Dieselmotor

Motor (anfänglich Ölmotor genannt) von Rudolf Diesel

Ein Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor bei dem der Kraftstoff am Ende des Verdichtungsvorgangs in die im Verbrennungsraum enthaltene stark verdichtete Luft während einiger Kurbelwinkelgrade eingespritzt wird. Die Temperatur der verdichteten Luft ist so hoch, daß der eingespritzte Kraftstoff sich selbst entzündet. Eine Zündkerze wird deshalb nicht benötigt, dafür haben viele Dieselmotoren zur Unterstützung des Kaltstarts eine Glühkerze.

Erläuterung

Dieselmotor von 1898. Dieser Zweizylindermotor ist von 1898 bis 1930 im Einsatz. Er leistete 50 PS bei 190 U/min. Dieser zweite von der Maschinenfabrik Augsburg verkaufte Dieselmotor wiegt nahezu 13 Tonnen und stand bis 1930 in der Papierhülsenfabrik Rugendas in Augsburg. Der erste von der Maschinenfabrik Augsburg verkaufte Dieselmotor war am 5. März 1898 bei der „Actiengesellschaft Union, Vereinigte Zündholz- und Wichsefabrik“ in Kempten in Betrieb genommen worden.

Ein Dieselmotor saugt je Hub immer dieselbe Luftmasse ungedrosselt an und die Arbeitsmenge je Arbeitstakt wird über die Kraftstoffmenge je Arbeitstakt bestimmt. Bei einem Dieselmotor spricht man daher von einer Qualitätsregelung während beim Ottomotor eine Quantitätsregelung vorliegt. Die Einspritzmenge wird hierbei so über den Kurbelwinkelbereich verteilt, daß der Zylinderdruck während der Einspritzung konstant bleibt und dem zulässigen Höchstdruck entspricht. Man spricht auch von einem Gleichdruckverfahren.

Beim Ottoprozeß wird im Gegensatz dazu die Energie bei gleichem Raum „explosiv“ freigesetzt, Druck und Temperatur erreichen dabei Maximalwerte. Der theoretische Wirkungsgrad ist daher beim Ottoprozeß höher als beim Dieselprozeß. Der praktische Wirkungsgrad ist dagegen beim Dieselprozeß höher. Dies rührt daher, weil die thermischen Verluste an die Brennraumwandungen beim Dieselprozeß wegen der geringeren Temperaturdifferenzen kleiner sind.

Allgemeines

Diese Motorenart wurde ursprünglich mit Pflanzenöl betrieben, erst später kam es zur Herstellung des speziellen Dieselkraftstoffes aus Erdöl. Seit Ende des 20. Jahrhunderts wird zunehmend auch der so genannte Biodiesel RME (Rapsölmethylester) eingesetzt. Die meisten heutigen Dieselmotoren können auch mit Pflanzenöl betrieben werden. Beim Diesel-Verbrennungsverfahren wird im Gegensatz zum Verbrennungsverfahren beim Ottomotor kein brennbares Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt. Dieselmotoren arbeiten im Gegensatz zu Ottomotoren mit einem starken Luftüberschuß. Es gibt verschiedene Einspritzverfahren, z. B. Vorkammereinspritzung, Wirbelkammereinspritzung und Direkteinspritzung. Vorteile des Dieselmotors gegenüber seinem nächsten Verwandten, dem Ottomotor, sind ein besserer Wirkungsgrad und der daraus resultierende geringere spezifische Kraftstoffverbrauch sowie billigere und ungefährlichere Kraftstoffe.

Nachteilig sind die aufwendigere und infolge höherer Arbeitsdrücke massivere Konstruktion, das daraus resultierende schlechtere Masse-Leistungs-Verhältnis, sowie die höhere Geräuschemission durch größere Druckgradienten bei der Verbrennung. Beim Betrieb von Dieselmotoren entsteht Dieselruß der bei modernen Konstruktionen durch einen Rußfilter aufgefangen wird. Dieselmotoren können prinzipiell als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor gebaut werden. Ein Kreiskolbenmotor mit Dieselverbrennung ist zwar möglich (zweistufige Verdichtung) jedoch über das Forschungsstadium nie hinausgekommen. Zweitakt-Dieselmotoren werden hauptsächlich als Großmotoren in Schiffen verwendet. Weitaus häufiger ist jedoch der Viertakt-Dieselmotor, dessen Hauptanwendung im Antreiben von Diesellokomotiven, Dieseltriebwagen, Kraftfahrzeugen, Baumaschinen und kleineren Generatoren liegt. In jüngster Zeit sind jedoch auch einige hochmoderne Diesel-Flugmotoren für Kleinflugzeuge auf den Markt gekommen.

