So funktionieren Dieselmotoren

Diesel: Technik, Abgase, SCR, AGR und Kurzstrecke

Dieselmotoren sind sparsame Dauerläufer, gelten aber als schmutzig. Was dahintersteckt und wie sie funktionieren, liest Du hier

  • Constantin Bergander
  • Veröffentlicht am 08/20/2020, 12:52 AM
Zu sehen ist ein Tankvorgang mit Dieselkraftstoff
Quelle: Picture-Alliance Der günstige Preis des Dieselkraftstoffes und der geringe Verbrauch des Dieselmotors sind Vorteile des Dieselantriebs

Noch vor wenigen Jahren war der Dieselmotor der beliebteste Antrieb in der EU. Mehr als die Hälfte aller neuen Pkw tankten im Jahr 2015 Diesel. Seit dem Dieselskandal im September 2015 sinkt der Anteil massiv. Diesel gelten seitdem als anrüchig. Einerseits wegen der Emissionen, andererseits wegen der Manipulationen der Hersteller. 2019 macht der Diesel noch ungefähr ein Drittel der Neuzulassungen aus. Neuwagenkäufer misstrauen dem Diesel, sie fürchten Fahrverbote. Für bestimmte Diesel gelten sie bereits.

Ein moderner Diesel mit Euro-6-Abgasnorm hat in den nächsten Jahren nach unserer Einschätzung keine Fahrverbote zu befürchten. Die Technologie bietet unverändert viele Vorteile, gerade bei großen, schweren Autos und im Langstreckenbetrieb. Welche das sind, liest Du in diesem Ratgeber. 


Diesel mit Euro 6d-Temp

Dieselfahrzeuge mit aktueller Schadstoffnorm tragen dazu bei, die Luftbelastung zu senken.


Technische Grundlagen: Selbstzündung 

  • Viertakt-Verbrennungsmotor 
  • Kraftstoff zündet ohne eingebrachten Funken („Selbstzündung“) 
  • Glühkerzen helfen bei niedrigen Außentemperaturen 
  • Umfangreiche Abgasreinigung nötig 
  • Sparsamer als Benziner 

​​Dieselmotoren fühlen sich anders an als Benziner. Sie sind laut und verfügen über ein starkes Drehmoment, sind aber nicht besonders drehfreudig. Das hat technische Gründe: Sie funktionieren nach einem eigenen Prinzip. In Dieselmotoren gibt es keine Zündkerzen, die ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft entflammen. In ihnen entzündet sich der Kraftstoff an heißer Luft. Weil das ohne fremde Hilfe funktioniert, spricht man von einem Selbstzünder. 

Grundsätzlich ähneln sich Dieselmotoren und Benziner. Spätestens seit der Einführung des Katalysators (in Deutschland ab 1985, Pflicht seit 1993) arbeiten beide Antriebstechnologien in Pkw ausschließlich nach dem Viertakt-Prinzip. Der Ablauf im Detail:  

  • Ansaugen (Kolben runter) 
  • Verdichten (Kolben hoch) 
  • Arbeiten (Kolben runter) 
  • Ausstoßen (Kolben hoch) 

Der Ablauf ist beim Dieselmotor aber anders. Zunächst saugt er Luft ein. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens entsteht Unterdruck, der Zylinder füllt sich mit der Umgebungsluft. Das funktioniert ähnlich wie eine Luftpumpe, die man aufzieht. Dann schließen die Einlassventile. Der Zylinder ist nun ein nahezu luftdichter Raum. Bewegt sich der Kolben aufwärts, kann diese Luft nicht entweichen – sie wird verdichtet. 

Wie stark die Luft verdichtet wird, bestimmt die Konstruktion des Motors. Ein Beispiel: Im 2,0-Liter-Turbodiesel des VW Golf TDI mit 150 PS verkleinert sich der zur Verfügung stehende Raum im Verhältnis 16,2 (Kolben unten) zu 1 (Kolben oben).  

Während der Zylinder die Luft verdichtet, entsteht Wärme. Nach dem gleichen Prinzip formt man Schneebälle: Der Druck der Hände lässt den Schnee leicht antauen. Aus weichem Pulver wird ein fester Ball. In der Physik spricht man von Kompressionswärme. Im Motor erreicht die verdichtete Luft Temperaturen von mehr als 700° Celsius. 

