Verbrennungsprinzip

Geht dem Diesel die Luft aus?

Von Johannes Winterhagen
 - 16:43
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Konkurrenz belebt das Geschäft. Wenn die alte Kaufmannsweisheit wahr ist, müsste es dem Dieselmotor prächtig gehen. Denn sein wichtigster Konkurrent, der Ottomotor, hat mächtig aufgeholt. Der Benziner bemüht dazu ebenjene Technologien, die der Audi-Entwickler Richard van Basshuysen, damals enger Vertrauter von Ferdinand Piëch, in den achtziger Jahren für den ersten TDI nutzte und so den Diesel autotauglich machte: Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung. Der Vorteil im Kraftstoffverbrauch, der einst rund 25 Prozent betrug, schmilzt sukzessive auf jene 15 Prozent ab, die der Diesel mehr Kohlenstoff enthält. Zählt man nicht den volumetrischen Verbrauch, sondern die CO2-Emission, hängt der moderne Ottomotor dem Diesel bereits am Heck. Um zu überholen, setzt er nun fremde Hilfe ein: Als Hybrid mit Elektromotor und Akku ausgestattet, kann er zusätzliche Kräfte scheinbar CO2-neutral mobilisieren. Ein Vollhybrid ohne externe Lademöglichkeit bietet je nach Auslegung und Testzyklus weitere 15 bis 20 Prozent Verbrauchsvorteil gegenüber dem Basisbenziner.

Entschieden ist das Rennen allerdings noch lange nicht; das wird es wohl auch nie, dafür gibt es eine ganze Reihe guter technischer und auch wirtschaftlicher Gründe. Beginnen wir mit dem Motor selbst, von dem dessen Erfinder Rudolf Diesel einst sagte: „Mein Motor macht noch immer große Fortschritte.“ Das gilt auch heute, fast 120 Jahre nachdem der erste Dieselmotor auf dem Werksgelände der Maschinenfabrik Augsburg Nürnberg - bekannt als MAN - das Laufen lernte. Das mehr als mannshohe Ungetüm lieferte 1897, als es endlich stabil lief, nur 20 Pferdestärken - allerdings mit einem Wirkungsgrad von immerhin 26 Prozent. Es war für Diesel fortan das Wichtigste, die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad zu steigern - so sehen es Dieselentwickler auch heute noch, obwohl sich der Wirkungsgrad (bei Stationärmotoren) verdoppelt und die Leistungsdichte etwa um den Faktor 100 gesteigert hat.

Für weitere Verbesserungen steht zunächst die Kernkomponente jedes Dieselmotors, das Einspritzsystem, im Vordergrund. Es wird in der Regel von Zulieferern entwickelt, allen voran Bosch. Schon Robert Bosch beriet Rudolf Diesel bei der Entwicklung des ersten Motors. 2012 lieferten seine Erben acht Millionen Common-Rail-Systeme für Dieselmotoren aus. Diese Technik, bei der die Kraftstoffversorgung aller Motorzylinder über einen zentralen, unter hohem Druck stehenden Rohrspeicher („Rail“) erfolgt, hat andere Varianten nahezu vollständig verdrängt. Glaubten Motorkonstrukteure noch vor einem Jahrzehnt, dass Einspritzdrücke von mehr als 2000 bar nur mit Pumpe-Düse-Systemen zu erreichen sind - bei diesen wird der Druck direkt am Zylinder aufgebaut -, sind heute Common-Rail-Systeme mit 2500 bar im Markt. Auch Systeme mit 3000 bar sind keine Fiktion mehr, meint Markus Heyn, der heute das Dieselgeschäft von Bosch verantwortet. „Dieser Druck bleibt jedoch auf Rennsport- und Performance-Fahrzeuge begrenzt.“ Die Frage, ob die Einspritzung über Magnet- oder über Piezoventile gesteuert wird, vor kurzem noch intensiv diskutiert, scheint hingegen nachrangig geworden zu sein.

Warum bringt mehr Druck überhaupt mehr? Weil er erlaubt, auch bei sehr viel Luft im Zylinder die zugehörige Kraftstoffmenge einzuspritzen. Hochaufgeladene Dieselmotoren mit Biturbo oder auch einem elektrischen Kompressor profitieren also besonders. Neu ist das aber nicht, denn schon lange marschieren Auflade- und Einspritztechnik Hand in Hand - nur dass dem ersten TDI nur 900 bar Einspritzdruck reichten.

