Arbeitsweise des Dieselmotors

Viele unserer Autos fahren mit Diesel. Sie haben einen Dieselmotor, der Diesel verbrennt und das Kraftfahrzeug dadurch antreibt.

Aber wie funktioniert das eigentlich? Was ist das Arbeitsspiel des Dieselmotors? Wie wird der Kraftstoff Diesel verbrannt? Und wie kann dadurch mechanische Arbeit umgesetzt werden, um ein Auto anzutreiben?

simpleclub erklärt dir das Funktionsprinzip hinter dem Dieselmotor!

Arbeitsweise des Dieselmotors einfach erklärt

Das Prinzip hinter dem Dieselmotor kann am besten anhand des Arbeitsspiels erklärt werden. Dieses besteht aus den vier Takten Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen.

Um das Arbeitsspiel zu beschreiben, kannst du dir am besten einen Dieselmotor mit nur einem Zylinder vorstellen. In diesem Zylinder läuft ein Kolben kontinuierlich auf und ab. Eine Bewegung des Kolbens von unten nach oben oder von oben nach unten wird Kolbenhub genannt. Jeder Takt des Arbeitsspiels entspricht dabei einem Kolbenhub.

Ein Arbeitsspiel des Dieselmotors besteht also aus vier Kolbenhüben. Da der Kolben über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden ist, dreht diese sich mit jedem Kolbenhub. Alle zwei Kolbenhübe dreht die Kurbelwelle sich einmal um sich selbst.

Im ersten Takt, Ansaugen, bewegt sich der Kolben bei geöffnetem Einlassventil nach unten. Dabei wird ein Unterdruck erzeugt und Luft strömt in den Zylinder.

Anschließend wird im zweiten Takt, Verdichten, das Einlassventil geschlossen und durch eine Aufwärtsbewegung des Kolbens auf ein Bruchteil des ursprünglichen Volumens verdichtet.

Im dritten Takt Arbeiten wird dann die eigentliche Arbeit verrichtet, in dem der Kolben nach unten getrieben wird. Dafür wird in die hoch verdichtete Luft über eine Einspritzdrüse (auch Injektor) der Kraftstoff Diesel eingespritzt. Das dadurch gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet sich durch den hohen Druck und die damit einhergehenden hohen Temperaturen selbst. Durch die Verbrennung dehnt sich das Gemisch aus und treibt den Kolben nach unten. Dadurch wird wiederum die Kurbelwelle angetrieben.

Anschließend wird das Auslassventil geöffnet, um im vierten, letzten Takt Ausstoßen mit der erneuten Aufwärtsbewegung des Kolbens das verbrannte Gemisch als Abgas auszustoßen.

Im Anschluss folgt unmittelbar das nächste Arbeitsspiel. Das heißt auf den letzten Takt Ausstoßen folgt auch unmittelbar der erste Takt Ansaugen.

Du kannst dir den Prozess also als Kreislauf vorstellen, in dem die Kurbelwelle sich kontinuierlich weiter dreht und mit ihrer Masseträgheit dafür sorgt, dass der Kolben sich im ersten, zweiten und vierten Takt hebt, beziehungsweise senkt. Im dritten Takt Arbeiten wird dann die Wärmeenergie bei der Verbrennung über den Kolben in mechanische Arbeit umgewandelt. Du kannst dir vorstellen, dass die Kurbelwelle dadurch in jeder zweiten Umdrehung neuen Schwung erhält.

Das sorgt zum einen dafür, dass die Kurbelwelle sich immer weiter dreht und damit das Arbeitsspiel immer wieder durchlaufen werden kann. Zum anderen werden die Umdrehungen der Kurbelwelle in einem Kraftfahrzeug über den Antriebsstrang an die Räder übertragen. So kann dann beispielsweise ein Pkw angetrieben werden.

