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Dieselmotor – Zeitgemäß oder umweltschädlich?

Früher galt Deutschland als Dieselland - doch der Marktanteil von Dieselmotoren sinkt bei Neuwagen seit Monaten. Im ersten Halbjahr 2017 machten sie gemäß dem Kraftfahrtbundesamt 46,3 % der Neuzulassungen aus. Im Vorjahr waren es hingegen noch 50,2 %. Der Manipulationsskandal geschönter Stickoxidwerte, der CO2-Ausstoß und die Feinstaubbelastung haben eine Verbotsdebatte in Gang gesetzt, die bei Käufern für Verunsicherung sorgt. Doch wie funktioniert ein Diesel überhaupt und warum steht er so in der Kritik?

Wie funktioniert ein Dieselmotor?

Der Dieselmotor ist ein Selbstzünder und im Gegensatz zum Benziner wird beim Diesel kein Gemisch aus Kraftstoff und Luft eingespritzt. Stattdessen wird Luft während des Verdichtungstakts stark komprimiert, was einen starken Temperaturanstieg zur Folge hat. Die Kompression erhitzt das Gas auf 700 - 900° Celsius, was ausreicht, um den kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens eingespritzten Kraftstoff zu entzünden. Aus diesem Grund benötigt ein Dieselmotor auch keine Zündkerzen. Stattdessen werden zur Unterstützung beim Kaltstart meist Glühkerzen eingesetzt, die den Zylinder und die Brennkammer aufheizen. Sie arbeiten mittlerweile sehr schnell und erreichen Temperaturen von bis zu 1200° C. Langsames Vorglühen und Warten vor dem Start des Motors sind bei modernen Dieseln daher nicht mehr notwendig.

Bild: I. Hegedus-Garcia @flickr.com (CC BY 2.0)

Ein Dieselmotor nutzt 33-45 % der im Kraftstoff gespeicherten Energie. Die restlichen ca. 60 % gehen in Form von Wärme und Licht verloren. Der Wirkungsgrad mag gering erscheinen, liegt aber deutlich über den Werten eines Ottomotors. Grund sind die höheren Verbrennungstemperaturen.

Warum ist der Diesel in der Kritik?

Bei der Verbrennung reagieren die chemischen Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Ansaugluft. Sie oxidieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Doch diese ideale, vollständige Verbrennung lässt sich in der Praxis nicht realisieren, sodass auch der in der Luft enthaltene Stickstoff reagiert und teilweise zu Stickoxiden umgewandelt wird. Diese nitrosen Gase sind gesundheitsschädlich und ein Hauptgrund für die Kritik am Diesel. Für Aufsehen sorgte u.a. die Tatsache, dass das Bundesumweltamt im April 2017 neue Daten veröffentlichte, nach denen selbst moderne Dieselfahrzeuge die vorgeschriebenen EU-Grenzwerte für Stickoxid um ein Vielfaches überschreiten.

Ausgelöst wurde der Diesel-Skandal durch die Erkenntnis und schließlich das Eingeständnis von Volkswagen im September 2015, Millionen Autos manipuliert zu haben. Die Steuergeräte der betroffenen Fahrzeuge konnten erkennen, ob es sich um eine Testsituation oder den normalen Fahrbetrieb handelt und entsprechend reagieren. Der Ruf der deutschen Automobilhersteller hat durch den Diesel-Skandal massiv gelitten. In seinem aktuellen EcoTest nahm der ADAC aktuell 188 Dieselmodelle von zwölf verschiedenen Automobilherstellern unter die Lupe. Etliche Fahrzeuge versagten bei der Reinigung der Abgase. Autos ausländischer Herstellern schnitten dabei sogar noch deutlich schlechter ab als deutsche Pkw und wiesen einen bis zu fünfmal so hohen Schadstoffausstoß auf. Getestet wurden moderne Euro-6-Diesel, wie sie seit dem Jahr 2013 auf dem Markt sind.

Welche technischen Lösungen gibt es?

Um die Verbrennung zu optimieren, wurde die Einspritzung des Kraftstoffes in den vergangenen Jahren deutlich optimiert. Ziel ist es, ein möglichst homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu schaffen. Dabei helfen hohe Einspritzdrücke, die für eine feine Vernebelung sorgen. Common-Rail-Systeme und Pumpe-Düse-Injektoren sind aktuelle technische Lösungen. Doch auch weitere Technologien liegen auf dem Tisch. So lassen sich die Emissionen z.B. durch eine Ventilsteuerung, eine variable Verdichtung, Wassereinspritzung, eine präzisere Abstimmung der Turbolader, der Nutzung von Restwärme, einer Abgasrückführung sowie durch eine Ladeluftkühlung verringern. Auch die Einspritzung steht weiterhin im Fokus der Bemühungen. Höhere Drücke und mehrfache Einspritzungen im Millisekundenbereich würden zur besseren Durchmischung mit der Luft führen. Nachteil all dieser Bemühungen sind kleinere Verbrennungsrückstände, die als mikroskopischer Feinstaub so winzig sind, dass sie nicht mehr aus dem Abgas gefiltert werden können und vom Menschen eingeatmet Krebs auslösen sollen.