Mehrere Hürden mussten umschifft werden

In den vergangenen Jahren galt es für die Dieselentwickler, eine ganz andere Herausforderung zu meistern: neue Abgasgrenzwerte. Mit der Stufe Euro 6 ist nämlich eine Reduzierung der Stickoxidemission um zwei Drittel auf 0,06 Gramm je Kilometer verbunden. Kein Problem, sollte man meinen, denn Katalysatoren, die Stickoxide (NOx) mit Hilfe einer wässrigen Harnstofflösung in puren und unschädlichen Stickstoff zerlegen (SCR/selektive katalytische Reduktion), sind längst serienreif. Doch gleich mehrere Hürden mussten umschifft werden: Erstens sind SCR-Systeme teuer, sie verschlechtern also die Wettbewerbsfähigkeit des ohnehin schon relativ teuren Dieselmotors gegenüber dem Benziner. Daher greifen bei Klein- und Kompaktfahrzeugen nahezu alle Hersteller auf die günstigeren NOx-Speicherkatalysatoren zurück, die jedoch eine sehr gezielte Motorabstimmung erfordern. Das zweite Problem besteht in der Effizienz des Dieselmotors selbst: Er liefert immer weniger Abwärme. Die wird aber benötigt, damit die Katalysatoren anspringen. Daher wandert der Katalysator zunehmend vom Unterboden in den Motorraum. Um dort Platz zu finden, muss er kompakt ausgeführt werden. Und schließlich gilt es, den SCR-Verbrauch zu verringern, damit das Nachfüllen der Harnstofflösung auf die regulären Wartungsintervalle beschränkt werden kann - es wäre auch überzeugten Dieselfahrern kaum zu vermitteln, dass sie an der Tankstelle noch einen weiteren Betriebsstoff aufnehmen müssen. In der Summe funktioniert die Umstellung auf Euro 6 allerdings offenbar. Die Euro-6-Dieselfahrzeuge, die jetzt schon auf dem Markt sind, erscheinen preisstabil. Bis Anfang 2015 müssen alle neuen Fahrzeuge die Norm erfüllen.

Einführung neuer „großer“ Dieselmotoren geplant

Die Dieselentwickler haben den Kopf nun wieder frei für andere Aufgaben, zum Beispiel für neue Baureihen. Sowohl Audi als auch Daimler bereiten derzeit die Einführung neuer „großer“ Dieselmotoren vor, die 2015 oder 2016 auf den Markt kommen sollen. Viel verraten beide Hersteller naturgemäß noch nicht. Doch zumindest zur Zylinderzahl gibt es klare Ansagen: Audi will weiterhin einen V8-Motor im Programm halten - als einziger Anbieter, denn BMW und Mercedes-Benz haben die Achtzylinder aus dem Rennen gekickt. Das Drehmoment des aktuell stärksten (Auto-)Sechszylinders von Mercedes-Benz beträgt 620 Nm, da bleiben wenige Wünsche offen. Einige aber offenbar doch, und in diese Lücke stößt Audi mit dem V8, der zudem auch in andere Fahrzeuge des Konzerns - von Porsche bis zu einem eventuellen Phaeton-Nachfolger - verpflanzt werden könnte.

Wichtiges Entwicklungsziel aller Hersteller: den Diesel nicht zu teuer zu machen, damit er für Langstreckenfahrer erste Wahl bleibt. Das geht vor allem über Stückzahl und Modulbauweise. Modulbauweise heißt nicht mehr nur, verschiedene Leistungsstufen mit einem Motor abzudecken, sondern kleine Motoren mit drei oder vier Zylindern und große mit sechs oder mehr anzugleichen. Wo immer möglich, sollen sogar Komponenten oder Herstellverfahren mit dem Benziner geteilt werden. „Verblockung“ nennt dieses Vorgehen Peter Lückert, der die Personenwagen-Dieselmotorenentwicklung bei Daimler verantwortet.

