Volvo: Revolutionäre Entwicklung auf dem Dieselsektor

Der Evolutionsschritt des Selbstzünders von den Anfängen bis heute ist groß: Ein Dieseltriebwerk neuester Generation mit einer Leistung von 150 PS bietet heute die gleiche Fahrdynamik wie ein 200 PS starker Benzinmotor mit Turboaufladung – und das bei signifikant niedrigerem Kraftstoffverbrauch und deutlich geringeren CO₂-Emissionen.

Die Ursprünge liegen so weit gar nicht auseinander: Während Nikolaus August Otto den Viertakt-Benzinmotor 1867 aus der Taufe hob, ist die Erfindung des Dieselmotors aus dem Jahr 1898 das Verdienst seines Namensgebers Rudolf Diesel. Die Prinzipien sind bis heute unverändert, haben aber seit damals eine fortwährende Entwicklung durchlaufen.

Während die Evolution des Benzinmotors über ein Jahrhundert hinweg schrittweise und kontinuierlich verlief, ging es mit dem Diesel über eine Periode von etwa fünfzig Jahren – mangels Attraktivität – eher langsam voran: Die Kammersysteme zur Vorverbrennung und mechanische Niederdruck-Einspritzsysteme führten gegenüber dem Benziner zu einer deutlich niedrigeren spezifischen Leistung.

Bis in die jüngere Vergangenheit galt der Diesel deshalb im Hinblick auf Leistung und Umweltschonung als unterlegenes Konzept. Die Motoren wurden als laut und übel riechend wahrgenommen, der Kraftstoff galt als schmutzig. Gleichwohl wurden sie in weiten Teilen Europas aufgrund ihrer Sparsamkeit und Wirtschaftlichkeit geschätzt, während sie in Ländern wie Griechenland, teilweise auch den USA und Japan, nach wie vor mit einem Negativ-Image behaftet blieben. Manches Vorurteil konnte als Mythos bis heute überleben, obwohl die Selbstzünder-Triebwerke außer dem Prinzip kaum noch etwas mit ihren Ahnen gemeinsam haben.

Denn mit Direkteinspritzung, Turboaufladung und Vierventiltechnik erfuhr der Diesel im Verlauf der letzten zehn bis fünfzehn Jahre einen derartigen Aufschwung, dass er den Benziner innerhalb kurzer Zeit ein- und teilweise sogar überholen konnte.

So liefern die deutlich höheren spezifischen Drehmomente gegenüber vergleichbaren Benzinern ein deutliches Plus an Zugkraft. Die Folge sind ausgezeichnete Fahrleistungen und gute Fahrbarkeit. Auch die arttypischen Nagelgeräusche sind meist nur noch in der Kaltlaufphase und im Leerlauf wahrnehmbar. Die Triebwerke generieren – was in vielen europäischen Märkten ein maßgebliches Kriterium darstellt – Fahrspaß. Erst recht angesichts der Tatsache, dass Tankstopps vergleichsweise selten anfallen. So lässt sich mit einem 185 PS starken Volvo V70 D5 mit Automatikgetriebe unter be-stimmten Bedingungen ein Durchschnittsverbrauch von 5,0 l/100 km realisieren – und dies mit einer Laufkultur und einem Akustikkomfort, die einem solchen Premium-Fahrzeug angemessen sind.

Dazu kommt, dass moderne Dieselmotoren beim Ausstoß des Treibhausgases CO₂ pro Liter Kraftstoff um rund 20 Prozent niedriger liegen als vergleichbare Benziner. Bei den Partikelemissionen bieten sie durch den Einsatz spezieller Filter praktisch gleiches Niveau. Lediglich die Stickoxidwerte (NOx) liegen noch etwas höher.

Schlüsseltechnologien Common-Rail, Hochdruckpumpe, Druckspeicherung

In der Grundmechanik stimmen Benzin- und Dieselmotoren weitgehend überein, obwohl letztere aufgrund der höheren Verbrennungsdrücke massiver ausgeführt sind. Statt eines Benzin-Luft-Gemischs wird bei ihnen Luft durch den Einlasstrakt geleitet und in eine Drallbewegung versetzt, um den dieselspezifischen Verbrennungsablauf zu optimieren. Die für den Kaltstart notwendigen Vorglühkerzen sind heute so leistungsfähig, dass Dieselmotoren ebenso schnell startklar sind wie ihre Benziner-Pendants.

Im Unterschied zu Benzinmotoren entzündet sich der Dieselkraftstoff beim Einspritz-vorgang an der hoch verdichteten und stark erhitzten Luft von selbst. Eine Drosselklappe ist nicht erForderlich, die Motorleistung reguliert sich allein über die injizierte Kraftstoffmenge.

Die Schlüsseltechnologien der modernen Dieselgeneration sind Common-Rail-Einspritzung, Hochdruckpumpen und Druckspeicherung. Inzwischen können Systemdrücke bis zu 2.000 bar erzeugt werden, das Einspritzmanagement erfolgt vollelektronisch. Im Hinblick auf niedrige Emissionsraten, einen weichen Prozessablauf und niedrige Geräuschentwicklung wird die Verbrennung mit einer Piloteinspritzung eingeleitet. Die Injektoren verfügen zwecks feinster Kraftstoffzerstäubung über fünf bis sieben extrem dünne Bohrungen.

