Dieselmotor

Licensreplika af Langen & Wolf af den første funktionelle dieselmotor, 1898 (ydelse ca. 15 kW)

En dieselmotor er en forbrændingsmotor med kompressionstænding (selvantændelse uden tændrør), hvis blanding af brændstof og luft dannes i forbrændingskammeret ( dannelse af intern blanding ), og drejningsmomentet indstilles via mængden af brændstof injiceret ( kvalitativ belastningsindflydelse ). Det kan køre på en række forskellige brændstoffer, herunder diesel . Dieselmotorer fås som totakts- eller firetakts stempelmotorer ; de er kendetegnet ved en relativt høj grad af effektivitet og mulighed for at designe dem med både lille og stor effekt .

Opfinderen af dieselmotoren er den tyske ingeniør Rudolf Diesel , der først publicerede sine ideer om en motor med særlig høj effektivitet i 1893 i bogen Theory and Construction of a Rational Heat Engine . I årene efter 1893 lykkedes det ham at bygge en sådan motor i et laboratorium ved Maschinenfabrik Augsburg (i dag MAN ), omend kun ved at afvige fra konceptet beskrevet i hans bog. Takket være sine patenter, der er registreret i mange lande og hans aktive public relations -arbejde, blev han opkaldt efter motoren og det tilhørende dieselbrændstof, et mellemdestillat .

teknologi

princip

Firetaktsproces i dieselmotoren vist skematisk

Dieselmotorer er frem- og tilbagegående stempelmotorer, der omdanner kemisk energi til termisk og kinetisk energi. De kan udformes som to- eller firetaktsmotorer. Dieselcyklussen udviklet af Rudolf Diesel er en termodynamisk sammenligningsproces for dieselmotoren. Fordi den ikke repræsenterer den faktiske forbrændingsproces tilstrækkeligt, er det bedre at bruge Seiliger -processen som en sammenligningsproces.^{[C 1]} (Mere om dette i afsnittet Termodynamik i dieselmotoren )

Firetakts dieselmotorer suger en cylinderfyldning af luft ind under indsugningsslaget ; Med totaktsmotoren begynder “skylleprocessen” kort før stemplet har nået nedre dødpunkt og slutter kort efter, at det har forladt nederste dødpunkt igen - forbrændt udstødningsgas erstattes af frisk luft. Den friske luft komprimeres kraftigt under kompressionsslaget (forholdet for en firetaktsmotor omkring 16: 1 til 24: 1) ^{[K 1]} og opvarmes således til cirka 700–900 ° C ( kompressionsvarme ). Kort før stemplets øverste dødpunkt begynder brændstoffet at blive injiceret, som fordeles fint og atomiseres i den varme luft i forbrændingskammeret. Den høje temperatur er tilstrækkelig til, at blandingen antændes - så det er ikke en gnist af et tændrør, der er så nødvendigt som benzinmotoren .

Identifikation af dieselmotoren

Selvantændelse : Luften opvarmes af den (næsten) adiabatiske komprimering, og brændstoffet, der sprøjtes ind i den varme luft, antændes uden et eksternt tændingshjælpemiddel.
Intern blandingsdannelse : brændstof og luft blandes først i forbrændingskammeret.
Kvalitativ blandingsregulering : Den nuværende effekt ændres primært ved at variere mængden af indsprøjtet brændstof. ^{[LIT 1]}
Heterogen blanding : luft og brændstof fordeles ikke jævnt i forbrændingskammeret.
Højt luftforhold : Dieselmotoren arbejder med overskydende luft: $\lambda _{v}\geq \lambda _{\mathrm {min} }\geq 1$ ${\ displaystyle \ lambda _ {v} \ geq \ lambda _ {\ mathrm {min}} \ geq 1}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {v} \ geq \ lambda _ {\ mathrm {min}} \ geq 1}$
Forbrændingsflamme: Iltet diffunderer ind i flammen under forbrænding ( diffusionsflamme ).
Antændeligt brændstof: Dieselmotorer fungerer bedst med højkogende, antændelige brændstoffer.

Kilde ^{[N 1]}

brændstof

I princippet er dieselmotorer multi-brændstofmotorer og kan derfor betjenes med alle brændstoffer, der kan leveres af indsprøjtningspumpen ved motorens driftstemperatur, som kan forstøves godt, og som er tilstrækkeligt antændelige til lav tændingsforsinkelse . Antændelsesgraden er cetantallet , som skal være så højt som muligt. ^{[E 1]} Desuden bør brændværdien være høj. ^{[E 1]} Dieselmotorbrændstof består som regel af højtkogende og langkædede kulbrinter (C ₉ til C ₃₀ ). ^{[H 1]} I praksis opfylder (nogle gange viskøse) flydende brændstoffer destilleret fra fossile brændstoffer som gasolier og tjæreolier med brændværdier mellem ca. 38,8 og 43,5 MJ / kg disse krav. ^{[E 2] Ud} over flydende brændstoffer er gasformige brændstoffer også egnede. ^{[LIT 2]} Efter Første Verdenskrig blev det meste ringere, selv billige olier brugt som brændstof, fordi de ikke blev beskattet. Indtil 1930'erne var benzin , petroleum , smøreolie , gasolie og vegetabilske olier samt blandinger af disse brændstoffer almindelige. Med udviklingen af dieselmotorteknologi blev bedre, mere antændelige brændstoffer med cetantal fra 45 til 50 CZ uundværlige. I praksis blev der anvendt gasolie, kultjæreolie og olie fra kulsmolning .

