Motoren aus technischer Sicht/ Vergleich zwischen dem Otto- und dem Dieselmotor

Allgemeiner Vergleich

Einleitung

Um den Motor eines Fahrzeugs zum Laufen zu bringen, benötigt man einen Energieträger, der genügend Energie gespeichert hat, um das Kraftfahrzeug fortbewegen zu können. Diese Energie wird bei Motoren als Kraftstoff bezeichnet. Man unterscheidet dabei allerdings zwischen mehreren verschiedenen Kraftstoffarten. Die zwei geläufigsten sind Benzin und Diesel. Doch zwischen diesen gibt es wesentliche Unterschiede, natürlich auch bei den dazu gehörigen Motoren.

Besonders aus der technischen Sicht ist es notwendig, die wichtigsten Verbrennungsmotoren zu untersuchen und beide zu vergleichen.

Die vier Takte im Vergleich

Es arbeiten beide Verbrennungsmotoren in vier Arbeitsschritten: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Beim Ottomotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt und beim Dieselmotor reine Luft.

Nun wird das Gemisch beim Ottomotor ungefähr auf ein Verhältnis von 7:1 verdichtet (der Druck ist etwa bei 8–18 bar und die Temperatur bei 400–600 °C), der Dieselmotor dagegen arbeitet mit einem Verdichtungsverhältnis von etwa 18:1 (wobei der Druck auf 30–50 bar und die Temperatur auf 700–900 °C steigt). Der Kraftstoff wird beim Dieselmotor dann direkt in den Brennraum gespritzt.

Nun beginnt beim Ottomotor die Verbrennung, der nötige Funke hierzu kommt von der Zündkerze (Fremdzündung). Die Temperatur steigt bei diesem Vorgang auf ca. 2000 °C. Jetzt wird der Kolben im Motor wieder zurückgedrückt und die Verbrennung endet durch die Expansion (Arbeitstakt). Beim Dieselmotor wird die Selbstzündfähigkeit des Dieselkraftstoffs beim vorherrschenden hohen Druck ausgenutzt (Eigenzündung). Auch hier ist die Verbrennungstemperatur etwa bei 2000 °C, wodurch ebenfalls der Kolben nach unten gedrückt wird und somit der Arbeitstakt erfolgt.

Beim Auspuffen der Abgase gibt es weitere Unterschiede. Die Abgastemperatur ist beim Ottomotor deutlich höher, jedoch bildet sich beim Dieselmotor im Gegensatz zum Ottomotor Ruß, der als krebserregend gilt. Der Benzinmotor hat wegen des geringeren Wirkungsgrades mehr Kohlendioxid-Ausstoß.

Der Nutzwirkungsgrad liegt beim Ottomotor bei 25 %, beim Dieselmotor dagegen bei 33 %. Zu beachten ist jedoch zusätzlich das höhere Gewicht des Dieselmotors – etwa 5–6 kg pro kW im Gegensatz zum Ottomotor mit nur etwa 0,5–5 kg/kW (ZX10R-Motor, 130 kW bei 65 kg).

Finanzieller Aspekt

Wegen der hohen Drücke im Brennraum müssen die Bauteile eines Dieselmotors entsprechend robust gebaut sein, was allerdings auch den Preis und das Gewicht erhöht.

Für die Kraftstoffversorgung sind eine aufwändige Einspritzpumpe sowie Einspritzdüsen notwendig. Die Kosten solcher Bauteile sind wegen der geringeren Drücke beim Ottomotor massiv günstiger. Beim Dieselmotor gibt es Abgasreinigungsanlagen in Form von Partikelfiltern und Stickstoff-Katalysatoren.

Der Gesetzgeber möchte die Abgasgifte jedoch noch weiter reduzieren, so dass heute mit Rußfiltern, Oxydationskatalysatoren und andere Maßnahmen die Emissionen weiter gedrückt werden. Die Abgasnormen von Dieselmotoren gleichen sich denen von Benzinmotoren immer mehr an.

	Ottomotor	Dieselmotor
Gemischbildung:	äußere Gemischbildung	innere Gemischbildung
Zündung:	Fremdzündung	Selbstzündung
Verdichtungsdruck:	8 bis 18 bar	30 bis 50 bar
Höchsttemperatur Verdichtung:	400 bis 600 °C	700 bis 900 °C

Der Kraftstoffverbrauch – in Litern pro 100 km gemessen – ist beim Dieselmotor deutlich geringer, was einerseits auf den besseren Wirkungsgrad zurückzuführen ist, andererseits aber auch auf die etwa 10% höhere gravimetrische Energiedichte von Dieselkraftstoff.

