Dieselmotor

Der Erfinder:

Der Erfinder Rudolf Diesel, der am 18.März 1858 in Paris geboren wurde, studierte Maschinenbau an der Technischen Hochschule München und erhielt dort die Idee zur Konstruktion einer Wärmekraftmaschine mit möglichst hohem Wirkungsgrad. So entwickelte er in den Jahren 1893 bis 1897 mit der Maschinenfabrik Augsburg und der Firma F. Krupp den heutigen Dieselmotor.
Er baute den ersten Kleindieselmotor, sowie Dieselmotoren für Lastwagen und Lokomotiven. 1907 gründete R. Diesel eine Gesellschaft für Thermo-Lokomotiven. 1913 unternahm er eine Probefahrt mit der ersten 1000 PS starken Großdiesellok für die Preußischen Staatseisenbahnen.

Dieselverbrennung:

Die Auslösung des Arbeitstaktes erfolgt beim Dieselmotor auf eine sehr einfache Weise. Im ersten Ansaugtakt wird zunächst reine Luft angesaugt. Im zweiten Takt wird diese Luft auf etwa 30 bis 55 bar verdichtet. Dabei erhitzt sich die angesaugte Luft auf 700°C bis 900°C. Nun wird Dieselkraftstoff in die Brennkammer eingespritzt . Durch die hohe Temperatur der komprimierten Luft erfolgt die Verbrennung des Dieselkraftstoffes (Selbstzündung). Dadurch steigt der Innendruck stark an und der Motor leistet seine Arbeit. Im vierten Takt wird dann, wie beim Ottomotor, das verbrannte Gemisch ausgestoßen.

Bauformen des Dieselmotors:

Die größten Nachteile des Dieselmotors sind die aufwendigen Einspritzsysteme und die daraus resultierenden aufwendigen Motorbauformen sowie die höheren Produktionskosten. Die unterschiedlichen Einspritztechniken und Bauformen resultieren aus der Tatsache, dass die ersten, sehr einfachen Dieselmotoren nicht besonders komfortable und drehfreudige Antriebsaggregate waren. Im kalten Zustand ist der Diesel durch seinen harten Verbrennungsablauf sehr laut, so dass das sogenannte "Nageln" unüberhörbar ist. Jahrelang verfügte er wegen seiner robusten Bauform über ein höheres Leistungsgewicht, eine geringe Literleistung sowie ein schlechtes Beschleunigungsverhalten.
Alle diese Nachteile wurden bis heute mit unterschiedlichem Aufwand beseitigt, so dass man den Dieselmotor als gleichwertige, manchmal sogar höherwertige Antriebsquelle zum Ottomotor einstufen kann.

Einspritzsysteme:

Je nach Bauart und Anordnung des Brennraumes unterscheidet man bei Dieselmotoren die verschiedenen Einspritzsysteme.

• Direkteinspritzverfahren ( M-Verfahren )
• Vorkammerverfahren
• Wirbelkammerverfahren

Direkteinspritzung:

Bei der Diesel - Direkteinspritzung (Kraftstoff - Luft - Verteilung) wird der Kraftstoff zur Verneblung mit hohem Druck durch eine Mehrlochdüse in die hochverdichtete Ansaugluft gespritzt, wobei durch entsprechende Gestaltung des Kolbenbodens die Gemischverwirbelung gefördert wird. Zum Starten des Motors sind keine speziellen Glühkerzen erforderlich, da die Abkühloberfläche des Brennraumes relativ klein ist. Die kalte Ansaugluft wird beim Starten durch den hohen Verdichtungsdruck sehr schnell erhitzt. Die Vorteile der Direkteinspritzung liegen im geringen Wärmeverlust, in der guten Starteigenschaft bei kaltem Motor sowie im niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch. Die Nachteile sind der rauhe, harte Motorlauf und die hohen Einspritzdrücke sowie der relativ große Zündverzug.

