Ein Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung (Selbstzündung ohne Zündkerze), dessen Kraftstoffluftgemisch innerhalb der Brennkammer gebildet wird (innere Gemischbildung) und dessen Drehmoment über die Menge des eingespritzten Kraftstoffes eingestellt wird (qualitative Lastbeeinflussung). Er kann mit verschiedenen Kraftstoffen, vorwiegend jedoch mit Dieselkraftstoff, betrieben werden. Dieselmotoren gibt es als Zweitakt- wie auch als Viertakt-Hubkolbenmotoren. Sie zeichnen sich durch den höchsten erreichbaren Wirkungsgrad aller Verbrennungsmotoren aus.
mini|hochkant=1.08|Erster funktionsfähiger Dieselmotor:Baujahr: 1896,Bohrung × Hub: 250 mm × 400 mm,Hubraum: 19,6 Liter,Leistung: 13,1 kW bei 154 min−1,Drehmoment: 812 N·m bei 154 min−1,Spez. Kraftstoffverbrauch: 324 g/kWh
Erfinder des Dieselmotors ist der deutsche Ingenieur Rudolf Diesel, der seine Überlegungen zu einem Motor mit besonders hohem Wirkungsgrad erstmals 1893 im Werk Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors veröffentlichte. In den Jahren nach 1893 gelang es ihm in einem Labor der Maschinenfabrik Augsburg (heute MAN), allerdings nur durch Abweichen von dem in seinem Buch beschriebenen Konzept, einen solchen Motor zu bauen. Durch seine in vielen Ländern angemeldeten Patente und seine rege Öffentlichkeitsarbeit wurde er zum Namensgeber des Motors sowie des zugehörigen Dieselkraftstoffs, eines Mitteldestillats.
Technische Funktion Prinzip mini|hochkant=0.88|Viertaktverfahren beim Diesel-Motor schematisch dargestellt
Dieselmotoren sind Hubkolbenmotoren, die chemische Energie in Wärme- und kinetische Energie umwandeln. Sie können als Zwei- oder Viertaktmotor konstruiert sein. Der von Rudolf Diesel erdachte Diesel-Kreisprozess ist ein thermodynamischer Vergleichsprozess für den Dieselmotor. Weil er den tatsächlichen Verbrennungsablauf nur unzureichend darstellt, zieht man besser den Seiliger-Prozess als Vergleichsprozess heran. (Mehr dazu im Abschnitt Thermodynamik des Dieselmotors)
Viertakt-Dieselmotoren saugen beim Ansaugtakt eine Zylinderfüllung Luft an; beim Zweitakter beginnt der „Spülvorgang“ kurz bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat und endet kurz nachdem er den unteren Totpunkt wieder verlassen hat – verbranntes Abgas wird durch frische Luft ersetzt. Die frische Luft wird beim Verdichtungstakt stark komprimiert (Verhältnis beim Viertaktmotor etwa 16:1 bis 24:1) und dadurch auf etwa 700 bis 900 °C erhitzt (Kompressionswärme). Kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens beginnt die Einspritzung des Kraftstoffs, der dabei in die heiße Luft im Brennraum feinst verteilt und zerstäubt wird. Die hohe Temperatur reicht aus, um das Gemisch zu zünden – es ist also kein Zündfunke einer Zündkerze notwendig wie beim Ottomotor.
Kennzeichen des Dieselmotors Selbstzündung: Die Luft heizt sich durch die (annähernd) adiabate Kompression stark auf, und der in die heiße Luft eingespritzte Kraftstoff entzündet sich ohne eine externe Zündhilfe. Innere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt. Qualitative Gemischregulierung: Die momentane Leistung wird vor allem durch Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge verändert. Heterogenes Gemisch: Luft und Kraftstoff sind nicht gleichmäßig im Brennraum verteilt. Hohes Luftverhältnis: Der Dieselmotor arbeitet mit Luftüberschuss: Verbrennungsflamme: Der Sauerstoff diffundiert bei der Verbrennung in die Flamme hinein (Diffusionsflamme). Zündwilliger Kraftstoff: Dieselmotoren funktionieren am besten mit hochsiedenden, zündwilligen Kraftstoffen.
