In: Hans List (Hrsg.): Die Verbrennungskraftmaschine

Der nach Rudolf Diesel benannte Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor, bei dem die Zündung des Kraftstoffs durch die erhöhte Temperatur der Luft im Zylinder infolge mechanischer Verdichtung erfolgt; daher wird der Dieselmotor als Kompressionszündungsmotor (CI-Motor) bezeichnet. Dies steht im Gegensatz zu Motoren, die eine Zündkerzenzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches verwenden, wie z. B. ein Benzinmotor (Ottomotor) oder ein Gasmotor (der einen gasförmigen Kraftstoff wie Erdgas oder Flüssiggas verwendet). Dieselmotoren arbeiten, indem sie nur Luft oder Luft und Restverbrennungsgase aus dem Abgas komprimieren (bekannt als Abgasrückführung (EGR)). Luft wird während des Ansaughubs in die Kammer eingeführt und während des Verdichtungshubs komprimiert. Dadurch erhöht sich die Lufttemperatur im Zylinder so stark, dass sich zerstäubter Dieselkraftstoff, der in den Brennraum eingespritzt wird, entzündet. Da der Kraftstoff kurz vor der Verbrennung in die Luft eingespritzt wird, ist die Verteilung des Kraftstoffs ungleichmäßig; dies wird als heterogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch bezeichnet. Das von einem Dieselmotor erzeugte Drehmoment wird durch Manipulieren des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λ) gesteuert; Anstatt die Ansaugluft zu drosseln, setzt der Dieselmotor auf eine Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist normalerweise hoch. Der Dieselmotor hat den höchsten thermischen Wirkungsgrad (Motorwirkungsgrad) aller praktischen Verbrennungsmotoren mit innerer oder äußerer Verbrennung aufgrund seines sehr hohen Expansionsverhältnisses und seiner inhärenten mageren Verbrennung, die eine Wärmeableitung durch die überschüssige Luft ermöglicht. Ein kleiner Wirkungsgradverlust wird auch im Vergleich zu Benzinmotoren ohne Direkteinspritzung vermieden, da während der Ventilüberschneidung kein unverbrannter Kraftstoff vorhanden ist und daher kein Kraftstoff direkt von der Ansaugung/Einspritzung zum Auslass gelangt. Langsamlaufende Dieselmotoren (wie sie in Schiffen und anderen Anwendungen verwendet werden, bei denen das Gesamtgewicht des Motors relativ unwichtig ist) können effektive Wirkungsgrade von bis zu 55 % erreichen.[1] Die Gasturbine mit kombiniertem Zyklus (Brayton- und Rankin-Zyklus) ist ein Verbrennungsmotor, der effizienter als ein Dieselmotor ist, aber aufgrund seiner Masse und Abmessungen für Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge oder Flugzeuge ungeeignet ist. Die weltweit größten in Betrieb genommenen Dieselmotoren sind 14-Zylinder-Zweitakt-Schiffsdieselmotoren; sie produzieren eine Spitzenleistung von jeweils knapp 100 MW.[2] Dieselmotoren können entweder mit Zweitakt- oder Viertakt-Verbrennungszyklen konstruiert werden. Sie wurden ursprünglich als effizienterer Ersatz für stationäre Dampfmaschinen eingesetzt. Seit den 1910er Jahren werden sie in U-Booten und Schiffen eingesetzt. Später folgte der Einsatz in Lokomotiven, Bussen, Lastkraftwagen, Baumaschinen, Landmaschinen und Stromerzeugungsanlagen. In den 1930er Jahren wurden sie langsam in einigen Automobilen eingesetzt. Seit der Energiekrise der 1970er Jahre hat die Nachfrage nach höherer Kraftstoffeffizienz dazu geführt, dass die meisten großen Autohersteller irgendwann dieselbetriebene Modelle sogar in sehr kleinen Autos angeboten haben.[3][4] Laut Konrad Reif (2012) entfiel im damaligen EU-Durchschnitt auf Diesel-Pkw die Hälfte der neu zugelassenen Pkw.[5] Luftverschmutzungsemissionen sind jedoch bei Dieselmotoren schwerer zu kontrollieren als bei Benzinmotoren, sodass die Verwendung von Dieselautomotoren in den USA jetzt weitgehend auf größere Straßen- und Geländefahrzeuge beschränkt ist.[6][7] Obwohl die Luftfahrt Dieselmotoren traditionell gemieden hat, sind Flugzeugdieselmotoren im 21. Jahrhundert zunehmend verfügbar geworden. Seit Ende der 1990er Jahre hat die Entwicklung und Produktion von Dieselmotoren für Flugzeuge aus verschiedenen Gründen – einschließlich der normalen Vorteile des Diesels gegenüber Benzinmotoren, aber auch aufgrund neuerer Probleme der Luftfahrt – einen sprunghaften Anstieg erlebt, wobei zwischen 2002 und 2018 über 5.000 solcher Motoren weltweit ausgeliefert wurden. insbesondere für Leichtflugzeuge und unbemannte Luftfahrzeuge.