Arbeitsweise des Dieselmotors Definition

Arbeitsweise des Dieselmotors Überblick

Um den richtigen Ablauf des Arbeitsspiels im Dieselmotor zu gewährleisten werden einige Bauteile benötigt. Das richtige Zusammenspiel dieser Bauteile erlaubt den Betrieb des Dieselmotors und das Durchlaufen des Arbeitsspiels.

• Die wichtigsten Bauteile sind der Zylinder, der Kolben, die Pleuelstange und die Kurbelwelle, sowie das Einlassventil, das Auslassventil, die jeweiligen Nockenwellen und der Einspritzinjektor.

• Im Zylinder läuft der Kolben auf und ab.

• Die Pleuelstange verbindet den Kolben mit der Kurbelwelle und ist dafür verantwortlich die Hubbewegung des Kolbens in die Drehbewegung der Kurbelwelle, beziehungsweise die Drehbewegung in die Hubbewegung, umzuwandeln.

• Über das Einlassventil (EV) kann dem Zylinder Luft zugeführt werden und über das Auslassventil (AV) verbranntes Abgas aus dem Zylinder strömen.

• Die Nockenwellen öffnen über ihre Nocken das jeweilige Ventil zum richtigen Zeitpunkt.

• Die Kurbelwelle treibt über eine Steuerkette oder einen Zahnriemen die Nockenwelle mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 an.

• Die Nockenwellen drehen sich halb so schnell wie die Kurbelwelle und öffnen so das jeweilige Ventil einmal in jedem Arbeitsspiel.

• Der Einspritzinjektor spritzt unter hohem Druck zerstäubten Dieselkraftstoff in den Zylinder.

Durch die Geometrie und den Zusammenbau der Bauteile werden einige Begriffe definiert, um die Arbeitsweise des Dieselmotors beschreiben zu können.

• Den höchsten Punkt, den der Kolben im Zylinder erreichen kann, nennt man Oberer Totpunkt (OT) und den tiefsten Punkt entsprechend Unterer Totpunkt (UT).

• Die Stellung der Kurbelwelle kann als Winkel vor oder nach einem Totpunkt angegeben werden.

• Das Verdichtungsvolumen (auch Kompressionsvolumen) ist das im Zylinder eingeschlossene Volumen oberhalb des Kolbens, wenn dieser sich im oberen Totpunkt befindet.

• Das Hubvolumen ist das im Zylinder zwischen oberem und unterem Totpunkt eingeschlossene Volumen, welches mit jedem Kolbenhub vom Kolben durchlaufen wird.

Arbeitsweise des Dieselmotors Arbeitsspiel

Die Funktionsweise eines Viertakt-Dieselmotors kann anhand dessen Arbeitsspiels erklärt werden. Das Arbeitsspiel wird kontinuierlich durchlaufen und besteht aus den vier Takten Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Diese Takte werden immer wieder in dieser Reihenfolge durchlaufen. Auf den letzten Takt Ausstoßen folgt unmittelbar wieder der erste Takt Ansaugen.

Jeder Takt entspricht einem Kolbenhub, ein Arbeitsspiel besteht also aus vier Kolbenhüben, beziehungsweise zwei Kurbelwellenumdrehungen. Die Anzahl an Umdrehungen der Kurbelwelle in einer Minute kann dem Fahrer dann als Motordrehzahl angezeigt werden.

Ansaugtakt

Im ersten Takt Ansaugen befindet sich der Kolben in einer Abwärtsbewegung. Dabei erzeugt der Kolben im Zylinder einen Unterdruck gegenüber dem Außendruck. Das führt dazu, dass durch das geöffnete Einlassventil Luft in den Zylinder strömt.

Im Dieselmotor erfolgt diese Luftzufuhr im Gegensatz zum Ottomotor ungedrosselt.