M - Verfahren:

Das M - Verfahren (Mittenkugelverfahren) gehört zur Gruppe der Direkteinspritzer. Bei diesem System ist der Ansaugkanal (Drallkanal) im Zylinderkopf so verlegt, dass die Verbrennungsluft beim Ansaugen eine starke Drallbewegung erhält. Beim Verdichten wird fast die ganze Luft in den kugelförmigen Verbrennungsraum des Kolbenbodens gepresst. Dadurch erhöht sich die Umlaufgeschwindigkeit des Luftdralls noch weiter. Die Vorteile liegen im ruhigen, elastischen Motorlauf, in der relativen Kraftstofftunempfindlichkeit und der sich daraus ergebenden Verwendbarkeit als Vielstoffmotor. Zudem sind nur relativ geringe Einspritzdrücke (bis etwa 150 bar) notwendig. Die Nachteile dieser Bauart sind zum einen die hohe thermische Belastung des Kolbens, die Stahlblecheinlagen für die kontrollierte Wärmeausdehnung und eine Versteifung, die  die aufwendige Kühlung für die Unterseite des Kolbenbodens notwendig macht. Bei hohen Drehzahlen treten außerdem Füllungs- und damit Leistungsverluste auf.

Vorkammersystem:

Dies ist eine inzwischen relativ selten verwendete Einspritzbauart. Das Vorkammersystem wird nur noch bei der Autofirma Daimler-Benz in einigen Motoren eingesetzt. Der Brennraum ist hier in die Vorkammer (ein Drittel des Gesamtbrennraumes) und in den Hauptbrennraum (zwei Drittel des Gesamtbrennraumes) unterteilt. Um die Gemischaufbereitung zu unterstützen, ist in der Vorkammer ein Stift mit einer kugelförmigen Verdickung eingesetzt. Die beiden Brennräume sind durch mehrere, verhältnismäßig kleine, Bohrungen (Schusskanäle) miteinander verbunden. Die Vorkammer sitzt komplett im Zylinderkopf und ist meist aus einem hochwarmen, austauschbaren Stahlblech hergestellt. Während des Verdichtungstaktes ( 2.Takt ) wird ein Teil der verdichteten Luft auch in die Vorkammer gepresst. Der Kraftstoff wird, kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes durch eine Einspritzdüse direkt in die Vorkammer des entsprechenden Kolbens eingespritzt. 

Durch den Sauerstoffanteil in der Vorkammer ist eine Teilverbrennung des eingespritzten Kraftstoffes möglich. Außerdem entstehen durch die Teilverbrennung hohe Temperaturen, die für einen schnellen Druckanstieg sorgen. Dadurch wird der gesamte Inhalt der Vorkammern durch die Schusskanäle in den eigentlichen Brennraum geblasen, wo dann die eigentliche Verbrennung stattfindet. Beim Kaltstart ist die Vorkammer kalt und die Luft im Verdichtungstakt wird durch das Einblasen in die Kammer abgekühlt . Daher ist die Vorwärmung der angesaugten Luft durch eine extra Glühkerze nötig. Diese Glühkerze befindet sich in der Vorkammer. 
Der Hauptvorteil des Vorkammerverfahrens liegt darin, dass durch die geringen Innendrücke ein weicher Motorlauf ermöglicht wird. Des Weiteren sind eine gleichmäßige Gemischbildung, ein kurzer Zündverzug und eine relativ hohe Maximaldrehzahl aufzuführen. Als Nachteile sind der etwas höhere Kraftstoffverbrauch und die nötige Kaltstarthilfe zu nennen. Außerdem ist durch die Trennung der beiden Brennräume als Idealform (kugelförmige Brennkammer) nicht realisierbar.

Wirbelkammerverfahren:

Dieses Verfahren ähnelt dem Vorkammersystem stark, jedoch arbeiten moderne PKW-Dieselmotoren fast ausschließlich nach dem Wirbelkammerverfahren. Die kugelförmige Wirbelkammer ist vom Hauptbrennraum getrennt und im Zylinderkopf angeordnet. Hauptbrennraum und Wirbelkammer sind jedoch durch einen Schusskanal mit großem Durchmesser verbunden. Im Verdichtungstakt bewirkt der Schusskanal in der Wirbelkammer eine intensive Rotation der Ansaugluft. In diesen Luftwirbel wird der Dieselkraftstoff über eine Drosselzapfdüse (der Öffnungsdruck liegt bei etwa 100 bis 130 bar) eingespritzt. Die Verbrennung wird in der Wirbelkammer eingeleitet und greift dann auf den Hauptbrennraum über. Die Wirbelkammer wird im Fahrbetrieb sehr heiß und sorgt somit für eine gute Vorverdampfung des Kraftstoffes. Zum Starten des Motors sind allerdings auch hier Glühkerzen erforderlich, da die Unterteilung des Brennraumes eine große Oberfläche bewirkt, die auf die angesaugte Luft abkühlend wirkt. Die Vor- und Nachteile sind vergleichbar mit denen des Vorkammersystems, jedoch ist durch die Verwendung der Wirbelkammer eine weit höhere Literleistung erreichbar. Die benötigten Einspritzdrücke liegen bei etwa 125 bar. Allerdings liegt der Verbrauch höher als beim Direkteinspritzsystem und eine Kaltstarteinrichtung ist nötig.