Erfindung des Dieselmotors

Rudolf Diesel beschäftigte sich schon früh mit Motoren. Im Jahre 1890 kam ihm die entscheidende Idee, wie der Verbrennungsvorgang verbessert werden könne: Es wird nur Luft angesogen, diese auf über 200 bar komprimiert und in diesem Augenblick wird Kraftstoff, z.B. schwere Kraftstoffe wie Rohöl oder Petroleum, in die erhitzte Luft eingespritzt. Die hohe Temperatur führt sofort zur Entzündung des Kraftstoffes als Eigenzündung, was eine Zündkerze überflüssig macht. So einfach sich dieses Prinzip anhört, so problematisch war dessen Umsetzung in die Praxis. Noch nie war es geschafft worden, derart hohe Drücke und Temperaturen in einer Maschine zu verwenden. Und der erste Versuchsmotor, gebaut 1893 durch die Maschinenfabrik Augsburg (MAN) in Deutschland, führte zur Zerstörung des Prototyps.

Erst ein zweiter Motor, gebaut 1896, funktionierte einwandfrei und lieferte einen Wirkungsgrad von über 25 %, was besser war als von bisherigen Motoren gewohnt. Allerdings sah Rudolf Diesel noch großen weiteren Entwicklungsbedarf, insbesondere war das Verdichtungsverhältnis niedrig und die maximalen Drücke somit klein, ca. 30 bar, außerdem war eine Kraftstoffeinspritzung noch nicht möglich, so daß man Lufteinspritzung verwenden mußte, ein Verfahren, das sehr komplizierte, teure und schwere Zusatzeinrichtungen erforderte. Auch konnte sich der Motor nur schwer durchsetzen, weil die Kraftstoffkosten für Schweröl oder Petroleum sehr hoch waren und patentrechtliche Streitigkeiten eine erfolgreiche Einführung verzögerten.

Erst als 1908 die Patente abgelaufen waren, entwickelte er zusammen mit der Schweizer Pionierfirma Sauer noch kleinere Motoren für den Gebrauch in Personenkraftewagen und Lastkraftwagen.

Funktionsweise

Mercedes LK 10 000 (1937) mit 150-PS-Dieselmotor für den Straßendienst auf den Reichsautobahnen mit geteilter Meiller-Kipp-Pritsche und integrierter Splitt-Streuvorrichtung hinter der Fahrerkabine.

Spezialomnibus (Kraftomnibus) der Reichsbahn für den Reichsautobahn-Schnellverkehr an der Anschlußstelle Langen-Mörfelden.

1. Takt: Kolben bewegt sich abwärts und saugt Luft durch das Einlassventil an.	2. Takt: Am Ende des Verdichtungshubes wird Kraftstoff eingespritzt, der sich entzündet.	3. Takt: Beim Arbeitshub schiebt der Druck der Verbrennungsgase den Kolben abwärts.	4. Takt: Die verbrannten Gase werden durch das Auslassventil ausgestoßen.

Thermodynamischer Ablauf

1500 PS Triebwerk des deutschen Kampfpanzers „Leopard 2“ (12-Zylinder-Dieselmotor MTU MB 873)

Schiffsdieselmotor mit 4.000 PS von der Motoren- und Turbinen-Union Friedrichshafen (20-Zylinder-Dieselmotor MTU M 93)

Der thermodynamische Ablauf beim Dieselverfahren ist folgender:

1. Ansaugen von reiner Luft ungedrosselt
2. Adiabates Verdichten der reinen Luft. Die Temperatur der Luft steigt dabei auf ca. 600°C an
3. Arbeitstakt: Isobare Wärmezufuhr durch Einspritzen und Verbrennen einer variablen Kraftstoffmenge, anschließend adiabate Expansion
4. Ausstoß des verbrannten Arbeitsgases

Beim Ottoverfahren ist nur der 1. und 3. Takt anders:

