Autotechnik Motoren
Dieselmotor, Common Rail Einspritzsystem
Vergleich zwischen Ottomotor und Dieselmotor
Auf dieser Seite:
Eine Übersicht aller Autotechnik Themen.
Hier werden technische Grundlagen für den Laien verständlich erklärt!
Auf detaillierte Erklärungen zu komplexen Zusammenhängen wurde bewusst verzichtet.
Der Dieselmotor
Die Grundfunktionen sind wie in "Vergleich
Otto/Dieselmotor" beschrieben, -hier soll das etwas näher erläutert werden.
Gemischbildung
Der Kraftstoff wird mit hohem Druck in einer Vorkammer des
Brennraums oder in einer Kolbenmulde mittels einer Einspritzdüse
gespritzt. Luft und Kraftstoff werden verwirbelt und die
eigentliche Gemischbildung findet also erst im Zylinder statt.
Zündung
Aufgrund der hohen Verdichtung 30...50 bar, erwärmt sich die Luft
auf 700...900°C, der nun eingespritzte, verdunstende Kraftstoff
wird durch die heisse Luft entzündet.
Vorkammer oder Kolbenmulde
Diese sollen bewirken, dass der Kraftstoff möglichst gleichmässig
verbrennt. Die starke Verwirbelung in Vorkammer bzw. Kolbenmulde
sorgt dafür, dass der Kraftstoff möglichst schichtweise
verdunstet und somit weich verbrennt. Harter Motorlauf (Nageln)
soll so verhindert werden.
Funktion Glühkerzen, Glühstifte
Aus Unwissenheit wird oft gesagt, dass ein Diesel statt Zündkerzen Glühkerzen
hat; das ist FALSCH! Wie oben
beschrieben, entzündet sich das Gemisch durch die hohe Verdichtung
von selbst! Die Glühkerzen oder Glühstifte sollen bei kaltem Motor
die angesaugte Luft etwas vorheizen, damit die Zündtemperatur
besser erreicht wird. Die angesaugte Luft, muss an die rot glühenden Glühkerzen vorbei und wird dadurch erwärmt. Nach kurzer Zeit werden sie wieder abgeschaltet.
In modernen Dieselmotoren setzt
sich mehr und mehr der Direkteinspritzer durch. Einspritzmenge und
Zeitpunkt werden zunehmend nicht mehr mechanisch, sondern durch
Sensoren und Steuergeräte elektronisch geregelt.
Vergleich zwischen: Benzinmotor und Dieselmotor
Beide Verbrennungsmotoren arbeiten
in vier Arbeitsschritten: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstossen.
Während bei dem Ottomotor ein Kraftstoff-Luftgemisch angesaugt
wird, ist es beim Dieselmotor reine Luft und der Kraftstoff wird
direkt in den Brennraum gespritzt. (Mittlerweile gibt es aber auch moderne Benzinmotoren, die den Kraftstoff direkt in den Brennraum spritzen.)
Die Entzündung erfolgt beim Dieselmotor nicht mittels einer Zündkerze, sondern aufgrund der hohen Verdichtung entzündet sich das Diesel-Luftgemisch von selbst. Man spricht im Vergleich von
innerer und äusserer Gemischbildung, sowie Fremdzündung und Eigenzündung.
Der Dieselmotor arbeitet mit Luftüberschuss. Aufgrund der hohen Drücke im Brennraum müssen die Bauteile eines Dieselmotors entsprechend robust ausfallen. Dies ist auch einer der Gründe, warum ein Dieselmotor in der Regel länger hält.
Funktionen, Arbeitsweisen, Drücke
Ottomotor
* äussere Gemischbildung
Fremdzündung
Verdichten: 10...15 bar
Höchsttemp.nach Verdichtung: 400...600°C
Dieselmotor
innere Gemischbildung
Selbstzündung
Verdichten: 30...50 bar
Höchsttemp.nach Verdichtung: 700...900°C
*Mittlerweile gibt es auch Ottomotoren, die den Kraftstoff direkt in den Brennraum spritzen.
Wirkungsgrade Dieselmotor und Ottomotor
Der Kraftstoffverbrauch ist beim Diesel deutlich geringer. Dies ist auf den besseren
Wirkungsgrad zurück zu führen:
Der Dieselmotor holt also 5% mehr Leistung aus der eingesetzten Energie wie der Ottomotor. Die
restlichen 70% gehen ebenfalls als Abgaswärme, Kühlung und Reibung flöten, d.H. von 10 Litern Kraftstoff werden nur 3 Liter wirklich zur Fortbewegung genutzt.
