Motoren aus technischer Sicht/ Dieselmotor

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[Bearbeiten] Einleitung

Der Dieselmotor wurde vom Motorenbauer Rudolf Christian Karl Diesel (1858 – 1913) entwickelt. Dabei handelt es sich um eine Verbrennungskraftmaschine, deren treibende Kraft auf der Selbstzündung des Dieselkraftstoffs in stark komprimierter und deshalb hoch erhitzter Luft beruht. Für Straßen-Fahrzeuge kommt überwiegend die 4-Takt-Bauweise zum Einsatz, für Großmotoren (Schiffsdiesel, Blockheizkraftwerke) wird oft die thermodynamisch noch effizientere 2-Takt-Bauweise eingesetzt.

[Bearbeiten] Arbeitsweise

[Bearbeiten] 4-Takt-Motor

1. Takt (Ansaugen) Im Unterschied zum Viertakt-Ottomotor strömt beim Dieselmotor während des Ansaugprozesses, bei dem sich der Zylinderkolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt verschiebt, nur Luft und kein Kraftstoff über das Einlassventil, welches durch die Einlassnockenwelle geöffnet wird, in den Brennraum des Motors. Bei diesem ersten Takt wird das Einströmen der Luft nicht gedrosselt, da der Dieselmotor keine Drosselklappe im Ansaugbereich enthält. Somit läuft der Dieselmotor immer im Magerbetrieb.

2. Takt (Verdichten) Während des Verdichtungstaktes, bei welchem sich der Zylinderkolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt, wird die Luft auf ein kleineres Volumen verdichtet, wodurch der Druck und die Temperatur steigen (Kompressionswärme).

3. Takt (Arbeiten) Am Ende des Verdichtungstaktes, wo sich der Zylinderkolben beim oberen Totpunkt befindet, fliesst zerstäubter Dieselkraftstoff über die Einspritzdüse in den Brennraum. Da die Luft durch die starke Kompression beim Verdichtungstakt die Selbstzündungstemperatur des Dieselkraftstoffs (320° C bis 380° C) übersteigt, entzündet sich der Dieselkraftstoff nach der Einspritzung von selbst. Dabei wird ein Höchstdruck von 60 bar bis 180 bar und eine Höchsttemperatur von 2000° C bis 2500° C erreicht.

4. Takt (Ausstoßen) Durch den starken Verbrennungsmechanismus wird der Zylinderkolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt weggedrückt. Somit befindet sich der Kolben wieder in seiner Ausgangsstellung und die Auslassnockenwelle öffnet durch den entstandenen Unterdruck das Auslassventil. Die Abgase werden schließlich ausgeschieden, indem sich der Zylinderkolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt verschiebt.

Ein neues Arbeitsspiel kann beginnen.

Der Wirkungsgrad eines Dieselmotors, welcher wie beim Ottomotor ebenfalls über das Verdichtungsverhältnis bestimmt wird, ist bei Dieselmotoren vor allem im Teillastbereich höher und beträgt ungefähr 40%. Daraus resultiert ein geringerer Kraftstoffverbrauch sowie eine höhere Zuverlässigkeit. Zudem sind die Kraftstoffe einfacher und ungefährlicher herzustellen.

Zu den Nachteilen bei Dieselmotoren zählen das größere Gewicht, wenn man den Dieselmotor mit Ottomotoren gleicher Leistung vergleicht, und die begrenzte Höchstdrehzahl. Zudem entsteht bei der Verbrennung ein großer Druckanstieg, der als hartes Verbrennungsgeräusch im Innenraum des Fahrzeugs zu hören ist.

[Bearbeiten] Verbrennungsverfahren

Um die bekannten Nachteile des Dieselmotors, nämlich die starke Geräuschentwicklung, die geringe Beschleunigungsfähigkeit und die geringe Drehzahl, zu minimieren, wurden verschiedene Verbrennungsverfahren entwickelt. Zudem helfen diese Verfahren den Verbrauch zu senken sowie eine saubere Verbrennung mit weniger Abgasemission zu erreichen. Die Verfahren unterscheiden sich dadurch, zu welchem Zeitpunkt die Vermischung von Luft und Kraftstoff erfolgt.