1. Ansaugen einer unterschiedlichen Menge Kraftstoff-Luft gleicher stöchiometrischer Zusammensetzung
2. Adiabates Verdichten des Brenngases, dabei Verdampfen der Brennstofftröpfchen
3. Arbeitstakt: Isochore Wärmezufuhr nach Zünden des Brenngases durch Funken, anschließend adiabate Expansion
4. Ausstoß des verbrannten Arbeitsgases

Wirkungsgrad

Der theoretische Wirkungsgrad eta eines Verbrennungsmotors ist vom Verdichtungsverhältnis eps = v1 / v2 und dem Verhältnis der Volumina vom Ende (v3) bis Anfang der Energiefreisetzung (v2) abhängig. Beim Ottomotor, Gleichraumprozeß, ist dieses Verhältnis R = v3 / v2 praktisch 1 oder wegen der bei 1 dann auftretenden Singularität in nachstehender Formel mit etwas über 1 (z.B. 1.0001) anzusetzen. Beim Dieselmotor liegt R etwa bei 2 bis 3, da die Energie bei gleichbleibendem Druck während eines Teils der Expansion freigesetzt wird. Der Wert k kennzeichnet das Verhältnis der spezifischen Wärmen bei gleichem Druck und gleichem Volumen k = cp / cv des Arbeitsgases und beträgt bei Luft k = 1,4.

eta = 1 - 1 / ( k * eps^(k-1) ) * ( R^k - 1 ) / ( R - 1 )

Das Verdichtungsverhältnis liegt beim Ottomotor bei 10 und beim Dieselmotor bei 20.

Dieselmotoren für die Kaiserliche Marine

Gut ausgebildete und motivierte Ingenieure trieben die Dieselmotorentwicklung zwischen 1903 und 1918 für die U-Boote der Kaiserlichen Marine erheblich voran, in rund 15 Jahren wurde der spezifische Brennstoffverbrauch stark reduziert und die Leistung bis Ende des Ersten Weltkrieges von 200 (147 kW) auf 2000 PS pro Motor gesteigert. Der Antrieb spielte eine entscheidende Rolle, der Dieselmotor als 4-Taktmotor (MAN) oder als 2-Taktmotor (Krupp Germaniawerft) löste alle anderen Primärantriebe (Dampf, Druckluft, Ottomotor, Petroleummotor) ab. Lag die Zylinderleistung 1901 bei 30 PS (22 kW), erreichten Motoren der MAN 1909 bereits 200 PS (147 kW).

Nach längeren Verhandlungen erklärte sich erst die Maschinenfabrik Augsburg, ab 1908 Augsburg-Nürnberg MAN, und bald auch Krupp bereit, nach den Entwürfen Diesels einen Motor zu finanzieren. Dafür wurden sie Mitinhaber von Diesels Patenten. Zu dieser Zeit zeigte das Reichsmarineamt großes Interesse an Langsamläufern mit 2.000 PS (1470 kW) pro Zylinder für Kriegsschiffe, insbesondere Schlachtschiffe. Mit sechs Zylindern sollte diese Maschine 12.000 PS (8820 kW) leisten.

Siehe auch

• Rudolf Diesel

Literatur

• Alois Riedler: „Dieselmotoren: Beitrage zur Kenntnis der Hochdruckmotoren“, 1914 (PDF-Datei) Für Nicht-USA-Bewohner nur mit US-Proxy abrufbar!
• Rudolf Diesel, Hans-Joachim. Braun: Die Entstehung des Dieselmotors. Das Grundlagenwerk einer großen Erfindung. Verlag A. Steiger, Solingen 1985 ISBN 3921564700
• VDI: Handbuch Dieselmotoren. Springer, Berlin; Auflage: 3., neu bearb. Aufl. 2007, ISBN 3540721649

Verweise

• Artikel über die Entwicklung des Dieselmotors, 3sat.de
• Dieselgeschichte, rb-k.bosch.de
• Referat über den Dieselmotor, lerntippsammlung.de
• Geschichte des Dieselmotors, kerzendorf.net
• Der erste Dieselmotor von Rudolf Diesel, deutsches-museum.de
• Handbuch Dieselmotoren, books.google.de
• Funktionsprinzip Dieselmotor, k-wz.de