In diesem Artikel geht es ausschließlich um Dieselmotoren.

Den Beitrag zum Thema Benzinmotoren finden Sie hier.

Dieser Beitrag richtet sich an alle, die sich in das Thema einlesen und sich in die Kfz-Technik einarbeiten wollen. Die französischen Fachbegriffe stehen in Mouseover-Quickinfosinfobulles zur Verfügung. Gängige Begriffe, die bereits im Beitrag zum Benzinmotor in französischer Sprache genannt wurden, werden hier nicht wiederholt.

Wie Benzinmotoren setzen auch Dieselmotorenmoteur diesel, moteur à allumage par compression durch Verbrennungcombustion die im Kraftstoff (Diesel) enthaltene Energie frei. Allerdings ist hier zur Entzündungallumage des Gemischs kein Funke erforderlich, da der Motor durch eine Selbstentzündungauto-inflammation gestartet wird: Diese entsteht aus der Kompressionsenergie, die für die nötige hohe Temperatur sorgt.

Wie der Benzinmotor ist auch der Dieselmotor ein 4-Takt-Verbrennungsmotormoteur 4 temps: Ansaugungadmission, Verdichtungcompression, Verbrennungcombustion, Ausstoßenéchappement.

1. Im ersten Takt wird bei geöffnetem Einlassventil reine Luft (nicht etwa ein Kraftstoff-Luft-Gemisch wie beim Benzinmotor) in den Zylinder gesaugt. Dabei entsteht ein Unterdruck von ca. 1 bis 2 bar.
2. Im zweiten Takt bleiben die Ventile geschlossen, die angesaugte Luft wird stark verdichtet, wodurch sie eine sehr hohe Temperatur von beispielsweise 800°C erreicht.
3. Arbeitstakt: Hat der Kolben ungefähr den oberen Totpunktpoint mort haut erreicht (also im Moment der größten Verdichtung) wird Kraftstoff (Diesel) durch eine Einspritzdüse in die Brennkammerchambre de combustion fein zerstäubt eingespritzt. Dann erfolgt die Selbstzündung des Kraftstoffs, die Temperatur steigt unmittelbar auf über 2000°C an, was wiederum zur Erhöhung des Drucks im Zylinder auf ca. 150 bar führt. Durch die explosionsartige Verbrennung wird der Kolben nach unten gedrückt.
4. Im vierten Takt bewegt sich der Kolben bei geöffnetem Ventil wieder nach oben. Die verbrannten Abgase werden dadurch ausgestoßen.

Der Wirkungsgrad des Dieselmotors liegt mit etwa 40 bis 45 % höher als der des Benzinmotors. Die Drehzahlleistungrégime moteur ist wegen der starken mechanischen Belastungencontraintes mécaniques im Allgemeinen niedriger.

Selbstzündung

Da der Dieselmotor nach dem Prinzip der Selbstzündung arbeitet, benötigt er keine Zündkerzen. Stattdessen werden zur Unterstützung beim Kaltstart meist Glühkerzenbougies de préchauffage eingesetzt, die den Zylinder und die Brennkammer aufheizen. Sie sorgen dafür, dass der Dieselmotor auch bei niedrigen Temperaturen sicher und schnell anspringt. Die heute eingesetzten Glühkerzen erreichen in kürzester Zeit Temperaturen bis zu 1200°C. Langsames Vorglühenpréchauffage und geduldiges Warten vor dem Start des Motors sind bei modernen Dieselfahrzeugen daher nicht mehr notwendig.

Das Prinzip der Selbstzündung – man spricht auch von Kompressionszündungallumage par compression – setzt die Verwendung eines Einspritzsystemssystème d’injection voraus. Bei Vorkammerdieselmotorenmoteurs diesel à préchambre erfolgt die Einspritzung in eine mit dem Brennraum verbundene Vorkammer. Diese Technik war bis in die späten 1990er Jahre weit verbreitet. Heute kommt die Direkteinspritzunginjection directe zur Anwendung, bei der der Kraftstoff mit höherem Einspritzdruck (je nach Fahrzeug aktuell bis zu 2500 bar) direkt in die (ungeteilte) Brennkammer eingespritzt wird.

Die sog. Common-Rail-Techniksystème d’injection à rampe commune, erstmals 1997 von Fiat auf den Markt gebracht, hat sich inzwischen wegen ihres einfachen Aufbaussimplicité d’architecture, architecture simple und der damit geringeren Kosten durchgesetzt. Bei dieser Technik, die auch Speichereinspritzungsystème d’injection diesel à accumulateur genannt wird, bringt eine Hochdruckpumpepompe (à) haute pression den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau. Der unter Druck stehende Kraftstoff füllt ein Rohrleitungssystem, das bei Motorbetrieb kontinuierlich unter Druck steht. Zum exakten Zeitpunkt der Zündung befindet sich immer nur eine kleine Menge Diesel im Brennraum, die schlagartig verbrennt. Dadurch kann der raue Lauf, verursacht durch den Zündverzugretard à l’allumage, vermieden werden. Die Folge: Dieselmotoren laufen heute annähernd so ruhig wie Benzinmotoren.