Quelle
Kraftstoff Prinzipiell sind Dieselmotoren Vielstoffmotoren und können daher mit allen Kraftstoffen betrieben werden, die bei der Betriebstemperatur des Motors von der Einspritzpumpe gefördert werden können, sich gut zerstäuben lassen und für geringen Zündverzug eine ausreichende Zündwilligkeit haben. Das Maß der Zündwilligkeit ist die Cetanzahl, die möglichst hoch sein soll. Außerdem sollte der Heizwert hoch sein. In der Regel besteht Dieselmotorenkraftstoff aus hochsiedenden und langkettigen Kohlenwasserstoffen (C9 bis C30). In der Praxis erfüllen (mitunter zäh-)flüssige, aus fossilen Energieträgern destillierte Kraftstoffe wie Gasöle und Teeröle mit Heizwerten zwischen ca. 38,8 und 43,5 MJ/kg diese Anforderungen. Außer flüssigen Kraftstoffen sind auch gasförmige Kraftstoffe geeignet. Nach dem Ersten Weltkrieg wurden überwiegend minderwertige, gar billige Öle als Kraftstoffe eingesetzt, weil sie nicht besteuert wurden. Bis in die 1930er-Jahre waren Benzin, Petroleum, Schmieröl, Gasöl und Pflanzenöle sowie Mischungen dieser Kraftstoffe üblich. Mit dem Voranschreiten der Dieselmotorentechnik wurden oft bessere, zündwillige Kraftstoffe mit Cetanzahlen von 45 bis 50 CZ unabdingbar. In der Praxis wurden Gasöl, Steinkohlenteeröl und Öl aus Kohlenschwelung genutzt.
Bis in die 1940er-Jahre hinein gab es keinen durch Normen standardisierten Dieselmotorentreibstoff, erstmals wurde Dieselkraftstoff nach dem Zweiten Weltkrieg in der DIN 51601 für Landkraftfahrzeuge vereinheitlicht. Seit 1993 ist Dieselmotorkraftstoff in der EN 590 genormt und wird schlicht Diesel genannt, die meisten Dieselmotoren (Kfz, Arbeitsgeräte) sind für den Betrieb mit diesem Kraftstoff ausgelegt oder können damit betrieben werden; große Schiffsdieselmotoren werden auch heute noch überwiegend mit schwererem Kraftstoff betrieben (siehe Schiffsdieselöl). Dieser Kraftstoff ist in der Norm ISO 8217 genormt. Für welche Kraftstoffsorten ein bestimmtes Dieselmotorenmodell ausgelegt ist, kann meist dem Betriebshandbuch entnommen werden. Einige Wirbelkammer-Motoren etwa sind für den Betrieb mit zündunwilligem Kraftstoff mit besonders hohem Zündverzug ausgelegt (wie zum Beispiel Motorenbenzin). Direkteinspritzende Dieselmotoren mit MAN-M-Verfahren sind ebenfalls prinzipiell für den Betrieb mit 86-Oktan-Benzin geeignet. Werden Dieselmotoren mit falschem Kraftstoff betrieben, dann können Verkokungen der Einspritzdüsen oder Klopfen (Nageln) auftreten. Verunreinigungen des Kraftstoffes, etwa durch Staub, Rost, Sand und Wasser wirken sich ebenfalls schädlich auf den Dieselmotor aus, wobei Verunreinigungen durch Sand besonders ungünstig sind.
Der erste Dieselmotor war für den Gebrauch von Mineralöl konstruiert, aber auch für den Betrieb mit Petroleum, Motorenbenzin und Ligroin geeignet. Den Einsatz von Kraftstoff auf Basis von Pflanzenölen testete Rudolf Diesel im Rahmen der Weltausstellung im Jahr 1900. Er berichtete darüber auf einem Vortrag vor der Institution of Mechanical Engineers of Great Britain: „… auf der Pariser Weltausstellung 1900 wurde ein kleiner Diesel-Motor der Gasmotorenfabrik Deutz AG von Nicolaus Otto gezeigt, der auf Anforderung der französischen Regierung mit Erdnussöl (Arachidöl) lief, und er arbeitete so problemlos, dass nur sehr wenige Leute darauf aufmerksam wurden.“
Regelung Der Dieselmotor wird im Wesentlichen durch die eingespritzte Kraftstoffmenge geregelt. Bei einer Vergrößerung der Menge wird entsprechend mehr Moment abgegeben, gleichzeitig sinkt das Verbrennungsluftverhältnis. Bei Turbomotoren kann parallel durch Anhebung des Ladedruckes auch die Luftmenge erhöht werden.
Kraftstoffeinspritzung mini|hochkant=1.15|Nicht unterteilter Brennraum eines Common-Rail-Dieselmotors mini|hochkant=1.15|Technische Zeichnung des Zylinderkopfes eines Wirbelkammerdieselmotors mit unterteiltem Brennraum: Der Brennraum ist in der Mitte der Zeichnung zu sehen und besteht aus der kugelförmigen Wirbelkammer, die mit drei die Verwirbelung der Luft darstellenden Pfeilen im Uhrzeigersinn gekennzeichnet ist, und dem damit verbundenen Hauptbrennraum im Kolben unten rechts, der flach im oberen Teil des Kolbens ausgebildet ist.