Ein Einspritzventil sprüht den Diesel in die heiße Luft. Die Temperatur genügt, um den fein zerstäubten Kraftstoff zu entzünden. Der Vorgang im Zylinder sieht aus, als würde man Haarspray (Diesel) auf eine offene Flamme (heiße Luft) sprühen. Der Druck steigt wegen der entstehendenExplosion schlagartig an und schleudert den Kolben nach unten. Der Kolben überträgt diese Kraft über eine Pleuelstange auf die Kurbelwelle. 

Im vierten Takt öffnen die Auslassventile. Abgase verlassen als Überbleibsel des verbrannten Diesel den Brennraum. Sie werden in Katalysatoren gereinigt und gelangen über den Auspuff an die Umgebungsluft. Der Kreislauf beginnt von Neuem. 

Warum haben Dieselmotoren Glühkerzen?

Der Diesel arbeitet nicht ganz so selbstständig, wie es sein Spitzname andeutet. Denn er ist nur bei gewissen Temperaturen ein Selbstzünder (220 bis 300 Grad). Erst dann haben sich die Metalle so weit ausgedehnt, dass der Zylinder in der Verdichtungsphase wirklich dicht bleibt. Und der Motor selbst ist warm genug, um die mühsam erhitzte Luft nicht sofort wieder an den Zylinderwänden abzukühlen.  

Deshalb bekommt der Diesel Unterstützung von der Glühkerze – einem länglichen Stab, der in den Motor eingebaut ist. Seine Spitze ragt in den Brennraum. Vor dem Kaltstart erhitzt sie das Innere des Zylinders, wenn es eigentlich noch nicht bereit für den Motorlauf ist. Bei modernen Autos passiert das nur im tiefen Winter und dauert wenige Sekunden. Alte Diesel glühen länger und bei höheren Temperaturen vor. 

Dieselmotoren fühlen sich generell erst wohl, wenn sie ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Je kälter der Motor ist, desto länger dauert das Entflammen im Brennraum. Die Explosion entwickelt sich dann noch nicht Stück für Stück, sondern auf einmal und besonders heftig. Von außen nimmt man ein deutliches Nageln wahr. Wird der Motor wärmer, verschwindet das Geräusch beinahe. 

Was bedeuten „Common Rail“ und „Pumpe-Düse“?

Es gibt verschiedene Arten, den Diesel in den Brennraum zu sprühen. Aktuelle Dieselmotoren arbeiten mit einer Direkteinspritzung. Der Kraftstoff landet über Einspritzdüsen direkt in den Zylindern. 

Heutzutage benutzt man dafür eine Konstruktion mit einem Verteilerrohr, an das alle Einspritzdüsen des Motors angeschlossen sind. Eine Pumpe baut in diesem Rohr einen hohen Kraftstoffdruck auf (aktuell in der Regel ca. 2.500 bar). Öffnet sich ein Einspritzventil, entweicht der Kraftstoff mit diesem Druck in den Zylinder. Ein Steuergerät bestimmt Zeitpunkt und Öffnungsdauer. Weil alle Ventile ans selbe Rohr gekoppelt sind, spricht man von einem gemeinsamen Verteilerrohr (Common Rail). 

Zu sehen ist der Auspuff eines Dieselfahrzeuges
Quelle: Picture-Alliance Der hohe Stickoxid-Ausstoß ist ein großes Manko des Dieselmotors

Vor einigen Jahren war noch das Pumpe-Düse-System aktuell. Es ist komplizierter aufgebaut. Hier sind Einspritzdüse und Kraftstoffpumpe eine Einheit. Jeder Zylinder bekommt ein eigenes Pumpe-Düse-Element. Die Pumpe wird mechanisch über die Nockenwelle angetrieben. Problematisch daran ist, dass sich das Timing des Einspritzvorgangs nicht variieren lässt. Moderne Abgasnormen erfordern spontanere Systeme, die mehrfach nacheinander einspritzen können. Das ist damit nicht möglich. 

Warum sind Dieselmotoren schwächer als Benziner? 

