Dieselmotor

Erster funktionsfähiger Dieselmotor von 1897.

Bohrung × Hub: 250 mm × 400 mm
Hubraum: 19.635 cm³
Leistung: 13.092 W / 154 min⁻¹
Drehmoment: 812 N·m / 154 min⁻¹
Spezifischer Kraftstoffverbrauch: 324 g/kWh

Ein Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor, der nach dem 1893 von Rudolf Diesel erfundenen Verfahren arbeitet. Charakteristisches Merkmal ist die Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes mittels der Verbrennungsluft, die durch Komprimieren erhitzt wird.

Diesel hat das Verfahren bei der Maschinenfabrik Augsburg entwickelt, einem der Gründungsunternehmen der späteren MAN.

Dieselmotoren gibt es als Zweitakt- oder Viertakt-Hubkolbenmotoren; Diesel-Drehkolbenmotoren sind bisher nicht über das Versuchsstadium hinausgekommen.

Technologie

Prinzip

Funktionsprinzip eines Dieselmotors

Während beim Ottomotor dem Brennraum beim Ansaugtakt eine je nach erforderlicher Leistung dosierte Menge eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches zugeführt wird, erhält der Dieselmotor dabei ausschließlich immer eine volle Zylinderfüllung Luft (oder ein Luft-Abgasgemisch), die beim Turbodiesel Drücke bis zu zwei bar aufweisen kann. Diese Luft wird beim Verdichtungstakt im Verhältnis 16:1 bis 24:1 komprimiert (bei langsam laufenden Zweitakt-Schiffsdieseln nur etwa 6:1 bis 8:1, jeweils geometrisches Verdichtungsverhältnis, Druckverhältnisse liegen höher) und dadurch auf etwa 700 bis 900 °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. Bei modernen direkt einspritzenden Dieselmotoren wird dies dadurch unterstützt, dass die Luft tangential angesaugt wird, was zu einem Wirbel um die Zylinderachse führt. Die hohe Temperatur reicht aus, um den Kraftstoff von der Oberfläche beginnend zu verdampfen und das Dampf-Luft-Gemisch zu zünden.

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. (mehr dazu im Abschnitt: Thermodynamik des Dieselmotors)

Kennzeichen des Dieselmotors:

• Selbstzündung: Die angesaugte oder durch einen Lader zugeführte Luft heizt sich durch die (annähernd) adiabate Kompression stark auf, und der in die heiße Luft eingespritzte Kraftstoff entzündet sich ohne eine externe Zündhilfe. Die dafür im Ottomotor notwendigen Zündkerzen entfallen; nur zum Kaltstart sind Zündhilfen (z. B. Glühkerzen, Startkraftstoff) notwendig.
• Innere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt.
• Hohes Verdichtungsverhältnis, so dass eine Selbstzündung möglich ist.
• Regelung: Die Motorleistung wird nicht wie beim Ottomotor durch die Menge des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches geregelt, sondern durch Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge.

Kraftstoff

Den ausschließlichen Kraftstoff für Dieselmotoren gibt es nicht. 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. Weiters sollte der Heizwert nach Möglichkeit sehr hoch sein. In der Regel besteht Dieselmotorenkraftstoff aus schwersiedenden und langkettigen Kohlenwasserstoffen (C₉ bis C₃₀). 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. Neben flüssigen Kraftstoffen sind auch gasförmige Kraftstoffe geeignet. 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). Direkteinspritzende Dieselmotoren mit MAN-M-Verfahren sind ebenfalls prinzipiell für den Betrieb mit 86-Oktan-Benzin geeignet. Werden Dieselmotoren mit falschem Kraftstoff betrieben, dann können Verkokungen der Einspritzdüsen oder Klopfen (Nageln) 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.

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.“

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.

Ausführungen

Dieselmotoren werden als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor mit und ohne Aufladung ausgeführt. Es gibt sie ferner in wasser- oder in luftgekühlter Bauweise. In Deutschland wurde letztere von Klöckner-Humboldt-Deutz entwickelt und lange Jahre für den Antrieb von Magirus-Deutz Nutzfahrzeugen und Landmaschinen verwendet.

Zweitakt-Dieselmotoren werden oft als Großmotoren in Schiffen und Ölkraftwerken eingesetzt (siehe: Schiffsdieselmotor), welche thermodynamisch die effizientesten Verbrennungskraftmaschinen darstellen. Kleinere Einheiten werden bei Diesellokomotiven, Lastkraftwagen (insbesondere bei der ehemaligen Lkw-Marke Krupp) und bei Luftfahrtantrieben (z. B. Zoche) verwendet. Eine besondere Form des Diesel-Zweitakters ist der Gegenkolbenmotor. In Deutschland fand er als Flugmotor Verwendung (Junkers Jumo 205). Heute ist er jedoch trotz verschiedener Weiterentwicklungsansätze ungebräuchlich.

Häufiger ist der Viertakt-Dieselmotor, dessen Hauptanwendungen im Antrieb von Diesellokomotiven, Dieseltriebwagen, Kraftfahrzeugen, Baumaschinen und Generatoren liegen. Er arbeitet bei häufigem Lastwechsel wirtschaftlicher als der Zweitakter.

Einspritzverfahren

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
• 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, 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.

Thermodynamik

Als thermodynamischer Vergleichsprozess des Dieselmotors lässt sich der Seiliger-Prozess heranziehen. Der thermische Wirkungsgrad nimmt mit höherer Verdichtung (Kompression) bzw. mit höherem Expansionsgrad zu. Bei Dieselmotoren ohne Aufladung beträgt das geometrische Verdichtungsverhältnis etwa 21:1 bis 23:1. Bei Dieselmotoren mit Aufladung liegt es unter 19:1.

Der thermische Wirkungsgrad des Dieselmotors hängt neben dem Verdichtungsverhältnis auch vom Einspritzverhältnis ab. Bei einer Motorkonstruktion ist der Höchstdruck, bedingt durch die mechanischen Belastungsgrenzen, vorgegeben. Deshalb findet der zweite Teil der Verbrennung nach dem oberen Totpunkt im Gleichdruckverfahren statt.

Einer Steigerung des Verdichtungsverhältnisses sind Grenzen gesetzt. Beim Direkteinspritzer wird die kontrollierte Verbrennung problematisch. Eine höhere Verdichtung hat ein Ansteigen der maximalen Verbrennungstemperatur zur Folge, sodass der Luftstickstoff vermehrt mit dem Luftsauerstoff reagiert und es zu einer (verglichen mit dem Ottomotor) erhöhten Konzentration von Stickoxiden im Abgas kommt. Abhilfe kann die sogenannte Abgasrückführung (AGR) schaffen. Dabei wird im Lufteinlasskanal Abgas beigemischt. Dieses bewirkt eine Reduktion des Sauerstoffanteils zu Lasten der Effizienz. Dadurch wird die Spitzentemperatur bei der Verbrennung gesenkt, und damit kommt es zu einer Reduzierung des (NO_x)-Anteils im Abgas. Ist der Abgasanteil im Verhältnis zum später eingespritzten Dieselkraftstoff zu hoch bzw. generell der Sauerstoffanteil zu gering (Lambda < 1,3), beginnt ein Dieselmotor zu rußen (Schwarzrauchbildung).

