Warum gibts keine "Hoch" drehenden Dieselmotoren?

[S16-Tim]

Hi,

mich beschäftigt seit gestern Abend eine Frage. Die Meisten Benzinmotoren drehen bis maximal 6500 - 7000 Umdrehungen, aber da gibts ja noch die Ausnahmen z.B. bei BMW, Honda usw. Warum hat noch kein Hersteller versucht einen Diesel Motor zu entwickeln der höher als die 4500 - 5000 dreht? Oder gibts den schon lang und ich weis nur nix davon?

Grüße, Tim

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Hallo S16-Tim,

 

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[ViperGTS]

Ganz einfach :-) Erstens tun ihm hohe Drehzahlen nicht gut (hohe Massenkräfte = hohe Lagerbelastung im Kurbeltrieb). Gut, man kann ihn aber auch bei niedrigeren Drehzahlen treten. Das tut zwar auch einem Benziner nicht gut (Durch die hohen Gasdrücke wird vor allem das Pleuel sehr stark gegen die Kurbelwelle gedrückt und quetscht so den Ölfilm aus dem Lager - erhöhte Reibung!), beim Diesel verursacht Vollgas aber einen starken Mehrverbrauch. Warum? Im Gegensatz zum Benziner, der mit dem Einlaßvolumen geregelt wird (viel Gas - viel Gemisch kommt in den Brennraum; wenig Gas - wenig Gemisch kommt in den Brennraum), wird der Diesel nur mit der Kraftstoffmenge geregelt, das heißt, die angesaugte Luftmenge bleibt (theoretisch) immer dieselbe. Wenn man also immer mit viel Gas fährt, wird immer viel Kraftstoff eingespritzt - der Verbrauchsvorteil verschwindet. Sttreichelt man das Gaspedal aber und fährt niedrigere Drehzahlen, wird weniger Kraftstoff eingespritzt - und durch den hohen Wirkungsgrad sinkt der Verbrauch verglichen zum Benziner. Erschwerend kommt für den Ottomotor hinzu, daß er bei niedrigeren Drehzahlen große Verluste durch die Drosselklappe hat (die dann eher geschlossen ist)....

[chip CO]

Das hat mit der Bauart und der spezifischen Verbrennung zu tun.

Lies mal in Ruhe hier:

http://www.querlenker.de/drehmoment.htm

und hier

http://www.querlenker.de/verbrennungsmotor.htm

[ViperGTS]

Wie funktioniert ein Dieselmotor der Daimler-Benz A.G.?

Also im Prinzip so, wie jeder andere Dieselmotor auch. Luft ansaugen, verdichten, Diesel einspritzen und zünden, Expansion und Ausstoßen. Dazu das p-v-Diagramm. Wenn Luft angesaugt wird, entsteht leichter Unterdruck im Brennraum. Deshalb liegt die "ansaugen"-Linie unter der Luftdruck.Linie. Danach wird verdichtet, die Linie verläuft aber nicht gerade, da zwischen dem Kolbenweg, also dem VOLUMEN, und dem Druck mit einem Wert k (Kappa) gerechnte werden muß (als Hochzahl). Kurz vor dem oberen Totpunkt wird Diesel eingespritzt, deshalb, weil vom Einspritzbeginn bis zum Zeitpunkt des maximalen Druckes Zeit vergeht (Zündverzug, Verbrennungsgeschwindigkeit). Das Druckmaximum wird, wie man im Bild sieht, kurz nach OT erreicht. Dann fällt die Kurve wieder. Ein paar Kurbelwellengrade vor UT fällt die Kurve auf einmal stark ab. Hier öffnet das Auslaßventil. Es würde nichts mehr bringen, den (relativ) kleinen Restdruck zu nutzen, zumal man ja dem verbrannten Gas eine längere Zeit zum Ausströmen gibt. Jetzt wird also ausgeschoben, die Linie liegt daher knapp über dem Luftdruck. Die Gaswechselschleife (=Ansaugen und Ausstoßen) ist in diesem Bild übertrieben dargestellt, in Wirklichkeit wäre sie bei einem Computerbild nicht von der Luftdrucklinie zu unterscheiden. Wieder am OT sind beide Ventile gleichzeitig offen. Das Auslaßventil schließt später und das Einlaßventil früher. Dadurch wird vom verbrannten Gas, das je mit hoher Geschwindigkeit ausströmt, Luft aus dem Einlaß mitgerissen und so der Brennraum gespült. Der Druck in diesem Diagramm ist zweitrangig, die Fläche ist wichtig. Die Fläche der Gaswechselschleife (zwischen ansaugen und ausstoßen) wird subtrahiert von der Fläche zwischen verdichten und expandieren. Zweiteres ist ja die Arbeit, die verrichtet wird. Nach Subtraktion bleibt die reine Arbeit über.