Benzinmotoren sind bei ähnlichen Eckdaten stärker als Diesel. Mit zwei Litern Hubraum schaffen Selbstzünder in der Serie bis zu 240 PS, Benziner mehr als 400 PS. Das liegt daran, dass die Höchstdrehzahl des Dieselmotors physikalisch begrenzt ist.  

Schuld ist der sogenannte Zündverzug, also der zeitliche Abstand zwischen Einspritzbeginn und der ersten Zündung: Für hohe Drehzahlen ist das Verbrennungsprinzip eines Diesels zu träge. Der Motor käme mit dem Verbrennen nicht mehr hinterher. Moderne Diesel erreichen deshalb nur ungefähr 5.500 Umdrehungen pro Minute.  

Wie viel PS ein Motor hat, hängt allerdings von der Drehzahl ab. Die Leistung errechnet sich aus Drehzahl und Drehmoment. Das Drehmoment lässt sich ebenfalls nicht beliebig weit steigern. Materialien und Kosten setzen an dieser Stelle die Grenzen. Der Benziner hat mehr Möglichkeiten. 

Ein konkretes Beispiel: Der 2,0-Liter-Turbodiesel des Jaguar XE erreicht ein maximales Drehmoment von 500 Newtonmetern. Seine Höchstleistung von 240 PS erreicht er bei 4.000 Touren. Der 2,0-Liter-Turbobenziner im Mercedes-AMG A 45 S verfügt ebenfalls über 500 Newtonmeter. Seine Höchstleistung von 421 PS erreicht er bei 6.750 Touren – ein klarer Vorsprung. 

Vergleicht man Motoren mit gleicher Leistung, ergibt sich hingegen ein Vorteil für den Diesel: Er hat ein höheres Drehmoment bei niedriger Drehzahl. Deshalb fühlen sich Diesel kraftvoll und souverän an. Schneller fahren sie dadurch allerdings nicht. Die Höchstgeschwindigkeit hängt von Motorleistung und Getriebeübersetzung ab. 

Warum sind Dieselmotoren sparsamer als Benziner?

Dieselmotoren lohnen sich an der Tankstelle. Der Sprit ist günstiger und das Auto kommt mit der gleichen Menge Kraftstoff weiter als Benziner. Der niedrige Verbrauch hängt aber nicht mit einer überlegenen Antriebstechnik zusammen. Das Geheimnis: Ein Liter Diesel enthält mehr Energie als ein Liter Benzin. Bei den Kraftstoffen ist es wie bei den Lebensmitteln – ein Liter Brause hat ja auch mehr Kalorien als ein Liter Milch. 

In Zahlen ausgedrückt: In einem Liter Diesel stecken 9,79 kWh, in einem Liter Benzin nur 8,67 kWh. Das sind fast 13 Prozent Unterschied. Für die gleiche Anstrengung muss der Benziner also mehr Kraftstoff verbrennen als ein Diesel. Die reine Menge des verbrannten Kraftstoffs entscheidet aber nicht über die Umweltverträglichkeit. 

Denn Diesel enthält mehr Kohlenstoff als Benzin. Die Co-Atome reagieren beim Verbrennen mit Sauerstoff zu CO2. Aus einem Liter Benzin entstehen im Motor 2,33 Kilogramm CO2. Ein Liter Diesel erzeugt 2,64 Kilogramm CO2. Damit ein Benziner und ein Diesel gleich viel CO2 ausstoßen, muss der Dieselmotor also weniger Kraftstoff verbrauchen. 


Fahrzeuge mit LPG-/CNG-Antrieb

Gasantriebe werden von einer Vielzahl von Herstellern für ihre Modelle angeboten.


Diesel-Abgase: Stickoxide, Feinstaub 

  • Beim Verbrennungsvorgang entstehen Schadstoffe. 
  • Unsaubere Verbrennung verursacht Stickoxide und Rußpartikel. 
  • Verschiedene Maßnahmen zur Abgasreinigung 
  • Keine Probleme bei modernen Dieselmotoren (Abgasnorm Euro 6d-TEMP oder neuer) 

Der Dieselmotor hat ein Schadstoffproblem. Das ist spätestens seit dem Abgasskandal um manipulierte Steuergeräte bekannt: Viele Dieselmotoren stoßen mehr Stickoxide aus, als ihre Datenblätter versprechen. Städte sprechen Fahrverbote aus, das Vertrauen in die Technik schwindet. 