Abgase

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. Da in der Luft auch Stickstoff enthalten ist, muss auch dieser berücksichtigt werden. 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. Wird der ideale Dieselmotor 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. Unvollständig verbrannte Bestandteile findet man im Dieselmotorabgas des idealen Motors fast nicht. Allerdings 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.

Rußen

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. 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.

Dissoziation

Im idealen Dieselmotor besteht das Abgas, wie oben beschrieben, aus CO₂, H₂O, N₂ und O₂. Dieser Umstand ist jedoch nur bei niedrigen Abgastemperaturen vorzufinden. Bei den bei vollständigen Verbrennungen entstehenden großen Abgastemperaturen verändert sich das chemische Gleichgewicht und eine Dissoziation findet statt, dabei zerspalten sich die Abgasbestandteile, es bilden sich unter anderem Stickoxide.

Abgaszusammensetzung

Rohemmissionen eines Pkw-Dieselmotors beim Betrieb mit Dieselmotorkraftstoff (DIN EN 590) im Teillastbereich.

Abgaszusammensetzung in Gewichts-%

Abgasbestandteile	Dieselmotor
Stickstoff (N2)	75,2 %
Sauerstoff (O2)	15 %
Kohlenstoffdioxid (CO2)	7,1 %
Wasser (H2O)	2,6 %
Kohlenstoffmonoxid (CO)	0,043 %
Stickoxide (NOx)	0,034 %
Kohlenwasserstoffe (HC)	0,005 %
Aldehyde	0,001 %
Rußpartikel (Sulfate + Feststoffe)	0,008 %

Die Verteilung ändert sich beispielsweise in Abhängigkeit vom Lastzustand und der Luftfeuchtigkeit.

Vor- und Nachteile gegenüber einem leistungsgleichen Ottomotor (ohne Direkteinspritzung)

Vorteile des Dieselmotors

Der Dieselmotor hat aufgrund der höheren Verdichtung (Expansionsgrad) einen besseren Wirkungsgrad als ein Ottomotor. Durch die fehlende Drosselung entstehen beim Dieselmotor sehr geringe Ladungswechselverluste und daher insbesondere im Teillastbereich ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch. Im Vergleich zu einem Ottomotor ohne Abgasnachbehandlung ist der Ausstoß von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid beim Dieselmotor geringer. Die eingesetzten Kraftstoffe sind einfacher herzustellen und weniger gefährlich, da sie langsamer verdampfen (der Flammpunkt von Dieselkraftstoff beträgt mindestens 55 Grad, der von Benzin minus 25 Grad). Entscheidendes Kriterium für die Eignung von Dieselkraftstoffen ist die Cetanzahl (analog zur Oktanzahl von Benzin); sie ist ein Maß für die Zündwilligkeit des Kraftstoffs (Zündverzug). Durch den Zündverzug ist die Drehzahl des Dieselmotors nach oben begrenzt. Außerdem verbessert die schmierende Wirkung des Dieselkraftstoffs die Notlaufeigenschaften von Dieselmotoren.

Abgesehen vom besseren Wirkungsgrad (der PKW kommt bei gegebener Strecke mit weniger Treibstoff aus), hängen die wirtschaftlichen Vorteile eines Dieselmotors für den PKW-Antrieb teilweise von den steuerlichen Rahmenbedingungen ab. In zahlreichen Staaten ist Dieselkraftstoff günstiger als Ottokraftstoff, obwohl der Heizwert pro Liter Dieseltreibstoff etwa 7 % höher ist als der von Benzin. Die meist höheren Anschaffungskosten für ein Dieselfahrzeug amortisieren sich somit über die Laufzeit.

Nachteile des Dieselmotors

Der Ausstoß von Stickstoffoxiden ist beim Dieselmotor gegenüber einem Benzinmotor mit 3-Wege-Katalysator höher, ebenso der Partikelausstoß (Dieselruß und andere), darunter lungengängiger Feinstaub. Dieser kann jedoch mit einem Partikelfilter reduziert werden. Die Herstellungskosten sind höher; ebenso die Geräuschemissionen (nicht mit dem „Nageln“ gleichzusetzen, welches die Folge eines fehlerhaften Brennverlaufs ist). Oft wird insbesondere bei älteren, direkteinspritzenden Motoren ein unkultivierter Motorlauf bemängelt. Das Leistungsgewicht eines Viertakt-Dieselmotors ist etwas höher als das eines vergleichbaren Ottomotors. Die Höchstdrehzahl ist wegen des Zündverzugs des Dieselkraftstoffs begrenzt. Dadurch ist eine weitere Leistungssteigerung nur über eine Erhöhung des Drehmoments möglich. Zur Erzielung hoher Leistungsdichten wird eine Aufladung benötigt (Turbolader oder Kompressor), bedingt durch niedrigere spezifische Leistung und niedrigere maximale Drehzahl (beides verfahrensimmanent) als beim Ottomotor. Eine katalytische Nachbehandlung der Stickoxide ist wegen des hohen Luftüberschusses aufwendiger als bei Ottomotoren (Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren), wobei ein mittlerer Luftüberschuss z. B. beim Betrieb mit einem stufenlosen Getriebe, einem Speicherkatalysator und einem Rußfilter nicht zwingend ist. Dieselmotoren stellen andere Ansprüche an das Schmieröl als Ottomotoren, z. B. höhere Scherbelastungsfähigkeit.

Um die hohen Drücke aushalten zu können, müssen Gebrauchsdieselmotoren vergleichsweise robust gebaut sein; das führte zu einem höheren Motorengewicht.

Anlassen und Stoppen eines Dieselmotors

Anzeige am Armaturenbrett eines Dieselfahrzeugs: Vorheizen im Gang. Der Motor kann gestartet werden, wenn die Lampe erlischt

Um einen Dieselmotor zu starten, muss die Einspritzpumpe so eingestellt werden, dass eine ausreichende Kraftstoffmenge gefördert 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. Ein vorheriges Einschalten von elektrischen Komponenten ist grundsätzlich nicht notwendig, diese dienen bei einfachen Motoren lediglich der Überwachung.