Bis zu zwanzig Prozent höherer Wirkungsgrad

Ein weiteres Merkmal zeitgemäßer Dieseltechnologie ist der Einsatz neuester Turboladersysteme mit variabler, pneumatisch oder elektrisch verstellbarer Turbinengeometrie. Die resultierenden höheren Zylinder-Füllungsgrade lassen sich zur Leistungsoptimierung bei verbessertem Wirkungsgrad ebenso einsetzen wie zur Senkung der Abgasemissionen.

Im Gesamtwirkungsgrad liegen Dieselmotoren um 20 bis 30 Prozent günstiger als Benzinmotoren, das heißt: Sie erzeugen pro Kraftstoffeinheit ein entsprechendes Plus an physikalischer Arbeit. Da Dieselkraftstoff im Unterschied zu Benzin keine Klopfgrenze besitzt, können die Motoren mit hohen Verdichtungsverhältnissen nah am Optimum von 16 bis 19:1 betrieben werden, während Benziner bei etwa 10,5:1 limitiert sind.

Eine Gegenüberstellung aus der aktuellen Volvo Modellpalette liefert Vergleichswerte. So liegt derzeit die Summe der NOx- und HC-Emissionen eines Benzinmotors bei 0,05 g/km, die des Dieselmotors noch bei 0,22 g/km. Die HC-Werte allein sind dagegen vergleichbar: Im Fall CO emittiert das aktuelle Volvo D5-Triebwerk 0,205 g/km, wäh-rend der aufgeladene Benziner 2.5T 0,216 g/km ausstößt.

Abgasrückführung zur NOx-Reduktion

Stickoxide entstehen bei der Verbrennung durch die Verbindung von Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N2) unter hohen Temperaturen. Der Prozessverlauf hängt von lokalen Temperaturspitzen ab und steigt mit zunehmender Zylinderfüllung, also mit der Beschleunigung, Geschwindigkeit und dem Lastzustand des Motors. Die Reduzierung der Stickoxide erfolgt über drei Wege: durch eine kontrollierte Einspritzung und Verbrennung, per Abgasrückführung und mittels Nachbehandlung durch Oxidationskatalysatoren.

Bei der Abgasrückführung wird ein Teil des Abgases in den Einlasstrakt des Motors zurückgeleitet. Obwohl die Ansaugluft noch immer höhere Temperaturen aufweist als die Umgebungsluft, steigt die "spezifische Wärme" des Gemischs an, während der relative Sauerstoffanteil sinkt. Damit läuft die Verbrennung langsamer und bei niedrigeren Temperaturen ab, erzeugt aber auch weniger Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen. Ein Effekt, der sich durch zusätzliche Kühlung der rückgeführten Abgase noch verstärken lässt. Durch die Nachbehandlung per Oxidationskatalysator lassen sich darüber hinaus auch die HC- und CO-Anteile im Abgas nochmals signifikant senken.

Weiterer Fortschritt durch Partikelfilter

Als neuestes Merkmal sauberer Dieseltechnologie sind spezielle Partikelfilter hinzugekommen, mit denen sich die Feststoff-Emissionen auf das Niveau von Benzinern sen-ken lassen. Die im Filter abgelagerten Rußpartikel werden in Intervallen von etwa 500 Kilometern – vom Fahrer unbemerkt – automatisch abgebrannt, wobei mit dem CDPF-Filter (Catalysed Diesel Particulate Filter) und dem ADPF-Filter (Additive Diesel Par-ticulate Filter) zwei Systeme zum Einsatz kommen. Zum Abbrennen der gesammelten Rückstände im ADPF-Filter wird dem Kraftstoff ein Additiv zugegeben.

In beiden Filtertypen kommt ein Trägermaterial zum Einsatz, das dem von Dreiwege-Katalysatoren ähnelt. Auch das Funktionsprinzip ist vergleichbar, denn die Abgase werden ebenfalls durch feine Kanäle geführt. Allerdings mit dem Unterschied, dass jeder Kanal eine geschlossene Vorder- oder Rückseite aufweist und die Abgase dadurch gezwungen werden, die porösen Zwischenwände zu durchdringen und in jeweils benachbarte Kanäle zu wandern. Dabei lagern sich die Rußpartikel an den Innenwänden ab.

Die Automobilhersteller arbeiten weiterhin mit Hochdruck daran, die Partikelemission von Dieselabgasen zu reduzieren. Darüber hinaus sind die Mineralölhersteller aufgeru-fen, mit der Entwicklung optimierter Kraftstoffe ihren Beitrag zu leisten. Versuche zeigen, dass beispielsweise die Verwendung synthetischer Dieselkraftstoffe eine Min-derung der NOx- und Partikelraten um weitere 20 beziehungsweise 30 Prozent ermöglicht.