Dieselmotoren gibt es in vielen verschiedenen Varianten, am häufigsten werden im KFZ-Bau Viertaktdieselmotoren verwendet, im anderen Industriebereichen trifft man häufiger auf Zweitaktdieselmotoren. Von der Funktionsweise her ähneln sie den normalen Benzinmotoren, es gibt allerdings einige Besonderheiten.

Bei einem Dieselmotor wird im Vergleich zu einem Benzinmotor kein zündfähiges Gasgemisch zugeführt, sondern lediglich Frischluft. Diese wird im Zylinder hoch verdichtet und erwärmt sich daher auf 700°- 900°C. In die verdichtete Luft wird dann der feinvernebelte Kraftstoff gespritzt. Durch die hohe Temperatur ist der Kraftstoff in der Lage, von selbst ohne Fremdhilfe zu zünden. Zündkerzen werden dadurch im Dieselmotor nicht benötigt. Für den Kaltstart werden allerdings weiterhin Zündhilfen benötigt, beispielsweise Glühkerzen oder Startkraftstoff.

Die Funktionsweise eines Dieselmotors

Der Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor, der nach dem Prinzip der Selbstzündung arbeitet. Die Funktionsweise eines Dieselmotors kann in vier Hauptphasen unterteilt werden: den Ansaugtakt, der Verdichtungstakt, den Arbeitstakt und der Ausstoßtakt.

Ansaugen

Der Ansaugtakt ist der erste Schritt im Zyklus des Dieselmotors. In dieser Phase öffnet sich das Einlassventil, während das Auslassventil geschlossen bleibt. Der Kolben bewegt sich nach unten und erzeugt einen Unterdruck im Zylinder. Durch diesen Unterdruck strömt Luft in den Zylinder, wobei das Einlassventil den Luftstrom steuert. Häufig kommt beim Diesel jedoch ein Turbolader zum Einsatz der die Luft zusätzlich in den Verbrennungsraum presst, um den Wirkungsgrad zuerhöhen.

Verdichten

Im Verdichtungstakt bewegt sich der Kolben wieder nach oben und verdichtet die eingesaugte Luft im Zylinder. Das Einlassventil ist geschlossen, und das Auslassventil bleibt weiterhin geschlossen. Durch die Kompression der Luft steigt die Temperatur im Zylinder erheblich an. Diese hohe Temperatur ist für die Selbstzündung des Dieselkraftstoffs entscheidend. Man spricht daher beim Diesel auch vom Selbstzünder.

Arbeiten

Sobald der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat, wird der eingespritzte Dieselkraftstoff in den Zylinder eingespritzt. Die hohe Temperatur und der Druck im Zylinder lassen den Dieselkraftstoff spontan entzünden, ohne dass eine Zündkerze erforderlich ist. Die explosionsartige Verbrennung des Kraftstoffs erzeugt einen starken Druck auf den Kolben, der sich nach unten bewegt und die Kurbelwelle antreibt. Die Energie des sich bewegenden Kolbens wird in Drehbewegung umgewandelt und auf die Kurbelwelle übertragen, die die Leistung erzeugt.

Ausstoßen

Im Ausstoßtakt bewegt sich der Kolben wieder nach oben, und das Auslassventil öffnet sich. Die Abgase, die durch die Verbrennung entstanden sind, werden aus dem Zylinder in den Abgastrakt des Motors ausgestoßen. Dies ermöglicht den Austausch von Abgasen gegen frische Luft im nächsten Ansaugtakt und bereitet den Motor auf den nächsten Zyklus vor.

Diese vier Phasen wiederholen sich in schneller Abfolge, wodurch der Dieselmotor seine kontinuierliche Leistung erzeugt.

Die Eigenschaften von Dieselmotoren

Der Dieselmotor besitzt eine Reihe charakteristischer Eigenschaften, die ihn von anderen Motoren, wie beispielsweise dem Ottomotor, unterscheiden.

Größere Abmessungen

Dieselmotoren sind in der Regel größer und schwerer als Ottomotoren ähnlicher Leistung. Dies liegt daran, dass sie aufgrund des höheren Drucks und der stärkeren Konstruktion größere Kräfte aushalten müssen. Die größeren Abmessungen ermöglichen es dem Dieselmotor, das hohe Verdichtungsverhältnis aufrechtzuerhalten, das für die Selbstzündung des Kraftstoffs erforderlich ist.

Hohes und gleichmäßiges Drehmoment

Ein herausragendes Merkmal von Dieselmotoren ist ihr hohes Drehmoment, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen. Dies ist auf den hohen Druck und das hohe Verdichtungsverhältnis zurückzuführen. Das hohe Drehmoment ermöglicht eine gute Beschleunigung und hervorragende Zugkraft, was Dieselmotoren ideal für Anwendungen mit schweren Lasten, wie Lastwagen und Schwertransporten, macht.

Schwerer als Ottomotoren bei gleicher Leistung

Aufgrund der robusteren Bauweise und der größeren Abmessungen sind Dieselmotoren in der Regel schwerer als Ottomotoren mit vergleichbarer Leistung. Dies kann in einigen Anwendungen, wie beispielsweise in Sportwagen, ein Nachteil sein, da ein leichteres Gewicht oft mit besserer Agilität und Leistung verbunden ist. Allerdings ermöglicht das höhere Gewicht des Dieselmotors auch eine verbesserte Stabilität und Haltbarkeit.