Prinzipiell sind keine Starthilfen für einen Dieselmotor vonnöten. Kammermotoren haben jedoch solch schlechte Starteigenschaften, dass die Vorkammer bzw. Wirbelkammer vor dem Starten in der Regel mit einer Glühkerze einige Sekunden vorgeglüht wird, um den Startvorgang zu beschleunigen/ermöglichen. Bei Motoren mit Direkteinspritzung wird manchmal eine Vorglühanlage eingebaut, um ein übermäßiges Rußen des Motors im kalten Betriebszustand durch ein voriges Aufheizen des Brennraumes zu vermeiden. Einige Motoren haben als Starthilfe auch einen „Dekompressionshebel“, bei dessen Betätigung die Zylinder-Auslassventile geöffnet bleiben, sodass nicht gegen die Kompression angearbeitet werden muss und die Kurbelwelle (und eine daran befestigte Schwungscheibe) in rasche Drehung versetzt werden kann. Nach dem Schließen des Dekompressionshebels soll der Schwung zum Einsetzen der initialen Zündung führen.

Da keine Zündung und generell kein elektrisches System für das Aufrechterhalten des Motorlaufs benötigt wird, kann das Abschalten eines solchen auch den Motor nicht stoppen. Bei älteren Fahrzeugen mit Dieselmotor stoppt daher selbst das Abziehen des Schlüssels die Maschine nicht (kann aber wegen des Abklemmens der Batterieverbindung den Alternator beschädigen). Zum Stoppen wird der Gashebel in die Nullstellung gebracht oder die Motorstaubremse bis zum Absterben des Motors betätigt. Alternativ dazu ist ein separater Hebel, dessen Betätigung die Dieselkraftstoffzufuhr unterbricht und dadurch die Maschine stoppt. 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

Drehmomentverlauf und Leistungsabgabe

Dieselmotoren haben unter anderem durch den Zündverzug eine physikalisch bedingte Drehzahlgrenze; Wirbelkammermotoren können bis ca. 5000 min⁻¹ drehen, Direkteinspritzer bis 5500 min⁻¹.

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 M eines Dieselmotors aufgrund des kleineren Drehzahlbereiches höher sein muss:

$P=M\cdot 2\pi \cdot n$ oder $P=M\cdot \omega$

P .. Leistung [W]; M .. Drehmoment [Nm]; n .. Drehzahl [1/s]; ω .. Winkelgeschwindigkeit [rad/s] ($n\cdot 2\pi =\omega$)

Pkw-Dieselmotoren haben im Vergleich zum Ottomotor niedrigere Drehzahlen und einen steileren Drehmomentverlauf, weswegen Dieselmotoren eine deutlich elastischere Motorcharakteristik haben; mit Rückgang der Drehzahl sinkt die Leistung nicht so stark ab, wie beim Ottomotor. Im Straßenverkehr, insbesondere unter Berücksichtigung der Beschleunigungsphasen des Stadtverkehres, haben Dieselmotoren einen höheren Wirkungsgrad.

Drosselklappen

Beim Prinzip des Dieselverfahrens sind Drosselklappen prinzipiell nicht erforderlich und wegen der Drosselverluste (Vergrößerung Ladungswechselschleife) für den Wirkungsgrad nicht sinnvoll. In modernen PKW werden aus Gründen der strengen Abgasnormen gelegentlich Drosselklappen verbaut. Durch eine Drosselklappe kann im Betrieb mit Abgasrückführung ein höheres Druckgefälle erreicht werden. Zusätzlich kann im Regenerationsbetrieb des Partikelfilters ein zu starkes Durchströmen von Luft und damit ein Abkühlen des Abgases verhindert werden. Verstärkt wird die Drosselklappe zur Verbesserung des Ansaugluftstrom-Geräuschverhaltens (englisch Sound Design) genutzt.

→ Hauptartikel: Drallklappe

Eine Art Drosselung wird bei manchen 4-Ventil-Dieselmotoren mit zwei Einlasskanälen pro Zylinder zur Erhöhung der Luftverwirbelung angewandt. Dabei wird ein Einlasskanal mit einer Drosselklappe verschlossen, sodass der Luftstrom über den verbleibenden Kanal stärker beschleunigt und damit stärker verwirbelt wird. Diese bauliche Maßnahme wird Einlasskanalabschaltung oder auch Swirl genannt und kommt nur im unteren Last- und Drehzahlbereich zum Einsatz (Verminderung des Partikelausstoßes – Trade Off PM/NOx).

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. 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. Daneben kann durch die Drosselklappe die Auskühlung der Vorkammer im Schubbetrieb oder Leerlauf verringert werden, so dass bei erneutem Gasgeben die Rußemission geringer ausfällt.

Einspritztechniken

Man setzte bei Dieselmotoren für Pkw anfänglich auf mittelbare Einspritzung des Kraftstoffes, da sie im Bezug auf Abgas- und Geräuschemissionen günstig ist. Seit 1988 werden in Pkw Motoren mit Direkteinspritzung (unmittelbare Einspritzung) eingebaut, da ihr Potential deutlich größer ist. Pkw-Motoren mit mittelbarer Einspritzung werden in modernen Pkw nicht mehr eingebaut. Moderne direkteinspritzende Dieselmotoren für Pkw haben in der Regel Common-Rail-Einspritzung.

Leistungssteigerung

Hauptlimitierender Faktor ist die beschränkte Höchstdrehzahl (vgl. Zündverzug), weshalb eine effektive Leistungssteigerung nur durch Aufladung zu erreichen ist. Die theoretischen Grenzen bezüglich denkbarer Verdichtungs- und Verbrennungsdrücke sind dabei weiter gesteckt als beim Ottomotor (Klopfen). Die hohe effektive Verdichtung führt bedingt durch eine hohe Aufladung zu höheren Stickoxidwerten im unbehandelten Abgas. Weitere Beschränkungen ergeben sich aus dem Einhalten akzeptabler Werte für die Scherbelastung des Ölfilms und der Lagerbelastung; dennoch ist das Leistungspotential der heutigen Dieselmotoren noch lange nicht ausgeschöpft.

Gängige Maßnahme für die Aufladung ist der Einsatz von Abgasturboladern. Durch die Vorverdichtung der Luft erhält jede Zylinderfüllung mehr Sauerstoff, die Einspritzmenge kann erhöht werden. Im gleichen Zylinder wird mehr Kraftstoffenergie bei praktisch gleichen Verlusten umgesetzt. Dieses erhöht die Leistung deutlich und der Wirkungsgrad des Motors verbessert sich um etwa 5 bis 10 %, dadurch besteht die Möglichkeit, die Motoren bei ähnlichen Leistungswerten zu verkleinern (Downsizing).

Abgase und Partikelfilter

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 %. Im Partikelfilter werden die Rußpartikel oxidiert.

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 %. Arbeiten um 2010 beschäftigten sich mit der Verwendung von Perowskit in Fahrzeugkatalysatoren für Dieselmotoren, die mit Sauerstoffüberschuss betrieben werden, um ihren Wirkungsgrad zu verbessern. Der im Abgas enthaltene Sauerstoff verhindert die Nutzung herkömmlicher Abgaskatalysatoren. Die Dotierung perowskithaltiger Katalysatoren mit Palladium erhöht die Beständigkeit gegen „Vergiftung“ durch Schwefel.