Der eingespritzte Diesel entflammt aufgrund der Gastemperatur der verdichteten Luft.
Bild: Tosaka @wikimedia.org (CC BY 3.0)

Bild: Kickaffe @wikimedia.org (CC BY-SA 4.0)

Ein anderer Ansatz ist es, die Stickoxide über den Katalysator effizienter abzubauen und z.B. seine Betriebstemperatur deutlich schneller zu erreichen. Gegen eine Nachrüstung manipulierter Fahrzeuge mit SCR-Katalysatoren sperren sich die Hersteller allerdings aufgrund der hohen Kosten von bis zu 1.500 Euro pro Auto. Diese Art von Katalysator nutzt Harnstoff, der als AdBlue-Flüssigkeit in einem separaten Tank mitgeführt wird. Die Stickstoffoxide können über entsprechende Reaktionen wieder in einfachen Stickstoff umgewandelt werden. Das Problem dieser Lösung ist der notwendige Zusatztank für die AdBlue-Flüssigkeit, der regelmäßig durch den Fahrer aufgefüllt werden muss. Darauf ist jedoch kein Verlass und so arbeiten Forscher derzeit an einer vom Menschen unabhängigen Lösung.

Wissenschaftler des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung verfolgen laut Berichten von welt.de einen besonders interessanten Ansatz. Dabei nimmt der Kat zunächst in seinen porösen Strukturen Stickoxide auf. Ist die Aufnahmekapazität erreicht, werden die Stickstoffoxide in Ammoniak umgewandelt, der für die Neutralisierung der folgenden Stickoxide benötigt wird. Ist das Reservoir verbraucht, beginnt der Prozess von vorn. Hintergrund der Technik sind neue Werkstoffe für keramische Hochtemperaturbrennstoffzellen. Zwar sind namhafte Automobilhersteller und Katalysatoren-Produzenten an der Forschung beteiligt, doch ob und wann das System die Marktreife erreicht, ist bisher noch unklar.

Verringerung der Stickoxidwerte durch Elektrifizierung

Ein weiterer Ansatzpunkt ist es, eine Zusatztechnik zu nutzen - den sogenannten Mildhybrid, bei dem mithilfe eines 48 V Elektromotors der Selbstzünder sauberer wird. Denn besonders beim Beschleunigen entstehen besonders viele Stickoxide und der Elektromotor hilft dabei, dass der Dieselmotor unter weniger Last arbeitet und trotzdem die notwendige Energie erhält. Dieser Ansatz könnte die Emission der nitrosen Gase um über 60 Prozent senken.

Betriebstemperatur des Katalysators schneller erreichen

Dieselhybride sind eine Möglichkeit, bringen aber auch Probleme mit sich. Da der Motor oftmals mit geringerer Drehzahl arbeitet oder sogar ganz stillsteht, kühlt er so stark ab, dass der reguläre SCR-Katalysator nicht arbeitet und erst gar nicht anspringt. Dies soll ein elektrisches Heizelement beheben, der sogenannte Emicat. Dadurch wird der SCR-Katalysator, der nachgeschaltet ist, schneller auf Betriebstemperatur gebracht. Außerdem soll eine Einspritzung von AdBlue dafür sorgen, dass der Stickoxidausstoß um weitere 14 % gemindert wird.

Neuer verbesserter Kraftstoff

Bereits in der Entwicklung befinden sich neue Kraftstoffe. Forscher experimentieren derzeit mit Oxymethylenether, einer organischen Verbindung, die bereits im Verbrennungsstadium die Schadstoffbildung unterdrückt. Der neue Sprit soll mit erheblich weniger Stickoxid-Emissionen verbrennen, rußfrei und CO2-neutral sein.

Hat der Diesel Zukunft?

Ohne Zweifel haben die aufgedeckten Manipulationen beim Abgastest Zweifel an der Zukunftsfähigkeit des Diesels geweckt. Statt die vorhandenen Lösungsansätze konsequent zu verfolgen, hat die Industrie es vorgezogen, den vermeintlich einfacheren Weg zu gehen. Dieses Verhalten trägt nun dazu bei, dass die Zukunft des Diesels nicht nur eine technische Frage ist, sondern eine politische und mediale Komponente aufweist. Bislang unterstützen sowohl die Autoindustrie als auch die Bundesregierung die Weiterentwicklung des Diesels. Doch wie lange diese Unterstützung anhält, lässt sich nicht mit Sicherheit sagen. Manch ein Politiker sieht Dieselfahrzeuge nur noch als Brückentechnologie, während andere bereits jetzt das Aus für den Diesel fordern. Für das Bundesumweltministerium z.B. gehören Diesel nicht mehr auf die Straße. Demnach sei das zukünftige Auto ein Hybrid oder verfüge nur noch über einen Elektromotor. Schätzungen gehen davon aus, dass ab dem Jahr 2030 etwa 70 % der Neuzulassungen Plug-In Hybride oder Elektroautos sein werden. Dass selbst moderne Euro-6-Dieselmotoren nach Daten des Umweltbundesamtes aktuell durchschnittlich 507 statt der erlaubten 80 mg/Kilometer Stickoxide ausstoßen, gibt Kritikern des Diesels die passenden Argumente.

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