[8][9] Diesels Idee[Bearbeiten] 1878 besuchte Rudolf Diesel, Student am Polytechnikum in München, die Vorlesungen von Carl von Linde. Linde erklärte, dass Dampfmaschinen nur 6-10 % der Wärmeenergie in Arbeit umwandeln können, dass der Carnot-Kreisprozess jedoch durch isotherme Zustandsänderung eine viel größere Umwandlung der Wärmeenergie in Arbeit ermöglicht. Laut Diesel entfachte dies die Idee, einen hocheffizienten Motor zu entwickeln, der mit dem Carnot-Zyklus arbeiten könnte. 14Nach mehreren Jahren der Arbeit an seinen Ideen veröffentlichte Diesel sie 1893 in der Aufsatztheorie und der Konstruktion eines rationalen Wärmemotors. 14 Diesel wurde für seinen Aufsatz stark kritisiert, aber nur wenige fanden den Fehler, den er gemacht hat. als das für die Kompressionszündung erforderlich. Die Diesel -Idee war es, die Luft so fest zu komprimieren, dass die Lufttemperatur die der Verbrennung überschreiten würde. Ein solcher Motor konnte jedoch niemals nutzbare Arbeiten ausführen. 17In seinem US -Patent von 1892 (erteilt 1895) #542846 beschreibt Diesel die für seinen Zyklus erforderliche Komprimierung: Bis Juni 1893 hatte Diesel erkannt, dass sein ursprünglicher Zyklus nicht funktionieren würde, und er übernahm den Zyklus mit konstantem Druck. Diesel beschreibt den Zyklus in seiner Patentanmeldung von 1895. Beachten Sie, dass Kompressionstemperaturen, die die Verbrennungstemperatur überschreiten, nicht mehr erwähnt werden. Nun wird einfach gesagt, dass die Kompression ausreichen muss, um eine Zündung auszulösen. 1892 erhielt Diesel in Deutschland, der Schweiz, dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten Patente für "Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme in Arbeit".[25] 1894 und 1895 reichte er in verschiedenen Ländern Patente und Nachträge für seinen Motor ein; die ersten Patente wurden im Dezember 1894 in Spanien (Nr. 16.654),[26] Frankreich (Nr. 243.531) und Belgien (Nr. 113.139) und 1895 in Deutschland (Nr. 86.633) und den Vereinigten Staaten (Nr. 608.845) im Jahr 1898.[27] Diesel wurde über einen Zeitraum von mehreren Jahren angegriffen und kritisiert. Kritiker behaupteten, Diesel habe nie einen neuen Motor erfunden und die Erfindung des Dieselmotors sei Betrug. Otto Köhler und Emil Capitaine [ de ] waren zwei der prominentesten Kritiker von Diesels Zeit.[28] Köhler hatte 1887 einen Aufsatz veröffentlicht, in dem er einen Motor beschreibt, der dem Motor ähnlich ist, den Diesel in seinem Aufsatz von 1893 beschreibt. Köhler stellte fest, dass ein solcher Motor keine Arbeit verrichten könne.[19][29] Emil Capitaine hatte in den frühen 1890er Jahren einen Petroleummotor mit Glührohrzündung gebaut;[30] er behauptete wider besseres Wissen, dass sein Glührohrzündungsmotor genauso funktionierte wie Diesels Motor. Seine Ansprüche waren unbegründet und er verlor eine Patentklage gegen Diesel.[31] Andere Motoren wie der Akroyd-Motor und der Brayton-Motor verwenden ebenfalls einen Betriebszyklus, der sich vom Dieselmotorzyklus unterscheidet. Friedrich Sass sagt, der Dieselmotor sei Diesels "ureigenstes Werk" und jeder "Diesel-Mythos" sei "Geschichtsfälschung".[33] Der erste Dieselmotor Diesel suchte Firmen und Fabriken auf, die seinen Motor bauen würden. Mit Hilfe von Moritz Schröter und Max Gutermuth[34] gelang es ihm, sowohl Krupp in Essen als auch die Maschinenfabrik Augsburg zu überzeugen.[35] Die Verträge wurden im April 1893 unterzeichnet[36] und im Frühsommer 1893 wurde der erste Prototyp-Motor von Diesel in Augsburg gebaut. Am 10. August 1893 erfolgte die erste Zündung, als Brennstoff wurde Benzin verwendet. Im Winter 1893/1894 konstruierte Diesel den vorhandenen Motor neu, und seine Mechaniker bauten ihn bis zum 18. Januar 1894 in den zweiten Prototyp um.[37] Im Januar dieses Jahres wurde dem Zylinderkopf des Motors ein Luftstoß-Einspritzsystem hinzugefügt und getestet. Friedrich Sass argumentiert, dass davon ausgegangen werden kann, dass Diesel das Konzept der Air-Blast-Injektion von George B. Brayton kopiert hat,[32] obwohl Diesel das System wesentlich verbessert hat. [39] Am 17. Februar 1894 lief der umgestaltete Motor 88 Umdrehungen – eine Minute;[10] mit dieser Nachricht stieg der Lagerbestand der Maschinenfabrik Augsburg um 30 %, was auf die enorme erwartete Nachfrage nach einem effizienteren Motor hinweist.[40] Am 26. Juni 1895 erreichte der Motor einen effektiven Wirkungsgrad von 16,6 % und hatte einen Kraftstoffverbrauch von 519 g·kW−1·h−1. [41] Trotz der Bewährung des Konzepts verursachte der Motor jedoch Probleme,[42] und Diesel konnte keine wesentlichen Fortschritte erzielen.