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. 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.

Der Dieselmarkt im PKW-Bereich

Weltweit

Prozentanteil an verkauften Pkw-Neuwagen 2014

Region/Land	Benzin und andere Kraftstoffe	Diesel
Brasilien	100 %	0 %
China	99 %	1 %
Europa	47 %	53 %
Indien	48 %	52 %
Japan	98 %	2 %
USA	99%	1 %

Deutschland

PKW-Bestand in Deutschland nach Treibstoffart

Bis in die Mitte der 1990er Jahre galten Diesel-PKW als sparsam und zuverlässig – waren jedoch in Bezug auf Fahrleistungen selbst bei etwas größerem Hubraum einem Ottomotor unterlegen. Dies änderte sich mit der zunehmenden Verbreitung der Turboaufladung und durch die Einführung der direkten Kraftstoffeinspritzung. Zuvor wurde zugunsten der Laufruhe bei schnelllaufenden Kleindieselaggregaten (PKW-Motoren) der Kraftstoff nicht direkt in den Brennraum eingespritzt, sondern in eine Vorkammer (z. B. Mercedes, Fiat) oder eine Wirbelkammer (z. B. Volkswagen, BMW).

„Diesel“-Schriftzug an einem Mercedes-Benz

Diese Art von Dieselmotoren wurde in Großserie für PKW erstmals ab 1988 in dem von Fiat angebotenen Fiat Croma TD i.d. eingesetzt. Zusammen mit der Turboaufladung und der Ladeluftkühlung erwiesen sich diese Dieselmotoren als sehr elastisch. Die direkte Kraftstoffeinspritzung brachte eine Leistungs- und Drehmomentsteigerung in Verbindung mit einer Verbrauchsminderung mit sich, weil die Strömungverluste in Kammer und Schusskanal eliminiert wurden. Es dauerte etwa zehn Jahre, bis alle Hersteller diese im LKW schon lange eingesetzte Technologie an das spezielle Anforderungsprofil des PKW angepasst hatten. Der für Spitzentechnologie bekannte Hersteller Daimler-Benz führte die Direkteinspritzung als letzter Europäer ein. Zu groß erschienen die Nachteile vor allem in Bezug auf Abgasverhalten, Geräuschentwicklung und Lagerbelastung. Erreicht wurde dies durch spezielle Einspritzdüsen, Hochdruckeinspritzpumpen (bis über 2.000 bar) sowie Piloteinspritzung. Zu Beginn wurden spezielle Verteilereinspritzpumpen (z. B. die VP44 von Bosch) verwendet; später wechselten die meisten Hersteller zum Common-Rail-System oder zur Pumpe-Düse-Technik (insbesondere VW). VW hat seit 2008 zum Common-Rail-System gewechselt, weil dieses System einen weicheren Motorlauf ermöglicht (was niedrigere Lagerbelastung impliziert) und nur geringfügig drehmoment- und leistungsschwächer als das Pumpe-Düse-System ist; außerdem sind dadurch bessere Abgasnormen als EURO 4 erreichbar.

Heutzutage haben gängige Turbodieseldirekteinspritzmotoren bei niedriger Drehzahl eine höhere Nennleistung als Benzinmotoren ohne Aufladung gleichen Hubraumes bei weiterhin niedrigerem Verbrauch.

Früher dominierte in Deutschland die Meinung, ein Diesel rentiere sich wegen seines höheren Anschaffungspreises nur für Vielfahrer. Wegen der Preisdifferenz des niedriger besteuerten Dieselkraftstoffs und des erheblichen Minderverbrauchs vor allem auf der Kurzstrecke in der Stadt reichen heute trotz der oft höheren Versicherungsprämie und Kraftfahrzeugsteuer bei vielen Fahrzeugen schon weniger als 10.000 Kilometer pro Jahr, damit sich der Diesel amortisiert.

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 Schadstoffemissionen bei Diesel-PKW erreicht werden. Eine Beteiligung von Umwelt- und Verbraucherschutzverbänden am „Nationalen Forum Diesel“ ist bislang nicht vorgesehen.

Anteil an den Neuzulassungen von Diesel-Pkw in den Jahren 1998 bis 2016

Jahr	1998	1999	2000	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010
Anteil	17,6 %	22,4 %	30,4 %	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
Anteil	47,1 %	48,2 %	47,5 %	47,8 %	48,0 %	45,9 %

Geschichte

Rudolf Diesel (1883)

Patent für Rudolf Diesel vom 23. Februar 1893 für einen Vorläufer des Dieselmotors

MAN DM12-Dieselmotor der ersten Generation (1906)

Sächsischer DET 1–2-Triebwagen der Königlich Sächsischen Staatseisenbahnen von 1914 mit 200 PS-Sulzer-Dieselmotor

Packard DR-980 Diesel-Sternmotor (1928)

Dieselmotor in einem alten Indianapolis 500-Rennwagen

Schiffsdiesel

Siehe auch: Geschichte des Automobils und Technik in der Industrialisierung

Der Dieselmotor wurde ab 1893 von Rudolf Diesel erfunden. Während der Entwicklung wurden die verschiedensten Kraftstoffe im Versuch erprobt. Diesel strebte von Anbeginn die direkte Einspritzung in den Brennraum an, scheiterte jedoch an den 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. Am 17. Februar 1894 lief der erste Prototyp des neuen Motors aus eigener Kraft.

Meilensteine

• 1893 Patent (RP 67207) vom 23. Februar, „Arbeitsverfahren und Ausführung für Verbrennungsmaschinen“.
• 1897 Entwicklungsarbeit Diesel Maschinenfabrik Augsburg (MAN) am 17. Februar Erfolg mit Laufeigenschaften.
• 1898 In der Zündholzfabrik Kempten ging der erste gewerblich genutzte Dieselmotor in Betrieb.
• 1900 Auf der Weltausstellung in Paris wurde ein Dieselmotor demonstriert, der auf Wunsch der französischen Regierung mit Erdnussöl betrieben wurde.
• 1902 bis 1910 produzierte MAN 82 Exemplare des stationären Dieselmotors DM 12.
• 1903 Dieselmotor im Binnenschiff eingebaut.
• 1905 Turbolader und Ladeluftkühler von Alfred Büchi (CH).

Spirallader von Léon Creux (F) für einen Dieselmotor benutzt.

• 1908 Prosper L’Orange entwickelt bei Deutz eine präzise arbeitende Einspritzpumpe mit Nachkammerverfahren.
• 1909 Vorkammerprinzip mit halbkugelförmigem Brennraum von Prosper L’Orange bei Benz & Cie. entwickelt.
• 1910 Forschungsschiff Fram erstes Schiff und Handelsschiff Selandia mit Dieselantrieb. Dampfturbine und Kohlebefeuerung bis 1960 verdrängt.
• 1912 Erste Lokomotive mit einem Dieselmotor.
• 1913 Erster aufgeladener Dieselmotor in einer Lokomotive.
• 1914 Erster funktionsfähiger Eisenbahntriebwagen mit Dieselmotor
• 1919 Trichterförmiger Einsatz in Vorkammer und Nadeleinspritzdüse von Prosper L’Orange (Erfindung zum Patent).