Dieselmotoren haben prinzipbedingt Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum (innere Gemischbildung), Modellmotoren und Fahrradhilfsmotoren (Lohmann-Motor) mit Vergaser und Kompressionszündung werden nicht zu den Dieselmotoren gezählt. Eingespritzt wird der Kraftstoff kurz vor Ende des Kompressionstaktes, wenn die Luft ausreichend stark komprimiert wurde und sich dadurch erhitzt hat. Dabei hängt der Verlauf des Einspritzvorganges von der Konstruktion der Einspritzdüse und des Pumpenelementes sowie vom geometrischen Verhältnis der Einspritzleitung und des Entlastungsventils ab. Bei der Einspritzung tritt der flüssige Kraftstoff als Wolke feinstverteilter Tröpfchen in den Brennraum ein, wobei die Luft bereits Zündbedingungen bietet. Nur ein geringer Teil des Kraftstoffes ist in dieser Phase dampfförmig. Die einzelnen Kraftstofftröpfchen haben dabei unterschiedliche Größen und sind nicht gleichmäßig verteilt (heterogenes Gemisch). Damit die Zündung eintreten kann, muss Wärmeenergie aus der komprimierten Luft in die Kraftstofftröpfchen übergehen, sodass die einzelnen Tröpfchen an ihrer Oberfläche verdampfen und sich eine Dampfschicht um die Kraftstofftröpfchen legt, die sich mit der Luft vermischen kann. Erst ab einer lokalen Luftzahl von ist das Gemisch zündfähig. Der Zeitraum vom Einspritzbeginn bis zum Zündbeginn wird als Zündverzug bezeichnet.
mini|hochkant=1.15|Stationärdieselmotor mit Lufteinblasung und einer Leistung von 59 kW aus dem Jahr 1915. Prinzipbedingt hat dieser Motor bei geringer Leistung eine hohe Masse und große Abmessungen
Für Dieselmotoren wurden verschiedene Einspritzverfahren entwickelt, die sich im Wesentlichen in der Bauart des Brennraumes und der Einspritzpumpe unterscheiden. Zum einen gibt es Motoren mit einem kompakten Brennraum und unmittelbarer Einspritzung, zum anderen Motoren mit unterteiltem Brennraum und mittelbarer Einspritzung in eine dem Hauptbrennraum vorgelagerte Kammer. Wegen ihres geringeren Wirkungsgrades gilt diese Bauart als überholt. Die älteste Methode, das Einblasen mit Druckluft, wurde schon nach dem Ersten Weltkrieg obsolet. Ferner ist die Bauart der Kraftstoffeinspritzpumpe ein wesentliches Merkmal des Einspritzsystems, wobei konventionelle Einspritzpumpen meist mit beiden Brennraumformen kombiniert werden können. Moderne Dieselmotoren für Pkw haben in der Regel unmittelbare Einspritzung; die Zylinder haben eine gemeinsame Hochdruckpumpe und eine ständig unter Druck stehende, für alle Zylinder gemeinsame Hochdruckleitung (Common-Rail); die Einspritzung wird durch das Öffnen der Einspritzventile eingeleitet, die elektronisch angesteuert werden. Bei Motoren ohne elektronische Motorsteuerung wird die Einspritzung rein mechanisch eingeleitet. Dabei wird die Einspritzmenge durch die Einspritzpumpe festgelegt, die folglich für jeden Zylinder eine exakt definierte Menge Kraftstoff unter hohem Druck zum Einspritzventil fördern muss. In der Anfangszeit des Dieselmotorenbaus konnte die feine Verteilung des Kraftstoffs nur durch Einblasen mit Druckluft erreicht werden. Werden Dieselmotoren mit gasförmigem Kraftstoff betrieben, so kann der Motor entweder ein Dual-Fuel-Dieselmotor oder ein reiner Gas-Dieselmotor sein. Dual-Fuel-Motoren saugen ein Gas-Luft-Gemisch an, das durch eine kleine Menge eingespritzten konventionellen flüssigen Kraftstoffs entzündet wird, der verbrennt (Pilotzündung) und dadurch dann das gasförmige Kraftstoff-Luft-Gemisch entflammt. Diese Art Motor kann auch im reinen Flüssigkraftstoffbetrieb arbeiten. Reine Gas-Dieselmotoren haben eine Hochdruckkraftstoffeinblasung, die ohne Pilotzündung auskommt. Sie können nicht mit flüssigem Kraftstoff betrieben werden.
Bauarten der Einspritzpumpe
Kraftstoffdosierpumpe (bei Lufteinblasung) Reiheneinspritzpumpe Verteilereinspritzpumpe Einzelstempelpumpe Pumpe-Düse-Einheit Hochdruckpumpe (bei Common-Rail)
Mittelbare Einspritzverfahren
Vorkammereinspritzung Wirbelkammereinspritzung Lanova-Einspritzverfahren Acro-Luftspeicherverfahren
Unmittelbare Einspritzverfahren
Lufteinblasung Konventionelle Direkteinspritzung M-Verfahren Pumpe-Düse-System Common-Rail-Einspritzung
Thermodynamik