Die Erfindung des Dieselmotors

von:
Diesel Forschung und Bildung
Grafiken: Uwe Bienert

95. Folge - Unsere Serie für den Nachwuchs erläutert das wichtigste GaLaBau-Grundlagenwissen vom Abstecken bis zum Zaunbau: Diesmal geht es um das Thema Dieselmotor.

Rudolf Christian Karl Diesel (1858-1913), ein in Paris aufgewachsener deutscher Ingenieur, war der Erfinder des nach ihm benannten Dieselmotors. Er wurde am 18. März 1858 in Paris in sehr arme Verhältnisse hineingeboren. Nach Schulbesuch in Augsburg und einem Studium in England besuchte er die Technische Hochschule (TH) in München und ließ sich dort 1893 nieder. Er konstruierte lange Zeit für den Flüssiggaserfinder Linde Eismaschinen, durfte aber wegen einer Klausel im Vertrag mit Linde diese Patente nicht nutzen.

Ein genialer Erfinder als Mensch gescheitert

1892 erhielt Diesel, nun bereits mit der Firma Krupp liiert, das Patent für die später nach ihm benannte Verbrennungskraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad. Während seiner Zusammenarbeit mit der Firma Krupp in Essen baute Diesel die erste erfolgreiche Kraftmaschine, die mit billigem Treibstoff betrieben werden konnte. Jahrelange Patentprozesse zerrütteten Diesels Gesundheit. Am 29. September 1913 beging Diesel Selbstmord. Auf einer Schiffsreise nach England sprang er in den Ärmelkanal.

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Diesel Forschung und Bildung
Grafiken: Uwe Bienert

Warum heißt der Dieselmotor Dieselmotor?

Der Dieselmotor wurde 1893 von Rudolf Diesel erfunden. Während der Entwicklung wurden die verschiedensten Kraftstoffe im Versuch erprobt. Diesel strebte von Anbeginn die direkte Einspritzung in den Brennraum an, scheiterte jedoch an den zu dieser Zeit dafür ungeeigneten Pumpen und an der fehlenden Präzision der Einspritzventile.

Deswegen wurde der Umweg über ein Einblasen des Kraftstoffes mit Druckluft gewählt, die es erlaubte, den flüssigen Kraftstoff genau genug zu dosieren und im Brennraum zu verteilen. Am 10. August 1893 läuft der erste Prototyp des neuen Motors aus eigener Kraft. Der heute aus Erdöl hergestellte Dieselkraftstoff wurde (in Deutschland und einigen anderen Ländern) nach dem Erfinder des Motors benannt. Die meisten heutigen Dieselmotoren können mit einem Pflanzenöl betrieben werden, jedoch sind dazu meistens Umbauten in der Kraftstoffversorgung notwendig.

Dieselmotoren werden als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor mit und ohne Aufladung ausgeführt. Es gibt sie ferner in wasser- oder in luftgekühlter Bauweise. In Deutschland wurde letztere von Klöckner-Humboldt-Deutz entwickelt und lange Jahre für den Antrieb von Magirus-Deutz Nutzfahrzeugen und Landmaschinen verwendet. Zweitakt-Dieselmotoren werden oft als Großmotoren in Schiffen und Verbrennungsmotoren-Kraftwerken eingesetzt, welche thermodynamisch die effizientesten Verbrennungskraftmaschinen darstellen. Kleinere Einheiten werden bei Diesellokomotiven, Lastkraftwagen und bei Luftfahrtantrieben verwendet. Eine besondere Form des Diesel-Zweitakter ist der Gegenkolbenmotor. In Deutschland fand er als Flugmotor Verwendung.

Heute ist er jedoch trotz verschiedener Weiterentwicklungsansätze ungebräuchlich. Häufiger ist der Viertakt-Dieselmotor, dessen Hauptanwendungen im Antrieb von Diesellokomotiven, Dieseltriebwagen, Kraftfahrzeugen, Baumaschinen und Generatoren liegen. Er arbeitet bei häufigem Lastwechsel wirtschaftlicher als der Zweitakter.