[43] Krupp erwägt daher, den mit Diesel geschlossenen Vertrag zu kündigen.[44] Diesel war gezwungen, das Design seines Motors zu verbessern und beeilte sich, einen dritten Prototypmotor zu bauen. Zwischen dem 8. November und dem 20. Dezember 1895 hatte der zweite Prototyp über 111 Stunden erfolgreich auf dem Prüfstand zurückgelegt. Im Bericht vom Januar 1896 wurde dies als Erfolg gewertet.[45] Im Februar 1896 erwog Diesel, den dritten Prototyp aufzuladen. [46] Imanuel Lauster, der mit der Zeichnung des dritten Prototyps "Motor 250/400" beauftragt wurde, hatte die Zeichnungen bis zum 30. April 1896 fertiggestellt. Im Sommer des Jahres, in dem der Motor gebaut wurde, wurde er am 6. Oktober 1896 fertiggestellt. Tests wurden bis Anfang 1897 durchgeführt.[48] Erste öffentliche Tests begannen am 1. Februar 1897.[49] Der Test von Moritz Schröter am 17. Februar 1897 war der Haupttest von Diesels Motor. Der Motor hatte eine Nennleistung von 13,1 kW bei einem spezifischen Kraftstoffverbrauch von 324 g·kW−1·h−1,[50] was zu einem effektiven Wirkungsgrad von 26,2 % führte.[51][52] Bis 1898 war Diesel Millionär geworden.[53] 1890er - 1893: Der Aufsatz von Rudolf Diesel mit dem Titel Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors erscheint.[54][55] - 1893: 21. Februar, Diesel und die Maschinenfabrik Augsburg unterzeichnen einen Vertrag, der Diesel erlaubt, einen Prototypenmotor zu bauen.[56]- 1893: 23. Februar, Diesel erhält ein Patent (RP 67207) mit dem Titel „Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungsmaschinen". - 1893: 10. April, Diesel und Krupp unterzeichnen einen Vertrag, der Diesel erlaubt, einen Prototypenmotor zu bauen.[56] - 1893: 24. April, sowohl Krupp als auch die Maschinenfabrik Augsburg beschließen eine Zusammenarbeit und bauen nur einen einzigen Prototypen in Augsburg.[56][36] - 1893: Juli, der erste Prototyp wird fertiggestellt.[57] - 1893: 10. August, Diesel spritzt zum ersten Mal Kraftstoff (Benzin) ein, was zu einer Verbrennung führt und den Indikator zerstört.[58] - 1893: 30. November, Diesel meldet ein Patent (RP 82168) für ein modifiziertes Brennverfahren an. Er erhält es am 12. Juli 1895.[59][60][61] - 1894: 18. Januar, nachdem der erste Prototyp zum zweiten Prototyp umgebaut wurde, beginnt die Erprobung mit dem zweiten Prototyp.[37] - 1894: 17. Februar, Der zweite Prototyp läuft erstmals.[10]- 1895: 30. März, Diesel meldet ein Patent (RP 86633) für ein Startverfahren mit Druckluft an.[62] - 1895: 26. Juni, der zweite Prototyp besteht erstmals die Bremsprobe.[41] - 1895: Diesel beantragt ein zweites Patent US-Patent Nr. 608845[63] - 1895: 8. November - 20. Dezember, eine Reihe von Tests mit dem zweiten Prototyp wird durchgeführt. Insgesamt werden 111 Betriebsstunden erfasst.[45] - 1896: 30. April, Imanuel Lauster fertigt die Zeichnungen des dritten und letzten Prototyps an.[47] - 1896: 6. Oktober, der dritte und letzte Prototypmotor wird fertiggestellt.[11] - 1897: 1. Februar, Diesels Prototypmotor läuft und ist endlich bereit für Effizienztests und Produktion.[49] - 1897: 9. Oktober, Adolphus Busch lizenziert Rechte am Dieselmotor für die USA und Kanada.[53][64] - 1897: 29. Oktober, Rudolf Diesel erhält ein Patent (DRP 95680) zur Aufladung des Dieselmotors.[46] - 1898: 1. Februar, die Diesel Motoren-Fabrik Actien-Gesellschaft wird eingetragen.[65]- 1898: März, der erste handelsübliche Dieselmotor mit 2×30 PS (2×22 kW) wird im Werk Kempten der Vereinigten Zündholzfabriken AG eingebaut[66][67] - 1898: 17. September, Allgemeine Gesellschaft für Dieselmotoren A.-G. gegründet.[68] - 1899: Der erste Zweitakt-Dieselmotor, erfunden von Hugo Güldner, wird gebaut.[52] 1900er - 1901: Imanuel Lauster konstruiert den ersten Tauchkolben-Dieselmotor (DM 70).[69] - 1901: Bis 1901 hatte MAN 77 Zylinder für Dieselmotoren für den kommerziellen Gebrauch produziert.[70] - 1903: Zwei erste dieselbetriebene Schiffe werden vom Stapel gelassen, sowohl für den Fluss- als auch für den Kanalbetrieb: Der Naphtha-Tanker Vandal und die Sarmat.[71] - 1904: Die Franzosen lassen das erste Diesel-U-Boot, die Aigrette, vom Stapel.[72] - 1905: 14. Januar: Diesel meldet ein Patent auf Einheitseinspritzung an (L20510I/46a).[73] - 1905: Die ersten Turbolader und Ladeluftkühler für Dieselmotoren werden von Büchi hergestellt.[74] - 1906: Die Diesel Motoren-Fabrik Actien-Gesellschaft wird aufgelöst.[28]- 1908: Patente von Diesel erlöschen.[75] - 1908: Der erste Lastkraftwagen (Lkw) mit Dieselmotor erscheint.