In China tut sich der Diesel schwer

Die Stuttgarter unterstützen zudem die Initiative der deutschen Hersteller, den Diesel in Übersee zu etablieren. Denn auch wenn der Anteil des Selbstzünders in Europa annähernd stabil ist, so bietet dieser Markt keine Wachstumsperspektiven. Zunächst richteten sich die Hoffnungen auf die Vereinigten Staaten, wo weite Strecken gefahren werden. Doch das Marktforschungsunternehmen IHS prognostiziert für Personenwagen und leichte Nutzfahrzeuge auch 2020 einen Dieselanteil von nur sechs Prozent. Im größten Automarkt der Welt, in China, tut sich der Diesel ebenfalls schwer. Lange Zeit wollte die Regierung aus Angst um zu geringere Raffineriekapazitäten den Dieselgebrauch sogar ausschließlich Nutz- und Baufahrzeugen vorbehalten. Mittlerweile weicht diese Haltung offenbar auf; in einem internen Bosch-Papier wird geschätzt, dass sich die Dieselproduktion in China bis 2020 auf nahezu 300 Millionen Tonnen jährlich verdoppelt. Selbst wenn dann 20 Millionen Dieselfahrzeuge auf Chinas Straßen unterwegs wären, bestünde noch ein Überschuss. Ob die chinesischen Kunden überzeugt werden können, ist jedoch offen. Anders sieht es in Indien und in Südkorea aus, hier hat die deutsche Industrie die Oberklassetauglichkeit des Dieselprinzips schon etablieren können.

Im Kampf um den Antrieb der Zukunft hat der Diesel noch einen Trumpf im Ärmel: Man kann ihn ebenso zum Hybridantrieb ausbauen wie einen Benziner, dann ist er hinsichtlich des Verbrauchs nicht zu schlagen. So beträgt der Normverbrauch des Mercedes E 300 Bluetec Hybrid als Limousine 4,2 Liter auf 100 Kilometer, im Fahrtbericht schlug er sich mit 6,9 Litern für ein so großes und gut ausgestattetes Auto wacker. Doch dafür kombiniert man die teuersten Technologien, um den - absolut gesehen - ohnehin niedrigen Dieselverbrauch zu senken. Und einen deutlichen Vorteil im Alltag hat nur jener, der einigermaßen häufig in der Stadt fährt. Wer schnell und weit unterwegs ist, trägt das Gewicht des Hybridantriebs immer mit sich und fährt vermutlich mit einem reinen Diesel hinsichtlich der Kosten günstiger. Doch nicht immer zählen Ratio und Realität. Das grüne Gewissen, festgemacht am formalen Emissionswert, wird dafür sorgen, dass das noch überschaubare Angebot an Dieselhybriden (neben Mercedes vor allem von Peugeot/Citroën und Volvo) weiterwächst.

Auch ganz ohne Elektrifizierung: Für Vielfahrer bleibt der Diesel erste Wahl, sofern das Versprechen kontinuierlicher Verbesserung durch die Erben von Rudolf Diesel eingehalten wird. Und sofern sie die Kunden auf den schnell wachsenden Märkten Asiens im Wettbewerb der Antriebskonzepte vom Prinzip des Selbstzünders überzeugen können. Und im Lastwagen geht ohnehin nichts über den Diesel. Benzinmotoren sind hier schon aufgrund des höheren Verbrauchs undenkbar und Elektromobilität geht gar nicht, vor allem im Fernverkehr, weil die Batterien die Nutzlast torpedieren. Der Diesel hat also noch eine lange Zukunft.

Warum ein Diesel weniger verbraucht

Dieseltriebwerke sind Sparmotoren. Dass sie so effizient mit dem Kraftstoff umgehen, hat mehrere Gründe:

1. Dieselmotoren arbeiten mit einer deutlich höheren Verdichtung als Benziner, deren Kompression begrenzt sein muss, damit sie nicht unkontrolliert zünden (klopfen). Diesel sind hingegen Selbstzünder und erreichen durch die große Expansion, die der Verdichtung folgt, sehr hohe spezifische Drehmomente. Eine Ausnahme macht nur Mazda: Die Japaner fahren neuerdings Benzin- und Dieselmotoren mit einer einheitlichen Verdichtung von 16:1.

2. Dieselaggregate müssen grundsätzlich nicht gedrosselt werden, das Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft wird über die Einspritzung geregelt. Beim Ottomotor wird hingegen dafür eine Drosselklappe eingesetzt, sofern nicht ein aufwendiger, sehr variabler Ventiltrieb zum Einsatz kommt (moderne Diesel haben auch wieder eine Drosselklappe, die aber vor allem dazu dient, die Menge an rückgeführtem Abgas zu erhöhen, indem sie die Frischluftzufuhr reduziert).

3. Dieselkraftstoff enthält mehr chemisch gebundene Energie als Benzin. Das verschafft ihm rund 15 Prozent Vorteil, wenn man den Verbrauch in Litern zählt. Leider gilt das nicht für die CO2-Bilanz, denn die Menge des umgewandelten Kohlenstoffs steigt ebenfalls um rund 15 Prozent.

Quelle: F.A.Z.
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