Natürlich gibt es auch Verluste. Diese betragen beim Dieselmotor um 70%, das heißt, 30% der zugeführten Energie (Kraftstoff) wird in nutzbares Drehmoment umgewandelt. Ohne Verluste bräuchten wir grob gesagt nur ein Drittel der Kraftstoffmenge tanken bzw. hätten 2 Drittel mehr Drehmoment zur Verfügung.

thermischer Wirkungsgrad: Beschreibt den Verlust zwischen zugeführter Leistung (also Menge und Heizwert des Kraftstoffes) und der Leistung des Vergleichsprozesses. Der Vergleichsprozeß ist rein rechnerisch und kann beim Motor nicht gemessen werden.

Gütegrad: Vergleich zwischen Vergleichsprozeß und tatsächlichem p-V-Diagramm. Hier wird miteinbezogen: Gaswechselschleife; Verdichtungskurve liegt in Wirklichkeit höher. Wenn sie also höher legt, bedeutet daß, das zum Verdichten mehr Druck benötigt wird (weiter oben im Diagramm heißt, daß der Druck höher ist); Verbrennung bei nicht konstantem Volumen. Dadurch ändert sich der Wert Kappa; Expansionskurve tiefer. Es wird nämlich Verbrennungswärme an die Zylinderwände abgegeben, also Verbrennungsenergie, die nicht mehr als Druck genutzt werden kann.

mechanischer Wirkungsgrad: Reibungsverluste in Lagern, Ventiltrieb, Strömungsverlust beim Ansaugen/Ausstoßen,...

Gesamt kann man sagen: Gesamtwirkungsgrad = effektive Leistung / (Heizwert * Verbrauch)

Bitte jetzt nicht hergehen und einsetzen, denn: Man darf diese Formel nur für anwenden, wenn man mit einer bestimmten Leistung auf dem Prüfstand (z.B. 40kW bei 4200 U/min) den dazugehörigen Kraftstoffverbrauch (z.B. 300 g/PSh) nimmt. Den Heizwert (J/kg) kann man aus Tabellen nehmen.

Etwas GANZ wichtiges, was die Motorenhersteller aber nicht rausrücken: Das Verbrauchskennfeld. Es sagt aus, bei welcher Drehzahl und Last der Motor den geringsten Kraftstoffverbrauch hat. Die Kurve oben ist das "spezifische Drehmoment", sie entpricht aber 1:1 der Drehmomentkurve. Man nimmt hier spezifische Sachen, damit sie vergleichbar sind. Man muß sich die Linien unter der Kurve wie Höhenschichtlinien in einer Landkarte vorstellen. Der "190"-Bereich in der Mitte ist der tiefste Punkt eines Tales, während die anderen Linien die verschiedenen konstanten Höhen darstellen. Würde man also z.B. in dem "Tal" auf der "220"-Linie spazieren gehen, würde man immer auf ser selben Höhe bleiben, also kein bergauf- und bergabgehen, der Abstand zur Verbrauchssenke ("190"-Linie) würde sich aber ändern. Im Falle des 200D, zu dem dieses Diagramm gehört, liegt der geringste spezifische Verbrauch in der Mitte der "190"-Linie, also bei 1600 U/min und 70% der Vollast bei 1600 U/min. Im normalen Fahrbetrieb bewegt man sich also am besten zwischen 1500 und 2500 U/min. Übrigends: Die Werte im Diagramm sind nicht für den tatsächlichen Fahrbetrieb verwendbar, weil es wieder Prüfstandswerte sind.