Zunächst eine Entwarnung: Dieselmotoren sind nicht pauschal schmutzig. Allerdings nutzen viele Hersteller über einen langen Zeitraum Lücken in der Abgasgesetzgebung aus, um Kosten zu sparen. Im realen Straßenverkehr sind Diesel schädlicher als während der Prüffahrten.  

Das gilt nicht für moderne Selbstzünder mit der Abgasnorm Euro 6d-TEMP oder besser (siehe Zulassungsbescheinigung Teil 1, Feld 14). Sie reinigen ihre Abgase besonders gründlich und gelten als sauber. Einige unterbieten ihre zulässigen Grenzwerte deutlich. Man kann also bedenkenlos einen neuen Diesel kaufen. 

Schuld an den Schadstoffen im Dieselabgas ist eine nicht perfekte Verbrennung. Der Kraftstoff verteilt sich beim Einspritzen ungleichmäßig im Zylinder. An einigen Stellen kommt mehr Diesel an, an anderen weniger. Das führt zu Temperaturspitzen. An besonders heißen Stellen bilden sich Stickoxide. An Stellen mit übermäßig viel Kraftstoff kommt keine saubere Verbrennung zustande. Es bilden sich Rußpartikel. 

Diese Schadstoffe dürfen nur in begrenzter Menge ausgestoßen werden, weil sie gesundheitsschädlich sind. Sie reizen Atemwege und stellen für viele Menschen ein ernstes Risiko dar. Abgasreinigungssysteme fischen die Partikel aus den Gasen und wandeln die Stickoxide in ungefährliche Stoffe um.  

Abgasreinigung im Diesel: AGR-Ventile, SCR-Kats, Partikelfilter, AdBlue tanken ​​​​​​

  • Verschiedene Systeme zur Reduktion von Schadstoffen 
  • Abgasrückführung, NOx-Speicherkat und SCR-Kats senken Stickoxidausstoß 
  • Partikelfilter sind schon lange Pflicht. 
  • Ohne AdBlue keine modernen Diesel 
  • Neue Diesel haben keine Abgasprobleme 
Zu sehen ist eine Diesel-Software-Update Situation
Quelle: Picture-Alliance Das Diesel-Software-Update soll den Ausstoß an ungesunden Stickstoffoxiden minimieren. Fallweise muss die Software nur die Fahrzeugbauteile neu ausrichten

Die Zeiten eines einfachen Katalysators sind vorbei. Moderne Dieselmotoren reinigen ihre Abgase in mehreren Stufen: Eine Abgasrückführung verhindert die Bildung von Stickoxiden im Motor. NOx-Speicherkatalysatoren sammeln Stickoxide und wandeln sie in harmlose Stoffe um. SCR-Katalysatoren haben die gleiche Aufgabe, setzen dafür aber die Flüssigkeit „AdBlue“ ein. Partikelfilter sind schon lange Standard bei Dieseln. Sie verhindern, dass sich gefährliche Mengen Feinstaub in die Atemluft mischen.  

Reinigungssysteme sind teuer, bei einigen Fahrzeugen sogar teurer als der Motor selbst. Diesel sind deshalb teurer als Benziner. In Klein- und Kleinstwagen lohnt sich der Einsatz nicht mehr, die Autos wären zu kostspielig für ihre Klassen. 

Abgasrückführung mit AGR-Ventilen

Die Abgasrückfühlung ist eine Art Kühler für die Verbrennungstemperaturen. Sie soll verhindern, dass Stickoxide im Motor entstehen, indem sie die Temperatur im Brennraum senken. Weniger Hitze bedeutet weniger Stickoxide: Stickstoff und Sauerstoff reagieren erst bei mehr als 1.000 Grad Celsius miteinander. 

Dafür werden, wie es der Name schon sagt, Abgase in den Brennraum zurückgeführt. Die Gase sind nicht brennbar und behindern gezielt die Verbrennung im Motor: Sie nehmen Wärme auf. Das funktioniert allerdings nicht in allen Situationen. Um die Bauteile zu schonen, schalten viele Fahrzeuge in bestimmten Bereichen die Abgasrückführung ab. Für aktuelle Abgasnormen genügt das nicht. 

