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Der Dieselmotor

Inhaltsverzeichnis
Einleitung 3
Geschichte des Dieselmotors 4-5
Der Erfinder 4
Die Entwicklung 5
Die Funktion des Dieselmotors 6-13
Das Zweitakt-Prinzip 6-8
Das Viertakt-Prinzip 9-11
Unterschiede zwischen Zweitakt- und Viertaktmotor 12
Verwendung von Zweitakt- und Viertaktmotoren 13
Energieumwandlung 14-15
Dieselkraftstoff 14
Energieumwandlung 14-15
Wirkungsgrad 15
Dieselmotor im Vergleich mit Otto-Motor 16-17
Zusammenfassung 18

1. Einleitung
In meiner Ausarbeitung beschäftige ich mich mit dem Thema „Dieselmotor“, welcher unter den Verbrennungsmotoren einzuordnen ist.
Die Bezeichnung Motor stammt vom lateinischen „motus“ (Bewegung, Triebkraft) ab.
Motoren wandeln Energie in mechanische Arbeit um.
Bei Verbrennungsmotoren ist dies chemische Energie.
Neben dem Dieselmotor gibt es noch den Benzinmotor, den Otto-Motor, der, genau wie der Dieselmotor, mit dem ich mich beschäftige, entweder nach dem Viertaktprinzip oder dem Zweitaktprinzip arbeitet.
[Quelle: Adam Opel AG, (1988), Der Verbrennungsmotor-Foliensatz und Begleitheft]
Im Folgenden möchte ich auf die Geschichte des Dieselmotors eingehen, um dann nachfolgend die Funktion des Dieselmotors zu erläutern.
Anschließend möchte ich speziell auf die Energieumwandlung zu sprechen kommen, welche mich dann zum Vergleich zwischen Dieselmotor und Otto-Motor führt.
Um meine Ausarbeitung abzurunden möchte ich zum Schluss eine kleine Zusammenfassung meines Themas „Der Dieselmotor“ schreiben.
2. Geschichte des Dieselmotors
2.1 Der Erfinder
Der Erfinder des Dieselmotors war Rudolf Diesel, der am 18. März 1858 in Paris geboren wurde.
Er studierte Maschinenbau an der Technischen Hochschule München und erhielt dort die Anregung zur Konstruktion einer Wärmekraftmaschine von möglichst hohem Wirkungsgrad.
So entwickelte er in den Jahren 1893 bis 1897, in Zusammenarbeit mit der Maschinenfabrik Augsburg und der Firma F. Krupp, den Dieselmotor.
In Zusammenarbeit mit ihnen baute er den ersten Kleindieselmotor, sowie Dieselmotoren für Lastwagen und Lokomotiven.
1907 gründete Rudolf Diesel eine Gesellschaft für Thermo-Lokomotiven und 1913 unternahm er eine Probefahrt mit der ersten 1000 PS Großdiesellok für die Preussischen Staatseisenbahnen.
Im Ausland geehrt, im Inland in Auseinandersetzungen verwickelt, setzte Diesel auf der Überfahrt von Antwerpen nach Harwich seinem Leben vermutlich selbst ein Ende.
(Quelle: www.wikipedia.org, 2005)

2.2 Die Entwicklung
Am 28. Februar 1892 meldete Rudolf Diesel seinen „Dieselmotor“ zum Patent an. 1896 läuft der erste betriebsfertige Dieselmotor.
Ein erster Schiffsdieselmotor wird 1904 geliefert.
Prosper L' `Orange entwickelte 1908 eine präzise arbeitende Einspritzpumpe sowie das Vorkammerprinzip.
1923 wird der erste Traktor mit Vorkammer-Dieselmotor und der erste LKW mit Dieselmotor gebaut.
Im Jahre 1936 wird der erste PKW (Mercedes-Benz 260 D) mit Dieselmotor gebaut. 1976 bringt VW den ersten Golf mit Dieselmotor heraus.
1988 stellt FIAT als erster Hersteller im Modell Fiat Croma TD i.d. einen richtungsweisenden turboaufgeladenen, direkteinspritzenden Dieselmotor mit einer Leistung von 66 kW (90 PS) vor.
2004 steigt in Westeuropa der Anteil der neuzugelassenen Pkw mit Dieselmotor auf über 50%.
(Quelle: www.wikipedia.org, 2005)
3. Funktion des Dieselmotors
Diesel-, wie auch Otto-Motoren, treten in zwei verschiedenen Ausführungen auf.
Wobei ich in meiner Ausarbeitung zunächst nur auf die Prinzipien beim Dieselmotor eingehe.
Zum einen gibt es die Zweitakt-Dieselmotoren und zum anderen die Viertakt-Dieselmotoren.
Sie unterscheiden sich in ihrer Arbeitsweise, auf welche ich im Folgenden eingehen möchte.

