Funktion und Prinzipien des Dieselmotors
Dass Gase und Flüssigkeiten sich unter Einfluss von heißen Temperaturen ausdehnen ist eine bekannte Tatsache. Aber auch der umgekehrte Fall war schon unseren Vorfahren bekannt: Gase erhitzen sich, wenn man sie komprimiert. Durch entsprechend starke Kompression lässt sich Luft so stark erhitzen, dass damit Zunder zum Glühen gebracht werden kann. Meist wird dabei in einem unten geschlossenen Zylinder aus Glas oder Metall ein gut passender Kolben rasch nach unten gedrückt. Um ca. 1770 wurde von DuMontier sogar ein Luftfeuerzeug erfunden. Es fand aber keine große Verbreitung. Das Prinzip der Feuerpumpe ist auch in Nordborneo und auf den Philippinen bekannt. Dort wird es mit Bambusrohr angewandt. Und genau dieses Prinzip macht sich auch der Dieselmotor zu nutze, wenn durch starke Kompression in den Motorzylindern der Dieselkraftstoff gezündet wird.
Wenige Monate vor Rudolf Diesels tragischem Tod erschien im Jahr 1913, als sei es ein Vermächtnis, sein Buch ‚Die Entstehung des Dieselmotors‘. Darin beschreibt er selbst die Eckpunkte des nach ihm benannten Verbrennungsverfahrens: „Durch die Kompressionsarbeit eines Kolbens wird die in einem Zylinder enthaltene Luft so stark erhitzt, dass sie die Entzündungstemperatur des eingesetzten Kraftstoffs sehr schnell übersteigt.“
Die Kompressionsdrücke moderner Dieselmotoren erreichen dabei Werte zwischen 30 und 60 bar, die komprimierte Luft erhitzt sich dadurch auf Temperaturen, die zwischen 700 und 900 Grad Celsius liegen. „In diesem Zustand wird nun möglichst fein verteilter Brennstoff in die erhitzte Luft eingeführt, wodurch einerseits eine schnelle Vergasung und andererseits seine Selbstentzündung in Gang gebracht wird. Der ausschiebende Kolben bekommt nun den Druck der bei der Verbrennung entstehenden Wärme zu spüren und wird so in die Lage versetzt, Arbeit zu verrichten.“
Dieselmotoren haben einen besonders guten Wirkungsgrad
Obwohl die Selbstzündung dem Diesel-Prinzip einen unschätzbaren Vorteil gegenüber der damals noch recht unzuverlässigen Otto-Zündung zuspielte, war sie nicht der eigentliche Zweck von Diesels Überlegungen. Er strebte vielmehr einen Prozess mit höchster Wärmeausnützung, das heißt also mit höchstem Wirkungsgrad, an. Weil der nur über eine hohe Verdichtung zu erreichen ist, schloss sich von vornherein die äußere Aufbereitung eines zündfähigen Gemischs mit nachfolgender Kompression im Zylinder, wie dies beim Ottomotor praktiziert wird, aus. Unkontrollierte Frühzündungen wären die unerwünschte Folge gewesen.
Unterschiede zwischen Dieselmotor und Ottomotor im Überblick
Bei der Verbrennung gibt es eine Reihe grundsätzlicher Unterschiede zwischen Otto- und Dieselmotor. Im hochverdichteten Dieselmotor ist bei gleicher Wärmemenge – ganz allgemein gesagt – die umgewandelte mechanische Arbeit größer als im weniger hoch verdichteten Ottomotor. Dieselmotoren zeichnen sich deshalb durch ihre gleichmäßigere Leistungsentfaltung und durch ihren besseren Wirkungsgrad aus.
Unterschiede zwischen Dieselmotor und Ottomotor im Detail
Das Gemisch aus Ottokraftstoff und Verbrennungsluft verbrennt im Ottomotor explosionsartig; die entsprechenden Spitzen in Druck und Temperatur übersteigen die Ausgangswerte um das Drei- bis Vierfache, ohne dass die Zylinderbewegung dem so schnell folgen kann. Man spricht in diesem Fall daher von einer Gleichraumverbrennung. Anders dagegen die Verhältnisse im Dieselmotor: Zwar gibt es auch hier mit Einsatz der Selbstzündung einen schnellen Druckanstieg, jedoch mit deutlich geringeren Raten als beim Otto-Verfahren. Dafür hält während der Abwärtsbewegung dieser Verbrennungsdruck aber noch länger an, weil der Dieselkraftstoff – gemessen an Zeitabläufen im Ottomotor – nur allmählich zugegeben und deutlich „langsamer“ verbrannt wird. Beim Diesel-Verfahren spricht man deshalb auch von der Gleichdruckverbrennung. Aufgrund dieser Unterscheidung hat Rudolf Diesel übrigens seinen Motor immer in Konkurrenz zur Dampfmaschine und nicht zum Ottomotor gesehen. Solange nämlich Dampf in den Zylinder strömt, herrscht dort ebenfalls annähernd konstanter Druck. Verbesserungswürdig erschien Diesel vor allem die verlustreiche externe Wärmeerzeugung, die es deshalb in den Zylinder selbst zu verlegen gilt. Ganz exakt gibt die Unterscheidung zwischen Gleichraum- und Gleichdruck-Verbrennung freilich die Verhältnisse in der Realität nicht wieder, sie ist eher grundsätzlicher Natur. Diesels Vision, Kraftstoff in einem Zylinder bei konstantem Druck zu verbrennen, ist bis heute weitgehend Theorie geblieben. Gerade moderne, schnell laufende Pkw-Dieselmotoren beginnen ihre Verbrennung oft mit steilem Druckanstieg. Und damit nähern sie sich in ihrer Charakteristik schon stark der des Benzinmotors an. Unterm Strich aber sind die Verbrennungsdrücke im Dieselmotor höher als im Ottomotor, was auch die etwas massiveren Motorblöcke und schwereren Bauteile erklärt.
Die Arbeitstakte des Dieselmotors
Ansaugtakt: Kolben bewegt sich vom oberen (OT) zum unteren Totpunkt (UT) und saugt reine Verbrennungsluft durch das geöffnete Einlassventil an.
Verdichtungstakt: Die angesaugte Luft wird bei geschlossenen Ventilen durch die Kolbenbewegung von UT nach OT stark verdichtet (30…60 bar), dadurch ergibt sich eine Temperaturerhöhung um ca. 300…400°C. Am Ende des Verdichtungshubs wird eine genau dosierte Menge an Dieselkraftstoff eingespritzt, der sich von selbst entzündet.
Arbeitstakt (Arbeitshub): Der Dieselkraftstoff verbrennt mit der Luft und der Druck der Verbrennungsgase schiebt den Kolben vom OT zum UT.
Ausstoßtakt: Die verbrannten Gase werden durch die Bewegung des Kolbens vom UT zum OT durch das geöffnete Auslassventil ausgestoßen.
Gemeinsamkeiten zwischen Otto- und Dieselmotor
Im Hinblick auf das Arbeitsverfahren unterscheiden sich Otto- und Dieselmotoren kaum. Beide gehorchen in ihrer weit überwiegenden Mehrheit dem Viertaktverfahren, wo die eigentliche Energieumsetzung lediglich im dritten, dem Arbeitstakt, vollzogen wird.
Auch der Diesel lässt sich allerdings als Zweitakter betreiben. Wegen des unvollständigen Gaswechsels und der daraus resultierenden Füllungsverluste beschränken sich heute Anwendungen etwa auf stationäre Großmotoren, auf Schiffsdiesel- oder im anderen Extrem auf Kleinstmotoren für den Modellbau.