Motoren aus technischer Sicht/ Dieselmotor

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.

Arbeitsweise

4-Takt-Motor

1. Takt (Ansaugen) Im Unterschied zum Viertakt-Ottomotor strömt während des Ansaugprozesses nur Luft und kein Kraftstoff (Diesel) in den Brennraum des Dieselmotors. Der Ansaugprozess beschreibt den Moment indem der Zylinderkolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt gleitet und die Luft über das durch die Nockenwelle geöffnete Einlassventil in den Zylinder gesogen wird. Bei diesem ersten Takt wird das Einströmen der Luft nicht gedrosselt, da der Dieselmotor keine Drosselklappe im Ansaugbereich enthält. Das bedeutet zugleich, dass der Dieselmotor immer im Magerbetrieb betrieben wird.

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. Die Verdichtung führt zu einem erhöhten Druck und einer erhöhten Temperatur der Luft (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.

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.

Vorkammereinspritzung

Dieses Verfahren wurde gegen 1909 von Prosper L`Orange entwickelt und patentiert. Bei diesem Verfahren wird die Luft während der Kolbenbewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt stark komprimiert und über mehrere kleine Bohrungen in die Vorkammer gedrückt. Gegen Ende des Verdichtungstaktes wird durch die Einspritzdüse, welche in die Vorkammer hineinragt, ein Strahl aus fein zerstäubten Dieselkraftstoff eingespritzt, welcher sich beim Durchströmen der zugeführten und durch die Kompression erhitzten Luftschicht entzündet und die Verbrennung einleitet. Dadurch kommt es zu einer Drucksteigerung in der Vorkammer, durch die der Kammerinhalt unter hohem Druck über die kleinen Bohrungen zurück in den Zylinderraum strömt und dabei mechanische Arbeit auf den Kolben verrichtet. Somit findet bei diesem Verfahren eine zweistufige Verbrennung statt. Im ersten Schritt wird die Verbrennung in der Vorkammer eingeleitet und durch die dabei folgende Druckerhöhung der Kammerinhalt in den Hauptbrennraum zurück katapultiert, wo im zweiten Schritt die Verbrennung vollendet und dabei über Kolben und Pleuelstange mechanische Arbeit auf die Kurbelwelle verrichtet wird. Bei diesem Dieselverfahren findet eine weiche Verbrennung statt und die Geräuschentwicklung bleibt gering. Die Nachteile bei dieser Methode zeigen sich im Kaltstart, da die Zündtemperatur des Dieselkraftstoffes 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. Zudem neigen Motoren mit Vorkammereinspritzung zur Rußbildung.

Lanovaeinspritzung

Ist die von Franz Lang um 1930 Weiterentwicklung des Vorkammerverfahrens. Ziel war, den Kraftstoffverbrauch zu senken. Bei diesem Verfahren wird der Kraftstoff mit höherem Druck seitlich durch den Hauptbrennraum hindurch eingespritzt.

Wirbelkammereinspritzung

Das Wirbelkammerverfahren wurde gegen 1930 von Harry Ricardo entwickelt und patentiert. Bei diesem Verfahren wird während der Verdichtung die durch den Kolben komprimierte Luft über den Schusskanal, der die Verbindung zwischen dem Zylinderraum und der Wirbelkammer darstellt, tangential in die kugel- oder walzenförmig ausgebildete Wirbelkammer geleitet und dadurch in eine intensive wirbelartige Bewegung versetzt. In diesen Luftwirbel wird gegen Ende des Verdichtungstaktes durch die Einspritzdüse, welche in die Wirbelkammer mündet, der Dieselkraftstoff eingespritzt. Nachdem sich der Dieselkraftstoff mit der erhitzten und verwirbelten Luft gut vermischt hat kommt es zur Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, dieses wird durch die folgende Druckerhöhung über den Schusskanal in den Zylinderraum zurück katapultiert und dort die in der Wirbelkammer eingeleitete Verbrennung vollendet wobei schließlich über Kolben und Pleuelstange mechanische Arbeit auf die Kurbelwelle verrichtet wird. Anschließend wird das bei der Verbrennung 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 $\Rightarrow$ weniger Abgasemission
• Besserer Wirkungsgrad
• Kraftstoffverbrauch ist geringer

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. 2500 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.

Direkteinspritzung

Im Gegensatz zum Vorkammer- und Wirbelkammerverfahren wird der Dieselkraftstoff bei der Direkteinspritzung zum Ende des Verdichtungstaktes direkt über eine mittig (bei 4 Ventilen pro Zylinder) oder fast mittig schräg (bei 2 Ventilen pro Zylinder) in den Zylinderraum mündende Einspritzdüse in eine im Kolben eingelassene Brennmulde eingespritzt. Im folgenden 3. Takt entzündet sich der eingespritzte Dieselkraftstoff von selbst, weil die Luft im Verdichtungstakt die Selbstzündungstemperatur von Diesel überstiegen hat. Durch den dabei entstandenen Verbrennungsdruck wird schließlich über Kolben und Pleuelstange mechanische Arbeit auf die Kurbelwelle verrichtet. Im 4. Takt wird dann durch die Bewegung des Kolbens von UT nach OT die verbrannte Zylinderladung über das geöffnete Auslassventil aus dem Brennraum in die Abgasanlage befördert.

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 die 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, Stickoxiden und anderen Verbrennungsrückständen $\Rightarrow$ 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.