Verbrennungsmotoren haben alle einen total miesen Wirkungsgrad!
Hier ein paar aktuelle Zahlen:
Wie man sieht, hat sich bei modernen Motoren nicht wirklich sehr viel getan. Bestenfalls 42%
der eingesetzten Energie, wird tatsächlich zur Fortbewegung genutzt.
Die Abgasemissionen:
Für die Kraftstoffversorgung sind eine aufwendige Einspritzpumpe,
sowie Einspritzdüsen notwendig. Kostenmässig fallen diese Bauteile
im Vergleich zum Ottomotor mit seiner Abgasregelung kaum noch ins
Gewicht.
Die Abgas Emissionen liegen bei Diesel Motoren nicht viel besser,
als bei einem Ottomotor mit ungeregelten Katalysator. Im Gegenteil,
der entstehende Russ ist nachweisslich hoch Krebserregend. Man hat
festgestellt, dass bereits ein einziger Russpartikel in der Lunge
Krebs auslösen kann! Tipp: beim Ampelhalt nicht so dicht auffahren,
das Heizgebläse saugt die Russpartikel vom Vorderman lustig an und
verteilt sie schön gleichmässig im
Innenraum!
Die Fahrzeughersteller mussten auf
die Kritik und Problematik der Russpartikel reagieren und
anstatt einen Russfilter einzubauen (wie es die Franzosen schon
seit langen erfolgreich vorgemacht hatten) versuchten sie durch
verschiedene Massnahmen, die Russpartikel derart zu verkleinern, dass
sie mit normalen Messgeräten nicht mehr nachweisbar waren. Für die
Hersteller waren sie (auch ohne Russfilter und Patentzahlungen)
somit weg! Das ist natürlich totaler Quatsch! Im Gegenteil:
Wissenschaftler klärten auf, dass durch die Verkleinerung der
Partikel, diese noch erheblich gefährlicher sind, da sie nicht mehr
mit dem Schleim aus der Lunge transportiert werden, was bei den
grossen Partikeln durchaus noch vorkam.
Wer wundert sich noch über die
deutschen Automobilhersteller, alles was neu ist -ob Kat oder
Russpartikelfilter, wird erstmal mit allen Mitteln bekämpft. Die
Gesundheit der Menschen spielt absolut keine Rolle, sogar Krebstote
werden für den Profit in Kauf genommen.
Immer müssen die Hersteller erst
vom Gesetzgeber gezwungen werden. Dieser möchte die Abgasgifte
und den Russ weiter reduzieren, so dass heute mit Russfiltern,
Oxydationskatalysatoren und andere Massnahmen die Emissionen
weiter gedrückt werden. Wenn ein Fahrzeug heute nicht mit einem
Russpartikelfilter ausgestattet ist, wird der Besitzer steuerlich
bestraft. Es besteht auch die Möglichkeit alte Fahrzeuge, mit einem
Russfilter nachzurüsten.
Während in vielen Ländern der Nachrüstfilter über 90% der Partikel
rausfiltert, braucht er in der BRD nur 60% zu leisten. Da
kommt man aus dem Staunen nicht raus, -oder?
Der Common Rail Dieselmotor
Jeder kennt die Situation:
man geht in (kognito) einer Kneipe, -um nicht aufzufallen- gurgelt
man paar Bierchen, mischt sich so unter das Volk und belauscht die
Gespräche der "Auto-Spezialisten". Offensichtlich -durch die
massive Werbung der Hersteller-, ist das Thema Common Rail Diesel
bei den "Spezialisten" beliebt. Leider ist die Unwissenheit über
Common Rail so gross, dass nur dummes Zeugs geredet wird. Deshalb
und nicht zuletzt wegen 2 E-Mailanfragen zu dem Thema, möchte ich
mal etwas Licht ins Dunkel bringen.
Common Rail (1. Generation) das System
Die strengeren Abgasvorschriften machten es notwendig, eine Kennfeld geregelte Hochdruck Einspritzanlage für Dieselmotoren zu entwickeln. Neben den Abgasemissionen soll auch der Kraftstoffverbrauch, bei höherer Leistung verringert werden.
Common Rail ist eine Speichereinspritzung, der Einspritzdruck wird in dem Druckspeicher (bis max 1350 bar) vorgehalten, wogegen bei anderen Einspritzsystemen, der erforderliche Einspritzdruck erst
aufgebaut wird, wenn er benötigt wird.
