Moderne Dieseltechnologie - Einführung

Historisches zu Rudolf Diesel und den Dieselmotor

Diesel, Rudolf Christian Karl (1858-1913), deutscher Ingenieur, Erfinder des nach ihm benannten Dieselmotors   Rudolf Diesel wurde am 18.März 1858 in Paris geboren. Nach dem Studium in England besuchte er die Technische Hochschule (TH) in München und ließ sich 1893 dort nieder. 1892 erhielt Diesel das Patent für die später nach ihm benannte Verbrennungskraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad. Die treibende Kraft dieses Motors beruht auf der Selbstzündung des Treibstoffs in stark verdichteter und dadurch hoch erhitzter Luft. Während seiner Zusammenarbeit mit der Firma Krupp in Essen baute Diesel die erste erfolgreiche Kraftmaschine, die mit billigem Treibstoff betrieben werden konnte. Jahrelange Patentprozesse zerrütteten Diesels Gesundheit. Am 29.September 1913 ertrank Diesel auf einer Schiffsreise nach England im Ärmelkanal – wahrscheinlich ein Selbstmord. (Aus Microsoft Encarta Enzyklopädie 2000)

Weitere wichtige geschichtliche Dieselmotor-Daten

• 1893 Patentierung des Dieselmotors
• 1897 Lauffähiger Dieselmotor
• 1910 Britisches Patent über „hydraulisch gesteuerte Einspritzung von Kraftstoffen in Dieselmotoren“ vom technischen Leiter der Vickers WerkeJames Mc Kechni
• 1923 Der erste LKW mit Dieselantrieb, gebaut bei Benz-MAN
• 1927 Bosch Einspritzpumpe serienreif für NKW
• 1936 Auf der IAA in Berlin Vorstellung des Daimler Benz 260 D
• 1975 Erster Großserieneinsatz von Verteilereinspritzpumpen im VW Golf
• 1978Erster PKW Dieselmotor mit Turboaufladung von Daimler-Benz
• 1986 Erste elektronisch geregelte Einspritzung bei BMW
• 1987 erster direkt einpritzender Diesel Pkw im Fiat Croma TD i.d.
• 1989 Erster deutscher direkt einspritzender Diesel Pkw im Audi
• 1990 Katalysator im Dieselmotor (VW)
• 1995 Biodiesel wird eingeführt (VW)
• 1996 Magnetventilgesteuerte Radialkolbenpumpe (VP 44) von Bosch
• 1996 Erster Vierventil-Dieselmotor von Opel
• 1997 Common–Rail im PKW von Fiat im Alfa 156
• 1998 Pumpe-Düse wird im PKW eingeführt von VW
• 2000 Partikelfilter von Peugeot
• 2004 3. Generation Common Rail mit Piezo Injektoren
• 2004 SCR-Kat im Nutzfahrzeug
• 2008 SCR-Kat im Pkw
• 2014 CRS3-25 Common-Rail-System mit 2500 bar

Einige Vorteile und Daten des Dieselmotors

Der Dieselmotor zeichnet sich wegen seines guten Wirkungsgrads aus. Die Bedeutung des Dieselmotors als Antrieb für das moderne Kraftfahrzeug wird zunehmend größer ( 40 % Marktanteil in Deutschland). Zunächst im Nutzfahrzeugbereich Standard, ist er heute auch im PKW-Bereich ein Symbol für niedrigen Verbrauch und Wirtschaftlichkeit. Aus den rauchenden, stinkenden, lahmen "Naglern" ist ein High-Tech-Motor geworden. Abgasturboaufladung mit Ladeluftkühlung, Vierventiltechnik, Common-Rail-Einspritzung und eine ausgeklügelte Körperschallisolierung - Luftschalldämpfung lassen für viele Autofahrer gar nicht erkennen, dass in Ihrem Fahrzeug ein "Diesel" läuft." (Zitat Dipl. Ing. Gottfried Haider)

Es werden mit Turboaufladung und Ladeluftkühler in Serienfahrzeugen 58KW/Liter Hubraum (79PS/Liter) erreicht. Das spezifische Motordrehmoment beträgt bei diesem Motor 168 Nm/Liter Hubraum. Zum Vergleich: Der neue Benzindirekteinspritzmotor erreicht derzeit ca. 55 KW/Liter ---  allerdings ohne Aufladung! Der Serien-Benzinsaugrohreinspritzmotor mit Kompressor liegt bei 81 KW/Liter und 140 Nm/Liter. Die Bezeichnung Drehmomentmotor gebührt eindeutig dem Turbodiesel (Angaben von Dipl. Ing. Gottfried Haider) Bei Dieselmotoren kommen Verfahren mit geteilten und ungeteilten Brennräumen (Kammermotoren bzw. Direkteinspritzmotoren) zur Anwendung. Näheres hierzu finden sie auf der Seite Verbrennungsverfahren. Die Einspritzmenge eines Dieselmotors beträgt im Leerlauf ungefähr einen halbe Stecknadelkopf, bei Volllast in etwa 1 Tropfen.