Da jetzt der Verbrauch behandelt wurde, erkläre ich, wie er zustande kommt, also wie ein Dieselmotor den Kraftstoff verbrennt. Der Diesel ist ein Motor mit Selbstzündung, das heißt, er braucht keine zusätzliche Einrichtung, die das Gemisch zündet. Dies geschieht von selber, weil in der heißen Luft der eingespritzte Kraftstoff die Selbstzündungstemperatur überschreitet. Das Problem ist aber hier wieder der Zündverzug. Das ist der Zeitraum zwischen Einspritzbeginn und meßbarem Druckenstieg im Brennraum. Dazu wieder ein Diagramm, das sich wie folgt erklärt: Während beim Ottomotor nach der Zündung das Gemisch verbrennt, tut sich beim Diesel erst einmal nichts. Der eingespritzte Kraftstoff muß erst die Selbstzündungstemperatur erreichen, also auch vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen. Dann aber verbrennt alles fast gleichzeitig, daher der rasche Druckanstieg. Dieser und, wie schon hier erklärt, der viel höhere Wirkungsgrad der Verbrennung machen eine schwere Bauweise notwendig. Durch die höhere Belastung erreicht er keine hohe Nenndrehzahl, aber das Moment ist größer als beim Benziner. Im PKW-Motorenbau gibt es 3 Arten von Verbrennungsräumen, von denen fast nur mehr die erste verwendet wird, die Direkteinspritzung. Hier wird der Kraftstoff direkt in den Verdichtungsraum, also den verbleibenden Platz zwischen Kolben und Zylinderkopf eingespritzt. Bei einem Wirbelkammermotor befindet sich ein Großteil der verbleibenden Luftmenge in der gleichnamigen Kammer. In diese wird Diesel eingespritzt, verbrennt aber nur zu einem Teil, da der Rest der Luftmenge im Raum zwischen Kolben und Zylinderkopf ist. Die entstandene Energie drückt das ganze un-, teilverbrannte, und sonstige Gemisch aber in den Hauptbrannraum und da geschieht dann der Rest der Energieumwandlung. Der Vorteil der Wirbelkammer ist, daß der Verbrennungsablauf und damit der Motorlauf weicher ist, dafür aber der Wirkungsgrad schlechter, da der Verbrennungsdruck ja aus der Wirbelkammer raus muß. Die dritte Art ist dann die Vorkammer, wie sie ja in den Mercedes-Diesel-PKW (auch die neuen Motoren im 124 und 201) zu finden ist. (Die neuen CDI haben schon Direkteinspritzung.) Bei der Wirbelkammer ist der Verlust noch größer, dafür aber der Motorlauf noch weicher - darum sind solche Motoren auch im Mercedes zu finden.

Wie kann ich einen Dieselmotor regeln, das heißt, Gas geben? Dies geschieht mit dem Wert l (Lambda). Dieser Wert ist das Verhältnis von der tatsächlichen zur stöchiometrischen Luftmenge (stöchiometrische Luftmenge ist die Luftmenge, die ein Motor braucht, um den Kraftstoff vollständig zu verbrennen. Beim Benziner ist es ca. 14,7 kg Luft pro kg Kraftstoff. Es gibt NUR EINEN stöchiometrischen Luftwert für eine Kraftstoffsorte). Wird l größer 1, das heißt, die tatsächliche Luftmenge MUSS steigen (stöch. Luftm. ist konstant!), wird das Gemisch mager. Das heißt, es gibt einen Luftüberschuß. Wenn l kleiner 1 ist, spricht man von einem fetten Gemisch, das heißt, es gibt einen Kraftstoffüberschuß. Hier ist eine unvollständige Verbrennung. Nun wird ein Dieselmotor IMMER mit l-Werten größer 1 betrieben. Bei niedriger Drehzahl wird zwar die volle Luftmenge angesaugt, aber nur ein kleiner Teil Kraftstoff gelangt in die Brennräume. Man fährt also mit Luftüberschuß. Das ist es unter anderem, warum der Dieselmotor einen klaren Verbrauchsvorteil gegenüber dem Ottomotor hat. Umso mehr Gas man gibt, umso kleiner wird l. Theoretisch wäre also Vollgas, wenn l gleich 1 ist, also alle Luft und der gesamte Kraftstoff verbrannt wird. Dies ist aber nicht möglich, da der Motor ab ca. l=1,4 zu rußen anfängt. Die Verbrennung beginnt also bei den einzelnen Tröpfchen des eingespritzten Kraftstoffes. Durch die Verwirbelung durch die Verbrennung gelangen die unverbrannten Teilchen in ander Luftschichten und werden dort verbrannt. Bei l=1,4 ist aber die Grenze, wo Verwirbelung nicht mehr ausreichend ist. Die unverbrannten Teilchen sind nun als Ruß sichtbar.