Was kennzeichnet den Diesel-Motor?

Kennzeichen des Dieselmotors:

  • Selbstzündung: Die angesaugte oder durch einen Lader zugeführte Luft heizt sich durch die (annähernd) adiabate Kompression stark auf, und der in die heiße Luft eingespritzte Kraftstoff entzündet sich ohne eine externe Zündhilfe. Die dafür im Ottomotor notwendigen Zündkerzen entfallen, nur zum Kaltstart sind Zündhilfen (zum Beispiel Glühkerzen, Startkraftstoff) notwendig.
  • Innere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt.
  • Hohes Verdichtungsverhältnis, so dass Selbstzündung möglich ist.
  • Regelung: Die Motorleistung wird nicht wie beim Ottomotor durch die Menge des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches geregelt, sondern durch Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge.

Technischer Kurztrip durch den "Diesel"

Die Arbeitsabläufe sind beim Dieselmotor nahezu identisch wie beim "Otto". Der Unterschied besteht darin, dass beim Dieselmotor keine Zündkerze vorhanden ist. Die Auslösung des Arbeitstaktes erfolgt beim Dieselmotor auf eine vergleichsweise einfache Weise. Im ersten Ansaugtakt wird zunächst reine Luft angesaugt und im zweiten Takt auf etwa 700 bis 900 °C durch die Kompression erhitzt. Nun wird Dieselkraftstoff durch die "Einspritzdüse" in die Brennkammer gespritzt, welcher durch die hohe Temperatur der komprimierten Luft verbrennt (Selbstzündung). Dadurch steigt der Innendruck gewaltig an und der Motor leistet seine Arbeit. Im vierten Takt wird dann, wie bei Ottomotoren, das verbrannte Gemisch ausgestoßen.

Diesel Forschung und Bildung
Grafiken: Uwe Bienert

Kurzbeschreibung der vier Takte

  • 1. Takt (Ansaugtakt): Das Einlassventil ist geöffnet. Luft wird in den Zylinder gesaugt.
  • 2. Takt (Verdichtungstakt): Beide Ventile sind geschlossen. Der sich nach oben bewegende Kolben presst die angesaugte Luft zusammen. Es erfolgt durch die Kompression eine Temperaturerhöhung auf bis zu 900 °C.
  • 3. Takt (Arbeitstakt): Beide Ventile bleiben geschlossen. Durch das einspritzen des Kraftstoffes und die vorherrschende hohe Temperatur erfolgt die Selbstzündung und das Gemisch explodiert. Dabei wird Arbeit verrichtet.
  • 4. Takt (Auspufftakt): Das Auslassventil ist geöffnet. Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und drückt die Verbrennungsgase aus dem Zylinder. Dann wird das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil geöffnet. Es beginnt wieder der Takt 1.

"Schieb mal an!"

Dieselkraftstoff wird mit hohem Druck in das hochverdichtete Luftgemisch eingespritzt. Daher muss der Kraftstoff äußerst sauber sein, da kleinste Partikel die Einspritzdüse beinträchtigen würden. Da Dieselmotoren Selbstzünder sind und der Kraftstoff eine gewisse Temperatur für die Entzündung benötigt, kann es im Winter zu Startproblemen kommen.

