Obwohl der Dieselmotor im letzten Jahrhundert stetig weiterentwickelt wurde, um ihn zu einem äußerst kraftstoffeffizienten Antriebsaggregat zu machen, ist er heute stärker bedroht als je zuvor. „Was ist also die Zukunft des Dieselmotors?“ war das Thema der Fragen, die Dr. Staffan Lundgren, Senior Technology Advisor für Powertrain bei der Volvo Group, gestellt wurden.
Warum ist Diesel nach wie vor eine so beliebte Antriebsquelle?
Die Diffusionsverbrennung – bei der sich die Verbrennung um die Zündung herum konzentriert und der Sauerstoff um den Verbrennungsbereich verteilt wird – ist sehr effizient. Der Energieverlust an den Motorwänden durch Strahlung oder Konvektion ist minimal – viel geringer als bei einem Benzinmotor. Der Basis-Dieselmotor ist sehr stark und hält sehr hohen Drücken stand.
Wie effizient ist es?
Es gab große Verbesserungen – von einem Wirkungsgrad von etwa 35 % in den 1980er Jahren auf den heutigen Wirkungsgrad von 50 %. Das bedeutet, dass die Hälfte des Kraftstoffs jetzt in nützliche mechanische Arbeit gesteckt wird. Als Referenz: Ein Benzinmotor hat einen Wirkungsgrad von etwa 35 %. Diese Fortschritte sind auf Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsysteme, Turboaufladung und die Einführung von Rechenleistung zur präzisen Steuerung der Verbrennung und der Nachbehandlungsmanagementsysteme zurückzuführen.
Ist die Steigerung der Kraftstoffeffizienz die wichtigste Forderung der Kunden?
Ja, eine gute Kraftstoffeffizienz ist das wichtigste Element, aber Kunden fordern auch eine gute Motorleistung und Haltbarkeit. Dann muss es sein
langlebig sein und Emissionsanforderungen erfüllen – und diese stehen teilweise in Konkurrenz zueinander.
Werden auch die Motoren leistungsfähiger?
Es gibt einen Aufwärtstrend – Kunden bewegen größere Lasten und das erfordert mehr Leistung. Die größte Leistung der Volvo-Gruppe beträgt derzeit 1,{1}} PS. Aber im Vergleich zu Pkw sind alle Schwerlastanwendungen immer noch (relativ) leistungsschwach.
Dem Dieselmotor wird vorgeworfen, er sei umweltschädlich. Kann es seine Tat bereinigen?
Es ist möglich, Dieselmotoren sehr sauber zu machen, und dabei hat die Schwerlastindustrie größere Fortschritte gemacht als der Leichtlastsektor. Dies liegt unter anderem daran, dass die Effizienzanforderungen der Kunden im Schwerlastbereich deutlich höher sind.
Wie schwierig war es, die Effizienz zu steigern und gleichzeitig die Emissionen zu senken?
Es war eine Herausforderung, den thermodynamischen Prozess zu verfeinern, um die Belastung durch die Hinzufügung des SCR-Nachbehandlungssystems zu kompensieren. Aber jetzt sind wir wieder auf dem richtigen Weg, die Effizienz Schritt für Schritt zu steigern.
Wie weit können Sie gehen – null Emissionen?
Es kommt darauf an, was Sie unter Emissionen verstehen. Wenn Sie den Motor mit Kraftstoff antreiben, der keinen Kohlenstoff enthält, und ihn mit einem effizienten Verbrennungsprozess kombinieren, der keinen Ruß erzeugt, sind null Emissionen möglich. Wir arbeiten daran, Methan und DME (Dimethylether) als saubere Alternativen zu Diesel einzusetzen. Das ist keine neue Idee, im Jahr 1900 wurde der Dieselmotor erfolgreich mit Erdnussöl betrieben. Das Problem liegt nicht in der Technologie, mit der die sauberen Kraftstoffe funktionieren, sondern in ihrer Verfügbarkeit. Wenn aber die Versorgungsfrage erneuerbarer Kraftstoffe gelöst werden kann, ist es möglich, dass Dieselmotoren zu 100 % CO2-frei laufen.
Bringen saubere Kraftstoffe nicht auch ihre eigenen Umweltherausforderungen mit sich?