Wie genau funktioniert die Regelung eines Mercedes-Diesel? Er hat eine pneumatische Regelung. Mit dem Gaspedal betätigt man eine Drosselklappe im Ansaugkrümmer. Gleich dahinter befindet sich eine Bohrung, die den Unterdruck hinter der Klappe über einen Schlauch zur Einspritzpumpe weiterleitet. Dieser Unterdruck betätigt dann in der ESP die Regelstange für die Pumpenkolben. Der 240D 3,0 im /8 hatte dieses System nicht mehr, da die Ingeneure da wahrscheinlich erkannt haben, daß eine Drosselklappe beim Diesel WIRKLICH unnötig ist.

Kann ich die Leistung bei einem bestehenden Motor erhöhen? Das geht zum einen mit einem mechanischen Lader. Dieser kostet aber Kraft (mechanischer Wirkungsgrad). Zum anderen steckt aber in den Auspuffgasen noch ein Energieanteil (Auslaß öffnet vor UT,...). Dieser wird beim Saugdiesel nicht genutzt, geht also durch den Auspuff verloren (der wird ja heiß!). Nun kann man aber eine Turbine an den Auspuffkrümmer anbauen, der die Energie in ein Drehmoment umwandelt. Ein Verdichter, der am Ansaugkrümmer ist, bekommt dann dieses und verdichtet die Ansaugluft. So verbessert sich der Füllungsgrad, das heißt, die Luftmenge im Brennraum steigt, es kann mehr Kraftstoff eingespritzt werden. Das Problem dabei ist, daß eine Strömungsmaschine (der Turbo hat ja zwei davon - Turbine und Verdichter) nur einen Betriebspunkt hat, bei dem sie optimal arbeitet. Man baut den Turbo nun so, daß er seine optimale Drehzahl in der Mitte der Motordrehzahl hat. Als Überlastungsschutz bei hohen Motordrehzahlen (der Turbo hat dort zwar einen schlechten Wirkungsgrad, aber die Fördermenge rechtfertigt noch immer einen Schutz) gibt es ein Ventil im Auspuffkrümmer vor dem Turbo, das bei hohem Ladedruck Abgas in den Auspuff nach dem Turbo läßt. Das bedeutet, daß der Turbo nicht die volle Leistung entwickeln kann, die er bei vollem Abgasstrom abgibt. Der Ladedruck ist also auch geringer. Dadurch sinkt die Motorbelastung im Nenndrehzahlbereich und die Lebensdauer steigt. Ein Problem des Turbos bleibt freilich: Weil der Turbo auch schlechter arbeitet, wenn er langsamer dreht, gibt es eine Anfahrschwäche. Das heißt, ab einer gewissen Motordrehzahl steigt das Moment stark an und bleibt auf hohem Niveau. Wenn man jetzt seinen Motor "frisieren" möchte, kann man das Bypassventil (Überlastungsschutz) schließen, was aber auf die Motorhaltbarkeit geht. Feiner ist natürlich, die Nennleistung anders zu steigern: durch Verdichtung reduzieren. Warum das? Der Motor muß beim Verdichten klarerweise einen hohen Widerstand überwinden (Verdichtung ca. 19 - 22:1). Senkt man die Verdichtung, wird der Widerstand kleiner und die Höchstdrehzahl steigt. Wenn man soetwas macht, muß man natürlich auch auf die Auswuchtung des Kurbeltriebes achten. Wenn man die Verdichtung reduziert, sinkt dann nicht die Verbrennungsarbeit, also die Leistung? Das tut sie nicht, dazu ein Diagramm. Horizontal wird das Verdichtungsverhältnist aufgetragen, vertikal der thermische Wirkungsgrad. Senkt man beim Ottomotor die Verdichtung um z.B. 2, ist deutliches Sinken des Wirkungsgrades sichtbar. Senkt man das Verhältnis beim Diesel ebensoviel, ist die Senkung des Wirkungsgrades minimal. Man kann also die Verdichtung in gewissem Rahmen ohne Leistungseinbußen zurücknehmen. Warum verdichtet man dann einen Seriendiesel so hoch? Je größer die Verdichtung ist, umso größer wird die beim Verdichten entstehende Temperatur. Diese benötigt man beim Kaltstart.