Der Ansaugtakt beginnt bereits vor dem Durchlaufen des oberen Totpunktes mit dem Öffnen des Einlassventils. Um dem Zylinder möglichst viel Ansaugluft zuzuführen, öffnet dieses bei einem Kurbelwellenwinkel von bis zu 25° vor Erreichen des oberen Totpunkts. Zusätzlich schließt das Einlassventil erst bei einem Kurbelwellenwinkel von bis zu 28° nach dem unteren Totpunkt, um ein Nachströmen der Ansaugluft zu ermöglichen.

Die angesaugte Luft erwärmt sich im Zylinder auf bis zu 100°C.

Verdichtungstakt

Im zweiten Takt Verdichten befindet sich der Kolben wieder in einer Aufwärtsbewegung. Da sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil in diesem Takt geschlossen bleiben wird die Luft auf einen Bruchteil des ursprünglichen Volumens verdichtet.

Durch diese Kompression erwärmt sich die Luft auf bis zu 900°C. Da die Luft sich in dem begrenzten Raum nicht ausdehnen kann entstehen dabei Verdichtungsenddrücke von bis zu 55 bar.

Dieslmotoren zeichnen sich durch das im Vergleich zum Ottomotor besonders hohe Verdichtungsverhältnis aus.

Arbeitstakt

Im dritten Takt Arbeiten findet die eigentliche Umwandlung der chemischen Energie des Kraftstoffs über Wärmeenergie in mechanische Arbeit statt.

Der Arbeitstakt beginnt nach dem Einspritzen von fein zerstäubtem Dieselkraftstoff durch den Einspritzinjektor (auch Dieselinjektor oder Einspritzdüse) in den Zylinder, bei einem Kurbelwellenwinkel von bis zu 30° vor dem oberen Totpunkt.

Der Kraftstoff wird dabei direkt in die verdichtete Luft eingespritzt. Durch den hohen Druck im Zylinder sind bei Dieselmotoren dafür Einspritzdrücke von etwa 2500 bar nötig. Der Kraftstoff verdampft beim Einspritzen in die heiße Luft und vermischt sich mit dieser. Die Bildung des Kraftstoff-Luft-Gemisches findet dadurch direkt im Zylinder statt.

Da die Temperatur im Zylinder dabei höher ist als die Selbstentzündungstemperatur des Dieselkraftstoffes entzündet sich dieser und löst die Verbrennung aus. Die verstrichene Zeit zwischen dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung und dem Verbrennungsbeginn wird Zündverzug genannt.

Da sich das Gemisch bei der Verbrennung ausdehnt entstehen im Zylinder oberhalb des Kolbens sehr hohe Drücke. Der Verbrennungsdruck von etwa 200 bar treibt den Kolben nach unten, in Richtung des unteren Totpunktes, es wird also mechanische Arbeit verrichtet.

Zusammenfassend wird also die chemische Energie des Kraftstoffes durch die Verbrennung als Wärmeenergie freigesetzt. Diese wird dann in mechanische Arbeit umgewandelt, in dem der entstehende Druck genutzt wird, um den Kolben zu bewegen.

Ausstoßtakt

Bei geöffnetem Auslassventil befindet sich der Kolben im vierten und letzten Takt Ausstoßen wieder in einer Aufwärtsbewegung vom unteren zum oberen Totpunkt und treibt dabei das verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch als Abgas aus dem Zylinder.

Für eine effizientere Abgasausströmung öffnet sich das Auslassventil bereits bis zu einem Kurbelwellenwinkel von 60° vor dem unteren Totpunkt. Durch den verbleibenden Druck von bis zu 6 bar am Ende des Arbeitstaktes, also ein Überdruck, strömen die bis zu 750°C heißen Abgase durch das Auslassventil aus dem Zylinder, sobald dieses geöffnet wird.

Alle übrigen Abgasreste werden anschließend durch den aufwärts gehenden Kolben aus dem Zylinder gedrückt.