Der var ikke standardiseret dieselmotorbrændstof før i 1940'erne, hvor dieselbrændstof blev standardiseret til landkøretøjer i DIN 51601 for første gang efter Anden Verdenskrig. ^{[M 1]} Siden 1993 er dieselmotorbrændstof i EN 590 standardiseret og kaldes simpelthen Diesel, de fleste dieselmotorer (bil, værktøj) er designet til drift med dette brændstof eller kan betjenes hermed; store marine dieselmotorer drives stadig overvejende med tungere brændstof i dag (se marin dieselolie ). Dette brændstof er standardiseret i ISO 8217 -standarden. De typer brændstof, som en bestemt dieselmotormodel er beregnet til, findes normalt i betjeningsvejledningen. Nogle hvirvelkammermotorer er f.eks. Designet til drift med ikke-antændeligt brændstof med en særlig høj tændingsforsinkelse (f.eks. Benzin ). ^{[E 3]} Dieselmotorer med direkte indsprøjtning med MAN-M-processen er også hovedsageligt velegnede til drift med 86 oktan benzin. ^{[M 2]} Hvis dieselmotorer drives med forkert brændstof, kan der forekomme kogning af indsprøjtningsdyserne ^{[E 2]} eller banke (sømme) ^{[E 3]} . Urenheder i brændstoffet, såsom støv, rust, sand og vand, har også en skadelig virkning på dieselmotoren, idet forurening fra sand er særlig ugunstig. ^{[E 4]}

Den første dieselmotor var designet til brug af mineralolie , men den var også velegnet til drift med olie , motorbensin og ligroin . ^{[D 1]} Rudolf Diesel testede brugen af brændstof baseret på vegetabilske olier som en del af verdensudstillingen i 1900 . Han rapporterede om det ved et foredrag for Institution of Mechanical Engineers i Storbritannien: “... på verdensudstillingen i Paris i 1900 viste Nicolaus Otto en lille dieselmotor fra gasmotorfabrikken Deutz AG , der kørte på jordnøddeolie ( arachidolie) efter anmodning fra den franske regering, og det fungerede så problemfrit, at meget få mennesker så det. ” ^{[ON 1]}

regulering

Dieselmotoren er i det væsentlige reguleret af mængden af indsprøjtet brændstof. Når mængden øges, afgives mere drejningsmoment, mens forbrændingsluftforholdet falder på samme tid. For turbomotorer kan mængden af luft også øges ved at øge boostetrykket.

Brændstof indsprøjtning

Ikke opdelt forbrændingskammer i en common rail -dieselmotor

Teknisk tegning af topstykket på en hvirvelkammer dieselmotor med et opdelt forbrændingskammer. Forbrændingskammeret kan ses i midten af tegningen og består af det sfæriske hvirvelkammer , der er markeret med tre pile med uret, der repræsenterer hvirvling af luften, og det tilhørende hovedforbrændingskammer i stemplet nederst til højre, som er flad i den øvre del af stemplet.

Principielt har dieselmotorer brændstofindsprøjtning i forbrændingskammeret (indre blandingsdannelse), modelmotorer og hjælpecykelmotorer ( Lohmann -motor ) med karburatorer og kompressionstænding tælles ikke med blandt dieselmotorerne. Brændstoffet indsprøjtes kort før afslutningen af kompressionsslaget, når luften er blevet komprimeret tilstrækkeligt og er blevet opvarmet som følge heraf. Injektionsprocessens forløb afhænger af injektionens dyse og pumpeelementets design samt det geometriske forhold mellem indsprøjtningsledningen og aflastningsventilen. Under injektion kommer det flydende brændstof ind i forbrændingskammeret som en sky af fint fordelte dråber, hvor luften allerede giver antændelsesbetingelser. Kun en lille del af brændstoffet er dampet i denne fase. De enkelte brændstofdråber har forskellige størrelser og er ikke jævnt fordelt (heterogen blanding). For at antændelse skal forekomme, skal termisk energi fra trykluften passere ind i brændstofdråberne, så de enkelte dråber fordamper på deres overflade, og der dannes et lag damp omkring brændstofdråberne, som kan blandes med luften. Kun fra et lokalt luftforhold på $\lambda >0{,}7$ ${\ displaystyle \ lambda> 0 {,} 7}$ ${\ displaystyle \ lambda> 0 {,} 7}$ blandingen er antændelig. Perioden fra starten af injektionen til start af tændingen er kendt som tændingsforsinkelsen. ^{[N 2]}