Der Dieselmotor holt also ca. 1/3 mechanische Arbeit aus der eingesetzten Energie heraus. Die restlichen 67% gehen ebenfalls für Abgaswärme, Kühlung und Reibung verloren, d. h. von 10 Litern Kraftstoff werden nur etwa 3 Liter zum Fortbewegen genutzt.

Vorteile des Benzinmotors

Für den Benzinmotor spricht das geringe Leistungsgewicht (kg/kW), das deutlich schnellere Ansprechverhalten und vor allem der größere nutzbare Drehzahlbereich. Sportlicheres Fahren – z. B. bei Motorrädern – ist wohl eher mit Benzinmotoren möglich, zumal alleine die Einbaumaße Grund genug sind, dass Motorräder mit Dieselmotor die Ausnahme bleiben werden.

In der Regel sind Benzinmotoren billiger als Dieselmotoren, so dass der Vorteil des geringeren Verbrauchs sowie des Steuervorteils (in Deutschland ca. 22 Cent/Liter) beim Dieselmotor erst für Vielfahrer wirksam wird – ein Effekt, der durch die unterschiedliche Besteuerung noch verstärkt wird. Gründe für den niedrigeren Preis sind unter anderem die niedrigeren Baukosten, die Entbehrlichkeit eines Turboladers und das Einsparpotenzial bei der Schalldämmung des Motorraums.

Vorteile des Dieselmotors

Ein wichtiges Argument für den Dieselmotor ist der geringere Kraftstoffverbrauch. Dieser konnte durch die Einführung der Direkteinspritzung noch einmal deutlich reduziert werden. Ein weiteres Argument für den Dieselmotor ist das große Drehmoment besonders im meist genutzten unteren Drehzahlbereich. Zum starken Beschleunigen aus tiefen Drehzahlen muss nicht mehr unbedingt zurückgeschaltet werden. Der Dieselmotor spricht somit zwar immer mit einer gewissen Verzögerung an, jedoch auch mit deutlich mehr Kraft, was nicht zuletzt dem in aller Regel verbauten Turbolader zu verdanken ist.

Durch den Einsatz von modernen Automatikgetrieben wie dem Direktschaltgetriebe (DSG) kann der Dieselmotor immer in dem recht schmalen, aber dafür von der Kraftentfaltung her verhältnismäßig konstanten Drehzahlbereich gehalten werden, was diesen wohl gravierendsten Mangel gegenüber dem Benzinmotor vollständig behebt und ihn sogar überlegen macht, denn das schmale Drehzahlband bedingt auch, dass ein Gangwechsel ausreicht, um vom unteren Ende des Drehzahlbandes bis zum oberen zu gelangen und somit sofort die Maximalleistung abrufen zu können. Das größere Drehzahlband des Benziners steht ihm beim Wechseln vom sparsamen Betrieb zur Volllast (beispielsweise bei einem Überholvorgang) eher im Wege, da im Grunde zwei Schaltvorgänge benötigt werden, um das obere Drehzahlband zu erreichen, was bei allen sequenziell orientierten Getrieben von Nachteil ist.

Physikalischer Vergleich

Grundlagen

Die Grundlage aller physikalischen Vorgänge, welche sich im Brennraum von Verbrennungsmotoren abspielen, bildet die Thermodynamik. Die Thermodynamik ist ein Teilgebiet der Wärmelehre, welches sich mit der Untersuchung der Zustände zwischen thermodynamischen Systemen unter Einfluss der Temperatur, Druck oder Änderung des Volumens befasst. Dabei geht es um ein physikalisches System (z. B. einen Behälter mit Verschluss und einer Flüssigkeit als Inhalt), welches in einer bestimmten Art und Weise mit seiner Umgebung in einer Beziehung steht (z. B. Materie- oder Wärmeaustausch). Zudem befasst sich die Thermodynamik auch mit der Umwandlung von Wärme in andere Energieformen und umgekehrt. Die Grundpfeiler der Thermodynamik bilden die Hauptsätze. Die Hauptsätze sind genau genommen eigentlich nur Erfahrungssätze. Für das Verständnis der physikalischen Vorgänge im Brennraum von Verbrennungsmotoren genügt es, den 1. Hauptsatz der Thermodynamik näher zu betrachten.