Beim Anlassen des kalten Motors wird im Brennraum die Entzündungstemperatur des Kraftstoffes nicht erreicht. Mit Hilfe elektrisch beheizter Glühkerzen wird die Luft im Brennraum vorgewärmt und somit das Entflammen des eingespritzten Kraftstoffes ermöglicht. Dieselmotoren älterer Bauart benötigen 60 bis 90 Sekunden Vorglühzeit, neuere lediglich zehn Sekunden. Dieselmotoren ohne Vorwälz- oder ohne Wirbelkammer, die direkt eingespritzt werden, benötigen keine Starthilfe. Bei betriebswarmen Diesel ist die Anwendung der Starthilfe ist nicht nötig. Vorgeglüht entsteht keine nachteilige Wirkung. Neben dem Vorglühen gibt es auch andere Möglichkeiten der Starthilfe. Diese können durch Glühkerzen, also durch erwärmen der Brennkammer gemindert werden. Auch besteht die Möglichkeit den Einspritzbeginn vorzuverlegen und die Kraftstoffmenge kurzzeitig zu erhöhen.

Vor- und Nachteile gegenüber einem leistungsgleichen Ottomotor (ohne Direkteinspritzung)

Vorteile des Dieselmotors

  • Der Dieselmotor verfügt aufgrund der höheren Verdichtung (Expansionsgrad) über einen günstigeren Wirkungsgrad als ein Ottomotor. Durch die fehlende Drosselung entstehen beim Dieselmotor sehr geringe Ladungswechselverluste und daher insbesondere im Teillastbereich ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch.
  • Im Vergleich zu einem Ottomotor ohne Abgasnachbehandlung ist der Ausstoß von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid beim Dieselmotor geringer.
  • Die eingesetzten Kraftstoffe sind einfacher herzustellen und weniger gefährlich, da sie langsamer verdampfen (der Flammpunkt von Dieselkraftstoff liegt deutlich über dem von Benzin).
  • Außerdem verbessert die schmierende Wirkung des Dieselkraftstoffs die Notlaufeigenschaften von Dieselmotoren.
  • Abgesehen vom besseren Wirkungsgrad (der Pkw kommt bei gegebener Strecke mit weniger Treibstoff aus), hängen die wirtschaftlichen Vorteile eines Dieselmotors für den Pkw-Antrieb teilweise von den steuerlichen Rahmenbedingungen ab. In zahlreichen Staaten ist Dieselkraftstoff günstiger als Ottokraftstoff, obwohl der Brennwert pro Liter Dieseltreibstoffs etwa 7 Prozent höher ist als der von Benzin. Die meist höheren Anschaffungskosten für ein Dieselfahrzeug amortisieren sich somit über die Laufzeit.

Nachteile des Dieselmotors

  • Der Ausstoß von Stickstoffoxiden ist beim Dieselmotor gegenüber einem Benzinmotor mit 3-Wege-Katalysator höher, ebenso der Partikelausstoß (Dieselruß und andere), darunter lungengängiger Feinstaub.
  • Die Herstellungskosten sind ebenfalls höher.
  • Oft wird insbesondere bei älteren, direkteinspritzenden Motoren ein unkultivierter Motorlauf bemängelt.
  • Das Leistungsgewicht im Vergleich zum Ottomotor ist bei Viertakt-Dieselmotoren schlechter.
  • Die Höchstdrehzahl ist wegen des Zündverzugs des Dieselkraftstoffs begrenzt. Dadurch ist eine weitere Leistungssteigerung nur über eine Erhöhung des mittleren Verbrennungsdrucks möglich.
  • Zur Erzielung hoher Leistungsdichten wird eine Aufladung benötigt (Turbolader oder Kompressor), bedingt durch niedrigere spezifische Leistung und niedrigere maximale Drehzahl als beim Ottomotor.
  • Eine katalytische Nachbehandlung der Stickoxide ist wegen des hohen Luftüberschusses nur aufwändiger als bei Ottomotoren zu verwirklichen, wobei ein mittlerer Luftüberschuss zum Beispiel beim Betrieb mit einem stufenlosen Getriebe, einem Speicherkatalysator und einem Rußfilter nicht zwingend ist.
  • Ein Dieselmotor stellt andere Ansprüche an das Schmieröl, zum Beispiel höhere Scherbelastungsfähigkeit. Uwe Bienert

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 Uwe Bienert
Autor

Landschaftsgärtner-Meister und Ausbilder

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