Stationær dieselmotor med luftindsprøjtning og en ydelse på 59 kW fra 1915. På grund af sit princip har denne motor en høj masse og store dimensioner med lav ydelse

Der er udviklet forskellige indsprøjtningsprocesser til dieselmotorer, som i væsentlig grad adskiller sig i designet af forbrændingskammeret og injektionspumpen. På den ene side er der motorer med et kompakt forbrændingskammer og direkte indsprøjtning ; på den anden side er der motorer med et opdelt forbrændingskammer og indirekte indsprøjtning i et kammer opstrøms for hovedforbrændingskammeret. På grund af dens lavere effektivitet betragtes denne type konstruktion som forældet. ^{[J 1]} Den ældste metode, der blæste ind med trykluft, blev forældet efter Første Verdenskrig. Desuden er udformningen af brændstofindsprøjtningspumpen et væsentligt træk ved indsprøjtningssystemet, idet konventionelle indsprøjtningspumper normalt kan kombineres med begge forbrændingskammerformer. Moderne dieselmotorer til personbiler har normalt direkte indsprøjtning; cylindrene har en fælles højtrykspumpe og en fælles højtryksledning (common rail), der konstant er under tryk for alle cylindre; Injektion initieres ved at åbne injektionsventilerne, som styres elektronisk. ^{[J 2]} I motorer uden elektronisk motorstyring startes indsprøjtningen rent mekanisk. Indsprøjtningsmængden bestemmes af injektionspumpen, som følgelig skal levere en nøjagtigt defineret mængde brændstof under højt tryk til indsprøjtningsventilen for hver cylinder. I de tidlige dage med dieselmotorkonstruktion kunne den fine fordeling af brændstof kun opnås ved at blæse trykluft ind. ^{[LIT 3]} ^{[D 2]} Hvis dieselmotorer drives med gasformigt brændstof, kan motoren enten være en dieselmotor med dobbelt brændstof eller en ren gas-dieselmotor. Dobbeltbrændstofmotorer trækker en gas-luft-blanding ind, der antændes af en lille mængde injiceret konventionelt flydende brændstof, der brænder (pilotantændelse) og derefter antænder den gasformige brændstof-luftblanding. Denne motortype kan også fungere i ren flydende brændstofstilstand. Alle-gas dieselmotorer har højtryksbrændstofindsprøjtning, der ikke kræver en pilotantændelse. De kan ikke drives med flydende brændstof. ^{[LIT 2]}

Typer af indsprøjtningspumpe

Brændstofmålingspumpe (med luftindsprøjtning)
In-line injektionspumpe
Fordelerindsprøjtningspumpe
Enkel rampumpe
Pumpe-dyseenhed
Højtrykspumpe (med common rail)

Indirekte injektionsprocesser

Umiddelbar injektionsproces

termodynamik

Arbejdsprocessen med forbrændingsmotorer er kompleks. For at beskrive dem matematisk og gøre dem tilgængelige for en beregning anvendes idealiserede, teoretisk, stærkt forenklede sammenligningsprocesser . Sammenligningsprocesserne er cirkulære processer og antager i modsætning til den faktiske motor, at en ideel gas opvarmes og afkøles igen i motoren for at udføre mekanisk arbejde. I henhold til DIN 1940 antages det i tilfælde af en perfekt motor, at forbrændingen foregår i henhold til specificerede modelprincipper, at der kun er ren ladning uden restgasser, der ikke opstår flow og lækagetab, ladningsudvekslingen er modelleret efter en defineret varmeafledning og motoren er ellers varmetæt. ^{[I 1]} I en egentlig motor er der, i modsætning til i modellen, ingen isentropisk komprimering og ekspansion, men flowtab og langsom forbrænding, som tager en vis tid. Derudover skal belastningsændringen og leveringsgraden også tages i betragtning.

Rudolf Diesel havde ideen om dieselmotoren baseret på Carnot -cyklussen , som han ville realisere med en maskine. I Carnot -cyklussen leveres varmen ved en konstant maksimal temperatur og spredes ved en konstant minimumstemperatur, det vil sige isotermisk : "Isoterme er ændringer i tilstanden af den gas, hvor temperaturen forbliver konstant, mens trykket og volumenet af gasændringen. "Carnot cykler den maksimalt mulige effektivitet for en given temperaturgradient. ^{[G 1]} Den diesel, der er udviklet baseret på Carnot -cyklussen og i bogen Teori og konstruktion af en effektiv varmemotor beskrevet dieselcyklus, er en direkte trykproces , ^{[H 2],} hvilket betyder, at varmen er isobar i en gas, så den resterende det samme, det maksimale tryk tilføres, mens volumen ændres. Varmen trækkes tilbage fra processen ved konstant volumen, dvs. isokorisk, mens trykket ændres. Mellem disse to faser er der isentropisk komprimering og ekspansion, i rækkefølgen af kompression, varmeforsyning, ekspansion, varmefjernelse. ^{[C 2]} Da dieselcyklusprocessen er en cyklusproces, kan disse fire faser gentages så ofte som nødvendigt. ^{[L 1]}