Erster Dieselmotor von Cummins.

• 1921 Stufenlos regelbare Einspritzpumpe von Prosper L’Orange.
• 1922 Erstes Serienfahrzeug mit (Vorkammer-)Dieselmotor ist der Ackerschlepper Typ 6 von Benz-Sendling
• 1923 Erste Lkw mit Dieselmotoren werden von MAN, Benz & Cie. und der Daimler-Motoren-Gesellschaft erprobt.
• 1924 Markteinführung des Dieselmotors durch diese drei Nutzfahrzeug-Hersteller im LKW zur Internationalen Automobil-Ausstellung in Berlin.
• 1927 Erste Diesel-Einspritzpumpe und Einspritzdüsen von Bosch für Lkw-Motoren. Erster Diesel-Pkw-Prototyp von Stoewer.
• 1928 Am 18. September 1928 gelang der erste Motorflug mit einem Dieselmotor. Der Packard DR-980 war ein luftgekühlter Neunzylinder-Sternmotor.
• 1930 Erster Pkw mit Dieselmotor: Packard 1925 mit einem Motor des US-amerikanischen Dieselpioniers Clessie Cummins. Keine Serienproduktion.
• 1930 Im September beendet der Jumo 204 Gegenkolbenmotor, der weltweit erste Schweröl-Flugmotor (Flugdiesel) dieser Art, auf dem Prüfstand den 200-Stunden-Dauerlauf, der für die Musterzulassung verlangt wurde. Der Motor wurde anschließend unter anderem in der Junkers G 38 eingesetzt.
• 1931 erzielt ein von Dave Evans gefahrener Duesenberg mit Cummins-Dieselmotor den 13. Platz an den 500 Meilen von Indianapolis. Der Rennwagen legt die volle Distanz ohne Probleme und ohne Tankstopp zurück.
• 1932 Stärkster Diesel-Lkw der Welt von MAN mit 160 PS.
• 1932 Mit dem Packard DR-980 Sternmotor wird der Dauerflugrekord auf 84 Stunden und 32 Minuten gestellt. Er hat 55 Jahre lang Bestand.
• 1933 Erster europäischer Pkw mit Dieselmotor: Citroën Rosalie mit einem Motor des englischen Dieselpioniers Sir Harry Ricardo, ebenfalls keine Serienproduktion.
• 1934 Erster Turbodieselmotor für einen Eisenbahnzug von Maybach.
• 1935: Clessie Cummins durchquerte vom 17. Juni bis 4. Juli die USA (New York - Los Angeles; 6070 km) mit einem von vier Auburn mit Cummins-Dieselmotor (Aluminium-Motorblock und -Zylinderkopf). Die unmittelbar bevorstehende Serienfertigung scheiterte als Folge des Zusammenbruchs der Muttergesellschaft Cord Corporation.
• 1936 Im Februar werden auf der Berliner Automobilausstellung die beiden ersten deutschen Serien-Pkw mit Dieselmotor präsentiert: Mercedes-Benz 260 D und Hanomag Rekord.
• 1936 Dieselmotor 602/LOF6 von Daimler-Benz für das Luftschiff LZ 129 „Hindenburg“.
• 1936 Diesel-Flugmotor von BMW. Die weitere Entwicklung des BMW 114-Versuchsmotors wird 1937 eingestellt.
• 1938 Erster Turbodieselmotor von Saurer.
• 1944 Luftkühlung für Dieselmotoren von Klöckner-Humboldt-Deutz zur Serienreife entwickelt. Später von Magirus-Deutz benutzt.
• 1953 Turbodiesel-LKW für ein Mercedes-Löschfahrzeug in kleiner Serie.
• 1954 Turbodiesel-LKW in Großserie von Volvo.
• 1958 Erster Pkw-Dieselmotor mit obenliegender Nockenwelle (OM 621) von Daimler-Benz.
• 1968 Peugeot stellt mit dem 204 den ersten Kleinwagen mit quer eingebautem Diesel vor.
• 1973 Ladeluftkühlung beim Dieselmotor von DAF.
• 1976 Ab Februar bei Volkswagen Erprobung eines Pkw-Dieselmotors für den VW Golf im Großversuch mit 300 Fahrzeugen. Im September 1976 Vorstellung des VW Golf Diesel mit 50 PS Leistung.
• 1976 Common-Rail-Entwicklung bei der ETH Zürich.
• 1977 Erster PKW-Turbodiesel (Mercedes 300 SD).
• 1985 ATI-Intercooler-Dieselmotor von DAF.

Erstes Common-Rail-System für LKW in einem modifizierten IFA W50 im Straßenverkehr-Dauerbetrieb erfolgreich erprobt. Der Motor-Prototyp ist heute im Industriemuseum Chemnitz zu besichtigen.

• 1985 Dieselpartikelfilter im PKW der Mercedes-Benz S-Klasse (Baureihe W 126).
• 1986 EDC für Verteilerpumpe (Pkw) von Bosch im BMW M21
• 1987 Stärkster Serien-LKW mit einem 338 kW-Dieselmotor von MAN.

EDC für Reihenpumpe (Lkw) von Bosch in einem Mercedes-LKW.

• 1988 Erster Turbolader mit Direkteinspritzung beim Dieselmotor von Fiat Croma TD i.d. Vorlage:KW2Ps.
• 1991 Turbo-Compound für den Euro 1 LKW-Dieselmotor von Scania.
• 1993 Pumpe-Düse-Einspritzung für den LKW-Dieselmotor von Volvo.
• 1995 Pumpe-Leitung-Düse PLD-Einspritzsystem (unter der Kurzbezeichnung UPS (Unit Pump System) bekannt) von Bosch.
• 1996 Hochdruck-Verteilerpumpe VP44 von Bosch.
• 1997 Common Rail System für PKW von FIAT und Bosch.

Erster aufgeladener PKW-Dieselmotor mit direkter Common-Rail-Hochdruckeinspritzung und variabler Turbinengeometrie (Fiat-Alfa Romeo 156 JTD).

• 1998 Erster V8-PKW-Dieselmotor, 3,9 l-BMW M67 mit 175 kW.

Pumpe-Düse-Einheit PDE für PKW (unter der Kurzbezeichnung UIS (Unit Injector System) bekannt) von Bosch.

• 1999 Euro 3 von Scania und erster Common Rail-LKW-Dieselmotor von Renault.

Common Rail-System für Nutzfahrzeuge (LKW) von Bosch.

• 2004 In Westeuropa steigt der Anteil neu zugelassener PKW mit Dieselmotor auf über 50 %.