Der Kraftstoff: Diesel

Der Dieselkraftstoff besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffkettenchaînes d’hydrocarbures, chaînes hydrocarbonées (C₁₄H₃₀ anstelle von C₉H₂₀ bei Benzin). Ein wichtiges Qualitätskriterium für Dieselkraftstoff ist die Cetanzahlindice de cétane. Das ist das Maß für die Zündwilligkeitcapacité d’auto-inflammation des Kraftstoffs. Die hohe Zündwilligkeit ist für die Verwendung von Diesel in (vor allem schnell laufenden) Motoren wichtig, um eine gleichmäßige und nahezu vollständige Verbrennung erreichen zu können.

Ein weiteres Qualitätskriterium ist der Schwefelgehaltteneur en soufre. Rohöl enthält große Mengen an Schwefel, der im Dieselkraftstoff allerdings unerwünscht ist, weil er zu giftigem Schwefeldioxiddioxyde de soufre (SO₂) im Abgas der Motoren führt. Außerdem ist Schwefel für manche Arten von Abgaskatalysatoren schädlich.

Bei starkem Frost kann Dieselkraftstoff zähflüssigvisqueux, sirupeux werden: Es bilden sich Paraffinkristalle, die den Kraftstofffilterfiltre à carburant verstopfen können: In der Umgangssprache spricht man vom Versulzenencrassement, colmatage. Das kann zum Ausfall des Dieselmotors führen, bis die Leitungen und der Filter wieder genügend erwärmt sind.

An Tankstellen wird im Winter Dieselkraftstoff mit einer dünnflüssigeren Konsistenz angeboten. Dieser sog. Winterdiesel enthält auch spezielle Additive (Flow Improver), die das Ausflockenfloculation der Paraffinkristalle hierzulande bis ca. -20°C, in der Schweiz und in Österreich bis mindestens -25°C verhindern sollen. In manchen Regionen Nordeuropas gibt es Polardiesel, der sogar für -40°C noch nutzbar sein kann.

Früher haben Dieselfahrer im Winter dem Dieselkraftstoff noch etwas Benzin beigefügt, um der drohenden Versulzung entgegenzuwirken. Davon ist allerdings dringend abzuraten, da dies besonders bei modernen Motoren z. B. an der Kraftstoffeinspritzung zu gravierenden Schäden führen kann.

Emissionen

Dieselmotoren erzeugen dreierlei Emissionen: Feinstaubparticules fines, Stickoxideoxydes d’azote (NOx) und Kohlendioxiddioxyde de carbone (CO₂). Die Abgasqualität moderner Dieselmotoren ist weitaus besser als die älterer Modelle (mit teils sehr hohen Feinstaubemissionen), allerdings auch meist deutlich schlechter als bei modernen Benzinmotoren.

Dieselfahrzeuge haben schon lange einen Partikelfilterfiltre à particules , der dafür sorgt, dass der Selbstzünder nicht  rußtproduire des émissions de noir de carbone, de suie.

Weil sich mit der Zeit immer mehr Partikel im Filter ansammeln, werden diese regelmäßig abgebrannt. Voraussetzung hierfür ist eine Abgastemperatur über der Rußzündtemperaturtempérature de combustion du noir de carbone, de suie von 550°C. Bei diesem als „Regeneration“ bezeichneten Vorgang entstehen hauptsächlich Kohlendioxid und Wasserdampf. Ein kleiner Rest bleibt als Asche im Filter. Man unterscheidet zwischen aktiver und passiver Regeneration. Meist werden beide Möglichkeiten kombiniert.

Passive Regeneration: Sie erfolgt kontinuierlichen continu und zwar immer dann, wenn die erforderliche Abgas- oder Abbrenntemperatur selbstständig erreicht wird (zum Beispiel bei überwiegendem Autobahn- bzw. Volllastbetrieb).

Aktive Regeneration: Sie wird eingeleitet durch die Erhöhung der Abgastemperatur auf etwa 600°C und durch Änderung von Anzahl und Zeitpunkt der Einspritzungen, manchmal auch durch höhere Last (z. B. Einschalten von großen Stromverbrauchern). Das ist dann nötig, wenn das Auto häufig mit geringerer Last (z. B. überwiegend im Stadtverkehr) betrieben wird.