Faktisk fungerer den arbejdsmetode, der oprindeligt blev udtænkt af Rudolf Diesel, ikke med en rigtig motor, da de nødvendige ændringer i gastilstanden ikke er mulige, og kompressionen til den ideelle effektivitet ville være så stor, at motoren skulle udføre mere kompressionsarbejde end den kunne levere sig selv. ^{[R 1]} Diesel erkendte dette problem og skrev i maj 1893 et manuskript med titlen Konklusioner om motorens arbejdsmetode, der helt sikkert skulle vælges til praksis , hvor han beskrev en modificeret arbejdsmetode. ^{[R 2]} De vigtigste ændringer var reduceret kompression ^{[R 3]} og mere brændstof tilsat forbrænding. ^{[R 4]} For at beskrive denne ændrede arbejdsmetode, efter at alle dieselmotorer har arbejdet, bruges Seiliger -cyklussen i dag i en forenklet termodynamisk model.^{[C 1]}

Seiliger -cyklussen er en blanding af et konstant tryk og en konstant rumproces . Først suges luft ind og komprimeres isentropisk, derefter tilføres en del af varmen til gassen med et næsten konstant volumen (isochorisk). Når det maksimale tryk er nået, tilføres resten isobarisk, som i dieselmotoren, dvs. med et variabelt volumen, men konstant tryk. I beregningsmodellen skulle dette kortlægge forbrændingen, som foregår langsommere i en rigtig dieselmotor end i en benzinmotor. Gassen ekspanderer isentropisk i resten af arbejdscyklussen. Forbrændingsgasens volumen stiger, trykket i cylinderen og temperaturen falder. I den ideelle proces afkøles gassen til sin oprindelige tilstand ved nederste dødpunkt; i den rigtige motor udstødes udstødningsgassen og erstattes med frisk luft. Processen starter forfra.^{[C 1]} I en rigtig dieselmotor kan varme tilføres gassen i det mindste omtrent isobarisk og ekstraheres omtrent isokorisk. Som følge af den isobare varmeforsyning har dieselmotoren en lavere termisk effektivitet end Otto -motoren. ^{[L 2]} Da dieselmotoren imidlertid kan betjenes med et betydeligt højere kompressionsforhold, takket være blandingen af brændstof og luft først efter kompression, er dens faktiske effektivitet ikke værre end en benzinmotor, men bedre.^{[C 1]} Som et resultat af udviklingen inden for benzinmotorteknologi med nye blandingsdannelsesprocesser og kontrolleret selvantændelse må der i fremtiden forventes "vidtrækkende konvergens" mellem benzin- og dieselmotorers cyklusprocesser. ^{[L 2]}

Effektivitet

I sit arbejde Teori og konstruktion af en rationel varmemotor til udskiftning af dampmaskinen og de forbrændingsmotorer, der kendes i dag, siger Rudolf Diesel, at termisk effektivitet for en ideel dieselmotor er 73%, men i virkeligheden opnås denne værdi ikke. Diesel anslår den effektive effektivitet af en dieselmotor til at være "6 til 7 gange så stor som dagens bedste dampmaskiner (...) og senere tilsvarende mere" . Med en effektivitet på 7,2% af en sammensat dampmaskine svarer dette til en virkningsgrad på 43,2% eller 50,4% ^{[LIT 5]} - faktisk opnår to -takts store dieselmotorer i dag (2014) en effektivitet på op til 55%. ^{[J 3]} I personbils -dieselmotorer med direkte indsprøjtning og turboladning til udstødningsgas er effektivitetsgraden noget lavere, på det bedste tidspunkt er den omkring 43%. ^{[A 1]}

Udstødningsgasser

Dieselmotorens mulige brændstoffer består primært af de kemiske grundstoffer kulstof og brint , det ilt, der kræves til forbrænding, stammer fra indsugningsluften. ^{[F 1]} Da luften overvejende indeholder nitrogen , kan den ikke ses bort fra. ^{[F 2]} I dieselmotorens forbrændingskammer sker der en kemisk reaktion mellem brændstoffet og indsugningsluften, under hvilken energien, der er bundet i brændstoffet, omdannes. Brændstofmolekylerne brænder med iltet i luften og producerer udstødningsgasser. Hvis den teoretiske model af den ideelle dieselmotor bruges, og hvis den drives med et ideelt overskydende luftforhold, bringes alle brændbare komponenter i brændstoffet til det sidste stadie af oxidation ved en optimal tilførsel af ilt - forbrændingen er fuldført. Udstødningsgassen består derefter af kuldioxid , vand , nitrogen og muligvis overskydende ilt. ^{[F 3]} Ufuldstændigt forbrændte komponenter findes derfor ikke i den ideelle motors dieselmotorudstødning . ^{[F 4]} I praksis opstår der imidlertid en ufuldstændig forbrændingstilstand, hvor nogle brændstofkomponenter ikke omdannes fuldstændigt. Årsagen hertil kan være mangel på luft, utilstrækkelig blanding af brændstof med luften eller ufuldstændig forbrænding på grund af delvis afkøling af forbrændingskammeret. ^{[F 3]}