Vergleich Ottomotor / Dieselmotor

Ottomotor	Dieselmotor
Äußere/Innere Gemischbildung gemischverdichtend	Innere Gemischbildung luftverdichtend
Fremdzündung (Zündfunke)	Selbstzündung (Verdichtungshitze)
Quantitätsregelung	Qualitätsregelung
Gleichraumverbrennung	Gleichdruckverbrennung
Gleichmäßiges Gemisch	Ungleichmäßiges Gemisch
Motordrehzahl 4.000 – 10.000 1/min	Motordrehzahl 1.500 – 6.000 1/min
Verdichtungsverhältnis 6 -13:1 (Mazda 15:1)	Verdichtungsverhältnis 15 – 25:1
Lambda-Wert um 1	Lambda-Wert immer größer 1
Verdichtungsdruck 12 - 30 bar	Verdichtungsdruck 30 – 60 bar
Verdichtungstemperatur 400 – 600 °C	Verdichtungstemperatur 700 – 900 °C
Verbrennungshöchstdruck 30 – 80 bar	Verbrennungshöchstdruck 64 – 140 bar
Verbrennungshöchsttemperatur 2500 °C	Verbrennungshöchsttemperatur 2500 °C
Abgastemperatur 600 – 1000°C	Abgastemperatur max. 500 – 600 °C
Verbrauch 7 – 10 l/100 km	Verbrauch 5 – 8 l/ 100 km
Abgaszusammensetzung vor dem Kat viel CO, HC, wenig NOx, Partikel	Abgaszusammensetzung vor dem Kat viel NOx, Partikel wenig CO, HC,
Ansaugunterdruck um 0,5 bar	Ansaugunterdruck fast keiner
Wirkungsgrad 25 – 38%	Wirkungsgrad 35 – 50%
Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffes 500 – 600 °C	Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffes 350 - 380 °C
Flammpunkt ab -21°C Gefahrenklasse A1	Flammpunkt + 55 bis 100°C Gefahrenklasse A3
Klopffester Kraftstoff: Oktanzahl 91 – 100 ROZ	Zündwilliger Kraftstoff: Cetanzahl mind. 51 Cz
Steueranteil Mineralöl ca. 61 %	Steueranteil Mineralöl ca. 52 %
Heizwert Super: 43.500 kJ/kg	Heizwert Diesel: 42500 kJ/kg

Diesel-Systeme Überblick

Systeme	Einige Beispiele für den Einsatz
Common Rail Großansicht bitte klicken	Smart, Mercedes (A-, C-Klasse), Alfa, Fiat, Peugeot, Citroen, BMW Peugeot und Ford (Zusammenarbeit), Toyota mittlerweile werden nur noch Common Rail im Pkw gebaut
Pumpe Düse (Bild VW)	VW, Seat, Skoda, Audi,  Nutzfahrzeuge
EDC mit Verteilereinspritzpumpe(verschiedene Ausführungen mit Axial- oder Radialkolbenpumpenelement)  (Der Begriff EDC wird auch ganz allgemein für elektronisch geregelte Dieseleinspritzungen verwendet)	Ford, Opel, Audi A6,  (die Axilakolbenpumpen werden mittlerweile nicht mehr gebaut, Radialkolbenpumpen laufen noch bis ca. 2006)

Tabelle : Diesel-Einspritzdrücke Beispiele überwiegend von Bosch

   

Drücke	1. Generation	2. Generation	3. bis 6. Generation
Common Rail (CR)	Bosch CP1: 1350 bar (Alfa-Romeo 156 2.4 JTD und Mercedes Benz, 1997 von Bosch) Denso 1400 bar (HP0, HP2) Bosch: 1400 bar für Nutzfahrzeuge 1999 im Renault (RVI)	Bosch CP1H: 1600 bar (2001) im Volvo und BMW 1600 bar auch von Delphi (DFP1) und Siemens (DCP1) 2003 2. Generation Common Rail für Nfz Einspritzdruck: 1600 bar im MAN	Bosch CP3 1600 bar (2000) im Audi mit Piezo Bosch CP4 1800 bar (2007) mit Piezo auch von:  Delphi (DFP3) Denso (HP3, HP4), Siemens (DCP2) über 2.000 bar Common Rail mit Piezo-Injektor (Ersteinsatz: Audi A6 3.0 TDI, 2003/4) 2.500 bar CRS3-25 Common-Rail-System (Ab 2014 in Serienfahrzeugen) bis 3000 Bar - PSA - 4. Gen. Denso, - Delphi
Pumpe Düse (PDE)/ Unit Injector System (UIS)	2.050 bar  (VW Passat TDI, 1998)	2.050 bar	2.200 bar (PLD 2000 bar)
Verteilerpumpe	300 bar Verteilereinspritzpumpe VE (VW Golf D, 1975)	900 bar Axialkolben-Verteilereinspritzpumpe (Audi 100 TDI, 1989)	1.500 – 1.750 bar, Radialkolbenpumpe VP 44 (Opel Vectra, Audi A6 2.5 TDI, 1996; BMW320d, 1998) wird nicht mehr weiterentwickelt
Reiheneinspritzpumpe	über 100 bar Erste Reiheneinspritzpumpe in Serie (MAN Lkw, 1927)

Hohe Drücke sind schwer vorstellbar. Da helfen oft nur Vergleiche weiter:

Würde ein Nashorn mit seinen 2000 Kilogramm Gewicht auf einem Fingernagel stehen, könnte man den Common-Rail-Druck im wahrsten Sinne des Wortes nachempfinden. Der verdichtete Kraftstoff wird dann mit der Geschwindigkeit eines Überschallflugzeugs fein verteilt.