[76] - 1909: Prosper L'Orange meldet am 14. März ein Patent für die Vorkammereinspritzung an.[77] Später baut er den ersten Dieselmotor mit diesem System.[78][79] 1910er - 1910: MAN beginnt mit der Produktion von Zweitakt-Dieselmotoren.[80] - 1910: Am 26. November meldet James McKechnie ein Patent für Unit Injection an.[81] Im Gegensatz zu Diesel gelang es ihm, erfolgreich funktionierende Einspritzdüsen zu bauen.[73][82] - 1911: 27. November, Allgemeine Gesellschaft für Dieselmotoren A.-G. wird aufgelöst.[65] - 1911: Die Germania Werft in Kiel baut 850 PS (625 kW) starke Dieselmotoren für deutsche U-Boote. Diese Motoren werden 1914 installiert.[83] - 1912: MAN baut den ersten doppeltwirkenden Kolben-Zweitakt-Dieselmotor.[84] - 1912: Die erste Lokomotive mit Dieselmotor kommt bei der Schweizerischen Winterthur-Romanshorn-Bahn zum Einsatz.[85]- 1912: Die Selandia ist das erste Hochseeschiff mit Dieselmotoren.[86] - 1913: NELSECO-Dieselmotoren werden auf Handelsschiffen und U-Booten der US Navy installiert.[87] - 1913: 29. September, Rudolf Diesel stirbt auf mysteriöse Weise bei der Überquerung des Ärmelkanals auf der SS Dresden.[88] - 1914: MAN baut 900 PS (662 kW) Zweitaktmotoren für niederländische U-Boote.[89] - 1919: Prosper L'Orange erhält ein Patent auf einen Vorkammereinsatz mit integrierter Nadeleinspritzdüse.[90][91][79] Erster Dieselmotor von Cummins.[92][93] 1920er - 1923: Auf der Königsberger DLG-Ausstellung wird der erste Ackerschlepper mit Dieselmotor, der Prototyp Benz-Sendling S6, vorgestellt Dieselmotor wird von MAN getestet. Im selben Jahr baut Benz einen Lastkraftwagen mit Dieselmotor mit Vorkammereinspritzung.[95] - 1923: Der erste Zweitakt-Dieselmotor mit Gegenstromspülung erscheint.[96]-1924: Fairbanks-Morse stellt den zweitakten Y-VA vor (später in Modell 32 umbenannt). 97-1925: Sendling beginnt Massenproduzieren eines Diesel-landwirtschaftlichen Traktors. 98- 1927: Bosch führt die erste Inline -Injektionspumpe für Kraftfahrzeugmotoren ein. 99- 1929: Der erste Passagierauto mit einem Dieselmotor erscheint. Sein Motor ist ein Otto -Motor, der für die Verwendung des Dieselprinzips und die Injektionspumpe von Bosch geändert wurde. Es folgen mehrere andere Dieselauto -Prototypen. 100 1930er Jahre Bearbeiten- 1933: Junkers Motorenwerke in Deutschland starten die Produktion des erfolgreichsten Massenproduktions-Dieselmotors aller Zeiten, des Jumo 205. Durch den Ausbruch des Zweiten Weltkriegs werden über 900 Beispiele erzeugt. Die Nennleistung beträgt 645 kW. 101-1933: General Motors verwendet seinen neuen Wurzelwurzel-injizierten zwei-Takt-Winton 201A-Dieselmotor, um seine Ausstellung der Automobilversammlung auf der Chicago World's Fair (ein Jahrhundert des Fortschritts) zu versorgen. [102] Der Motor wird in mehreren Versionen angeboten, die von 600 bis 900 PS (447–671 kW) reichen.[103] - 1934: The Budd Company baut den ersten dieselelektrischen Personenzug in den USA, den Pioneer Zephyr 9900, mit einem Winton-Motor.[102] - 1935: Der Citroën Rosalie wird zu Testzwecken mit einem frühen Dieselmotor mit Wirbelkammereinspritzung ausgestattet.[104] Daimler-Benz beginnt mit der Produktion des Mercedes-Benz OM 138, dem ersten Serien-Dieselmotor für Personenwagen und einer der wenigen marktfähigen Pkw-Dieselmotoren seiner Zeit. Es hat eine Nennleistung von 45 PS (33 kW).[105] - 1936: 4. März, das Luftschiff LZ 129 Hindenburg, das größte jemals gebaute Flugzeug, hebt zum ersten Mal ab. Sie wird von vier V16-Dieselmotoren von Daimler-Benz LOF 6 mit einer Nennleistung von jeweils 1200 PS (883 kW) angetrieben. - 1936: Beginn der Fertigung des ersten Serien-Personenwagens mit Dieselmotor (Mercedes-Benz 260 D).[100]- 1937: Konstantin Fjodorowitsch Chelpan entwickelt den V-2-Dieselmotor, der später in den sowjetischen T-34-Panzern verwendet wurde und weithin als das beste Panzerchassis des Zweiten Weltkriegs angesehen wird.[107] - 1938: General Motors gründet die GM Diesel Division, die später zu Detroit Diesel wird, und führt den Reihen-Hochgeschwindigkeits-Zweitaktmotor mit mittlerer PS-Zahl der Serie 71 ein, der für Straßenfahrzeuge und den Einsatz auf See geeignet ist.[108] 1940er - 1946: Clessie Cummins erhält ein Patent auf eine Kraftstoffzufuhr- und Einspritzvorrichtung für ölverbrennende Motoren, die separate Komponenten zur Erzeugung des Einspritzdrucks und des Einspritzzeitpunkts enthält.