Physik
Klasse
10-Oberstufe
Dieselmotor
Der Dieselmotor, benannt nach dem deutschen Erfinder RUDOLF DIESEL (1858-1913), ist ein Verbrennungsmotor, der mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Es ist ein Viertaktmotor. Dieselmotoren werden vorrangig zum Antrieb von LKW, Lokomotiven, Schiffen und anderen schweren Maschinen und Anlagen verwendet. Die technischen Weiterentwicklungen ermöglichen es auch zunehmend, Dieselmotoren für PKW zu nutzen. Heute werden etwa 25 % aller PKW mit Dieselmotor gebaut.
Aufbau und Wirkungsweise eines Dieselmotors
Der Aufbau eines Dieselmotors ist in Bild 2 dargestellt. Wichtige Teile sind der Zylinder mit dem beweglichen Kolben, der über die Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden ist. Die Zylinderwände werden mit Wasser gekühlt. Der Kolben besteht meist aus einer Leichtmetalllegierung und besitzt zur besseren Abdichtung Kolbenringe. Die Einspritzdüse dient dazu, den Dieselkraftstoff, kurz Diesel genannt, in den Zylinder zu bringen. Darüber hinaus besitzt der Motor ein Einlassventil zum Einbringen von Luft und ein Auslassventil zum Ausstoßen der Verbrennungsgase. Der höchste Punkt, den der Kolben erreicht, wird als oberer Totpunkt (OT), der niedrigste Punkt als unterer Totpunkt (UT) bezeichnet. Das Volumen zwischen diesen beiden Punkten ist der Hubraum des Motors.
Aufbau eines Dieselmotors
Die Wirkungsweise eines Dieselmotors kann man aus Bild 3 erkennen. Die vier Takte des Motors lassen sich folgendermaßen charakterisieren:
1. Takt: Ansaugen (Ansaugtakt)
Durch das geöffnete Einlassventil gelangt Luft in den Zylinder. Der Kolben bewegt sich dabei abwärts. Dadurch entsteht eine Saugwirkung.
2. Takt: Verdichten (Verdichtungstakt)
Durch den sich aufwärts bewegenden Kolben bei geschlossenen Ventilen wird die Luft auf etwa 50 bar verdichtet. Dadurch erhöht sich die Temperatur auf über 600 °C. Kurz vor dem oberen Totpunkt wird durch eine Einspritzpumpe der Dieselkraftstoff durch die Einspritzdüse unter hohem Druck in den Zylinder gebracht.
3. Takt: Arbeiten (Arbeitstakt)
Durch die hohe Temperatur der Luft kommt es zu einer explosionsartigen Verbrennung des Dieselkraftstoff-Luft-Gemisches. Da für die Zündung des Gemisches im Unterschied zum Ottomotor keine Zündkerze erforderlich ist, spricht man von Selbstzündung. Druck und Temperatur im Zylinder steigen sprunghaft an. Der Kolben wird infolge des hohen Druckes nach unten bewegt und verrichtet mechanische Arbeit. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens wird dabei über Pleuelstange und Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgewandelt.
4. Takt: Ausstoßen (Ausstoßtakt)
Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und drückt durch das geöffnete Auslassventil die Verbrennungsgase aus dem Zylinder heraus. Anschließend beginnt der Vorgang wieder mit Takt 1.
Einige weitere Angaben zu Dieselmotoren
Dieselmotoren werden bei fast allen schweren Maschinen und bei etwa 25 % der PKW genutzt. Für PKW verwendet man meist Motoren mit vier Zylindern und Hubräumen zwischen 1 200 und 2 500 Kubikzentimetern.
Dieselmotoren haben einen Wirkungsgrad bis maximal 45 %. Der Wirkungsgrad bei PKW-Motoren liegt in der Regel bei ca. 25-30 %.
Die Temperatur bei der Verbrennung des Dieselkraftstoffes beträgt bis zu 2 500 °C, der Verbrennungsdruck 50 bis 80 bar.
Ausgestoßen werden die Verbrennungsgase mit einer Temperatur von bis zu 900 °C bei einem Druck von bis zu 4 bar. Die Drehzahl der Kurbelwelle liegt im Leerlauf meist unter 1 000 je Minute und kann Werte bis zu 6 000 je Minute erreichen.
Wirkungsweise eines Viertakt-Dieselmotors
unterer Totpunkt Zylinder Verdichtungstakt Arbeitstakt oberer Totpunkt Aufbau eines Dieselmotors Ausstoßtakt Kurbelwelle Auslassventil Drehzahl Einspritzdüse Ansaugtakt Pleuelstange Wirkungsweise eines Dieselmotors Verbrennungsmotor Dieselmotor Hubraum Einlassventil Wirkungsgrad Rudolf Diesel Selbstzündung
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