Das Auslassventil wird anschließend kurz vor oder kurz nach Erreichen des oberen Totpunkts geschlossen. In den meisten Fällen kommt es zwischen dem vierten und dem darauffolgenden ersten Takt so zu einer Ventilüberschneidung, in der beide Ventile gleichzeitig geöffnet sind. Dieser Umstand begünstigt einen effizienteren Gasaustausch.

Arbeitsweise des Dieselmotors im Vergleich zum Ottomotor

Die Arbeitsweise eines Viertakt-Dieselmotors und damit auch dessen Arbeitsspiel ähnelt stark der Arbeitsweise des Ottomotors. Im direkten Vergleich gibt es jedoch einige markante Unterschiede.

Kraftstoff

Ein wichtiger Unterschied besteht im jeweiligen Kraftstoff. Während im Dieselmotor Diesel verbrannt wird verwendet der Ottomotor als Krafstoff in der Regel Benzin oder auch Gas.

Zündung

Ein ausschlaggebender Unterschied ist die Art der Zündung in beiden Verbrennungsmotoren. Während sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch im DIeselmotor als Selbstzündung durch die hohen Temperaturen bei der Verdichtung ohne Fremdeinwirkung entzündet, wird das Gemisch im Ottomotor durch einen Zündfunken einer Zündkerze entzündet. Dieses Vorgehen wird Fremdzündung genannt.

Gemischbildung

Die Gemischbildung erfolgt im Dieselmotor meist als Direkteinspritzung, der Kraftstoff wird dabei unter sehr hohem Druck in die verdichtete Luft im Zylinder eingespritzt. Die Luftzufuhr in den Zylinder erfolgt dabei ungedrosselt, die Steuerung der Leistungsabgabe des Motors wird nur über die eingespritzte Kraftstoffmenge reguliert.

Im Ottomotor hingegen kann Bildung des Kraftstoff-Luft-Gemisches sowohl als äußere Gemischbildung durch Kraftstoffeinspritzung im Ansaugtrakt erfolgen oder wie beim Dieselmotor als innere Gemischbildung, indem der Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt wird. Generell erfolgt die Kraftstoffeinspritzung im Ottomotor mit wesentlich geringeren Einspritzdrücken. Die Menge der zugeführten Luft wird beim Ottomotor über eine Drosselklappe entsprechend der Gaspedalstellung reguliert.

Verdichtung & Wirkungsgrad

Ein wichtiges Merkmal des Dieselmotors ist das meist sehr hohe Verdichtungsverhältnis. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird im Dieselmotor teils doppelt so hoch verdichtet wie im Ottomotor, was neben dem Krafstoff und der ungedrosselten Luftansaugung einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht.

Die Temperatur der abgeführten Abgase ist im Dieselmotor wesentlich geringer als im Ottomotor. Die dadurch vergleichsweise geringen Wärmeverluste tragen zusätzlich zu dem besseren Wirkungsgrad des Dieselmotors bei.

Vor allem durch den besseren Wirkungsgrad, den etwas energiereicheren Kraftstoff Diesel und den damit geringeren Kraftstoffverbrauch ist auch der \text{CO}_2$\text{CO}_2$-Ausstoß des Dieselmotors etwas geringer im Vergleich zum Ottomotor.

Arbeitsweise des Dieselmotors Anwendung

Die Arbeitsweise des Dieselmotors beschreibt die Vorgänge im Zylinder im laufenden Betrieb. Doch wie läuft der Startvorgang des Motors ab?

Stell dir vor, du setzt dich in einen Pkw mit Dieselmotor und drehst den Zündschlüssel um oder drückst auf den Startknopf. Beim Starten des Motors befinden sich die Bauteile natürlich im Stillstand. Der Kolben steht im Zylinder und die Kurbelwelle dreht sich nicht.

Um nun den Dieselmotor in Betrieb zu setzen und das fortwährende Durchlaufen des Arbeitsspiels zu ermöglichen muss zunächst die Kurbelwelle gedreht werden. Die Kurbelwelle sorgt dann dafür, dass die Kolben sich heben und senken, die Nockenwellen sich drehen und die Ventile entsprechend geöffnet werden. Damit sind alle Voraussetzungen für den Start des Dieselmotors gegeben, doch wie wird die Kurbelwelle gedreht, bevor der Motor läuft?