Sod

Hvis forbrændingen i dieselmotoren er ufuldstændig på grund af mangel på luft eller lave temperaturer, omdannes brændstofets kulstofkomponenter ikke, og det, der er tilbage som dieselsod , bliver forbrændingen af motoren rygning . En sådan forbrænding har imidlertid en ugunstig virkning på dieselmotorens driftsegenskaber på grund af kraftig forurening af forbrændingskammeret, hvorfor en dieselmotor ikke må drives uden luftmangel. ^{[F 5]} Selv en ideel dieselmotor, mere generelt enhver motor med inhomogen blandingsdannelse , kan ikke brænde forbrændingskammerfyldningen fri for sod. Det indsprøjtede brændstof er i form af meget fine dråber, der antændes udefra og indvendigt ^{[LIT 6]} . Den resulterende ekspansion af forbrændingsgasserne forhindrer tilstrækkelig strøm af yderligere forbrændingsluft. Selv hvis der er et stort overskud af luft ved forbrændingens begyndelse, set i sin helhed, kan det ikke bruges fuldt ud. Dette skaber altid noget sod. Partikelmassen har en tendens til at falde som følge af finere forstøvning og et stort overskud af luft. På den anden side er den inhomogene blandingsdannelse den nødvendige forudsætning for antændelse af et forbrændingskammer, der fyldes med et stort luftoverskud, da der altid kan findes volumenelementer, hvor en antændelig blanding er til stede. For motorer med en homogen blandingsdannelse skal denne tilstand indstilles ved lagdelt opladning .

Dannelse af nitrogenoxid

I den ideelle dieselmotor består udstødningsgassen af CO ₂ , H ₂ O, N ₂ og O ₂ , som beskrevet ovenfor. Denne tilstand ville imidlertid kun findes ved lave forbrændingstemperaturer. I en rigtig dieselmotor opstår der høje forbrændingstemperaturer, der ændrer den kemiske ligevægt; kvælstoffet i indblæsningsluften dissocierer, og nitrogenoxider dannes . ^{[F 6]}

Udstødningsgas sammensætning

Rå emissioner af en personbil dieselmotor fra forskellige kilder og på forskellige betjeningspunkter. Den venstre kolonne viser et driftspunkt med en lav belastning (ca. 25% og et forbrændingsluftforhold på 4). I den højre kolonne et driftspunkt tæt på fuld belastning, med et forbrændingsluftforhold på 1,1).

Udstødningsgas sammensætning
Udstødningsgas komponenter	Vægt % ^{[J 4]}	Lydstyrke% ^{[LIT 7]}
Kvælstof (N ₂ )	75,2%	72,1%
Oxygen (O ₂ )	15%	0,7%
Kuldioxid (CO ₂ )	7,1%	12,3%
Vand (H ₂ O)	2,6%	13,8%
Kulilte (CO)	0,043%	0,09%
Kvælstofoxider (NO _x )	0,034%	0,13%
Kulbrinter (HC)	0,005%	0,09%
Aldehyder	0,001%	(ikke specificeret)
Sodpartikler ( sulfater + faste stoffer)	0,008%	0,0008%

Fordelingen ændres stærkt afhængigt af belastningstilstanden og lidt også med luftfugtigheden. Luftfugtigheden beregnes normalt tilbage fra brændstofets proportioner, da den sjældent måles. ^{[I 2]}

Momentkurve og effekt

Dieselmotorer har en fysisk bestemt hastighedsgrænse på grund af tændingsforsinkelsen ; Teoretisk set kan hvirvelkammermotorer rotere op til ca. 5000 min ⁻¹ , ^{[B 1]} direkte indsprøjtningsmotorer op til ca. 5500 min ⁻¹ . ^{[B 2]} Designmæssigt er det dog ikke alle motorer, der er designet til drift ved den teoretiske øvre hastighedsgrænse.

For at opnå samme ydelse i forhold til en benzinmotor skal en dieselmotor have en større slagvolumen eller en overladning (= højere gennemsnitligt indre tryk), fordi momentet $M.$ ${\ displaystyle M}$ $M.$ på en dieselmotor skal være højere på grund af det mindre hastighedsområde:

P=2\pi nM=\omega M

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

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

^{[J 5]}

P.

{\ displaystyle P}

P.

.. effekt [W];

M.

{\ displaystyle M}

M.

