Entscheidungsträger der Länder soll am 2. August 2017 nach den Abgasskandalen und dem Urteil des Verwaltungsgerichts Stuttgart zur Luftverschmutzung eine bundesweite Lösung zur Reduzierung der Stickoxidemissionen bei Diesel-Pkw erreicht werden. Eine Beteiligung von Umwelt- und Verbraucherschutzverbänden am „Nationalen Forum Diesel“ ist bislang nicht vorgesehen.^{[ON 8]}

Am 23. Mai 2018 verhängte bundesweit erstmals seit dem Abgasskandal mit der Hamburger Behörde für Umwelt und Energie eine öffentliche Stelle Fahrverbote für Fahrzeuge mit älteren Dieselmotoren. Laut dem Hamburger Luftreinhalteplan gelten ab dem 31. Mai 2018 in Teilen der Max-Brauer-Allee sowie der Stresemannstraße Fahrverbote für Fahrzeuge, die nicht mindestens die Abgasnorm Euro-6 erfüllen. Zuvor hatte das Bundesverwaltungsgericht derartige Fahrverbote grundsätzlich für zulässig erachtet, um die Luftbelastung mit Stickoxiden zu verringern.^{[ON 9]} Der BUND 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 10]}

Wiktionary: Dieselmotor – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Dieselmotoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Literaturverweise

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3. ↑ Klaus Mollenhauer, Walter Pflaum: Wärmeübergang in der Verbrennungskraftmaschine. In: Hans List (Hrsg.): Die Verbrennungskraftmaschine. Band 3. Springer, Wien 1977, ISBN 978-3-7091-8454-7, S. 60, doi:10.1007/978-3-7091-8453-0 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
4. ↑ Julius Magg: Die Steuerungen der Verbrennungskraftmaschinen. Springer-Verlag, Berlin 1914, ISBN 978-3-642-47608-2, S. 261.
5. ↑ Günter P. Merker, Rüdiger Teichmann (Hrsg.): Grundlagen Verbrennungsmotoren. 7. Auflage. Springer Fachmedien, Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-658-03194-7. , Kapitel 7.1, Abb. 7.1
6. ↑ Rolf Isermann (Hrsg.): Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe: Elektronik, Modellbildung, Regelung und Diagnose für Verbrennungsmotoren, Getriebe und Elektroantriebe, Springer, Wiesbaden, 2010, ISBN 978-3-8348-9389-5, S. 259
7. ↑ Klaus Schreiner: Basiswissen Verbrennungsmotor: Fragen – rechnen – verstehen – bestehen. Springer, 2014, ISBN 978-3-658-06187-6, S. 22.
8. ↑ H. Kremser: Der Aufbau schnellaufender Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge und Triebwagen. In: Hans List (Hrsg.): Die Verbrennungskraftmaschine. Band 11. Springer, Wien 1942, ISBN 978-3-7091-5016-0, S. 129 g), doi:10.1007/978-3-7091-5016-0 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). )
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14. ↑ ^{a b c} *H. H. Wille: PS auf allen Straßen, Urania Verlag Leipzig, 1980, S. 60 ff.
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16. ↑ Brian Long: Zero Carbon Car: Green Technology and the Automotive Industry, Crowood, 2013, ISBN 978-1-84797-514-0.
17. ↑ Lorenz Steinke: Kommunizieren in der Krise: Nachhaltige PR-Werkzeuge für schwierige Zeiten, Springer, Wiesbaden, 2017, ISBN 978-3-658-14646-7, S. 74

• Richard van Basshuysen (Hrsg.), Fred Schäfer (Hrsg.) : Handbuch Verbrennungsmotor : Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven, Springer, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-10902-8.

1. ↑ S. 342
2. ↑ S. 1202 ff.

• Hans-Hermann Braess (Hrsg.), Ulrich Seiffert (Autor): Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, 6. Auflage, Vieweg+Teubner, Wiesbaden, 2012, ISBN 978-3-8348-8298-1.