Bevor ich es vergesse: Beim Benziner gibt es eine Zündverstellung (last- und drehzahlabhängig), beim Diesel gibt es soetwas ähnliches. Die Verbrennung läuft immer mit konstanter Geschwindigkeit ab, bei hohen Drehzahlen bleibt aber nicht soviel Zeit als bei niederen. Deshalb wird der Einspritzbeginn vorverlegt (die Zündanlage des Benzinmotors verstellt sich bei hohen Drehzahlen nach vor, also mehr Vorzündung). So kann der Verbrennungsprozess so ablaufen, daß der maximale Druck immer an derselben Kurbelwellenstellung ist. Auch hat der Dieselmotor eine Kaltstarteinrichtung, etwa wie beim Benziner der Choke. Da beim kalten Motor der eingespritzte Kraftstoff länger braucht um zu verdampfen, stimmt die Einstellung der ESP nicht - man verdreht sie wie bei hohen Drehzahlen auf "früh". Bei äleren VW-Bussen oder Golf 1 und 2 ist das ein Zuggriff am Armaturenbrett. Bei Mercedes hat man sich das gespart und hebt einfach die Leerlaufdrehzahl an. Dies geschieht durch Verdrehen des Knopfes neben der Lenksäule bzw. des Zugstarters.

Warum geht der 300D "unten herum" besserals der 200?

Ich vergleiche hier einen 200 mit 69 kW mit dem 300D mit 65 kW. Warum geht der 200 also im unteren Drehzahlbereich schlechter? Ganz einfach: Die Nennleistung braucht man nur bei einem einzigen Betriebspunkt: Vollgas bei Nenndrehzahl, das ist zum Beispiel im höchsten Gang auf der Autobahn die Endgeschwindigkeit. Hier ist der 300D auch langsamer. Bei allem anderen ist das Drehmoment ausschlaggebend, und hier hat der 300D mehr. Warum? Er hat ja weniger Leistung? Das stimmt, nur produziert er diese bei niedrigerer Drehzahl. Es gilt ja folgende Formel: P=M*w , also Die Leistung ist das Drehmoment mal der Winkelgeschwindigkeit, die direkt von der Drehzahl abhängig ist. Für alle die es wissen wollen: w=(p * Drehzahl) /30. Man sieht also, daß, wenn bei gleicher Leistung die Drehzahl sinkt, das Moment steigen muß. Ein Beispiel: Leistung 100 kW bei 6000 U/min, 159 Nm Drehmoment. Ich nehme einmal an, daß das ein Benziner ist. Ein Dieselmotor kann aber diese hohe Drehzahl nicht erreichen, weil er durch die hohen Arbeitsdrücke im Brennraum (Diesel verbrennt wesentlich effektiver als Benzin) massiver gebaut sein muß (Zum Vergleich 230E und 200D im Schnitt). Und was schwer ist, bewegt sich langsamer... Also dreht unser Beispiel-Motor mit 100 kW nur 4000 statt 6000U/min, wenn er die Nennleistung erreicht. Das ergibt nach der Formel ein Drehmoment von 239 Nm. Das heißt, daß Durchzug und Beschleunigung beim Dieselmotor gleicher Leistung besser sind. Zurück zu unserem Vergleich zwischen 200 und 300D: Bei etwa 3200 U/min (hier im selbst gebastelten Bild, in Wirklichkeit weiß ich den Schnittpunkt nicht) schneiden sich die Drehmomentkurven. Vorher liegt die des 300D höher, nachher die des 200. Das heißt, bis etwa 3200 U/min geht der Diesel besser, danach werden die Massenkräfte im Kurbeltrieb zu groß, um ein besseres Drehmoment zu erreichen - es sinkt rasch. Genau hier aber trumpft der 200 auf - ihm macht die höhere Drehzahl nichts, die Drehmomentkurve ist flacher und außerdem wird das maximale Drehmoment später erreicht.

