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Zentrale Bedeutung für einen Verbrennungsmotor hat die Art der Flamme, beim Dieselmotor und wie auch beim Ottomotor lassen sich daraus alle Eigenschaften und besondere Konstruktionsmerkmale ableiten.
Anders als beim Ottomotor kommt beim Diesel das Prinzip der Diffusionsflamme zum Einsatz. Das heißt, Luft und der Brennstoff werden nicht vor der Verbrennung durch vergasen oder verdampfen vermischt. Die Vermischung des Brennstoffes mit Luft ist natürlich unumgänglich und Voraussetzung für die Verbrennung. Wie die Bezeichnung Diffusionsflamme bereits verrät, werden Brennstoff und Luft durch Diffusion vermischt. Ein Beispiel für eine Diffusionsflamme, mit der jeder von uns schon einmal Erfahrungen gemacht hat, ist die Kerze. Hat man die Kerze einmal entzündet, verdampft ständig heißes Wachs, steigt auf, vermischt sich durch Diffusion mit Luft, das Gemisch entzündet sich und verbrennt. Unter Diffusion versteht man eine Ausbreitung eines Stoffes vom Ort hoher Konzentration zum Ort niedriger Konzentration. Die Kerze ist jedoch nicht das einzige Beispiel für eine solche Flammenart. Auch alle Öl- und Gasfeuerungen arbeiten nach diesem Verfahren. Bedingt durch die Diffusion ist die Konzentration des Kraftstoff-Luft-Gemisches nicht konstant.
Der Diesel verfügt bekanntlich über Einspritzdüsen, welche den Kraftstoff direkt in den Brennraum oder in die Vorkammer oder Wirbelkammer einspritzen. Der Brennstoff wird nun eingespritzt und durch den hohen Druck und die feine Zerstäubung der Düse bilden sich sehr kleine Tröpfchen. Durch die hohe Verdichtung der angesaugten Luft im Zylinder, verdampfen diese Tröpfchen und vermischen sich weiter durch Diffusion.
Dass sich Luft beim Verdichten erhitzt, kann man beim Aufpumpen eines Fahrradreifens beobachten. Nach einigen schweißtreibenden Bemühungen wird man feststellen, dass sich die Luftpumpe nicht unwesentlich erhitzt hat. Bei der Expansion beobachtet man genau den gegenteiligen Effekt. Wie bereits erwähnt ist die Konzentration des Kraftstoff-Luft-Gemisches nicht konstant, was durch die unterschiedliche Verteilung der Tröpfchen und die Vermischung und Diffusionsvorgänge hervorgerufen wird, die örtlich sehr unterschiedlich schnell verlaufen kann.
Der große Vorteil der Diffusionsflamme ist nun, dass es immer einen Bereich ergibt der in den Zündgrenzen liegt. Unter Zündgrenzen versteht man den Bereich in dem das Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Luft liegt, damit es überhaupt zündet. Die schönste Kerze nützt nichts, wenn sie in einem Raum steht in dem ein Vakuum herrscht. Nur Brennstoff alleine ohne Luft kann nicht verbrannt werden. Jedoch auch das Gegenteil ist nicht von Vorteil. Bei zu viel Luft kann die Verbrennung nicht fortgesetzt werden. Es finden sich keine Reaktionspartner um die Reaktion in Gang zu halten. Die Verbrennung kommt zum Ende oder lässt sich erst gar nicht starten.
Der Diesel verdichtet nun so hoch, dass das Kraftstoff-Luftgemisch sich selbst entzünden kann. Eine Zündkerze ist nicht notwendig. Es genügt ein einziger Kraftstofftropfen, der verdampft und um den sich ein Gemisch gebildet hat, das in den Zündgrenzen liegt. Wenn man so will kann jeder Kraftstofftropfen Zündkerze spielen und davon gibt es bei der Einspritzung Tausende. Der Diesel besitz, salopp gesprochen, tausende Zündkerzen. Die Selbstzündung hat den Vorteil, dass das Gemisch stets zuverlässig gezündet werden kann. Würde man eine Zündkerze verwenden, müsste man sicher stellen, dass sich am Ort wo die Zündkerze ist, sich auch ein zündfähiges Gemisch befindet. Was wie oben bereits erläutert sich, aufgrund der Gemischbildung, nur sehr schwer bis gar nicht beeinflussen lässt. Genau das ist eines der Hauptprobleme beim Benzindirekteinspritzer, der zur Verbrauchsreduktion in weiten Leistungsbereichen auch mit dem Prinzip der Diffusionsflamme betrieben werden soll, nur eben ohne Selbstzündung, aber mit Zündkerze. Schwankungen beim Zeitpunkt der Zündung wirken sich verheerend auf den Wirkungsgrad und die Drehmoment-Entfaltung aus. Der Fahrer würde das durch ein Ruckeln zur Kenntnis nehmen. Der Zündzeitpunkt des Diesel hängt untrennbar mit der Gemischbildung und dem Einspritzzeitpunkt zusammen. Dieser Zusammenhang ist durch die Diffusionsflamme gegeben. Nach der Einspritzung muss sich ein zündfähiges Gemisch bilden, das sich dann selbst entzündet.