[109] - 1946: Klöckner-Humboldt-Deutz (KHD) bringt einen luftgekühlten Großserien-Dieselmotor auf den Markt.[110] 1950er - 1950er: KHD wird Weltmarktführer bei luftgekühlten Dieselmotoren.[111] - 1951: J. Siegfried Meurer erhält ein Patent auf das M-System, ein Design, das eine zentrale Kugelbrennkammer im Kolben enthält (DBP 865683). [112] - 1953: Erster Serien-Pkw-Dieselmotor mit Wirbelkammereinspritzung (Borgward/Fiat).[81] - 1954: Daimler-Benz stellt den Mercedes-Benz OM 312 A vor, einen 4,6-Liter-Reihen-6-Serien-Industriedieselmotor mit Turbolader und 115 PS (85 kW). Es erweist sich als unzuverlässig.[113] - 1954: Volvo produziert eine Kleinserie von 200 Einheiten einer turbogeladenen Version des TD 96-Motors. Dieser 9,6-Liter-Motor hat eine Nennleistung von 136 kW.[114] - 1955: Turboaufladung für MAN-Zweitakt-Schiffsdieselmotoren wird Standard.[96] - 1959: Der Peugeot 403 wird als erste seriengefertigte Personenlimousine/Limousine außerhalb der Bundesrepublik Deutschland mit optionalem Dieselmotor angeboten.[115] 1960er - 1964: Sommer, Daimler-Benz stellt von Vorkammereinspritzung auf schneckengesteuerte Direkteinspritzung um.[117][112]- 1962-65: Ein Diesel-Kompressionsbremssystem, das schließlich von der Jacobs Manufacturing Company hergestellt wird und den Spitznamen "Jake Brake" trägt, wird von Clessie Cummins erfunden und patentiert.[118] 1970er - 1972: KHD führt das AD-System Allstoff-Direkteinspritzung für seine Dieselmotoren ein. AD-Dieselmotoren können praktisch mit jedem flüssigen Kraftstoff betrieben werden, sind jedoch mit einer Hilfszündkerze ausgestattet, die zündet, wenn die Zündfähigkeit des Kraftstoffs zu gering ist.[119] - 1976: Beginn der Entwicklung der Common-Rail-Einspritzung an der ETH Zürich.[120] - 1976: Der Volkswagen Golf wird die erste kompakte Pkw-Limousine/Limousine, die optional mit einem Dieselmotor angeboten wird.[121][122] - 1978: Daimler-Benz produziert den ersten Pkw-Dieselmotor mit Turbolader (Mercedes-Benz OM 617).[123] - 1979: Erster Prototyp eines langsamlaufenden Zweitakt-Kreuzkopfmotors mit Common-Rail-Einspritzung.[124] 1980er - 1981/82: Gleichstromspülung für Zweitakt-Schiffsdieselmotoren wird Standard.[125] - 1985: Dezember, Straßenerprobung eines Common-Rail-Einspritzsystems für Lkw mit modifiziertem 6VD 12,5/12 GRF-E-Motor in einem IFA W50.[126] - 1986: Der BMW E28 524td ist der weltweit erste Pkw mit elektronisch gesteuerter Einspritzpumpe (von Bosch entwickelt).[81][127] - 1987: Daimler-Benz führt die elektronisch geregelte Einspritzpumpe für LKW-Dieselmotoren ein.[81] - 1988: Der Fiat Croma wird der erste Serien-Personenwagen der Welt mit einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung.[81] - 1989: Der Audi 100 ist der erste Personenwagen der Welt mit einem aufgeladenen, direkteinspritzenden und elektronisch gesteuerten Dieselmotor.[81] 1990er - 1992: 1. Juli, die Abgasnorm Euro 1 tritt in Kraft.[128] - 1993: Erster Pkw-Dieselmotor mit vier Ventilen pro Zylinder, der Mercedes-Benz OM 604.[123]- 1994: Unit-Injector-System von Bosch für LKW-Dieselmotoren.[129] - 1996: Erster Dieselmotor mit Direkteinspritzung und vier Ventilen pro Zylinder, eingesetzt im Opel Vectra.[130][81] - 1996: Erste Radialkolben-Verteiler-Einspritzpumpe von Bosch.[129] - 1997: Erster Serien-Common-Rail-Dieselmotor für einen Personenwagen, der Fiat 1.9 JTD.[81][123] - 1998: BMW gewinnt das 24-Stunden-Rennen auf dem Nürburgring mit einem modifizierten BMW E36. Angetrieben wird der 320d genannte Wagen von einem 2-Liter-Reihenvierzylinder-Dieselmotor mit Direkteinspritzung und schneckengesteuerter Verteilereinspritzpumpe (Bosch VP 44), der 180 kW leistet. Der Kraftstoffverbrauch beträgt 23 L/100 km, nur die Hälfte des Kraftstoffverbrauchs eines ähnlichen Autos mit Ottomotor.[131] - 1998: Volkswagen führt den VW EA188 Pumpe-Düse-Motor (1.9 TDI) mit von Bosch entwickelten elektronisch gesteuerten Pumpe-Düse-Einspritzdüsen ein.[123] - 1999: Daimler-Chrysler präsentiert den ersten Common-Rail-Dreizylinder-Dieselmotor in einem Pkw (Smart City Coupé).[81] 2000er - 2000: Peugeot führt den Dieselpartikelfilter für Pkw ein.[81][123] - 2002: Piezoelektrische Injektortechnik von Siemens.[132] - 2003: Piezoelektrische Injektortechnologie von Bosch,[133] und Delphi.[134] - 2004: BMW führt mit dem BMW M57 Motor die zweistufige Turboaufladung ein.[123] - 2006: Der stärkste Dieselmotor der Welt, der Wärtsilä RT-flex96C, wird produziert. Es hat eine Nennleistung von 80.080 kW.