3.1 Das Zweitakt-Prinzip
Zweitakt-Dieselmotoren werden vorwiegend bei Schiffen, Eisenbahnen und bei anderen großen Fortbewegungsmitteln, wie auch zum Beispiel bei Flugzeugen, verwendet.
Der Arbeitszyklus – Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausströmen – läuft beim Zweitaktmotor während einer Umdrehung der Kurbelwelle ab.
Da der Zweitakter während einer Kurbelwellenumdrehung alle vier Takte bewältigen muss, wirken Zylinder und Kurbelkammer zusammen.
Ein Überströmkanal verbindet Zylinder und Kurbelkammer.
Der Auslasskanal (oben) führt zur Auspuffleitung.
Der Einlasskanal (unten) führt zur Kurbelkammer.
Die Funktion der Ventile übernimmt der Kolben, der die Kanäle nach Bedarf freigibt oder verschließt.
1. Takt
Der Kolben bewegt sich nach oben.
Die Abgase der vorangegangenen Verbrennung haben den Zylinder bereits zum größten Teil verlassen.
Die in der Kurbelkammer vorverdichtete Luft verdrängt über den geöffneten Überströmkanal die restlichen Abgase aus dem Zylinder, der sich nun weitgehend mit Frischluft füllt: Man nennt dies den „Spülvorgang“.
Der Kolben verschließt dann den Überströmkanal und den Auslasskanal.
Die Luft wird jetzt im Zylinder verdichtet.
Gleichzeitig gibt die Kolbenunterkante, den Einlasskanal frei, und Luft strömt in die Kurbelkammer ein.
2. Takt
Kurz vor dem oberen Totpunkt erfolgt die Einspritzung einer bestimmten Menge Diesel.
Der Druck der Explosion, die durch die stark erhitzte Luft im Zylinder mit Einführung des Diesels entstanden ist, treibt den Kolben nach unten.
Der Kolben verschließt den Einlasskanal und verdichtet die im Kurbelgehäuse angesammelte Luft.
Die Kolbenoberkante gibt nun den Auslasskanal frei, so dass die unter hohem Druck entstehenden Abgase den Zylinder durch den Auslasskanal verlassen können. Sobald auch der Überströmkanal geöffnet ist, beginnt der Spülvorgang.
Die in der Kurbelkammer vorverdichtete Luft verdrängt das restliche Abgas aus dem Zylinder.
Eine volle Kurbelwellenumdrehung ist abgelaufen.

3.2 Das Viertakt-Prinzip
Dieselmotoren in Pkw arbeiten nach dem Viertakt-Prinzip. Eingeführt hat das Viertakt-Prinzip N. A. Otto (1832-1891).
Die vier Takte im Zylinder werden in zwei Kurbelwellenumdrehungen durchlaufen. Die Luftzufuhr und die Abgasausstoßung des Viertakt-Motors steuern die Ventile. Sie geben entsprechend den Steuerzeiten die Ein- und Auslasskanäle frei und verschließen sie wieder.
Der Viertakt-Motor arbeitet nur bei jeder zweiten Kurbelwellen-Umdrehung. Die in den sich rasch drehenden Teilen des Motors gespeicherte Bewegungsenergie bewirkt jedoch einen gleichförmigen Motorlauf.
Erster Takt: Ansaugen
Das Einlassventil ist offen.
Das Auslassventil ist geschlossen.
Der Kolben bewegt sich abwärts, vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt.
Frischluft wird durch das Einlassventil an den Brennraum angesaugt.

Zweiter Takt: Verdichten
Der Kolben bewegt sich aufwärts, zum oberen Totpunkt. Das Einlassventil und das Auslassventil sind geschlossen, so dass die im Zylinder befindliche Luft komprimiert wird. (Das Volumen ist auf 1/20 bis 1/25 des ursprünglichen Zylinderraums verringert.)
Dabei steigt die Temperatur auf bis zu 600°C. Am Ende des 2. Taktes, kurz bevor der Kolben den so genannten OT (oberer Totpunkt) erreicht hat, wird eine bestimmte Menge flüssiges Diesel, mit Hilfe der Brennstoffeinspritzpumpe durch die Einspritzdüse in die heiße Luft gespritzt. Durch die Hitze und den hohen Druck wird der Brennstoff entzündet und die Temperatur wird weiter gesteigert. Die erste Umdrehung ist vollzogen.
Dritter Takt: Arbeiten
Die durch die Explosion stark erhitzten Gase dehnen sich aus.
Da Ein- und Auslassventil geschlossen sind, wird der Kolben mit einer heftigen Wucht nach unten gedrückt. Durch die Pleuelstange wird die Arbeit auf die Kurbelwelle übertragen.