Auf die Gemischbildung wird bei der Konstruktion eines neuen Motors Einfluß genommen. Während des Betriebes wird der Zündzeitpunkt, bei verschiedenen Lastzuständen, nur noch über den Einspritzzeitpunkt bestimmt. Bei falschem Zündzeitpunkt beginnt ein Dieselmotor stark zu rußen. Beim Ottomotor kann man Zündung und Gemischbildung trennen, beim Ansaugen wird eingespritzt, das Gemisch verdichtet und mit der Zündkerze zur Zündung gebracht.
Beim Diesel spritzt man erst kurz bevor man zünden will ein also während der Verdichtungsphase und nicht schon während des Ansaugens. Kurz davor, weil Einspritzung und Gemischbildung eine gewisse Zeit benötigen.
Bisher war immer die Rede von Luft, mit der sich der Kraftstoff mischt. Man könnte auch auf die Idee kommen einen Motor mit reinem Sauerstoff zu betreiben. Für einen PKW liegt natürlich Luft als Arbeitsgas am nächsten. Sie ist überall verfügbar und muß nicht vom Fahrzeug mitgeführt werden. Reiner Sauerstoff würde die Reaktion natürlich stark beschleunigen, auch müßte kein Ballastgas bei der Verbrennung mitgeschleppt werden, wie Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und andere Rest- und Edelgase. Man erinnere sich nur an den glimmenden Holzstab im Chemieunterricht, der dann in reinen Sauerstoff gehalten wird und dann heftig zu brennen beginnt. Folglich könnte mit Sauerstoff mehr Brennstoff pro Arbeitstakt zur Verbrennung gebracht werden, was natürlich die Leistung steigert. Die Bauteile würden jedoch mechanisch wie thermisch überlastet werden. Der Aufwand für Bauteilkühlung und andere exotische Werkstoffe würde in keinem Verhältnis zu den Kosten stehen. Deshalb ist man keineswegs traurig über Luft als Arbeitsmedium. Sogar froh, da so die Belastungen beherrschbar bleiben.
Auch die Begriffe Brennstoff bzw. Kraftstoff sind bewußt gewählt. Für einen Dieselmotor kommt nicht nur der Dieselkraftstoff der Tankstelle in Frage. Auch Schweröl oder Rapsöl kann verbrannt werden. Schweröl ist ein Abfallprodukt der Mineralölindustrie bei der Gewinnung der bekannten Kraftstoffe und ist der Kraftstoff für große Schiffsdiesel. Es weist viele Verunreinigungen auf und ist so zähflüssig, daß es vorgewärmt werden muß, um es fließfähig zu machen. Auch müssen Vorkehrungen getroffen werden, damit es durch die Verunreinigungen nicht zu erhöhtem Verschleiß kommt. Zugegeben, kein besonders guter Brennstoff, aber billig was für große Schiffsdiesel mit entsprechenden Verbrauch von entscheidender Bedeutung ist. Außerdem muß der Abfall an der Raffinerie ja auch entsorgt werden.
Funktion des Dieselmotor
1. Takt:
Bewegung des Kolbens nach unten. Es entsteht Vakuum. Dadurch wird nur Luft angesaugt.
2. Takt:
Kolben Bewegung nach oben. Verdichten der Luft. Ventile geschlossen
3. Takt:
Kurz vor dem oberen Totpunkt wird Kraftstoff eingespritzt.
Zum 3. Takt:
Durch den enormen Hitzeanstieg der verdichteten Luft, entzündet sich das Luft-Diesel- Gemisch. Der Kolben wird durch die Ausdehnung nach unten gedrückt. Durch die Übertragung der Kraft auf die Kurbelwelle werden die anderen Vorgängen bei den Takten durchgeführt.
4. Takt:
Kolbenbewegung nach oben. Ausschieben der Abgase. Auslassventil geöffnet.
Anhang:
Ein Dieselmotor verbraucht im Vergleich zu anderen Kraftfahrzeugmotoren (Ottomotoren) im Teillastbetrieb (z.B. im Stadtverkehr) weniger Kraftstoff und gibt erheblich weniger Kohlenmonoxid sowie weniger Kohlenwasserstoffe ab. Gegenüber anderen Kraftfahrzeugmotoren enthalten die Abgase von Dieselmotoren jedoch mehr Festpartikel (Ruß). Richtige Wartung von Dieselmotoren ist unbedingt erforderlich, da anderenfalls der Rußanteil auf das 5- bis 10fache des Normalwertes steigen kann. Dieselmotoren sind bedingt durch das Verbrennungsverfahren lauter als Ottomotoren. Besonders beim Kaltstart und im Leerlauf können Dieselmotoren eine unangenehme Lärmquelle darstellen. Aufgrund der zukünftig stärker gewichteten Kohlendioxidminderung und damit der Kraftstoffverbrauchsreduzierung favorisiert die Fahrzeugindustrie im Personenkraftwagenbereich den direkteinspritzenden Dieselmotor. Gegenüber dem Ottomotor mit Lambda-Regelung und Drei-Wege-Katalysator verursachen Dieselmotoren gesundheitsbedenkliche Rußemissionen sowie höhere Stickoxidemissionen und Schwefeloxidemissionen.
Vorteile: - Treibstoff billiger
- geringer Verbrauch
- die Luft wird stärker verdichtet (auf 1/20 des Volumens), es kommt zur Selbstentzündung
- höherer Wirkungsgrad
Nachteile: - der Motor ist schwerer, da komplizierter
- der Motor ist lauter
Unterschiede zum Ottomotor: - kein Vergaser
- keine Zündkerzen
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