[135] - 2006: Audi R10 TDI, ausgestattet mit einem 5,5-Liter-V12-TDI-Motor mit 476 kW, gewinnt die 24 Stunden von Le Mans 2006.[81] - 2006: Daimler-Chrysler bringt mit dem Mercedes-Benz OM 642 den ersten Serien-Pkw-Motor mit selektiver katalytischer Reduktion der Abgasnachbehandlung auf den Markt. Er erfüllt die Abgasnorm Tier2Bin8 vollständig.[123] - 2008: Volkswagen führt den LNT-Katalysator für Pkw-Dieselmotoren mit dem VW 2.0 TDI-Motor ein.[123]- 2008: Volkswagen startet die Serienproduktion des größten Pkw-Dieselmotors, des Audi 6-Liter-V12-TDI.[123] - 2008: Subaru führt den ersten Boxer-Dieselmotor ein, der in einen Pkw eingebaut wird. Es ist ein 2-Liter-Common-Rail-Motor mit einer Nennleistung von 110 kW.[136] 2010er - 2010: Mitsubishi entwickelt und beginnt mit der Massenproduktion seines 4N13 1,8 L DOHC I4, des weltweit ersten Pkw-Dieselmotors mit variabler Ventilsteuerung.[127] - 2012: BMW führt zweistufige Aufladung mit drei Turboladern für den BMW N57 Motor ein.[123] - 2015: Einführung von Common-Rail-Systemen, die mit Drücken von 2.500 bar arbeiten.[81] - 2015: Im Volkswagen-Emissionsskandal stellte die US-Umweltschutzbehörde EPA dem Volkswagen-Konzern eine Mitteilung wegen Verstoßes gegen das Clean Air Act aus, nachdem festgestellt wurde, dass Volkswagen Dieselmotoren mit Turbolader-Direkteinspritzung (TDI) absichtlich so programmiert hatte, dass bestimmte Emissionskontrollen nur während des Labors aktiviert wurden Abgasprüfung. [137][138][139][140] Funktionsprinzip[Bearbeiten] Übersicht[Bearbeiten] Die Eigenschaften eines Dieselmotors sind[141] - Verwendung einer Kompressionszündung anstelle einer Zündvorrichtung wie einer Zündkerze. - Innere Gemischbildung. Bei Dieselmotoren entsteht das Luft-Kraftstoff-Gemisch erst im Brennraum. - Hochwertige Drehmomentkontrolle. Das erzeugte Drehmoment eines Dieselmotors wird nicht durch Drosseln der Ansaugluft gesteuert (anders als bei einem herkömmlichen Benzinmotor mit Funkenzündung, bei dem der Luftstrom reduziert wird, um die Drehmomentabgabe zu regulieren), sondern durch das in den Motor eintretende Luftvolumen zu jeder Zeit maximiert, und die Drehmomentausgabe wird ausschließlich durch die Steuerung der Menge des eingespritzten Kraftstoffs geregelt. - Hohes Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dieselmotoren laufen mit globalen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen, die deutlich magerer als das stöchiometrische Verhältnis sind. Diffusionsflamme: Bei der Verbrennung muss Sauerstoff zuerst in die Flamme diffundieren, anstatt Sauerstoff und Brennstoff bereits vor der Verbrennung gemischt zu haben, was zu einer vorgemischten Flamme führen würde. Heterogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch: Bei Dieselmotoren gibt es keine gleichmäßige Verteilung von Kraftstoff und Luft im Zylinder. Denn der Verbrennungsprozess beginnt am Ende der Einspritzphase, bevor sich ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch bilden kann. - Bevorzugung einer hohen Zündleistung (Cetanzahl) des Kraftstoffs gegenüber einer für Ottomotoren bevorzugten hohen Klopffestigkeit (Oktanzahl). Thermodynamischer Zyklus Der Diesel-Verbrennungsmotor unterscheidet sich vom benzinbetriebenen Otto-Zyklus dadurch, dass er anstelle einer Zündkerze hochkomprimierte heiße Luft zum Zünden des Kraftstoffs verwendet (Kompressionszündung statt Funkenzündung). Beim Dieselmotor wird zunächst nur Luft in den Brennraum eingebracht. Die Luft wird dann mit einem Kompressionsverhältnis typischerweise zwischen 15:1 und 23:1 komprimiert. Diese hohe Verdichtung bewirkt, dass die Temperatur der Luft ansteigt. Ungefähr am oberen Ende des Kompressionshubs wird Kraftstoff direkt in die komprimierte Luft in der Verbrennungskammer eingespritzt. Dies kann in Abhängigkeit von der Konstruktion des Motors in einen (typischerweise ringförmigen) Hohlraum in der Oberseite des Kolbens oder in eine Vorkammer erfolgen. Das Einspritzventil sorgt dafür, dass der Kraftstoff in kleine Tröpfchen zerlegt und gleichmäßig verteilt wird. Die Hitze der komprimierten Luft lässt Kraftstoff von der Oberfläche der Tröpfchen verdampfen. Der Dampf wird dann durch die Hitze der komprimierten Luft in der Brennkammer gezündet, die Tröpfchen verdampfen weiter von ihren Oberflächen und brennen kleiner werdend, bis der gesamte Kraftstoff in den Tröpfchen verbrannt ist. Die Verbrennung findet während des Anfangsteils des Arbeitshubs bei einem im Wesentlichen konstanten Druck statt. Der Beginn der Verdampfung