.. drejningsmoment [Nm];

n

{\ displaystyle n}

n

.. hastighed [s ⁻¹ ];

\omega

{\ displaystyle \ omega}

\ omega

.. vinkelhastighed [rad s ⁻¹ ] (

2\pi n=\omega

{\ displaystyle 2 \ pi n = \ omega}

{\ displaystyle 2 \ pi n = \ omega}

)

Regneeksempel

En benzinmotor leverer med en hastighed $n$ ${\ displaystyle n}$ $n$ et drejningsmoment på 6000 min ⁻¹ (100 s ⁻¹ ) $M.$ ${\ displaystyle M}$ $M.$ på 160 Nm, sikke en præstation $P.$ ${\ displaystyle P}$ $P.$ på ca. 100.000 W. En almindelig dieselmotor kan ikke nå denne hastighed, hvorfor dens drejningsmoment skal være større for at opnå samme ydelse. Til med en hastighed $n$ ${\ displaystyle n}$ $n$ 3000 min ⁻¹ (50 s ⁻¹ ) en output $P.$ ${\ displaystyle P}$ $P.$ på også 100.000 W, skal drejningsmomentet være $M.$ ${\ displaystyle M}$ $M.$ 320 Nm.

Fordele og ulemper ved dieselmotoren

Fordele ved dieselmotoren

Dieselmotoren har en høj effektivitet på grund af den høje kompression (ekspansionsgrad). Den lavere gasregulering resulterer i lavere gasudvekslingstab i dieselmotoren og derfor et lavere specifikt brændstofforbrug, især i delbelastningsområdet. Det gør dieselmotoren særlig økonomisk. ^{[J 6]} Desuden er de anvendte brændstoffer lettere at fremstille og mindre farlige, fordi de fordamper langsommere ( flammepunktet for dieselolie er mindst $55\,^{\circ }\mathrm {C}$ ${\ displaystyle 55 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C}}$ ${\ displaystyle 55 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C}}$ det med benzin $-25\,^{\circ }\mathrm {C}$ ${\ displaystyle -25 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C}}$ ${\ displaystyle -25 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C}}$ ). ^{[ON 2]} Dieselmotorer er velegnede til turboladning, selv i lavhastighedsområdet, fordi brændstoffet ikke kan antændes ukontrolleret på grund af den interne blandingsdannelse under kompressionsslaget ^{[K 2]} og momentoutput på grund af en ændring i brændstof-luftblandingens sammensætning (ændring i kvalitet ), men ikke det samme Beløb er indstillet. ^{[J 7]}

Ulemper ved dieselmotoren

Afspil mediefil

Typisk forbrændingsstøj fra en historisk industrimotor med direkte indsprøjtning, type MWM AKD 112 Z

Forbrændingsstøj fra dieselmotoren er højere, og den specifikke effekt er lavere end for en benzinmotor. ^{[B 3]} For at kunne modstå de høje tryk, skal dieselmotorer være konstrueret til at være forholdsvis robuste; dette fører til en større masse af motoren. ^{[LIT 8]} Desuden har dieselmotorer særlige udfordringer med hensyn til udstødningsgasrensning. På den ene side produceres nitrogenoxider under forbrænding, hvilket kan kræve et kompliceret system til efterbehandling af udstødningsgas, da trevejskatalysatoren ikke fungerer i dieselmotoren. Dette gør dieselmotoren væsentligt dyrere i indkøb og mindre økonomisk at betjene i forhold til en dieselmotor uden udstødningsrengøringssystem. ^{[LIT 9]} På den anden side har dieselmotoren en tendens til at sode, hvorfor de første foranstaltninger til at reducere udstødningsemissioner fra slutningen af 1950'erne havde til formål at begrænse røgdensiteten i dieselbiler. I dag kan udviklingen af røg og fint støv reduceres til et minimum i de fleste driftssituationer, hvilket dog kræver et dieselpartikelfilter ud over en ureguleret katalysator.

Start og stop af en dieselmotor

Glødetråds display på instrumentbrættet på en dieselbil. Motoren kan startes, når lampen slukker.

Start

For at starte en dieselmotor skal indsprøjtningspumpen indstilles på en sådan måde, at der kan genereres tilstrækkeligt brændstofindsprøjtningstryk, derefter skal krumtapakslen indstilles i en tilstrækkelig hurtig rotationsbevægelse, så kompression starter selvantændelse. Krumtapakslen kan drejes i hånden i små motorer, for eksempel ved hjælp af en håndsving eller et kabeltræk, og i større motorer en startmotor eller trykluft. Med enkle motorer bruges elektriske komponenter kun til overvågning.

I princippet kræves der ingen starthjælpemidler i form af forvarmningssystemer til forbrændingskammer til en dieselmotor (derfor har ikke alle dieselmotorer et forvarmningssystem), men de kan være nyttige for nogle motorer. Den omgivende temperatur, hvorfra en kold motor skal forvarmes, så den starter pålideligt, afhænger af dens design. Dette er ca. $<40\,^{\circ }\mathrm {C}$ ${\ displaystyle <40 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C}}$ ${\ displaystyle <40 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C}}$ til førkammermotorer , $<20\,^{\circ }\mathrm {C}$ ${\ displaystyle <20 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C}}$ ${\ displaystyle <20 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C}}$ bei Wirbelkammermotoren und $<0\,^{\circ }\mathrm {C}$ $<0\,^{\circ }\mathrm {C}$ $<0\,^{\circ }\mathrm {C}$ bei Direkteinspritzern . Bei kleinen Dieselmotoren (Hubvolumen geringer als 1000 cm³ pro Zylinder) werden elektrische Glühstiftkerzen eingesetzt, die in den Nebenbrennraum (Vorkammer beziehungsweise Wirbelkammer) eingebaut sind; bei Direkteinspritzern ragen sie in den Hauptbrennraum. Bei großen Nutzfahrzeugmotoren wird anstelle von Glühkerzen eine Flammstartanlage 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. Der Schwung soll zum Einsetzen der initialen Zündung führen. Beim Vorkammerdieselmotor 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 eine Motorstaubremse 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