NOx-Speicherkats

Ein NOx-Speicherkatalysator ist Bestandteil des Abgassystems. Auf seiner Oberfläche sammeln sich Stickoxide. Wenn die komplette Fläche belegt ist, startet die Regeneration: Der Motor läuft für einen kurzen Zeitraum mit zu viel Kraftstoff. Dabei gelangen Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe ins Abgas. Diese Stoffe reagieren im NOx-Speicherkat mit den Stickoxiden zu Kohlendioxid und Stickstoff. Aus den gefährlichen Stoffen werden harmlose Gase. 

Der NOx-Speicherkat kann allerdings nicht alle Temperaturbereiche der Abgase abdecken. Er ist bei bis zu 250 Grad Celsius im Abgas effizient. Über viele Jahre ergänzt er in großen Fahrzeugen die Abgasrückführung. Mittlerweile sind die Grenzwerte aber zu streng für das Duo aus beiden Systemen. 


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SCR-Katalysatoren mit AdBlue-Einspritzung

Moderne Dieselfahrzeuge setzen deshalb sogenannte SCR-Katalysatoren ein. SCR steht für „Selective Catalytic Reduction“. Das bedeutet: Mithilfe einer Flüssigkeit werden die Stickoxide gezielt entschärft. SCR-Katalysatoren nutzen eine wässrige Harnstofflösung. Man erhält sie an der Tankstelle unter dem Namen „AdBlue“.  

SCR-Katalysatoren spritzen AdBlue in den Abgasstrom. Trifft die Lösung auf die heißen Abgase, entsteht Ammoniak. Dieses reagiert mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser, also zu zwei harmlosen Stoffen. Ist das System gut in das Fahrzeug integriert, kann es einen Großteil der Stickoxide aus den Abgasen filtern. Alle aktuellen Pkw-Diesel nutzen diese Technik zur Abgasreinigung. 

Nur mithilfe von AdBlue erfüllen moderne Diesel ihre Abgasnormen. Das bedeutet, dass sie ohne den Stoff nicht sauber genug sind. Das Auto prüft vor dem Start, ob sich noch AdBlue im Tank befindet. Ist er leer, blockiert ein System den Motorstart – das Auto fährt nicht mehr. Der Fahrer bekommt rechtzeitig einen Hinweis, wenn der Füllstand sinkt. 

Partikelfilter

Partikelfilter kümmern sich um andere Schadstoffe. Sie filtern den Feinstaub (Rußpartikel) aus den Abgasen. Sie treten unabhängig von Stickoxiden bei Diesel und Benziner auf. Seit 2009 reguliert der Gesetzgeber mit Inkrafttreten der Abgasnorm Euro 5 die Partikelmasse. Nur ein Teilerfolg, denn vor allem kleine Partikel sind gesundheitsschädlich. Die Partikelanzahl ist seit 2011 (Diesel) bzw. 2014 (Benziner) reguliert.  

Zu sehen ist eine Autofabrik
Quelle: Picture-Alliance Im Jahre 2014 boomt die Dieselfahrzeug-Produktion. Vier Jahre nach dem Abgasskandal hingegen macht der Diesel nur noch ungefähr ein Drittel der Neuzulassungen aus

Viele Hersteller versuchen zunächst, die Grenzwerte mit innermotorischen Verbesserungen einzuhalten. Peugeot rüstet als erster Autobauer ein Auto serienmäßig mit einem Rußpartikelfilter aus. Mittlerweile gibt es Partikelfilter in allen Dieseln und vielen Benzinern. Der Filter sitzt im Abgasstrang und sammelt den Ruß ein. Hat er sein Limit erreicht, kann er sich regenerieren.  

Das funktioniert anders als bei einem NOx-Speicherkat: Der Rußpartikelfilter benötigt eine Temperatur von mehr als 600 Grad. Die erreicht er zum Beispiel bei schnellen Autobahnetappen. Ist der Filter heiß genug, brennt der Ruß ab. Er hinterlässt CO2 und Asche. Nach vielen Regenerationsvorgängen verstopft die Asche den Filter. Er muss dann ausgetauscht werden. Der Partikelfilter hält in etwa für 200.000 Kilometer. 