verursacht eine Verzögerung vor der Zündung und das charakteristische Diesel-Klopfgeräusch, wenn der Dampf die Zündtemperatur erreicht, und verursacht einen abrupten Druckanstieg über dem Kolben (nicht im Diagramm der PV-Anzeige dargestellt). Wenn die Verbrennung abgeschlossen ist, dehnen sich die Verbrennungsgase aus, während sich der Kolben weiter nach unten bewegt; Der hohe Druck im Zylinder treibt den Kolben nach unten und versorgt die Kurbelwelle mit Strom. Neben der hohen Verdichtung, die eine Verbrennung ohne separates Zündsystem ermöglicht, erhöht ein hohes Verdichtungsverhältnis den Wirkungsgrad des Motors erheblich. Die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses in einem Ottomotor, bei dem Kraftstoff und Luft vor dem Eintritt in den Zylinder gemischt werden, ist durch die Notwendigkeit begrenzt, eine Frühzündung zu verhindern, die zu Motorschäden führen würde. Da in einem Dieselmotor nur Luft verdichtet wird und Kraftstoff erst kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) in den Zylinder eingeführt wird, ist ein vorzeitiges Klopfen kein Problem und die Verdichtungsverhältnisse sind viel höher. Das Druck-Volumen-Diagramm (pV)-Diagramm ist eine vereinfachte und idealisierte Darstellung der an einem Dieselmotorzyklus beteiligten Ereignisse, die angeordnet sind, um die Ähnlichkeit mit einem Carnot-Zyklus zu veranschaulichen. Beginnend bei 1 befindet sich der Kolben am unteren Totpunkt und beide Ventile sind zu Beginn des Kompressionshubs geschlossen; Der Zylinder enthält Luft bei atmosphärischem Druck. Zwischen 1 und 2 wird die Luft durch den steigenden Kolben adiabatisch - also ohne Wärmeübertragung an oder von der Umgebung - verdichtet. (Dies gilt nur ungefähr, da ein gewisser Wärmeaustausch mit den Zylinderwänden stattfindet.) Während dieser Kompression wird das Volumen verringert, der Druck und die Temperatur steigen. Bei oder kurz vor 2 (TDC) wird Kraftstoff eingespritzt und verbrennt in der komprimierten heißen Luft. Chemische Energie wird freigesetzt und dies stellt eine Injektion von thermischer Energie (Wärme) in das komprimierte Gas dar. Verbrennung und Erwärmung finden zwischen 2 und 3 statt. In diesem Intervall bleibt der Druck konstant, da der Kolben nach unten geht und das Volumen zunimmt; die Temperatur steigt als Folge der Verbrennungsenergie. Bei 3 sind Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung abgeschlossen, und der Zylinder enthält Gas mit einer höheren Temperatur als bei 2. Zwischen 3 und 4 dehnt sich dieses heiße Gas wieder ungefähr adiabatisch aus. Es wird an dem System gearbeitet, an das der Motor angeschlossen ist. Während dieser Expansionsphase steigt das Volumen des Gases und seine Temperatur und sein Druck sinken. Bei 4 öffnet das Auslassventil und der Druck fällt abrupt auf Atmosphärendruck (ungefähr). Dies ist eine Expansion ohne Widerstand, und es wird dadurch keine nützliche Arbeit geleistet. Idealerweise sollte die adiabatische Expansion fortgesetzt werden, indem die Linie 3-4 nach rechts verlängert wird, bis der Druck auf den der Umgebungsluft abfällt, aber der durch diese widerstandslose Expansion verursachte Effizienzverlust ist durch die praktischen Schwierigkeiten gerechtfertigt, die mit seiner Wiederherstellung verbunden sind (der Motor müsste viel größer sein). Nach dem Öffnen des Auslassventils folgt der Auslasstakt, aber dieser (und der folgende Ansaugtakt) sind nicht in dem Diagramm dargestellt. Wenn sie angezeigt werden, würden sie durch eine Niederdruckschleife am unteren Rand des Diagramms dargestellt. Bei 1 wird angenommen, dass die Ausstoß- und Ansaugtakte abgeschlossen sind, und der Zylinder wieder mit Luft gefüllt ist. Das Kolben-Zylinder-System nimmt Energie zwischen 1 und 2 auf - das ist die Arbeit, die benötigt wird, um die Luft im Zylinder zu komprimieren, und wird durch mechanische kinetische Energie bereitgestellt, die im Schwungrad des Motors gespeichert ist. Die Arbeitsleistung erfolgt durch die Kolben-Zylinder-Kombination zwischen 2 und 4. Die Differenz zwischen diesen beiden Arbeitsinkrementen ist die angezeigte Arbeitsleistung pro Zyklus und wird durch die von der pV-Schleife eingeschlossene Fläche dargestellt. Die adiabatische Expansion liegt in einem höheren Druckbereich als die Kompression, weil das Gas im Zylinder bei der Expansion heißer ist als bei der Kompression. Aus diesem Grund hat die Schleife eine endliche Fläche und die Nettoarbeitsleistung während eines Zyklus ist positiv.