Thema NOx

Stickoxide sind gasförmige Verbindungen aus Stickstoff (N) und Sauerstoff (O), die unter der Sammelbezeichnung NOx zusammengefasst werden. Bei Autoabgasen bezieht sich NOx meist auf die Gesamtmenge an ausgestoßenem Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂). Bei den Schadstoffen in Autoabgasen machen Stickoxide nach Kohlendioxid und Kohlenmonoxid den drittgrößten Anteil aus. Diesel-Pkw sind im Verkehrssektor der größte Verursacher von Stickoxiden.

Um die Probleme mit den Stickoxidemissionen (NOx) zu lösen und damit der Abgasnorm Euro 6d(-Temp) gerecht zu werden, setzen Autohersteller auf sog. SCR-Systemeréduction catalytique sélective (SCR, Selective Catalytic Reduction). Bei der sog. selektiven katalytischen Reduktion werden die Stickoxide (NOx) durch Einspritzung von AdBlue® in den Abgasstrom in harmlose Gase (Wasserdampf und Stickstoff) umgewandelt. Dabei werden die Stickoxide in einem Filter gespeichert, während der Motor mit armem Gemisch arbeitet. Zu einem bestimmten Zeitpunkt, unmerklich für den Fahrer, soll ein Übergang zu reichem Gemisch stattfinden, damit der dann vorhandene Kraftstoffüberschuss chemisch so mit den NOx reagiert, dass sie in unschädliche Gase umgewandelt werden und schließlich „ausgepufft“évacuer par l’échappement werden können.

Anmerkung: Zur Erläuterung der Begriffe „armes / reiches Gemisch“ lesen Sie den Beitrag „Fahrzeugtechnik: der Benzinmotor“.

AdBlue® ist eine nach ISO 22241 genormte Lösung, die stets 32,5 % hochreinen Harnstoffurée und 67,5 % entmineralisiertes Wasser enthält. Harnstoff ist eine natürlich vorkommende Substanz, die für AdBlue® in einem synthetischen Verfahren aus Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid hergestellt wird. Diese Technologie ist in jeder Situation wirksam und beeinflusst weder die Leistungsmerkmaleperformances noch den Kraftstoffverbrauchconsommation de carburant der Dieselmotoren. Mit der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) können die Motoren den strengsten und anspruchsvollsten Anforderungen neuer Umweltnormennormes environnementales entsprochen werden.

• Das im Harnstoff enthaltene, ab einer Abgastemperatur von 170°C freiwerdende Ammoniak (NH₃) reagiert im Katalysator und spaltet die Stickoxide (NOx) in Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf.
• Die so gespaltenen Stoffe (Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff) sind harmlosinoffensif und werden über die Auspuffanlage abgeleitetévacuer par l’échappement .
• Mehrere chemische Vorgänge sind erforderlich, bis die Stickoxide (NOx) in Stickstoff und Wasserdampf zerfallen.
• Der Einbau eines SCR-Systems zur NOx-Minderung ermöglicht es, den Motor in verbrauchsgünstigeren Betriebspunkten zu betreiben. Damit sinkt der Verbrauch je nach Fahrweise um 3 bis 8 %.

Durch die erneut verschärften Abgasnormen mit realen Tests auf der Straße ist die saubere SCR-Technologie inzwischen für alle größeren Seriendiesel Pflichtprogramm, wobei SCR-Systeme auch nachträglich in einen Dieselmotor eingebaut werden können.

Thema Feinstaubpartikel

Staub ist eine Sammelbezeichnung für allerlei Teilchen, die so klein sind, dass sie eine Zeit lang in der Luft schweben, daher spricht man auch von Schwebstaubparticules en suspension. Feinstaub wiederum ist besonders winziger Staub. Es gibt verschiedene Größeneinteilungen: PM10 (Teilchen, die kleiner sind als 10 Mikrometer), PM2,5 (kleiner als 2,5 Mikrometer) und Ultrafeinstaub (kleiner als 0,1 Mikrometer). Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist zwischen 50 und 100 Mikrometern dick. In Deutschland wird PM10 seit 2000 flächendeckend gemessen, seit 2008 auch PM2,5.

Feinstaub wird vor allem durch menschliches Handeln erzeugt: Primärer Feinstaub entsteht durch Emissionen aus Kraftfahrzeugen, Kraft- und Fernheizwerken, Öfen und Heizungen in Wohnhäusern sowie in der Industrie (z. B. bei der Metall- und Stahlerzeugung). In Ballungsgebieten ist der Straßenverkehr die größte Feinstaubquelle. Verursacher sind nicht nur Motoren, sondern auch  Bremsen- und Reifenabriebusure des freins et des pneumatiques. Eine weitere wichtige Quelle ist übrigens die Landwirtschaft (Ammoniakemissionen aus der Tierhaltung).

Zurück zur Fahrzeugtechnik: Die Feinstaubpartikel (PM für Particular Matter) werden nicht bei der SCR, sondern durch einen im gleichen Segment der Auspuffanlage integrierten Filter beseitigt.

Beitragsbild von ResoneTIC, Pixabay – vielen Dank.