Drosselklappen

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 2]} Verstärkt wird die Drosselklappe auch zur Verbesserung des Ansaugluftstrom-Geräuschverhaltens ( englisch Sound 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. 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, dh durch leichten Unterdruck im Ansaugtrakt , gesteuert wurde. ^{[P 2]} 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.

Einspritztechniken

Man setzte bei Dieselmotoren für Pkw trotz des 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 zunehmend auf Direkteinspritzung umgestellt. Moderne direkteinspritzende Dieselmotoren für Pkw haben in der Regel Common-Rail-Einspritzung . ^{[LIT 10]}

Abgasnachbehandlung

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. ^{[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 bedinge jährlich rund 1000 Todesfälle“ (für das Jahr 2000). ^{[LIT 11]} 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 $\lambda _{v}$ $\lambda _{v}$ $\lambda _{v}$ eingestellt wird ( $\lambda _{v}\geq \lambda _{\mathrm {min} }\geq 1$ $\lambda _{v}\geq \lambda _{\mathrm {min} }\geq 1$ $\lambda _{v}\geq \lambda _{\mathrm {min} }\geq 1$ ) und der Motor meist mit Luftüberschuss ( $\lambda >1$ $\lambda >1$ $\lambda > 1$ ) betrieben wird, kann kein konventioneller geregelter Dreiwegekatalysator verwendet werden, der ein Luftverhältnis von etwa $\lambda =1$ $\lambda =1$ $\lambda = 1$ benötigt. Arbeiten um 2010 beschäftigten sich mit der Verwendung von Perowskit in Fahrzeugkatalysatoren für Dieselmotoren. ^{[LIT 12]} Die Dotierung perowskithaltiger Katalysatoren mit Palladium erhöht die Beständigkeit gegen „Vergiftung“ durch Schwefel. ^{[LIT 13]}

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 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 führe. ^{[LIT 14]} Der Stickoxidausstoß eines Dieselfahrzeuges ohne Abgasnachbehandlungssysteme ist niedriger, als der Stickoxidausstoß eines Fahrzeuges mit Ottomotor ohne geregelten Dreiwegekatalysator. Vergleicht man hingegen ein Dieselfahrzeug mit ungeregeltem Oxidationskatalysator mit einem Ottofahrzeug mit geregeltem Dreiwegekatalysator, so ist der Stickoxidausstoß beim Fahrzeug mit Ottomotor geringer.^{[Q 3]}

Wankeldieselmotor

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]}

Anwendungsbereiche

Moderne Dieselmotoren werden aufgrund ihrer hohen Wirtschaftlichkeit in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt. Nachteilig für ihren Einsatz ist ihr ungünstiges Masseleistungsverhältnis – sie kommen kaum zum Einsatz, wo hohe Leistung bei niedrigem Gewicht zwingend ist, wie beispielsweise in Flugzeugen oder Motorrädern . 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 Schiffsmotor Wärtsilä 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 von RH Sheppard , hat 460 cm³ Hubraum und entwickelt eine Leistung von ca. 2800 W. ^{[LIT 15]} Moderne Dieselmotoren für Personenkraftwagen erreichen eine Literleistung von rund 50–58 kW. ^{[LIT 16]}

Geschichtliche Entwicklung

Rudolf Diesel (1883)

Patent für Rudolf Diesel vom 23. Februar 1893

Zweiter 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]}

Diesels Theorie

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 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 17]} 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 geringeren Luftzahl 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 Werk Theorie 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]}

Der erste Dieselmotor

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 MAN 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 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 ersetzten musste, der das Weglassen des Akkumuliergefäßes ermöglichte und der Kraftstoff nun direkt eingeblasen wurde. Das Konzept des Kompressors stammte von George 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 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. ^{[D 2]} Erst 1897 präsentierte Diesel auf der II. Kraft- und Arbeitsmaschinen-Ausstellung in München ^{[LIT 17]} 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 17]} Andere Werke geben auch einen Kraftstoffverbrauch von 324 g/kWh an. ^{[G 2]} Der Wirkungsgrad übertraf denjenigen aller bisher bekannten Wärmekraftmaschinen.

