125 Jahre Dieselmotor

125 Jahre Patent des Dieselmotors: Ein „bewegendes“ Jubiläum

Mit Einreichung des Patents für den Dieselmotorischen Prozess, welches vor 125 Jahren offiziell erteilt wurde, legte der Erfinder Rudolf Diesel einen Meilenstein in der Geschichte der Energiewandlungsmaschinen, welcher sich nachhaltig auf die Entwicklung der Mobilität in allen Transportsektoren als auch in der Antriebstechnologie verschiedenster Maschinen bis heute auswirkt.

Die Erfindung

Motiviert wurde Rudolf Diesel in seinem Vorhaben insbesondere durch den vergleichsweise geringen Wirkungsgrad der Dampfmaschinen, welche zu damaligen Zeiten die wesentliche Antriebsquelle für Maschinen darstellten. Konsequenterweise verfolgte die Grundkonzeption seines Arbeitsverfahrens das Ziel, einen maximalen Nutzwirkungsgrad bei Energiewandlung zu gewährleisten. Die Eckpfeiler des Patents zur Wirkungsgradsteigerung waren zum einem die höhere Verdichtung, welche eine Selbstzündung des zugeführten Kraftstoffs herbeiführte, und zum anderen eine langsame Verbrennung bei nahezu konstanten Temperaturen. Letztere beschreibt im Wesentlichen die Annäherung an den idealen Arbeitsprozess von Sadi Carnot. Wenngleich Rudolf Diesel sein ambitioniertes Ziel von 50% Nutzwirkungsgrad selbst nicht erreichen konnte und erst verschiedene Patentänderungen sowie -nachträge im ersten leerlauffähigen Motor 1894 sowie drei Jahre später in einen Versuchsmotor mit bis dahin noch nie erreichten 26% Wirkungsgrad mündeten, ebnete er den Weg für die weitere Entwicklung einer der wichtigsten Antriebsquellen unserer Zeit.

Bild: WärtsiläWärtsilä 31 engine inside factory

Wärtsilä 31 der effizienteste 4-Takt-Dieselmotor der Welt

Eroberung der Maschinenantriebe

Aufgrund des hohen Nutzwirkungsgrads im Vergleich zu ottomotorisch betriebenen Verbrennungsmotoren und seiner hohen Robustheit konnte sich der Dieselmotor früh insbesondere in leistungsstarken Maschinenanwendungen durchsetzen. Hierzu zählen vor allem auch Schiffsantriebe im Zwei- und im Viertaktverfahren. In diesem Segment wurde ca. 100 Jahre nach der Patenterteilung auch erstmalig ein Verbrennungsmotor mit einem Nutzwirkungsgrad von 50% vorgestellt (MAN B&W, 1984). Einen weiteren Rekord hält der langsamlaufende Schiffsdiesel als leistungsstärkster Verbrennungsmotor der Welt: Der Wärtsilä RTA-flex9c liefert mit 14 Zylindern von jeweils 1280l Hubvolumen eine maximale Leistung von 80080kW bzw. 108900 PS.
Auch in mobilen Anwendungen auf dem Land kann der Dieselantrieb Erfolge feiern. Der Diesel-elektrische Antrieb ist neben dem Einsatz auf Schiffen auch in Lokomotiven und Triebwagen eine bereits lange etablierte Antriebstechnik, welche Strecken ohne elektrische Oberleitung bedient. Der Güter- und Personentransport wird dominiert durch Dieselaggregate, weil Nutzfahrzeuge und Busse weitestgehend mit dieser Technologie ausgestattet sind. Ebenso wird abseits der Straße in Baumaschinen oder landwirtschaftlich genutzten Fahrzeugen überwiegend Dieselkraftstoff zur Energieerzeugung verbrannt. Vielerorts sind Menschen auf eine dezentrale Stromversorgung mittels dieselbetriebenen Generatorstationen oder Blockheizkraftkraftwerken angewiesen. Die Breite des aufgezeigten Anwendungsspektrums, welches bei weitem nicht vollständig ist, illustriert deutlich, dass der Dieselmotor abseits der meistbekannten Anwendung im Automobil und Nutzfahrzeug eine zentrale Bedeutung für die weltweite Antriebstechnik hat.