Euro 4 + 5 mit dem SCR-System im Mercedes, Euro 4 mit EGR System und Partikelfilter von MAN

Erstes Common Rail-System mit Piezo-Injektoren von Bosch.

Erster Nonstop-Transatlantikflug eines mit Dieselmotoren angetriebenen Flugzeugs in der Allgemeinen Luftfahrt, einer Diamond DA42 TwinStar mit zwei Thielert Centurion 1.7-Motoren

• 2005 Zukunftspreis des Deutschen Bundespräsidenten für Bosch und Siemens VDO – Entwicklung der Piezo-Inline-Injektoren für Common Rail-Systeme
• 2006 Weltweit erster Erfolg des Diesel-Rennwagen Audi R10 TDI im 12-Stunden-Rennen Sebring. Deklassiert alle Motorkonzepte.

Euro 5 für alle Iveco-LKW-Typen.

• 2007 Euro 5 mit EGR-System bei Scania.
• 2008 Subaru stellt den ersten serienreifen PKW Diesel-Boxermotor vor.

Euro 5 mit EGR-System für alle MAN-LKW-Typen.

stärkster Serien-LKW mit einem Motor mit Vorlage:KW2Ps von Volvo.

stärkster Serien-Diesel-PKW mit einem 368 kW-Volkswagen-V12-Dieselmotor von Audi.

stärkster Schiffsmotor der Welt mit 87.220 kW ist der 14K98MC7 von MAN Diesel SE.

• 2013 Stärkster Schlepper der Welt mit einer Nennleistung von 462 kW (628 PS) und einer Maximalleistung von Vorlage:KW2Ps von Case IH.

Bedeutung

Nachdem der Dieselmotor im PKW (im Gegensatz zum LKW, der in Europa nahezu ausschließlich mit Dieselmotoren angetrieben wird) jahrzehntelang ein Schattendasein führte, sind Personenwagen mit Dieselmotoren in Europa mittlerweile weit verbreitet. In einigen Ländern stellen sie bereits mehr als die Hälfte der Neuwagenzulassungen dar. Das liegt vor allem an der Entwicklung relativ leiser Dieselmotoren mit Turbolader und Ladeluftkühler. In Verbindung mit dem niedrigeren Verbrauch bzw. dem höheren Wirkungsgrad im Vergleich zum benzinverbrauchenden Ottomotor sowie der in vielen Ländern praktizierten steuerlichen Begünstigung des Dieselkraftstoffes gewinnt dieser Motor an Attraktivität. Dieselkraftstoff wird niedriger besteuert, um die Betriebskosten von Lastkraftwagen niedrig zu halten. Ausnahmen bilden hierbei Länder wie z. B. die Schweiz und Großbritannien, die den Dieselkraftstoff teurer verkaufen als Benzin. Als Ausgleich hierfür wird in einigen Ländern die Kraftfahrzeugsteuer für Dieselfahrzeuge angehoben, so dass erst eine hohe Kilometerlaufleistung zu einer Nettoersparnis führt.

Für Dieselfahrzeuge spricht die Verwendbarkeit von Pflanzenöl und Biodiesel, die wegen geringerer Besteuerung preiswerter als Dieselkraftstoff angeboten werden. In anderen Kontinenten ist der Dieselmotor im PKW deutlich weniger verbreitet; es gibt jedoch eine globale Tendenz der Zunahme des Dieselmotorenanteils. In der Schweiz ist der Dieselmotor im PKW aus oben genannten Gründen weniger verbreitet.

Dieselmotoren erreichen nicht so hohe Drehzahlen und Literleistungen wie vergleichbare Ottomotoren. Ein Turbodiesel stellt dafür im unteren Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment zur Verfügung. Dieselmotoren laufen nicht so vibrationsarm wie Ottomotoren. Hohe Einspritzdrücke bis zu 2.000 bar mit modernen Piezo-Einspritzdüsen, die den Dieselkraftstoff noch feiner zerstäuben, und eine leistungsfähige Motorsteuerungselektronik machen den modernen Dieselmotor „salonfähig“.

Dieselkraftstoff ist dem Heizöl ähnlich, enthält aber weniger Schwefel und Paraffin. Bis 1994 waren Dieselkraftstoff und „Heizöl leicht“ in Deutschland identisch. Wegen der unterschiedlichen Besteuerung wird Heizöl rot eingefärbt und enthält zusätzlichen den Farbstoff Solvent Yellow 124, um eine unerlaubte Verwendung in Dieselmotoren nachzuweisen (Delikt: Steuerhinterziehung).

Sommer-Hatz-Diesel

Junkers Jumo 205 Flugdiesel

Ein MTU 20V4000M93-Dieselmotor auf der Ausstellung SeaJapan 2008

Blick auf die Zylinderköpfe mit Auslassventilen eines Zweitakt-Dieselmotors für ein großes Containerschiff, im Hintergrund 2 Reserve-Laufbuchsen

Einsatzgebiete neben Pkw und Lkw und Landmaschinen

Panzer

Die Sowjetunion baute im Zweiten Weltkrieg über 50.000 Exemplare des Panzers T-34. Er hatte einen Zwölfzylinder-Dieselmotor mit 38,88 Litern Hubraum. Der Dieselmotor erhöhte die Reichweite und verringerte die Brandgefahr (siehe Dieselkraftstoff).

Der Schweizer Panzerjäger G13 hatte einen Dieselmotor (Saurer, 11,64 Liter Hubraum, Direkteinspritzung).

Motorräder

Als ungewöhnlich gelten Motorräder mit Dieselmotoren. Nach Stand 2005 sind die in Indien gefertigte Royal Enfield Bullet mit italienischen Lombardini- und einem deutschen Hatz-Dieselmotor käuflich, beide mit einer Maximalleistung von etwa Vorlage:KW2Ps. Diese dürften die treibstoffeffizientesten Motorräder sein. Die FHT Esslingen hat im Rahmen eines studentischen Projekts ein Motorrad mit Smart-Dieselmotor, Abgasrückführung und Partikelfilter entwickelt (EDiMo).

Im Jahr 2008 präsentierte das Unternehmen Neander Motors das erste Turbo-Diesel-Motorrad der Welt. Bei einem Hubraum von 1.340 cm³ und einer Nennleistung von Vorlage:KW2Ps bei 4.200/min (Höchstgeschwindigkeit: 220 km/h) handelt es sich um ein schweres Touren-Dieselmotorrad.

Flugzeuge

Seit einigen Jahren werden, zum ersten Mal nach den vor etlichen Jahrzehnten aufgegebenen Entwicklungen von Junkers (siehe Jumo 205 und 207), Rolls-Royce und Packard, wieder ernsthafte Versuche unternommen, die Vorteile des Dieselmotors in der Luftfahrt nutzbar zu machen.

