Thermodynamik

Dieselmotor

Was ein Dieselmotor ist und was ihn von herkömmlichen Ottomotoren unterscheidet, das erfährst du hier.

Schau auf jeden Fall noch das Video%Videoverweis dazu an. Darin sind alle wichtigen Informationen audiovisuell für dich aufbereitet.

Inhaltsübersicht

Dieselmotor einfach erklärt

Der Dieselmotor, benannt nach Rudolf Diesel, ist ein Verbrennungsmotor, in welchem die Zündung des Treibstoffes durch die erhöhte Temperatur der komprimierten Luft im Hubzylinder erfolgt. Dieser Prozess wird auch als Kompressionszündung bezeichnet. Diese Methode unterscheidet sich von herkömmlichen Benzinmotoren, welche eine Zündkerze benutzen um das Treibstoff-Luft-Gemisch mit einem Funken zu entzünden.

Definition

Ein Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor mit selbst gezündeter innerer Verbrennung ohne Zündkerze. 

Dieselmotor Aufbau

Der Dieselmotor ist ein Hubkolbenmotor. Das ist die gebräuchlichste Form des Verbrennungsmotors. Sie enthalten einen oder mehrere Hubkolben, die innerhalb des Motorblocks, entlang einer geraden Linie, hin und her bewegt werden. Die Zylinder bewegen sich normalerweise in einem fest stehenden Gehäuse. 

Viele Hubkolbenmotoren haben eine Pleuelstange, die über ein drehbares Lager am Kolben montiert ist. Dadurch kann die Pleuelstange während einer Umdrehung der Kurbelwelle, veränderliche Richtungen annehmen. 

Der Dieselmotor ist dem Ottomotor%Videoverweis Ottomotor sehr ähnlich. Wie den Ottomotor auch, gibt es den Dieselmotor daher als Zweitakt– oder Viertaktmotor.

Die wichtigsten Komponenten beider Varianten sind die Kurbelwelle und die Hubkolben. Die Inneren Vorgänge der beiden Varianten beschreibst du über einen rechtslaufenden thermodynamischen Kreisprozess . Für einen Kreisprozess-Umlauf benötigt die Maschine eine Reihe von Arbeitsschritten, genannt Takte. Bei einem Hubkolbenmotor ist ein Takt die Bewegung des Hubkolbens von einem Endpunkt zum anderen. Daher macht die Kurbelwelle bei einem Takt eine halbe Umdrehung.

Der Kolben bewegt die Pleuelstange und überträgt so Energie auf die Kurbelwelle.%<a href="https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.leifiphysik.de%2Fwaermelehre%2Fallgemeines-gasgesetz%2Faufgabe%2Fdruck-und-kraft-beim-dieselmotor&psig=AOvVaw0lHzvagK9e54-3cNd_VooN&ust=1600865370452000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCLDQ0Mnm_OsCFQAAAAAdAAAAABAD">Schema Dieselmotor</a>Bildunterschrift: Schematische Darstellung eines Dieselmotors. Eingezeichnet sind der Lufteinlass, die Einspritzdüse und der Abgasauslass.Alt-Text: Dieselmotor, Kompressionszündung, Ottomotor

Dieselmotor Zweitakter

Mittlerweile sind zwei-Takt-Dieselmotoren vorrangig bei Schiffen zu finden. Beim Zweitakter wird Frischluft durch Einlassschlitze im unteren Bereich des Zylinders eingeblasen. Die Abgase werden durch Auslassventile im Zylinderkopf ausgestoßen. Schauen wir uns die Abläufe der beiden Takte mal genauer an:%<a href="https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.energie-lexikon.info%2Fzweitaktmotor.html&psig=AOvVaw16nwo4XBhjYkyky2FsxyAm&ust=1600867343463000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCJCCr-Dt_OsCFQAAAAAdAAAAABAl">Bild Diesel Zweitakter</a>Bildunterschrift: Schematische Darstellung eines Diesel Zweitakters. Alt-Text: Dieselmotor, Zweitakter, Zweitaktmotor, Kompressionszündung

Erster Takt:

Der Kolben befindet sich am unteren Ende des Zylinders. Eine Pumpvorrichtung pumpt Luft ins Innere des Zylinders. Die von unten einströmende Luft drängt die Abgase durch die Auslassventil raus. 

Zweiter Takt:

Der Kolben bewegt sich aufwärts. Diese Aufwärtsbewegung komprimiert die Luft. Der Kolben blockiert die Einlassventile und der Gasdruck schließt die Auslassventile. Am höchsten Kolbenstand wird der Kraftstoff eingespritzt und entzündet sich. Das Gas expandiert aufgrund der hohen Temperatur und presst den Kolben wieder nach unten. Alle Ventile öffnen sich und der Prozess beginnt erneut.

Dieselmotor Viertakter

Der vier-Takt-Dieselmotor ist die am weitesten verbreitete Variante.%<a href="https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.alamy.de%2Fstockfoto-die-abfolge-der-ereignisse-in-einem-viertakt-dieselmotor-beinhaltet-eine-einzelne-auslassventil-einlassventil-und-kraftstoff-einspritzduse-24069755.html&psig=AOvVaw1iCRwG1ovHTbJLaTCP4eG6&ust=1600867668394000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCMDbtfnu_OsCFQAAAAAdAAAAABAI">Bild Diesel Viertakter</a>Bildunterschirft: Schematische Darstellung der vier Takte eines Diesel Viertakters. Alt-Text: Dieselmotor, Viertakter, Viertaktmotor, Kompressionszündung

Erster Takt:

Der Kolben bewegt sich abwärts während das Einlassventil geöffnet ist. Anders als beim Ottomotor, wird durch das Einlassventil reine Luft und kein Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder gesaugt. Hierbei entsteht ein Unterdruck im Zylinder. Normalerweise gibt es beim Dieselmotor keine Drosselklappen, welche die Luftzufuhr regulieren. Abhängig von der Anwendung gibt es aber auch Variationen mit Drosselklappen. Am tiefsten Punkt des Kolbens, schließt sich das Einlassventil.