Wegbereiter der Dieseltechnik

Der hohe Verbreitungsgrad der Dieseltechnik wurde ermöglicht durch die intensive und konsequente Weiterentwicklung des Motors und seiner Komponenten. Eine Schlüsseltechnologie – und daher heute Standard in nahezu allen Aggregaten – ist die Aufladung mittels Abgasturbolader, welcher einen Teil der Abgasenergie nutzt und hierüber den Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses steigert. Mit Einführung der Kraftstoff-Direkteinspritzung, welche heute zum Großteil als Common-Rail-System ausgeführt wird, konnte der Diesel seinen Wirkungsgradvorteil weiter ausbauen. Gleichzeitig werden hohe Anforderungen an die Emissionsminderung im Abgas moderner Dieselmotoren gestellt. Dies erfordert – im Vergleich zum Ottomotor – eine aufwendige Abgasnachbehandlung. Mit der flächendeckenden Einführung des Partikelfilters seit dem Jahr 2000 existiert bereits eine Technologie zur nahezu vollständigen Reduktion der Partikelemission. Zur Minimierung der Stickoxidemissionen sind ebenfalls Technologiepakete vorhanden; das vollständige Potential dieser Systeme ist jedoch nicht ausgereizt und muss daher konsequent weiterentwickelt und optimiert werden, um unter realen Betriebsbedingungen eine möglichst große Schadstoffreduktion zu gewährleisten.

Ein Multitalent für Kraftstoffe

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil des Dieselmotors, welcher zu dem Erfolg der Technologie führte, ist seine Vielstofffähigkeit bzgl. des zugeführten Kraftstoffs. Neben dem bekannten Dieselkraftstoff vermag der Dieselmotor – jeweils mit erforderlichen Anpassungen der Zufuhr und Einspritztechnik – diverse Kraftstoffe wie z.B. Schweröl in maritimen Anwendungen, Fette und Öle aus Abfallverwertungen sowie verschiedene Biokraftstoffe effizient zu verbrennen. Diese Grundeigenschaft ist entscheidend für die weitere technologische Entwicklung des Dieselmotors. Ein wesentlicher Teil der aktuellen Forschungs- und Entwicklungsprojekte beschäftigt sich mit den Einsatzmöglichkeiten alternativer synthetischer, insbesondere auch Strom-generierter Kraftstoffe in Dieselantrieben. Neben einer deutlich günstigeren CO2-Bilanz ermöglichen viele dieser Kraftstoffe eine gleichzeitige innermotorische Reduktion der primären Schadstoffe Partikel und Stickoxide. Bereits unter Zumischung dieser Kraftstoffe ohne Anpassung der Motorabstimmung lassen sich deutlich positive Effekte auf das Schadstoffverhalten erzielen.

Ausblick in die Dieselmotor-Zukunft

Zur Erreichung der weltweiten Klimaziele ist eine weitere Erhöhung der Nutzwirkungsgrade in Energiewandlungsmaschinen sowie die zunehmende Verwendung CO2-neutraler Kraftstoffe zwingend erforderlich, weil eine Elektrifizierung und / oder die direkte Substitution fossiler Kraftstoffe nicht möglich ist. An dieser Stelle wird vor allem der Dieselmotor gefragt sein. Die technologischen Potentiale dieses Verbrennungsmotors sind noch nicht ausgereizt und auch für die anspruchsvollere Abgasreinigung stehen bereits Technologien zur Verfügung oder können entwickelt werden.
Auch im Verbund mit modernen elektrischen Antriebstechnologien kann der Dieselmotor ein guter Sparringspartner sein. Dieses Zusammenspiel beginnt mit kostengünstigen Hybridkonzepten – sogenannten Mild-Hybrids – basierend auf 48V-Technik, welche sich zum Teil bereits in Serienproduktion befinden. Andere künftige Konzepte sehen eine konsequentere Nutzung der jeweiligen Technologievorteile vor; d.h. zum Beispiel ein auf hohe Effizienz getrimmter Dieselmotor im quasi stationären Betrieb, während eine elektrische Antriebseinheit die dynamischen Lastwechsel übernimmt.
Der Dieselmotor wird daher mit großer Sicherheit ein fester Bestandteil der künftigen Mobilität und auch Antriebstechnologie für Maschinen abseits der Straße sein.

Übrigens: Am 27./28.02.2018 findet der 5. Internationale Motorenkongress unter dem Motto „Die Zukunft der E-Mobilität ist die Zukunft des Verbrennungsantriebs – ein Widerspruch!?“ vom VDI Wissensforum statt.

Bild: FEV Europe GmbHfoto_prof-stefan-pischinger_150pxAutor: Professor Stefan Pischinger, Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen University

 

 

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