Beispiel hierfür sind die durch Umbauten des Volkswagen-Vierzylinder-TDI-Motors oder des 1,7 bzw. 2,0-l-Motors aus der Mercedes-A-Klasse geschaffenen Flugmotoren. Von Diamond Aircraft werden bereits sehr erfolgreich kleine ein- oder zweimotorige Flugzeuge mit von der Thielert AG umgebauten Mercedes-Motoren (Thielert Centurion 1.7) verkauft.

Die Fortschritte in der Dieseltechnologie erlauben es, bei gleicher Reichweite einen kleineren und damit leichteren Tank einzubauen, der das höhere Motorgewicht relativiert. Damit kann das Leistungsgewicht des Gesamtsystems Motor und Treibstoff auf Ottomotorniveau gesenkt werden, bei höheren Reichweitenanforderungen ist das Dieselmotorsystem klar im Vorteil.

Probleme mit dem ungünstigeren Leistungsgewicht, mit den in der Luftfahrt komplexen Zulassungsverfahren sowie mit der marktbeherrschenden Position der Ottomotoren-Anbieter erschweren die Einführung jedoch und machen den Flug-Dieselmotor für große Automobilmotor-Produzenten wenig attraktiv. Kleine Firmen wie z. B. Thielert, DeltaHawk oder die Société de Motorisations Aéronautiques (jetzt SAFRAN) sind jedoch auf diesem Gebiet aktiv. Dieselmotoren sind für den Antrieb von Flugzeugen interessant, weil sie mit Kerosin (Jet A-1) betrieben werden können, das auf Flughäfen günstiger als AvGas (Flugbenzin) zu bekommen ist. Die Wankel AG bietet einen Wankelflugmotor an, der mit Kerosin betrieben werden kann, aber kein Selbstzünder ist.

Wasserfahrzeuge

Schiffsdieselmotoren sind in der Schifffahrt die häufigste Antriebsart, vom Hilfsmotor bei Segelschiffen bis hin zu riesigen Aggregaten mit mehreren 10.000 PS. Als Kraftstoff dient bei Großmotoren meist preiswertes, ungereinigtes Dieselöl oder Schweröl. Besonders die größeren Schiffsdieselmotoren mit Wirkungsgraden bis 50 % sind für einen Betrieb mit niedrigen Drehzahlen ausgelegt. Es werden für kleine und mittlere Leistungen Viertaktmotoren (bis 20.000 kW pro Motor, 450–900/min) und bei großen und größten Leistungen Zweitaktmotoren (bis 80.000 kW pro Motor, 80–120/min) eingesetzt. Die Abgasnutzung auf Schiffen mithilfe von Abgaskesseln und Dampfturbinen ermöglicht eine Wirkungsgradsteigerung um etwa 5 %.

Bei Booten werden häufig modifizierte Industriedieselmotoren (zum Beispiel Craftsman Marine), PKW-Motoren (zum Beispiel Volkswagen Marine) oder modifizierte LKW-Motoren (z. B. Volvo Penta) eingesetzt. Gegenüber Benzinmotoren bieten Dieselmotoren in der Schifffahrt einige Vorteile:

• kostengünstiger Kraftstoff
• der Kraftstoff an Bord ist weniger gefährlich
• keine gegenüber Feuchtigkeit empfindliche Zündanlage

Benzin ist dagegen sehr leicht flüchtig (d. h. verdampft schnell). Benzindämpfe sind schwerer als Luft, sinken nach unten und sammeln sich an der jeweils tiefsten Stelle an. Durch einen Funken kann ein Benzindampf-Luft-Gemisch entzündet werden und explodieren. Deshalb sind bei Booten mit Benzinmotor(en) explosionsgeschützte Lüfter notwendig, die den Motorraum entlüften. Vor einem Motorstart muss der Motorraum mehrere Minuten entlüftet werden. Dieseltreibstoff hat einen wesentlich geringeren Dampfdruck, d. h. bei einer bestimmten Temperatur ist Dieseldampf (trotz höherer Molekularmasse) weniger dicht und daher nicht so leicht entzündbar. Nachteilig ist besonders bei kleineren Motoren das höhere Gewicht bei vergleichbarer Leistung. Ein 5.6 kW-Innenbord-Dieselmotor wiegt rund 76 kg, ein Benzin-Aussenborder gleicher Leistung nur rund die Hälfte.

Schienenfahrzeuge

Neben Elektromotoren stellen Dieselmotoren die meistverwendete Antriebsart für Triebwagen und Lokomotiven dar (siehe Diesellokomotive und Dieseltriebwagen). Häufig kommt eine Kombination beider Antriebsarten (siehe: Dieselelektrischer Antrieb) oder die Kombination des Dieselmotors mit einem Strömungsgetriebe (siehe: Dieselhydraulischer Antrieb), seltener der Dieselmechanische Antrieb, zum Einsatz.

Stromerzeugungsaggregate

Der dieselmotorgetriebene Stromerzeuger wird Dieselaggregat genannt und dient der Stromversorgung von meist abgelegenen Gebäuden und anderen Objekten, welche nicht an das Stromnetz der Energieversorgungsunternehmen angeschlossen sind. Als Notstromaggregat wird er eingesetzt, wo man auf eine unterbrechungsfreie Stromversorgung angewiesen ist, wie in Rechenzentren, Krankenhäusern und Kernkraftwerken.

Es existieren tragbare Stromerzeuger mit Dieselmotor, meist mit Leistungen von etwa 3 bis 8 kW. Durch den niedrigeren Kraftstoffverbrauch sind die Betriebskosten gegenüber mit Benzin betriebenen Aggregaten niedriger. Zudem ist es möglich und erlaubt, Diesel-Stromerzeuger mit deutlich niedriger besteuertem Heizöl zu betreiben. Ein Nachteil gegenüber benzinbetriebenen Geräten ist das deutlich höhere Gewicht (3 kW Benzin-Stromerzeuger: etwa 40…45 kg; 3 kW Diesel-Stromerzeuger: etwa 80 kg).

Zur Abdeckung von Lastspitzen werden mit Dieselmotoren betriebene Generatoren noch gelegentlich verwendet, so auf Malta.

Motorsport

Aufgrund von Turboaufladung und Direkteinspritzung wurden Dieselmotoren Ende der 1990er im Automobilsport konkurrenzfähig. Gegenüber Ottomotoren haben Dieselmotoren bezüglich Motorleistung und Leistungsentfaltung keine schwerwiegenden Nachteile mehr. Im Gegenteil haben Dieselmotoren gegenüber Ottomotoren den Vorteil, dass sie weniger Kraftstoff verbrauchen und somit besonders bei Langstreckenrennen Vorteile haben. Hinzu kommt durch den Turbolader ein sehr hohes Drehmoment, welches das Fahren im mittleren Drehzahlbereich ohne Beeinträchtigung der Beschleunigung bewirkt und ihnen zudem bei Steigungen Vorteile verschafft. Weil Dieselmotoren etwa 15 % weniger Kraftstoff verbrauchen, muss weniger mitgeführt werden, was Dieselrennwagen einen geringen Gewichtsvorteil verschafft.