1. ↑ ^{a b} S. 231.
2. ↑ S. 232.
3. ↑ S. 225
4. ↑ ^{a b} S. 246.
5. ↑ S. 246.

• Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal: Energie : Physikalische Grundlagen ihrer Erzeugung, Umwandlung und Nutzung, Springer, Wiesbaden, 2014, ISBN 978-3-658-00501-6.

1. ↑ ^{a b c d} S. 312
2. ↑ S. 309

• Rudolf Diesel: Die Entstehung des Dieselmotors. Springer, Berlin 1913. Faksimile der Erstausgabe mit einer technik-historischen Einführung. Steiger, Moers 1984, ISBN 3-921564-70-0.

1. ↑ S. 1 ff
2. ↑ S. 4
3. ↑ S. 8
4. ↑ ^{a b} S. 22

• A. v. Philippovich: Die Betriebsstoffe für Verbrennungskraftmaschinen. In: Hans List (Hrsg.): Die Verbrennungskraftmaschine. Band 1. Springer, Wien 1939, ISBN 978-3-662-27981-6, doi:10.1007/978-3-662-29489-5 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 

1. ↑ ^{a b} S. 41
2. ↑ ^{a b} S. 43
3. ↑ ^{a b} S. 45
4. ↑ S. 42 u. 43

• Hans List: Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine. In: Hans List (Hrsg.): Die Verbrennungskraftmaschine. Band 2. Springer, Wien 1939, ISBN 978-3-7091-5197-6, doi:10.1007/978-3-7091-5345-1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 

1. ↑ S. 5
2. ↑ S. 6
3. ↑ ^{a b} S. 1
4. ↑ S. 8
5. ↑ S. 2
6. ↑ S. 28 u. 29

• Günter Mau: Handbuch Dieselmotoren im Kraftwerks- und Schiffsbetrieb, Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden, 1984, ISBN 978-3-528-14889-8.

1. ↑ ^{a b} S. 7
2. ↑ S. 4

• Klaus Mollenhauer (Hrsg.): Handbuch Dieselmotoren., VDI, 3. Auflage, Springer, Berlin, 2007, ISBN 978-3-540-72164-2.

1. ↑ S. 17
2. ↑ S. 19

• Rudolf Pischinger, Manfred Kell, Theodor Sams: Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine. 3. Auflage. Springer Verlag, Wien 2009, ISBN 978-3-211-99276-0. 

1. ↑ S. 132
2. ↑ Kapitel 2.5.3, Formel 2.76

• Konrad Reif (Hrsg.): Dieselmotor-Management im Überblick. 2. Auflage. Springer Fachmedien, Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-658-06554-6. 

1. ↑ Kapitel „Abgasemissionen“, Bild 1
2. ↑ S. 10
3. ↑ S. 136
4. ↑ S. 93

• Konrad Reif (Hrsg.): Grundlagen Fahrzeug- und Motorentechnik. Springer Fachmedien, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-12635-3. 

1. ↑ Kapitel „Einsatzgebiete der Dieselmotoren/Motorkenndaten“, Tabelle 1: Vergleichsdaten für Diesel- und Ottomotoren
2. ↑ ^{a b} S. 16 ff.
3. ↑ ^{a b} S. 13 ff.

• Cornel Stan: Thermodynamik des Kraftfahrzeugs: Grundlagen und Anwendungen - mit Prozesssimulationen, Springer, Berlin/Heidelberg, 2017, ISBN 978-3-662-53722-0.

1. ↑ ^{a b} S. 245 ff.
2. ↑ ^{a b} S. 252

• Hans Christian Graf von Seherr-Thoß: Die Technik des MAN Nutzfahrzeugbaus in MAN Nutzfahrzeuge AG (Hrsg.): Leistung und Weg: Zur Geschichte des MAN Nutzfahrzeugbaus, Springer, Berlin/Heidelberg, 1991. ISBN 978-3-642-93490-2.

1. ↑ S. 436 ff.
2. ↑ S. 438

Onlinequellen

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