Vierter Takt: Ausstoßen
Der Kolben wird aufwärts zum oberen Totpunkt bewegt. Das Einlassventil ist geschlossen und das Auslassventil ist geöffnet.
Die Verbrennungsprodukte werden aus dem Zylinderraum hinausgedrückt.
Die zweite Umdrehung ist vollzogen.
3.3 Unterschiede zwischen Zweitaktmotor und Viertaktmotor
Zweitaktmotor Viertaktmotor + Leichteres Gewicht - Schwereres Gewicht + Weniger Bauteile - Mehr Bauteile + Höhere Drehzahl möglich - Niedrigere Drehzahl möglich + Günstigerer Kaufpreis - Höherer Kaufpreis - Dieselölgemisch nötig + Schmieröl läuft über separaten

Kreislauf
An hand der Tabelle, lässt sich erkennen, dass Zweitaktmotoren gegenüber Viertaktmotoren Vorteile mit sich bringen. Sie sind leichter als Viertaktmotoren, was sich daraus ergibt, dass sie weniger Bauteile besitzen, was wiederum dazu führt, dass sie günstiger sind Im weitern, ist beim Zweitaktmotor eine höhere Drehzahl möglich, als beim Viertaktmotor. Ein entscheidender Vorteil des Viertaktmotors gegenüber dem Zweitaktmotor ist allerdings, dass er einen separaten Kreislauf besitzt, über den das Öl zum beschmieren der Einzelnen Motorteile läuft. Beim Zweitaktmotor, muss das Öl zum Diesel dazugegeben werden.
3.4 Wo und warum werden
Viertakt- und Zweitaktmotoren verwendet?
Viertaktmotoren werden überwiegend in Pkws verwendet, da sie eine höhere Leistung als der Zweitaktmotor bringen können.
Zweitaktmotoren werden meistens in großen Transportmitteln wie Schiffen, Eisenbahnen oder ähnlichen verwendet, da diese Transportmittel keine allzu hohe Leistung benötigen reicht ein Zweitaktmotor aus.
4. Energieumwandlung

4.1 Der Dieselkraftstoff
Der Dieselkraftstoff wird aus Kohlenwasserstoffen des Rohöls hergestellt, die im Bereich zwischen 200°C und 360°C sieden und ist daher ein fossiler Energieträger. Der Dieselkraftstoff dient als Brennstoff für Dieselmotoren. Der Maßstab für die Zündwilligkeit ist die Cetanzahl. Sie ist bei ruhigem Motorlauf im Allgemeinen größer als 49. Der Diesel hat einen niedrigeren Siedepunkt als Benzin. Der Heizwert von Diesel ist 42.500 KJ/Kg.
(Quelle: www.shell-direct.de, 2005)
4.2 Energieumwandlung in den Verbrennungsmotoren
Die Energieumwandlung bei Verbrennungsmotoren möchte ich zunächst allgemein erläutern und anschließend dies am Kompressions- und Arbeitstakt eines Viertakt-Dieselmotors näher erklären.
Die Energie steckt vor der Verbrennung im Motor im Brennstoff. Das heißt der Dieselkraftstoff ist der Energieträger. Weil die Energie in chemischen Verbindungen des Brennstoffes steckt, wird sie chemische Energie genannt. Der Dieselkraftstoff wird im Motorraum verbrannt und das ist die Energieumwandlung. Durch die Verbrennung wird die chemische Energie (Brennstoff) in mechanische bzw. Bewegungsenergie umgewandelt. Bewegungsenergie wird erreicht, da durch die Verbrennung die Kolben bewegt werden und das Fahrzeug fahren kann.
Im Speziellen sieht die Energieumwandlung im Dieselmotor wie folgt aus.
Im Kompressionstakt wird die Luft so stark verdichtet, dass die Lufttemperatur und der Druck erheblich ansteigen. Über die Einspritzpumpe bzw. Einspritzdüse wird der Dieselkraftstoff (chemische Energie) in den Zylinder eingespritzt.
Wegen der hohen Temperatur und dem hohen Druck kommt es zu einer Explosion und der Kraftstoff verbrennt. Die Verbrennung verursacht eine starke Gasbildung, die den Kolben nach unten drückt. Wenn sich der Kolben abwärts bewegt, dann dreht sich die Kurbelwelle, weil sie über die Pleuelstange mit dem Kolben verbunden ist. So ist die chemische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt worden und der Pkw bewegt sich.