Die Einspritztechnik des Dieselmotors:

Der Siegeszug des Dieselmotors, besonders bei Nutzfahrzeugen, wäre ohne die Entwicklung einer hochwertigen Einspritztechnik undenkbar gewesen. Diese Entwicklung beeinflusste die Firma Robert Bosch so stark, dass sie bis heute Lieferant für viele Dieseleinspritzsysteme ist. Es gibt die Reiheneinspritzpumpen, die vorwiegend bei Nutzfahrzeugen eingesetzt werden. Bei den mittleren und kleinen PKWs hat sich hingegen die Verteilereinspritzpumpe durchgesetzt.

Reiheneinspritzpumpe:

Die Reiheneinspritzpumpe ist seitlich am Motorblock angebracht. Aus ihr führen zahlreiche Einspritzleitungen zu den Einspritzdüsen. Ein wesentliches Bauteil der Reiheneinspritzpumpe ist die Nockenwelle, die über Kolbenelemente für die Druckerzeugung verantwortlich ist. Reiheneinspritzpumpen können beachtliche Drücke erzeugen. Die Kolbenförderpumpe entnimmt Kraftstoff aus dem Tank und erzeugt einen Überdruck von 1 bis 1,5 bar. Die eigentliche zur Einspritzung notwendige Druckerhöhung erfolgt erst im Pumpenkolbenelement der Reiheneinspritzpumpe, wobei die mittleren Druckwerte bei maximal 1000 bar liegen. Außerdem ist zu erwähnen, dass die Reiheneinspritzpumpe an den Schmierkreislauf des Motors angeschlossen ist. 

Verteilereinspritzpumpe:

Da die Reiheneinspritzpumpe sehr teuer ist, suchten Fahrzeughersteller nach einer preiswerten Lösung und entwickelten so die Verteilereinspritzpumpe. Diese befindet sich seitlich im Motorraum im Bereich des Zahnriemens. Die Verteilerpumpe wird häufig mit dem gleichen Zahnriemen angetrieben, der auch die Nockenwelle antreibt. Die Verteilereinspritzpumpe enthält sowohl die eigentliche Kraftstoffförderpumpe als auch die Verteil- und die Regeleinrichtung. Wesentliches Bauteil ist neben den Flügelzellen die Kraftstoffförderpumpe mit einer Hubscheibe, die für die Druckerzeugung verantwortlich ist. Daneben erkennt man den Spritzversteller mit Regelschieber, außerdem die Fliehgewichteinrichtung und auch den Anlenkhebel für das Gasseil und die elektromagnetische Abstellvorrichtung.

Einspritzdrüse:

Die Einspritzdüse besteht im Wesentlichen aus einem Düsenkörper und einer Düsennadel. Die Düsennadel hebt von ihrem Sitz ab, wenn der Kraftstoffdruck die Federvorspannung der Düsennadel übersteigt. Man spricht dann vom Öffnungsdruck. Nun strömt der Kraftstoff zu den eigentlichen Spritzöffnungen. Der hohe Einspritzdruck wird in Geschwindigkeit umgesetzt, wobei der Kraftstoff fein zerstäubt wird. Wenn der Druck im System sinkt, weil die Förderung beendet ist, übersteigt die Federkraft den Druck der Düse, die sich daraufhin sofort wieder schließt. Die Düsen werden jeweils auf das spezielle Brennverfahren abgestimmt. So kommt es, dass es je nach Bauform verschiedene Düsenformen gibt. 

Glühkerzen für den Dieselmotor:

Stand der Technik sind heute Glühkerzenstifte, welche wie eine Zündkerze seitlich am Zylinderblock sitzen und in die Vor- oder Wirbelkammer hineinragen. Glühstiftkerzen bestehen im Wesentlichen aus einem korrosionsfesten Glühmedium mit eingebetteter Heizwendel und temperaturabhängiger Regelwendel. Durch die Einführung von Schnellsystemen konnten die Vorglüh- und Startzeiten verkürzt werden. Zum Teil werden Glühkerzen heute so gesteuert, dass sie während eines Kaltstarts noch einige Sekunden nachglühen, um das lästige Kaltnageln aber auch die Rauchbildung zu vermeiden.