Die Produktion von Biokraftstoffen sollte nicht mit der Lebensmittelproduktion konkurrieren – aber es gibt andere Kraftstoffe, bei denen dies kein Problem darstellt. Elektrokraftstoffe (E-Fuels) nutzen Sonnen- oder Windenergie, um Wasser zu „spalten“ und mit CO2 aus Methan zu kombinieren – und diese Kraftstoffe zeichnen sich durch einen recht hohen Wirkungsgrad aus – angeblich bis zu 80 %. Dies könnte eine interessante Ergänzung zur Elektrifizierung sein.
Wie wirken sich verschiedene Brennstoffe auf die Verbrennung aus?
Aus Effizienzsicht ist es dem Motor egal, ob das Kraftstoffmolekül aus einer fossilen oder einer erneuerbaren Quelle stammt. Mit Investitionen in die richtige Art erneuerbarer Kraftstoffe sollte der Übergang zu erneuerbaren Energien also unkompliziert sein.
Wie können wir den Kraftstoffverbrauch weiter senken?
Der nächste große Schritt zur Steigerung der Motoreffizienz/Senkung des Kraftstoffverbrauchs ist die Kombination mit der Elektromobilität. Die Anforderungen an Motoren werden in Zukunft nicht mehr so vielfältig sein wie heute. Es gibt einen Unterschied zwischen der Effizienz eines Motors an seinem „Sweet Spot“ und der Effizienz im gesamten realen Betriebsbereich. Durch die Kombination von Motoren mit Elektromotoren, wie bei Parallelhybriden, kann der Motor auf höchstem Effizienzniveau laufen. Zweifellos wird die Elektrifizierung Teil der zukünftigen Lösung für den Verbrennungsantriebsstrang sein.
Können andere Technologien dazu beitragen, die Kraftstoffkosten zu senken?
Beispiele hierfür sind die Stopp-Start-Technologie und 48-V-Bordnetze, die Nebenaggregate elektrisch und nicht mechanisch versorgen. Sobald ihre Robustheit nachgewiesen ist, können sie alle künftig in Schwerlastanwendungen eingesetzt werden. Aber eine weitere wichtige Quelle für mehr Effizienz ist die Wärmerückgewinnung. Dies ist bei Hochleistungsmotoren keine leichte Aufgabe, da sie relativ kalte Abgase haben, aber es besteht immer noch die Hoffnung, dies zu erfassen und kommerziell nutzbar zu machen.
Welche maximale Effizienz kann ein Motor erreichen?
Der Dieselmotor hat einen theoretischen Systemwirkungsgrad zwischen 55-60 %. Zur Veranschaulichung: Die besten Kraftwerke arbeiten mit einem Wirkungsgrad von 50-55 % und Brennstoffzellen haben ebenfalls einen Wirkungsgrad von über 50 % – Dieselmotoren können also unglaublich effizient sein. Dies und die Tatsache, dass Motoren, die mit Elektrifizierung arbeiten, häufig einen geringeren Leistungsbedarf haben, werden dazu führen, dass der Kraftstoffverbrauch in Zukunft sinken wird.
Wie lange kann der Dieselmotor überleben?
Der Dieselverbrennungsmotor bleibt eine sehr kostengünstige Lösung zur Erzeugung mechanischer Energie. Allerdings drängt die Gesetzgebung, insbesondere in Europa, recht stark auf die Elektrifizierung, und das kann sich direkt auf die Langlebigkeit des Verbrennungsmotors auswirken. Wir gehen davon aus, dass der Einsatz anwendungsbezogen sein wird und dass er noch über einen längeren Zeitraum im Langstreckeneinsatz, etwa auf Seeschiffen und Langstrecken-LKWs, bestehen bleiben wird. Aber auch hier wird es voraussichtlich einen Technologiemix geben.
Ist Diesel ein Teil der Zukunft?
Der Dieselmotor kann – in modifizierter Form – sehr sauber und effizient sein. Es spielt auch gut mit der Elektrifizierung. Als Hersteller müssen wir basierend auf den Entscheidungen der Gesellschaft die beste Lösung finden. Was auch immer sie sind, wir müssen vorbereitet sein.