4.3 Der Wirkungsgrad
Weil nicht die komplette Energie aus dem Brennstoff in Bewegung umgewandelt wird, gibt es bei der Energieumwandlung immer Energieverluste.
Bei der Verbrennung entsteht sehr viel Wärme und diese wird über Kühlsysteme abgeführt, d. h. sie ist nicht mehr nutzbar.
Der Wirkungsgrad ist ein Maß dafür, wie viel von der eingesetzten Energie tatsächlich genutzt wird. In unserem Beispiel bedeutet das wie viel vom eingesetzten Brennstoff tatsächlich in Bewegung umgewandelt wird.
Der eingespritzte Dieselbrennstoff beträgt in unserm Beispiel 100 %. Davon gehen ca. 30 % Wärme ins Kühlwasser und ca. 28 % Wärme durch die Auspuffgase ab. Weitere 8 % gehen durch Reibung und Wärmestrahlung verloren. Der Gesamtverlust beträgt ca. 66 % und dies wiederum bedeutet, dass nur 34% von den eingesetzten 100 % genutzt werden um den Pkw anzutreiben. Der Wirkungsgrad des Dieselmotors beträgt 34 %. (Quelle: Diekmann/Heinloth, 1997)
5. Dieselmotor im Vergleich mit Otto-Motor
Um den Dieselmotor mit dem Otto-Motor vergleichen zu können, stelle ich im Folgenden die Funktion des Viertakt-Otto-Motors kurz da.
Im Prinzip arbeitet er fast gleich mit dem Otto-Motor. Der größte Unterschied liegt im Grunde im Arbeitstakt, wo nicht das Diesel eingespritzt wird, sondern das durch den Ansaugtakt bereits vorhandene heiß-komprimierte Benzin-Luft-Gemisch mit Hilfe einer Zündkerze gezündet wird, um Energie zu erzeugen die den Motor antreibt.
Dieselmotor Otto-Motor Reine Luft im Ansaugtakt Kraftstoff-Luft-Gemisch Selbstzündung Zündung mit Zündkerze Kein Vergaser (innere Gemischbildung -> Direkteinspritzung) Vergaser nötig (äußere Gemischbildung) Komprimierung: 15-25 fache der Luft Komprimierung: 8-10 fache der Luft Temperatur 600-700 °C Temperatur 400-500 °C Wirkungsgrad: 35% Wirkungsgrad: 30%

Die Unterschiede zwischen Viertakt-Dieselmotor und Viertakt-Otto-Motor sind folgende:
Zum einen, wie oben schon genannt, wird die Energie beim Otto-Motor mit einer Zündkerze herbeigeführt, während sie beim Dieselmotor, der bekanntlich auch als Selbstzünder gilt, ohne Hilfsmittel, also nur durch Kompression und Dieseleinspritzung, erfolgt.
Ein weiterer Unterschied ist, dass beim Otto-Motor ein Vergaser notwendig ist, der das Benzin, bevor es zusammen mit der Frischluft in den Zylinder angesaugt wird, zu Gas umwandelt. Beim Dieselmotor ist dieser Vorgang nicht nötig, da der Dieselmotor Frischluft ansaugt und erst im Arbeitstakt das Diesel hinzugespritzt wird.
Ein grundsätzlicher Vorteil, den ein Pkw mit Otto-Motor mit sich bringt ist der Kostenfaktor für den Pkw. Dieser ist nämlich in der Regel günstiger als ein Pkw mit Dieselmotor.
Jedoch ist der Benzin für einen Pkw mit Otto-Motor teurer als der Dieselkraftstoff für einen Pkw mit Dieselmotor.
Da Benzin besser zündet als Diesel und der Otto-Motor eine fremde Zündquelle besitzt, gibt es beim Otto-Motor, im Gegensatz zum Dieselmotor, keinen Zündverzug.
Entscheidend ist auch noch der höhere Wirkungsgrad, den der Dieselmotor besitzt.
Auch unterscheiden sich die Motoren in ihrer Wärme, die sie vor der Verbrennung aufbringen müssen. Der Diesel kann ca. 100 °C wärmer werden, als der Otto-Motor, was den Vorteil hat, dass ein höherer Druck bei der Verbrennung erzeugt werden kann.
6. Zusammenfassung
Der Dieselmotor hat seit der Erfindung 1892 sehr große Bedeutung erlangt, besonders im Pkw-Antrieb.
Der Marktanteil liegt derzeit bei ca. 50 %, was unter anderem zurückzuführen ist auf die Vorteile gegenüber dem Benzinmotor.
Ein besonderer Vorteil ist der größere Wirkungsgrad, moderne Dieselmotoren erreichen bei der Energieumwandlung Wirkungsgrade von ca. 35 %.
Nachteile sind insbesondere die Abgaswerte, der Diesel stößt im Vergleich zum Benziner mehr Stickoxide, mehr Schwefeldioxide und Russpartikel aus.
Insbesondere die Russpartikel sind gesundheitsschädlich, was in den letzten Monaten in den Medien sehr stark diskutiert wurde.
In Zukunft sollten alle Dieselmotoren mit Russpartikelfiltern ausgestattet werden, damit die Vorteile im Fordergrund stehen und Mensch und Natur besser geschützt werden.

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