1. Hauptsatz für ein geschlossenes System: Als Grundlage seien folgende Größen gegeben:

U = innere Energie, W = Arbeit, Q = Wärmeenergie

Aus diesen Größen ergibt sich folgende Gleichung für den 1. Hauptsatz:

ΔU = ΔQ + ΔW

Führt man einem geschlossenen System, d. h. einem System, bei welchem nur Energie, jedoch keine Materie mit der Umgebung ausgetauscht wird, eine bestimmte Menge an Wärmeenergie Q zu, so wird eventuell gleichzeitig an diesem System die Arbeit W verrichtet. Somit nimmt die innere Energie dieses Systems um die Summe aus der zugeführten Wärmeenergie Q und der verrichteten Arbeit W zu. Die innere Energie umfasst sämtliche Energiearten, die in einem abgeschlossenen System auftreten. Wenn eine chemische Reaktion abläuft, wird die innere Energie des Systems verändert. Es kann dabei Energie freigesetzt oder aufgenommen werden. Bei Verbrennungsmotoren wird die chemische Energie des Brennstoffs in kinetische Energie (kinetische Energie der Moleküle = innere Energie) umgewandelt. Abhängig vom Wirkungsgrad des Motors wird ein relativ großer Anteil der verbrauchten Energie direkt in Wärmeenergie umgewandelt. Da es sowohl beim Dieselmotor als auch beim Ottomotor während dem Arbeitsspiel zu Gaswechselvorgängen kommt, spielen Zustandsänderungen der Gase eine wesentliche Rolle. Man unterscheidet dabei zwischen isobaren, isochoren und adiabatischen Zustandsänderungen.

Isotherme Zustandsänderung

Die isotherme Zustandsänderung bezeichnet eine Änderung des Zustands von Gasen, bei welcher die Temperatur konstant bleibt.

Es gilt nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte folgender Zusammenhang (T = konst., m = konst.):

p × V = konstant $\Rightarrow$ p ~ 1/V

Daraus folgt, dass sich der Druck umgekehrt proportional zum entsprechenden Volumen verhält:

V2 × P2 = V1 × P1

Bei der Verdichtung der Gase erhöht sich die Temperatur. Da nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte die Temperatur konstant bleibt, muss bei der Verdichtung der Gase die Kompressionswärme abgeführt werden. Damit dieses Gesetz auch bei der Expansion der Gase gilt, wobei die Temperatur abnimmt, muss Wärme zugeführt werden.

Isobare Zustandsänderung

Die isobare Zustandsänderung bezeichnet eine Änderung des Zustands von Gasen, bei welcher der Druck im System konstant bleibt.

Es gilt nach dem Gesetz von Gay-Lussac (p = konst., m = konst.): V/T = konstant, sowie

V1 × T2 = V2 × T1

Wird nun die Temperatur unter konstantem Druck verdoppelt, so ergibt sich auch ein doppelt so großes Volumen. Somit verändert sich das Volumen proportional zu der Veränderung der Temperatur und umgekehrt. Bezüglich der verrichteten Arbeit W gilt folgender Zusammenhang:

∆W= -p × ∆V

Verringert sich das Volumen wird positive Arbeit verrichtet, d. h. es wird Arbeit am System verrichtet, z.B. beim Verdichten des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Erhöht sich das Volumen hingegen, resultiert daraus eine negative Arbeit, d. h. das System verrichtet Arbeit an der Umgebung, z.B. wird der Kolben vom Gas weggedrückt.

Isochore Zustandsänderung

Anders als bei der isobaren Zustandsänderung bleibt bei der isochoren Zustandsänderung das Volumen konstant.

Es gilt: ∆W = -p × ∆V

Da bei der isochoren Zustandsänderung das Volumen konstant bleibt, setzt man für die Veränderung des Volumens ∆V den Wert Null. Dadurch lässt sich feststellen, dass bei dieser Zustandsänderung keine Arbeit verrichtet wird. Setzt man nun in die Gleichung des 1. Hauptsatzes (∆Q = ∆U – ∆W) für ∆W = 0, so hat die Wärmeenergie ∆Q den gleichen Wert wie die innere Energie ∆U. Somit geht die zugeführte Energie ∆Q direkt in die innere Energie ∆U über.

Adiabatische Zustandsänderung

Der adiabatische Prozess ist ein physikalischer Vorgang, bei dem die Temperatur, der Druck und das Volumen verändert werden, ohne dass mit der Umgebung Wärme ausgetauscht wird. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik lässt sich nun folgendes feststellen:

Es gilt: ∆Q = ∆U - ∆W

Setzt man aufgrund des fehlenden Wärmeaustausches beim adiabatischen Prozess für die Änderung der Wärmeenergie ∆Q = 0, so muss die Änderung der innere Energie ∆U den gleichen Wert haben wie die verrichtete Arbeit W. Somit geht die verrichtete Arbeit direkt in innere Energie über. Im Fall von Verbrennungsmotoren wird der Kolben im 3. Takt durch die entstandene innere Energie vom oberen zum unteren Totpunkt weggedrückt. Der inneren Energie entspricht dabei der Expansion, die durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft- Gemisches entsteht.

Zum Schluss noch ein Vergleich zwischen den thermischen Wirkungsgraden bei Dieselmotoren und bei Ottomotoren im Volllastzustand und im Leerlauf.