So konnte 1998 – Dieselmotoren waren damals im Fahrzeugfeld noch höchst selten – ein BMW 320d als erster mit Dieselkraftstoff betriebener Rennwagen das 24-Stunden-Rennen auf dem Nürburgring gewinnen, wodurch für viel Aufmerksamkeit gesorgt wurde. Heute sind Dieselfahrzeuge bei dieser Rennveranstaltung längst nichts Ungewöhnliches mehr. In der WTCC setzte Seat als erster Hersteller 2007 zwei mit Dieselkraftstoff betriebene Seat Leon ein, denen schon ein Sieg gelang.

Seit 2003 nimmt Volkswagen an der Rallye Dakar teil und setzte von Anfang an Rallyewagen mit TDI-Motoren ein. War der VW Tarek 2003 eher noch ein Versuchsfahrzeug, begann Volkswagen 2004 mit dem VW Race Touareg und seinem 2,5-Liter-Fünfzylinder-Diesel konkurrenzfähig zu werden. Den Gesamtsieg der Rallye Dakar 2009 errang ein Team von Volkswagen Motorsport, damit siegte erstmals ein Dieselfahrzeug. Der Erfolg wurde bei der Rallye Dakar 2010 wiederholt. Das X-Raid-Team bestreitet seit 2002 mit dem BMW X5 und seit 2006 mit dem BMW X3, welche von 3-Liter-Sechszylinder-Biturbo-Dieselmotoren angetrieben werden, die Rallye Dakar und konnte damit immerhin schon Achtungserfolge und einen Etappensieg erringen. Bei der Rallye Dakar 2011 ging X-Raid mit einem MINI All4 Racing auf Basis des Mini Countryman an den Start. Das Team erreichte damit den vierten Rang in der Auto-Gesamtwertung. Seit der Rallye Dakar 2012 konnte das Team mit diesem Fahrzeug jeweils den Auto-Gesamtsieg bei der Dakar feiern. Angetrieben werden die Fahrzeuge von einem Dreiliter-Biturbo-Dieselmotor, die man im BMW-Werk vorbereitete.

Erster Einsatz eines Dieselmotors von Taurus Sports Racing in der jüngeren Le Mans-Geschichte (Juni 2004)

2004 nahm Taurus Sports Racing mit einem Lola B2K/10 (Chassis) mit Caterpillar-5-l-V10-Turbo-Dieselmotor erstmals in der jüngeren Geschichte des 24-Stunden-Rennens von Le Mans mit einem leistungsstarken Dieselmotor teil (Dieselmotoren wurden allerdings schon viel früher in Le Mans eingesetzt). Dieses Fahrzeug mit der Nummer 10 schied jedoch bereits in Runde 46 aus. 2006 konnte Audi mit dem ebenfalls dieselgetriebenen Audi R10 TDI gleich im ersten Jahr seines Einsatzes den Sieg erringen. In den Folgejahren 2007 und 2008 erzielten die Ingolstädter erneut den Sieg mit einem dieselgetriebenen Fahrzeug. 2009 gewann Peugeot mit dem dieselbetriebenen Peugeot 908 HDi FAP.

Im Truck Racing (Rennfahrten mit Lastkraftwagen) ist der Dieselmotor der übliche Standard. Die heutigen Renntrucks haben Dieselmotoren mit rund Vorlage:KW2Ps, die die rund 5 t schweren Gefährte in 5 bis 6 Sekunden auf eine Geschwindigkeit von 160 km/h beschleunigen.

Trotz all dieser Fortschritte haben Dieselmotoren jedoch konstruktionsbedingt den Nachteil, schwerer zu sein als gleich starke Benzinmotoren, weswegen sie in besonders gewichtssensiblen Fahrzeugen wie Motorrädern oder Formel-1-Autos keinen Durchbruch erringen konnten.

Literatur

• Rudolf Diesel: Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren. Springer, Berlin 1893.
• 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.
• Max J. Rauck: 50 Jahre Dieselmotor. Zur Sonderschau im Deutschen Museum. Leibniz, München 1949.
• Klaus Mollenhauer: Handbuch Dieselmotoren. VDI. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-72164-2.
• Christopher Neumaier: Dieselautos in Deutschland und den USA: Zum Verhältnis von Technologie, Konsum und Politik, 1949–2005 (= Transatlantische Historische Studien. Band 43). Steiner, Stuttgart 2010.
• Andreas Knie: Diesel – Karriere einer Technik. Genese und Formierungsprozesse im Motorenbau. Edition Sigma, Berlin 1991, ISBN 3-89404-103-X.
• Richard van Basshuysen: Handbuch Verbrennungsmotor. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8348-0227-9.
• Robert Bosch GmbH: Dieselmotor-Management. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2004, ISBN 978-3-528-23873-5.
• Rainer Kurek: Nutzfahrzeug-Dieselmotoren. Hanser, München 2006, ISBN 978-3-446-40590-5.
• Volkmar Küntscher: Kraftfahrzeugmotoren. Vogel, Würzburg 2006, ISBN 978-3-8343-3000-0.
• A. v. Philippovich: Die Betriebsstoffe für Verbrennungskraftmaschinen. In: Hans List (Hrsg.): Die Verbrennungskraftmaschine. Nr. 1. Springer, Wien 1939, ISBN 978-3-662-27981-6, doi:10.1007/978-3-662-29489-5. 
• Hans List: Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine. In: Hans List (Hrsg.): Die Verbrennungskraftmaschine. Nr. 2. Springer, Wien 1939, ISBN 978-3-7091-5197-6, doi:10.1007/978-3-7091-5345-1. 

• Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann: Grundlagen Verbrennungsmotoren: Funktionsweise, Simulation, Messtechnik. Springer. Wiesbaden. 2012. ISBN 978-3-8348-1987-1. S. 102
• Günter Mau: Handbuch Dieselmotoren im Kraftwerks- und Schiffsbetrieb. Vieweg. Braunschweig/Wiesbaden. 1984. ISBN 978-3-528-14889-8.
• Alfred und Wolfgang Böge: Handbuch Maschinenbau: Grundlagen und Anwendungen der Maschinenbau-Technik. Springer. Wiesbaden. 2014. ISBN 9783658065980.

Weblinks

Wiktionary: Dieselmotor – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Dieselmotoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• 150 Jahre Rudolph Diesel und sein Dieselmotor
• Interaktive Darstellung des Dieselmotor-Prozesses
• D.I. Gottfried Haider: Dieselinfo – Wissenswertes über Dieselmotoren
• Informationen zum Dieselmotor auf Schülerniveau (LEIFI)
• MAN (Wiege des Dieselmotors)
• Dieselmotor für Motorräder