Die elektro-hydraulisch gesteuerten Einspritzdüsen sind gemeinsam ("common"=gemeinsam,"rail"=Rohr) mit dem Hochdruckrohr, das in den Druckspeicher
mündet, verbunden. An der Einspritzdüsen liegt immer der Hochdruck an. Es können so verdammt kurze Öffnungszeiten (0,1-0,2ms) erreicht werden, die eine Mehrfacheinspritzung, -Vor- und -Nacheinspritzung realisierbar machen.
Die Voreinspritzung (ist auch mit anderen Einspritzsystemen möglich) bewirkt einen kurzen Zündverzug der anschliessenden WEICHEN Verbrennung der Haupteinspritzung.
Die Nacheinspritzung (erst in der 2. Generation ralisiert) sorgt mit einem Katalysator für sinkende Stickoxidemissionen, jedoch schnellt der
Kraftstoffverbrauch dadurch in die Höhe. Ein weiterer Vorteil dieses Einspritzsystems liegt darin, dass der Einspritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl festgelegt werden kann, wobei bei anderen Systemen,
der Einspritzdruck mit steigender Motordrehzahl ebenfalls ansteigt.
Der recht gleichbleibende Druck im System, schont den Zahnriemen, da die früher vorhandenen Druckimpulse der Reihen- oder Verteilereinspritzpumpen fort fallen. Ebenso die fällt die Zeitverzögerung durch das "Aufblähen" der langen Einspritzleitungen weg.
Die Hochdruckpumpe
Eine Hochdruckpumpe jagt, (bei dem Motorstart binnen einer halben Sekunde auf den Mindestdruck von 120 bar) den Kraftstoff in den Druckspeicher, der mit einen Drucksensor und einen Druckregelventil ausgestattet ist.
Angetrieben wird die Pumpe in der Regel über den Zahnriemen.
Die Einspritzdüsen
Die Einspritzdüsen ( Injektoren -auf Neudeutsch) sind mit
Magnetventilen ausgestattet, die vom elektronischen
Motorsteuergerät angesteuert werden. Das Steuergerät bestimmt
Spritzbeginn und Spritzende -also Spritzdauer- was in Verbindung
mit dem jeweils gewählten Einspritzdruck, die Kraftstoffmenge
ausmacht.
Das Steuergerät
Das Steuergerät errechnet aus den Signalen von -Temperaturfühler
Kühlwasser + Ansaugluft + Öl, -Luftmassenmesser, -Pedalwertgeber, -
Positionsgeber Kurbelwelle + Nockenwelle, -Druckgeber, und
Drucksensor, die jeweilige Einspritzmenge, über ein gespeichertes Kennfeld.
Fazit:
Viel Wirbel um nix? Ich jedenfalls, kann kaum gravierende Vorteile
gegenüber moderner anderer Diesel Einspritzsysteme erkennen, die
eine solche Werbeschlacht der Hersteller rechtfertigen! Die
Kraftstoffersparnis ist nicht erwähnenswert, der gerühmte
Durchzugsmoment im unteren Drehzahlbereich hält sich in Grenzen.
Ein neues Einspritzsystem, -na und? Warten wir die zweite
Generation, -die Bosch bald auflegt ab...
Common Rail die 2. Generation
Die 2. Generation geht mit einer optimierten Hochdruckpumpe mit höheren Druck, bis 1600 bar Einspritzdruck ins Rennen.
Die Injektoren wurden den höheren Drücken angepasst. Sie werden nun mit ca. 60 Volt angesteuert, damit sie blitzschnell öffnen können. Die höhere Spannung wird über Kondesatoren im Steuergerät realisiert.
Die Nacheinspritzung wird zum ersten mal angewendet.
Common Rail die 3. Generation
"The next Generation" also die 3. ist seit 2003 erhältlich. Sie arbeitet mit bis zu 2000 bar Druck. Die bisherigen Injektoren mit Magnetventilen, werden von neuartigen Injektoren mit Piezo Technologie ersetzt. Sie sind 5 mal schneller und die Dosierung und Zerstäubung der Kraftstoffmenge kann noch feiner erfolgen. Diese Injektoren erlauben die noch freiere Gestaltung des Einspritzverlaufs mit Vor- und Nacheinspritzungen.
Laut Bosch können mit dieser Technologie der Kraftstoffverbrauch um 3% und die Abgasemissionen um 20% verringert werden.
Fazit:
Jetzt in der 3. Generation scheint sich die Entwicklung Ökologisch und Ökonomisch aus zu zahlen. Einen kleinen Vorteil hatte das Common Rail System für die Autowerkstatt schon seit der ersten Generation:
Das einfachere Auflegen des Zahnriemens und das Wegfallen des aufwändigen Einstellen des Einspritzbeginn.
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