[Bearbeiten] Vorkammereinspritzung

Bei diesem Verfahren wird die Luft, welche bei der Kolbenbewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt stark komprimiert wurde, in die Vorkammer gedrückt. Anschließend wird durch die Einspritzdüse, welche in die Vorkammer hineinragt, ein Strahl aus fein zerstäubtem Dieselkraftstoff eingespritzt, welcher sich beim Durchströmen der zugeführten Luftschicht entzündet und die Verbrennung einleitet. Dadurch kommt es zur Expansion der Luft, welche unter hohem Druck durch kleine Bohrungen aus der Vorkammer in den Zylinderraum strömt und durch den Kolben als Abgas aus dem Brennraum gedrückt wird. Somit findet bei diesem Verfahren eine zweistufige Verbrennung statt. Im ersten Schritt wird die Verbrennung in der Vorkammer eingeleitet. Im zweiten Schritt wird die Verbrennung im Zylinderraum beendet, indem der Kolben die entstandenen Abgase aus dem Brennraum drückt. Bei dieser Art der Verbrennung findet eine weiche Verbrennung statt, und die Geräuschentwicklung bleibt gering. Die Nachteile bei dieser Methode zeigen sich im Kaltstart, da die Verbrennung in der Vorkammer nur schwierig ohne zusätzliche Hilfsmittel zu erreichen ist. Deshalb kommt es zur Anwendung von Glühstiften, welche bei kaltem Motor die verdichtete Luft elektrisch auf Zündtemperatur erhitzen, damit es zu einer Verbrennung kommen kann. Ein weiterer Nachteil sind die langen Verbrennungszeiten, welche zur Begrenzung der Drehzahlen des Motors führen.

[Bearbeiten] Wirbelkammereinspritzung

Bei diesem Verfahren wird die durch den Kolben komprimierte Luft tangential aus dem Zylinderraum über den Schusskanal, der die Verbindung zwischen dem Zylinderraum und der Wirbelkammer darstellt, in die kugel- oder walzenförmig ausgebildete Wirbelkammer geleitet. Während der Verdichtung wird die durch den Schusskanal eintretende Luft in eine wirbelartige Bewegung versetzt. Anschließend wird durch die Einspritzdüse, welche in die Wirbelkammer mündet, der Dieselkraftstoff eingespritzt. Nachdem sich der Dieselkraftstoff mit der erhitzten Luft gut vermischt hat, kommt es zur Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, und dieses wird unter Druck über den Schusskanal wiederum in den Zylinderraum katapultiert. Dort wird das durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entstandene Abgas mit Hilfe des Kolbens aus dem Brennraum befördert. Gegenüber der Vorkammereinspritzung ergeben sich bei der Wirbelkammereinspritzung folgende Vorteile:

• Strömungsverluste sind geringer
• Geringere Menge an unverbranntem Kraftstoff weniger Abgasemission
• Besserer Wirkungsgrad
• Kraftstoffverbrauch ist geringer

[Bearbeiten] Common-Rail-Einspritzverfahren

Der Name des Common-Rail-Einspritzverfahrens leitet sich von den zwei englischen Begriffen 'common' = gemeinsam und 'rail' = Schiene (hier im Sinne von 'Kraftstoffleitung') ab. Es handelt sich also um eine gemeinsame Schiene. Der Begriff beschreibt die Verwendung einer gemeinsamen Kraftstoff-Hochdruckleitung mit entsprechenden Abgängen zur Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff.