Dieselmotor als Landfahrzeugmotor

BMW M21, erster Pkw-Dieselmotor mit elektronischem Motorsteuergerät

Aufgrund seiner Konstruktion war der Dieselmotor zunächst nur als Stationärmotor einsetzbar. Der erste gewerblich genutzte Dieselmotor, ein Zweizylinder - Viertaktmotor mit einer effektiven Leistung von 60 PS _e (rund 44 kW _e ) bei 180 min ⁻¹ , ging 1898 in der Zündholzfabrik Union in Kempten (Allgäu) 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 18]}

Grundlage für die Entwicklung des Fahrzeug -Dieselmotors war die Vorkammer , die 1909 von Prosper 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 großes Lufteinblassystem erlaubte. So reduzierte Baugröße und Gewicht des Dieselmotors ermöglichte den Einbau in Landfahrzeuge . ^{[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 Nutzfahrzeuge. 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 (" Turbodiesel "). Zunehmend wurde der Pkw-Dieselmotor vom Verbraucher akzeptiert, sodass in Europa (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 19]} Das Common-Rail -Prinzip ist heute (2014) beim Fahrzeug-Dieselmotor das am weitesten verbreitete System. ^{[J 2]} 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]}

Pkw-Dieselmotor weltweit

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 20]}

Situation in den USA

Neuzulassungen von Diesel-Pkw in den USA
zwischen 2011 und 2014 nach Hersteller

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 des Oldsmobile-Dieselmotors aus den 1970er-Jahren und des Abgasskandals 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 20]}

Situation in Deutschland

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 höheren Kraftfahrzeugsteuer (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 Diesel amortisiert . ^{[ON 7]}

Abgasskandal und Fahrverbote

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 erreichen. Dieser VW-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 mögliche Fahrverbote für Dieselfahrzeuge in deutschen Städten diskutiert. In Folge sank die Popularität des Dieselmotors in Deutschland, Volkswagen kostete der Abgasskandal laut Schätzungen der Wirtschaftszeitschrift Manager Magazin aus dem Jahr 2016 bis Mitte 2017 etwa 20–25 Milliarden Euro. ^{[LIT 21]}

Auf der Tagung des „Nationalen Forum Diesel“ des deutschen Bundesverkehrsministerium und Bundesumweltministerium sowie weitere fachbezogene Ministerien und Vertreter der Automobilindustrie sowie Entscheidungsträger der Länder wurde 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 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 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 11]} 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 12]}

Anteil von Diesel-Pkw

Pkw-Bestand in Deutschland nach Treibstoffart, 2004 bis 2017

In Deutschland hatten 1991 13 % aller neu zugelassenen Pkw einen Dieselmotor; 2004 waren es noch 44 %. Bis 2008 blieb der Prozentanteil der jährlich zugelassenen Diesel-Pkw etwa konstant. Im Jahr 2009 wurden wegen der Umweltprämie überdurchschnittlich viele neue Kleinwagen 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 der Diesel-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 2017
Jahr	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000
Anteil	13,0 %	15,0 %	14,9 %	16,9 %	14,6 %	15,0 %	14,9 %	17,6 %	22,4 %	30,4 %
Jahr	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010
Anteil	34,6 %	38,0 %	39,9 %	44,0 %	42,7 %	44,3 %	47,7 %	44,1 %	30,7 %	41,9 %
Jahr	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017
Anteil	47,1 %	48,2 %	47,5 %	47,8 %	48,0 %	45,9 %	38,8 %

Weblinks

Wiktionary: Dieselmotor – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons : Dieselmotoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

Literaturverweise

↑ Dubbel : Taschenbuch des Maschinenbaus . 2007, S. P62: Lastbeeinflussung durch Änderung des Luftverhältnisses über die Kraftstoffmenge (sogenannte „Qualitätsregelung“).
↑ ^a ^b Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann: Grundlagen Verbrennungsmotoren: Funktionsweise, Simulation, Messtechnik . Springer. Wiesbaden 2012, ISBN 978-3-8348-1987-1 , S. 102
↑ Julius Magg : Die Steuerungen der Verbrennungskraftmaschinen . Springer-Verlag, Berlin 1914, ISBN 978-3-642-47608-2 , S. 261.
↑ 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).
↑ ^a ^b Rudolf Diesel: Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren. Springer, Berlin, 1893, ISBN 978-3-642-64949-3 . (S. 51)
↑ Franz Pischinger, Gerhard Lepperhoff, Michael Houben: Soot Formation and Oxidation in Diesel Engines . In: Soot Formation in Combustion: Mechanisms and Models (= Springer Series in Chemical Physics ). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1994, ISBN 978-3-642-85167-4 , S. 382–395 , doi : 10.1007/978-3-642-85167-4_22 .
↑ 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
↑ Klaus Schreiner: Basiswissen Verbrennungsmotor: Fragen – rechnen – verstehen – bestehen . Springer, 2014, ISBN 978-3-658-06187-6 , S. 22.
↑ 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
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↑ Alfred V. Hirner, Heinz Rehage, Martin Sulkowski: Umweltgeochemie . Steinkopf, Darmstadt 2000, ISBN 978-3-642-93712-5 , S. 216
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