Zweiter Takt:

Der Kolben bewegt sich aufwärts. Die Ventile sind geschlossen wodurch die Luft komprimiert und somit auf viele hundert Grad Celsius erhitzt wird. 

Dritter Takt:

Am höchsten Punkt des Kolben wird Kraftstoff durch eine Einspritzdüse in den Brennraum eingespritzt. Der Kraftstoff entzündet sich und die Temperatur steigt in wenigen Millisekunden auf über 2000°C an. Das erhitzte Gas dehnt sich rapide aus und erzeugt enormen Druck auf den Kolben. Der Kolben bewegt sich daher abwärts. Das Gasvolumen nimmt zu, was zu einer Abnahme der Temperatur auf ungefähr 600°C führt. 

Vierter Takt:

Der Kolben bewegt sich aufwärts, während das Auslassventil geöffnet ist. Hierbei wird das Abgas ausgestoßen.

Die Regulierung der Motorleistung erfolgt nicht über die Regulierung der Luftmenge, sondern die Regulierung der eingespritzten Kraftstoffmenge. Dieser Vorgang heißt Qualitätsregelung. Beim Ottomotor spricht man von einer Quantitätsregelung.

Dieselmotor Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad \eta einer technischen Einrichtung beschreibt die Effizienz der Anlage. Er ergibt sich aus dem Verhältnis der Nutzenergie E_{ab} zur zugeführten Energie E_{zu}. Er kann auch über das Verhältnis aus Nutzleistung P_{ab} zur zugeführten Leistung P_{zu} ausgedrückt werden.

\eta = \frac{E_{ab}}{E_{zu}} oder \eta = \frac{P_{ab}}{P_{zu}}

Unter optimalen Bedingungen liegt der Wirkungsgrad eines zwei-Takt-Dieselmotors bei bis zu 55%. Bei PKW mit Viertaktern ist der Wirkungsgrad mit 43% etwas geringer. Dennoch liegt er höher als beim Ottomotor mit 30% bis 35%.

Dieselmotor Eigenschaften

Der Dieselmotor wird durch sieben Eigenschaften charakterisiert.

  • Selbstzündung: Die Kompression durch den Zylinder heizt die Luft darin auf. Der in die heiße Luft eingespritzte Treibstoff entzündet sich, ohne externe Zündhilfe, selbst.
  • Innere Gemischbildung: Anders als beim Ottomotor, vermischen sich Treibstoff und Luft erst im Brennraum.
  • Qualitative Gemischregulierung: Die eingespritzte Kraftstoffmenge reguliert die Leistung des Motors. 
  • Heterogenes Gemisch : Das Gemisch aus Luft und Treibstoff ist im Brennraum nicht gleichmäßig verteilt.
  • Hohes Luftverhältnis: Anders als beim Ottomotor, arbeitet der Dieselmotor mit Luftüberschuss. Das heißt das Verhältnis von Luft zu Treibstoff ist sehr groß.
  • Verbrennungsflamme: Bei der Verbrennung diffundiert der Sauerstoff in die Flamme.
  • Zündwilliger Kraftstoff: Der ideale Kraftstoff des Dieselmotors ist zündwillig und hoch siedend. Die Cetanzahl sagt aus wie zündwillig der Kraftstoff ist. Diese sollte möglichst hoch sein.

Dieselmotor Kraftstoff

Der Dieselkraftstoff ist ähnlich zusammengesetzt wie Heizöl. Allerdings gibt es einige Unterschiede, die bei der Nutzung von Heizöl zu Schäden am Motor und einer stärkeren Belastung von Umwelt und Menschen führt. 

Verglichen mit Benzin besteht Diesel aus schwereren Kohlenwasserstoffen . Zudem ist seine Dichte größer und der Energiegehalt pro Liter ist 13% höher als bei Benzin. Auch stößt Diesel ungefähr 13% mehr CO2 aus, was allerdings durch eine geringere Emission bei der Produktion in der Raffinerie wieder ausgeglichen wird. 

Diesel ist deutlich weniger entzündlich und flüchtig als Benzin. Bei dessen Verbrennung entstehen hauptsächlich Kohlendioxid und Wasserdampf, aber auch diverse giftige Luftschadstoffe

Dieselmotor Ottomotor

Der Dieselmotor funktioniert ähnlich wie der klassische Ottomotor. Allerdings haben beide frappierende Unterschiede zueinander, weswegen die Nutzung des Kraftstoffs eines Motors im anderen Motor Schaden anrichtet.

Der offensichtlichste Unterschied ist das Fehlen der Zündkerze beim Dieselmotor. Dieser führt den Treibstoff zur Selbstzündung durch Kompression von Luft. Womit du auch schon beim nächsten wichtigen Unterschied bist. Der Ottomotor saugt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder. Eine Zündkerze entzündet dieses dann. Der Dieselmotor saugt Luft in die Zylinder. Erst nachdem die Luft komprimiert ist, wird Diesel eingespritzt. Dieser entzündet sich dann aufgrund der heißen Luft. 
Daher hat ein Dieselmotor auch keine Drosselklappen, da die Kraftstoffeinspritzung das Maß zur Regelung der Motorleistung ist. 

Daher musst du dir dringend merken: Fülle niemals Diesel in einen Benzinmotor oder umgekehrt Benzin in einen Dieselmotor.

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