Höhere Einspritzdrücke sind eine Aufgabe für das ganze Diesel Einspritz-System: Steuergerät,  Kraftstoffpumpe, das Common-Rail-System und den Injektor müssen genau aufeinander abgestimmt sein (Bild Bosch)

 

Begründung und Vorteile des hohen Einspritzdrucks

Ein höherer Einspritzdruck ermöglicht eine größere spezifische Leistung und somit eine höhere Drehzahl. Bei baugleichen Motoren führt ein höherer Einspritzdruck also zu mehr Leistung. Denn sobald der Motor unter Volllast und mit hoher Drehzahl läuft, ist die Zeit, in der die Verbrennung stattfinden kann, sehr begrenzt. Dann muss der Kraftstoff schnell und somit unter hohem Druck eingespritzt werden, um eine optimale Leistungsausbeute zu ermöglichen.

Ein höherer Einspritzdruck ist ein wesentlicher Faktor, um die Rohemissionen eines Motors abzusenken. In Autos der Kompaktklasse kann dadurch Abgasnachbehandlung sogar oft vermieden werden. Denn je höher der Druck ist, desto feiner können Injektor und Einspritzdüse gefertigt werden. Dies sorgt für eine bessere Zerstäubung und somit für eine bessere Durchmischung des Kraftstoffs. Damit kann die Verbrennung vollständig stattfinden und es bildet sich kein Ruß.

Je mehr Luft im Brennraum ist, desto höher muss der Einspritzdruck sein. Dann muss in kurzer Zeit viel Kraftstoff eingespritzt werden, um ein zündfähiges Gemisch zu erzeugen. Von Drücken jenseits der 2 000 bar profitieren besonders mehrfach aufgeladene Motoren – also Bi-Turbo- oder Tri-Turbo-Modelle.

In Stichpunkten:

• Sehr feine Kraftstoffverteilung im Brennraum

• Gute Gemischbildung

• Optimierte Verbrennung

• Besseres Abgas 

• niedrige Partikelemissionen

• höhere Drehzahlen

• größere spezifische Leistung

• positiv für Turbomotoren

 

Piezodüse

 

Neben hohen Einspritzdrücken gewährleisten geringe Toleranzen für Einspritzmenge und Spritzbeginn, dass bei der Verbrennung wenig Schadstoffe entstehen. Die großen Zulieferer arbeiten intensiv an der Optimierung der einzelnen Komponenten. So wurde beispielsweise für den Common-Rail-Injector die Piezotechnik entwickelt. Diese ist seit 2003 im Einsatz und erlaubt dank sehr kurzer Schaltzeiten eine besonders präzise Zumessung der Einspritzmenge vor allem bei Mehrfacheinspritzungen.

Großes Verbesserungspotenzial liegt auch in der Formung des Einspritzverlaufs: Eine oder zwei Voreinspritzungen verhindern beispielsweise die Entstehung von Weiß- und Blaurauch kurz nach dem Kaltstart und reduzieren das Verbrennungsgeräusch. Eine Nacheinspritzung unmittelbar auf die Haupteinspritzung folgend senkt die Rußemission, eine weitere ist zur Regeneration des Partikelfilters hilfreich.

Ausblick:
„Die breite Masse der Diesel-Fahrzeuge wird in der nächsten Dekade mit rund 2 000 bar Druck auskommen. Allerdings sind 3 000 bar keine Fiktion – dieser Druck bleibt jedoch auf den Rennsport und Performance-Dieselfahrzeuge begrenzt.“ (Dr. Markus Heyn, Vorsitzender des Bereichsvorstands Diesel Systems bei der Robert Bosch GmbH)

Fakten zum Diesel

Für Vielfahrer und Pendler rechnet sich der Diesel auf jeden Fall (Bild Bosch)

• 2012 waren 48% aller neuwagen Dieselfahrzeuge. 1980 waren es nur 8%.
• Im Schnitt kommen Fahrer aktueller Diesel Pkw mit einer Tankfüllung rund 30% weiter als mit der Benzin-Variante.
• Ab 10.000 km pro Jahr lohnt sich der diesel schon bei 50% aller Modelle.

 

 

• Diesel kritisch betrachtet von Horbiradio

Lesen Sie auch: Diesel Abgas | Diesel Abgas 2 |

 

Quellen: verschiedene, Internet, Bosch, BBZ der Kfz-Innung München-Oberbayern

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Autor: Johannes Wiesinger

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