[142] Effizienz Die Kraftstoffeffizienz von Dieselmotoren ist aufgrund ihres hohen Verdichtungsverhältnisses, ihres hohen Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses (λ) [145] und des Fehlens von Einlassluftbeschränkungen besser als die der meisten anderen Arten von Verbrennungsmotoren ( dh Drosselklappen). Theoretisch liegt der höchstmögliche Wirkungsgrad für einen Dieselmotor bei 75 %.[146] In der Praxis ist der Wirkungsgrad jedoch viel geringer, mit Wirkungsgraden von bis zu 43 % für Pkw-Motoren,[147] bis zu 45 % für große Lkw- und Busmotoren und bis zu 55 % für große Zweitakt-Schiffsmotoren. [1][148] Der durchschnittliche Wirkungsgrad über einen Fahrzyklus eines Kraftfahrzeugs ist niedriger als der Spitzenwirkungsgrad des Dieselmotors (z. B. ein durchschnittlicher Wirkungsgrad von 37 % für einen Motor mit einem Spitzenwirkungsgrad von 44 %).[149] Das liegt daran, dass die Kraftstoffeffizienz eines Dieselmotors bei geringerer Last sinkt, jedoch nicht ganz so schnell wie die des Ottomotors.[150] Emissionen Dieselmotoren sind Verbrennungsmotoren und geben daher Verbrennungsprodukte in ihrem Abgas ab. Aufgrund der unvollständigen Verbrennung enthalten die Abgase von Dieselmotoren Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Feinstaub und Stickoxide. Etwa 90 Prozent der Schadstoffe können durch Abgasnachbehandlungstechnik aus dem Abgas entfernt werden.[152][153] Dieselmotoren von Straßenfahrzeugen haben keine Schwefeldioxidemissionen, da der Dieselkraftstoff von Kraftfahrzeugen seit 2003 schwefelfrei ist. [154] Helmut Tschöke argumentiert, dass Feinstaub aus Kraftfahrzeugen negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hat.[155] Die Partikel in Dieselabgasemissionen werden manchmal als Karzinogen oder „wahrscheinliches Karzinogen" eingestuft und erhöhen bekanntermaßen das Risiko von Herz- und Atemwegserkrankungen.[156] Elektrisches System Grundsätzlich benötigt ein Dieselmotor keinerlei Elektrik. Die meisten modernen Dieselmotoren sind jedoch mit einer elektrischen Kraftstoffpumpe und einem elektronischen Motorsteuergerät ausgestattet. In einem Dieselmotor ist jedoch kein elektrisches Hochspannungszündsystem vorhanden. Dadurch wird eine Quelle von Hochfrequenzemissionen (die Navigations- und Kommunikationsgeräte stören können) eliminiert, weshalb in einigen Teilen der American National Radio Quiet Zone nur dieselbetriebene Fahrzeuge zugelassen sind.[157] Drehmomentregelung Um die Drehmomentausgabe zu einem bestimmten Zeitpunkt zu steuern (dhwenn der Fahrer eines Autos das Gaspedal verstellt), passt ein Regler die in den Motor eingespritzte Kraftstoffmenge an. In der Vergangenheit wurden mechanische Regler verwendet, bei modernen Motoren sind jedoch elektronische Regler üblicher. Mechanische Regler werden normalerweise vom Zubehörriemen des Motors oder einem Zahnradantriebssystem angetrieben [158] [159] und verwenden eine Kombination aus Federn und Gewichten, um die Kraftstoffzufuhr in Bezug auf Last und Geschwindigkeit zu steuern. [158] Elektronisch gesteuerte Motoren verwenden eine elektronische Steuereinheit (ECU) oder ein elektronisches Steuermodul (ECM), um die Kraftstoffzufuhr zu steuern. Das ECM/ECU verwendet verschiedene Sensoren (wie Motordrehzahlsignal, Ansaugkrümmerdruck und Kraftstofftemperatur), um die in den Motor eingespritzte Kraftstoffmenge zu bestimmen. Da die Luftmenge (für eine gegebene Drehzahl) konstant ist, während die Kraftstoffmenge variiert, werden in Situationen, in denen eine minimale Drehmomentabgabe erforderlich ist, sehr hohe ("magere") Luft-Kraftstoff-Verhältnisse verwendet. Dies unterscheidet sich von einem Benzinmotor, bei dem eine Drosselklappe verwendet wird, um auch die Menge der Ansaugluft als Teil der Regulierung der Drehmomentabgabe des Motors zu reduzieren. Das Steuern des Zeitpunkts des Beginns der Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder ist ähnlich dem Steuern des Zündzeitpunkts in einem Benzinmotor. Sie ist damit ein wesentlicher Faktor bei der Steuerung von Leistungsabgabe, Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen. Klassifizierung Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Dieselmotoren zu kategorisieren, wie in den folgenden Abschnitten beschrieben. Drehzahlbereich[Bearbeiten] Günter Mau teilt Dieselmotoren nach ihrer Drehzahl in drei Gruppen ein:[160] - Schnelllaufende Motoren (> 1.000 U/min), - Mittelschnelllaufende Motoren (300-1.000 U/min) und - Langsamlaufende Motoren (