Bei einem Common Rail wird der Einspritzdruck im Druckspeicher (max. 1350 bar) dauerhaft gehalten. Bei anderen Einspritzsystemen wird der Einspritzdruck erst aufgebaut, wenn dieser wirklich benötigt wird. Das Hochdruckrohr mündet in den Druckspeicher und ist mit den elektro-hydraulisch gesteuerten Einspritzdüsen verbunden. Somit ist eine Vor- und Nacheinspritzung möglich. Deshalb können sehr kurze Öffnungszeiten (0,1 bis 0,2 ms) eingehalten werden. Die Voreinspritzung bewirkt einen kurzen Zündverzug der nachfolgenden weichen Verbrennung der Haupteinspritzung. Durch einen Katalysator wird bei der Nacheinspritzung für sinkende Stickoxidemissionen gesorgt. Ein weiterer Vorteil der Common-Rail-Einspritzung, auch Speichereinspritzung genannt, ist, dass der Einspritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl ist. Durch eine Hochdruckpumpe wird der Kraftstoff in den Druckspeicher geführt. Die Einspritzdüsen sind mit Magnetventilen ausgestattet, die vom elektronischen Motorsteuergerät angesteuert werden. Das Steuergerät bestimmt Einspritzungsbeginn und -ende, was in Verbindung mit dem gewählten Einspritzdruck die Kraftstoffmenge ausmacht.

Weil Kraftstoff ein Rohrleitungssystem füllt, das bei Motorbetrieb ständig unter Druck steht, werden die Motorlaufeigenschaften und die weitere Reduzierung der Partikelemission verbessert und der Verbrennungsprozess optimiert.

Allerdings gibt es auch negative Aspekte. Es wird zum permanenten Aufrechterhalten des hohen Rail-Druckes eine gewisse Leistung des Motors aufgebraucht, die dann nicht zum Antrieb zur Verfügung steht.

[Bearbeiten] Direkteinspritzung

Im Gegensatz zum Vorkammer- und Wirbelkammerverfahren wird der Dieselkraftstoff bei der Direkteinspritzung zum Ende des zweiten Arbeitstaktes, bei welchem sich der Zylinderkolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt und dadurch die Luft auf ein kleineres Volumen komprimiert, direkt über eine in den Brennraum mündende Einspritzdüse in eine Mulde eingespritzt. Im folgenden 3. Takt entzündet sich der eingespritzte Dieselkraftstoff von selbst, weil die Luft im Verdichtungstakt die Selbstzündungstemperatur von Diesel überstiegen hat. Schlussendlich werden die durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entstandenen Abgase durch den Kolben über den Auslasskanal aus dem Brennraum gedrückt.

Da der Verdichtungsraum eine geringe Oberfläche besitzt, hat die Direkteinspritzung gegenüber den anderen Brennverfahren folgende Vorteile:

• Es wird 5 bis 10 Prozent mehr Energie auf Kolben geleitet, da bei diesem Verfahren im Vergleich zur Vorkammereinspritzung geringere Verluste durch Abkühlung entstehen. Dadurch ist der Kraftstoffverbrauch geringer und der thermische Wirkungsgrad höher.
• Es entstehen höhere Drehmomente, und es steht mehr Leistung zur Verfügung.
• Es gibt geringere Strömungsverluste
• Die Kaltstarteigenschaften des Dieselmotors werden verbessert, da die Verbrennungszeiten geringer sind.

Nachteile:

• Hohe Anteile an Dieselruß, Stickoxide und anderen Verbrennungsrückständen hohe Abgasemission
• Es entstehen laute Verbrennungsgeräusche, die durch den starken Druckanstieg wegen der im Vergleich zu Dieselmotoren mit Kammereinspritzung geringeren Oberfläche des Verdichtungsraumes entstehen.

Deshalb wurden Verfahren entwickelt, die eine geringe Menge an Kraftstoff voreinspritzen, bevor die Hauptmenge nachgeliefert wird. Dadurch wird eine Senkung der Geräuschentwicklung erreicht.