Niedriger spezifischer Kraftstoffverbrauch

Eine der herausragenden Eigenschaften eines Dieselmotors ist sein niedriger spezifischer Kraftstoffverbrauch. Dieselmotoren nutzen den hohen Wirkungsgrad der Selbstzündungstechnologie, um einen größeren Teil der eingespritzten Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln. Dadurch erreichen sie eine bessere Kraftstoffeffizienz im Vergleich zu Ottomotoren. Dies ist einer der Gründe, warum Dieselmotoren häufig in Anwendungen mit hohem Kraftstoffverbrauch, wie Lastwagen und Schiffen, eingesetzt werden.

Hohe Laufleistung des Motors

Durch ihre robuste Bauweise und die effiziente Verbrennung weisen Dieselmotoren eine hohe Lebensdauer auf. Sie sind für lange Laufleistungen ausgelegt und können oft viele Hunderttausende von Kilometern zurücklegen, bevor größere Reparaturen erforderlich sind. Dies ist einer der Gründe, warum Dieselmotoren in Nutzfahrzeugen und in der Schifffahrt häufig eingesetzt werden, wo Zuverlässigkeit und Langlebigkeit entscheidend sind.

Niedrige Abgastemperatur und geringere Schadstoffemissionen

Im Vergleich zu Ottomotoren erzeugen Dieselmotoren niedrigere Abgastemperaturen, was sich positiv auf die Wärmebelastung des Motors und die Abgasnachbehandlungssysteme auswirkt. Darüber hinaus haben moderne Dieselmotoren fortschrittliche Abgasnachbehandlungssysteme, wie Partikelfilter und Katalysatoren, die dazu beitragen, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Obwohl ältere Dieselmotoren in Bezug auf Schadstoffemissionen weniger effizient waren, haben die Fortschritte in der Motorentechnologie zu erheblichen Verbesserungen geführt.

Die Unterscheidung beim Einspritzverfahren des Dieselmotors

Beim Dieselmotor gibt es verschiedene Einspritzverfahren, die für die Kraftstoffzufuhr in den Verbrennungsraum verwendet werden. Die drei gängigsten Einspritzverfahren sind das Direkteinspritzungsverfahren, das Vorkammerverfahren und das Wirbelkammerverfahren. Jedes dieser Verfahren hat seine eigenen Merkmale und Vorzüge.

Direkteinspritzungsverfahren

Beim Direkteinspritzungsverfahren wird der Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt. Dies geschieht durch Einspritzdüsen, die im Zylinderkopf angebracht sind. Der Kraftstoff wird unter hohem Druck eingespritzt, wodurch eine feine Zerstäubung erreicht wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine präzise Kontrolle des Kraftstoff-Luft-Gemischs und der Verbrennung.

Die Direkteinspritzung bietet mehrere Vorteile. Sie ermöglicht eine bessere Ausnutzung des Kraftstoffs, was zu einem niedrigeren spezifischen Kraftstoffverbrauch und einer höheren Motorleistung führt. Darüber hinaus kann die Einspritzung so gesteuert werden, dass sie optimal zur Verbrennung passt, was zu niedrigeren Schadstoffemissionen führt. Direkteinspritzung wird heute in den meisten modernen Dieselmotoren eingesetzt.

Wirbelkammerverfahren

Das Wirbelkammerverfahren verwendet eine speziell geformte Wirbelkammer im Zylinderkopf. Der Kraftstoff wird in diese Kammer eingespritzt und erzeugt einen Wirbel, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch gut mischt. Die Verbrennung beginnt in der Wirbelkammer und breitet sich dann in den Zylinder aus.

Das Wirbelkammerverfahren bietet eine gute Mischung des Kraftstoff-Luft-Gemischs und ermöglicht eine effiziente Verbrennung. Es wird oft bei älteren Dieselmotoren eingesetzt, die nicht über moderne Direkteinspritzsysteme verfügen. Allerdings ist das Wirbelkammerverfahren weniger effizient als die Direkteinspritzung und weist höhere Schadstoffemissionen auf.

Vorkammerverfahren

Beim Vorkammerverfahren wird der Kraftstoff in eine separate Vorkammer eingespritzt, die sich im Zylinderkopf befindet. In der Vorkammer findet eine Vorverbrennung statt, bei der sich ein kleiner Teil des Kraftstoff-Luft-Gemischs entzündet. Diese Vorverbrennung erzeugt einen hohen Druck, der das Hauptkraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder entzündet.

Das Vorkammerverfahren hat den Vorteil, dass es zu einer schnelleren und stabileren Verbrennung führt, insbesondere bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen. Es ermöglicht eine bessere Kaltstartfähigkeit und verringert das Risiko von Klopfschäden. Allerdings ist das Vorkammerverfahren weniger effizient als die Direkteinspritzung und wird daher seltener in modernen Dieselmotoren eingesetzt.