Hier ein Bild davon:

Und weiter gehts für die, die es wissen wollen:

Warum soll man einen Diesel nicht treten?

Ganz einfach :-) Erstens tun ihm hohe Drehzahlen nicht gut (hohe Massenkräfte = hohe Lagerbelastung im Kurbeltrieb). Gut, man kann ihn aber auch bei niedrigeren Drehzahlen treten. Das tut zwar auch einem Benziner nicht gut (Durch die hohen Gasdrücke wird vor allem das Pleuel sehr stark gegen die Kurbelwelle gedrückt und quetscht so den Ölfilm aus dem Lager - erhöhte Reibung!), beim Diesel verursacht Vollgas aber einen starken Mehrverbrauch. Warum? Im Gegensatz zum Benziner, der mit dem Einlaßvolumen geregelt wird (viel Gas - viel Gemisch kommt in den Brennraum; wenig Gas - wenig Gemisch kommt in den Brennraum), wird der Diesel nur mit der Kraftstoffmenge geregelt, das heißt, die angesaugte Luftmenge bleibt (theoretisch) immer dieselbe. Wenn man also immer mit viel Gas fährt, wird immer viel Kraftstoff eingespritzt - der Verbrauchsvorteil verschwindet. Sttreichelt man das Gaspedal aber und fährt niedrigere Drehzahlen, wird weniger Kraftstoff eingespritzt - und durch den hohen Wirkungsgrad sinkt der Verbrauch verglichen zum Benziner. Erschwerend kommt für den Ottomotor hinzu, daß er bei niedrigeren Drehzahlen große Verluste durch die Drosselklappe hat (die dann eher geschlossen ist).

Wie fahre ich also mit wenig Verbrauch?

Dieselmotor: geringe Beschleunigung, frühes Hochschalten, nicht übermäßig Gas geben

Benzinmotor: mit etwa 90% vom Gaspedalweg beschleunigen (fast Vollgas), etwa bei der Hälfte der Maximaldrehzahl, spätestens aber bei 2/3 schalten

Zum Schluß noch etwas hochtechnisches:

Warum soll ich meinen Motor warmfahren?

Das hat mehrere Gründe: Motoröl ist im kalten Zustand noch zähflüssig. Na super, fördert die Ölpumpe mehr! Falsch, die Pumpe hat einen Überlastungsschutz. Bei einem gewissen Druck macht ein Ventil auf. Es bleibt eine geringere Fördermenge über, außerdem kommt dickflüssigeres Öl schlechter in alle Spalten der Lager. Nicht warmfahren schadet aber nicht nur den Lagern. Die Kolben werden nur vom Ölnebel im Kurbelgehäuse geschmiert, wenn Öl kalt ist, nebelt es aber nicht so gut. Erschwerend kommt hinzu, daß der schon mit Mühe aufgebaute Schmierfilm auf der Zylinderwand reißen kann - also reibt Metall auf Metall (das kann auch bei billigen Ölen im warmen Zustand bei Belastung passieren). Mein Tip: Sachte fahren, bis der Motor Betriebstemperatur erreicht hat (wenig Gas und maximal bis zur Hälfte der Nenndrehzahl drehen) und dann langsam auf normale Fahrweise steigern. Dann hat auch das Öl genug Temperatur...