Kurzstrecke und Diesel – warum das schädlich ist 

  • Kurzstrecken sind generell schädlich. 
  • Erhöhter Verschleiß 
  • Verbrennungsmotoren benötigen Betriebstemperatur. 
  • Mögliche Folgen: verdünntes Motoröl und zugesetzte Partikelfilter  

Kurze Wege mag kein Auto mit Verbrennungsmotor. Der Motor erreicht erst nach einer längeren Strecke seine Betriebstemperatur. In der Warmlaufphase verschleißt er stärker. Autos, die nur auf kurzen Wegen gefahren werden, gehen also früher kaputt. Für den Diesel gilt das besonders. Eine Start-Stopp-Automatik verstärkt den Effekt. 

Diesel erreichen langsamer ihre Betriebstemperatur, die Abgase sind im Vergleich zu Benzinern kälter. Der Rußpartikelfilter kann sich nicht regenerieren, wenn die Abgastemperaturen zu niedrig sind. Das Motorsteuergerät versucht zu helfen, indem es die Einspritzmenge erhöht. Auf kurzen Wegen funktioniert das aber nur bedingt. Im schlimmsten Fall gelangt überflüssiger Kraftstoff ins Motoröl und verdünnt den Schmierstoff. Das ist schädlich für den Motor. Kann sich der Filter über lange Zeit nicht regenerieren, setzt er sich zu und muss getauscht werden. 

Wer vor allem auf Kurzstrecken von weniger als zehn oder 20 Kilometern unterwegs ist, sollte deshalb keinen Diesel kaufen. Mittlerweile setzen die meisten Benziner ebenfalls Partikelfilter ein. Sie sind von der Problematik weniger betroffen, aber ebenfalls gefährdet. Unter Umständen eignet sich ein Elektroauto am besten. 


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Was ist Dieselpest? 

  • Auf Dieselkraftstoff nisten sich Mikroorganismen ein. 
  • Dieselpest: Schleim kann Bauteile verstopfen. 
  • Regelmäßige Bewegung beugt vor 
  • Hausmittel und Additive helfen 

Von Dieselpest spricht man, wenn Mikroorganismen im Kraftstoff einen Schlamm bilden. Es handelt sich dabei um Bakterien, Hefen oder Pilze. Sie ernähren sich von den Kohlenwasserstoffen im Diesel und im Wasser. Seit der Einführung von Biodiesel kommt die Dieselpest häufiger vor. 

Besonders gefährdet sind Fahrzeuge, die nur selten bewegt werden, zum Beispiel Wohnmobile, Boote oder Notstromaggregate. Stehen die Motoren still, setzt sich das Wasser des Kraftstoffs ab und bildet einen idealen Nährboden. Zusätzlich entsteht im Tank unter Umständen Kondensat. Prinzipiell können Mikroben aber überall auftreten. 

Zu sehen ist ein Dieselmotor
Quelle: Picture-Alliance Der Dieselmotor ist ein Selbstzünder. Der Diesel-Kraftstoff entflammt ohne externe Einwirkung an der heißen Luft

Wenn sich ein Schlamm gebildet hat, kann er Filter, Leitungen und Pumpen verstopfen. Tanks lassen sich meist reinigen. Im fortgeschrittenen Stadium müssen aber unter Umständen einige Bauteile ausgetauscht werden. Für den Menschen ist die Dieselpest nicht gefährlich – es sei denn, er bemerkt sie zu spät und hat deshalb eine Panne: 2014 infizierte eine Tankstelle 60 Fahrzeuge. Sie blieben wenige Kilometer weiter liegen. 

Einige Hersteller bieten Additive an, um die Bildung von Mikroben im Kraftstoff zu verhindern. Spezielle Kraftstofffilter steuern ebenfalls gegen. Zudem hilft es, Fahrzeuge vor dem Abstellen vollzutanken – so entsteht weniger Kondenswasser. Das gilt auch für einen eventuellen Dieselvorrat: Privatpersonen dürfen bis zu 200 Liter Dieselkraftstoff lagern. 



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