Während die Kurbelwelle in den Anfängen von Pkw mit Dieselmotor noch, beispielsweise mit einer Handkurbel, manuell gedreht werden musste, übernimmt diese Aufgabe in heutigen Autos der Anlasser. Dabei handelt es sich um einen leistungsstarken Elektromotor, der die Kurbelwelle antreibt, um den Motor zu starten. Die dafür nötige Energie wird von der Starterbatterie bereitgestellt, die du vielleicht als Autobatterie kennst.

Der eigentliche Motorstart erfolgt dann mit dem Einspritzen des Kraftstoffs durch den Dieselinjektor und die darauf folgende erste Zündung des hoch verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Der Anlasser wird anschließend wieder von der Kurbelwelle getrennt, da das Arbeitsspiel nun regulär durchlaufen wird.

Da im Dieselmotor keine Zündkerze dafür sorgt, dass sich das verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet, sind im Dieselmotor sehr hohe Temperaturen erforderlich. Diese werden bei einem warmen Motor durch die hohe Verdichtung der Luft erreicht. Bei einem Kaltstart oder bei geringen Außentemperaturen und Frost werden diese hohen Temperaturen nicht sofort erreicht. Das verhindert den Motorstart oder sorgt dafür, dass die Verbrennung zunächst unvollständig abläuft, was in der Startphase zu unangenehmen Geräuschen und hohen Emissionen führt.

Um dies zu vermeiden und einen zuverlässigen Motorstart zu gewährleisten kommen im Dieselmotor Glühkerzen zum Einsatz. Dabei handelt es sich um elektrische Heizelemente, welche den Motorinnenraum bei einem Kaltstart oder bei niedrigen Außentemperaturen vorheizen. Dieser Prozess wird Vorglühen genannt und sorgt dafür, dass die nötigen Temperaturen für die Selbstzündung schneller erreicht werden.

Arbeitsweise des Dieselmotors Zusammenfassung

• Das Arbeitsspiel des Dieselmotors beschreibt dessen Arbeitsweise und besteht aus vier Takten:

  1. Ansaugen: Bei geöffnetem Einlassventil läuft der Kolben im Zylinder nach unten und saugt Luft in den Zylinder.
  2. Verdichten: Das Einlassventil wird geschlossen und der wieder nach oben laufende Kolben verdichtet die Luft im Zylinder.
  3. Arbeiten: Über einen Einspritzinjektor wird fein zerstäubter Dieselkraftstoff in die verdichtete Luft eingespritzt. Durch die hohen Temperaturen bei der Verdichtung entzündet sich das Gemisch und treibt den Kolben durch eine Expansion bei der Verbrennung wieder nach unten.
  4. Ausstoßen: Das Auslassventil wird geöffnet und durch den Restdruck nach der Verbrennung strömen die verbrannten Abgase aus dem Zylinder. Durch die sich weiter drehende Kurbelwelle läuft der Kolben wieder nach oben und drückt die Abgasreste durch das Auslassventil.

• In jedem Arbeitsspiel dreht sich die Kurbelwelle zweimal um sich selbst.

• In jedem Takt wird der Kolben vom oberen zum unteren Totpunkt, oder umgekehrt, bewegt.

• Im Dieselmotor wird die chemische Energie des Kraftstoffs durch Verbrennung in Wärmeenergie und letztendlich über die damit einhergehende Expansion, die den Kolben bewegt, in mechanische Arbeit umgewandelt.

• Der Dieselmotor treibt ein Kraftfahrzeug an, indem die Umdrehungen der Kurbelwelle über den Antriebsstrang mit einer Übersetzung auf die Räder eines des Fahrzeugs übertragen werden.