Für den thermischen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine gilt folgende Formel:

η = (T2 - T1)/ T2

Dabei entspricht T2 dem wärmeren Speicher und T1 dem kälteren Speicher. Die nachfolgende Tabelle zeigt einen Vergleich des thermischen Wirkungsgrades bei Dieselmotoren und bei Ottomotoren im Volllastzustand und im Leerlauf:

gegeben:

Dieselmotor Leerlauf: T1 = 250°C, Volllast:T1 = 500°C, T2 = 2000°C

Ottomotor Leerlauf: T1 = 800°C, Volllast:T1 = 900°C, T2 = 2000°C

Hier muß die Temperatur in K eingesetzt werden.

	Dieselmotor	Ottomotor
Leerlauf:	77%	53%
Volllast:	66%	48%

Bei beiden Motoren ist der thermische Wirkungsgrad bei Volllast geringer als im Leerlauf. Allerdings verfügt der Dieselmotor im Vergleich zum Ottomotor sowohl im Leerlauf als auch bei Volllast über einen höheren thermischen Wirkungsgrad. Jedoch verringert sich der thermische Wirkungsgrad beim Ottomotor im Übergang vom Leerlauf- in den Volllastbetrieb weniger stark, da der Temperaturunterschied zwischen Leerlauf- und Volllastbetrieb beim Ottomotor geringer ist als beim Dieselmotor.

Vorgänge beim Ottomotor

Zustandsänderungen beim Ottomotor

Während des Ansaugtakts, wo sich der Kolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum gelangt, findet ein isobarer Prozess statt. Somit vergrössert sich das Gasvolumen, da es beim Abwärtsgehen des Kolbens zu einer Raumvergrösserung kommt. Der Gasdruck bleibt jedoch im 1. Takt konstant. Im Verdichtungstakt, wo sich der Kolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt verschiebt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch komprimiert wird, findet ein adiabatischer Prozess statt, d. h. das Volumen im Brennraum (Gasvolumen) reduziert sich und der Druck sowie Temperatur steigen an, ohne dass dabei Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird. Während des Arbeitstakts, wo das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Zündkerze entzündet wird, finden zuerst ein isochorer und anschließend wiederum ein adiabatischer Prozess statt. Der isochore Prozess findet bei der Zündung statt, d.h. Gasvolumen bleibt konstant, während der Druck bis zum Maximalwert ansteigt. Der adiabatische Prozess findet hingegen nach der Zündung statt, wo die sich ausbreitenden Gase den Zylinderkolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt wegdrücken. Dabei sinkt der Gasdruck, während das Gasvolumen steigt. Es kommt jedoch bei diesem Vorgang zu keinem Wärmeaustausch mit der Umgebung. Im Auspufftakt, wo der Kolben sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt und die durch die Verbrennung entstandenen Abgase über den Auslasskanal den Brennraum verlassen, findet wiederum ein isobarer Prozess statt. Dabei bleibt der Gasdruck konstant, während sich die Gasmenge verringert.

Vorgänge beim Dieselmotor

Zustandsänderungen beim Dieselmotor

Anders als beim Ottomotor finden beim Dieselmotor nur adiabatische- und isobare Prozesse statt. Während des Ansaugtakts, wo sich der Kolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt und Frischluft über den Einlasskanal in den Brennraum strömt, findet beim Dieselmotor wie beim Ottomotor ein isobarer Prozess statt. Dabei vergrössert sich das Gasvolumen, während der Gasdruck konstant bleibt. Im zweiten Takt, wo sich der Kolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt und die Luft verdichtet wird, findet ein adiabatischer Prozess statt. Das Volumen im Brennraum vermindert sich also und der Druck steigt an, ohne dass dabei Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird. Während des Arbeitstakts, wo zerstäubter Dieselkraftstoff über die Einspritzdüse eingespritzt wird und es wegen der hohen Kompressionswärme von Luft zur Selbstzündung kommt, finden im Unterschied zum Ottomotor zuerst ein isobarer und anschließend ein adiabatischer Prozess statt. Der isobare Prozess findet beim Einspritzvorgang statt, d.h. das Gasvolumen erhöht sich ein Stück, während der Gasdruck konstant bleibt und die Temperatur steigt. Der adiabatische Prozess findet nach der Selbstzündung des Dieselkraftstoffs statt, wo die sich ausbreitenden Gase den Zylinderkolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt wegdrücken. Der Gasdruck nimmt dabei ab, während das Gasvolumen zunimmt. Im letzten Takt, wo der Kolben sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt und die durch die Verbrennung entstandenen Abgase über den Auslasskanal aus dem Brennraum gelangen, findet wiederum ein isobarer Prozess statt. Der Gasdruck bleibt dabei konstant, während das Volumen abnimmt.