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Der Verbrennungsablauf bei Dieselmotoren ist sehr komplex. Um die Gemischbildung und damit die Qualität der Verbrennung zu optimieren, werden einige Vorkehrungen getroffen.
Doch wie genau läuft die Verbrennung ab? Mit welchen Drücken wird der Kraftstoff eingespritzt? Wie lässt sich der Zündverzug verringern und welche Maßnahmen werden zur Verbrennungsoptimierung getroffen?
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Grundlagen und Verbrennungsablauf einfach erklärt
Dieselmotoren arbeiten mit einer inneren Gemischbildung, dabei wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt.
Die Qualität der Gemischbildung hat Einfluss auf die Motorleistung, die Verbrennungsgeräusche sowie den Schadstoffausstoß.
Bei der Verbrennung im Zylinder kommt es zu unterschiedlichen Gemischzuständen. Dabei entstehen Bereiche mit Kraftstoffüberschuss und gleichzeitig Bereiche mit Luftüberschuss.
Der Zündverzug, welcher die Zeit zwischen Austreten des Kraftstoffes bis zum Brennbeginn beschreibt, sorgt für eine schlagartige Verbrennung, die zum nagelnden Geräusch des Motors führen kann.
Um den Verbrennungsverlauf zu optimieren, kommt es zu mehreren Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen.
Grundlagen und Verbrennungsablauf Definition
Die innere Gemischbildung bei Dieselmotoren hat Auswirkungen auf die Motorleistung, den Verbrauch, die Geräuschentwicklung sowie auf den Emissionsausstoß. Um die Verbrennung zu optimieren, werden die Einspritzdrücke angepasst, die Einspritzdauer sowie die gesamte Einspritzung auf einzelne Phasen aufgeteilt.
Grundlagen und Verbrennungsablauf
Der Kraftstoff wird direkt in den Brennraum eingespritzt, dort bildet sich dann das Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches verbrennt. Deswegen spricht man hier von einer inneren Gemischbildung.
Die Einspritzdauer, der Einspritzdruck und auch die Anzahl der Einspritzungen haben direkten Einfluss auf die Motorleistung. Auch der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß werden dadurch beeinflusst.
Verbrennungsablauf
Beim Dieselmotor kommt es im Zylinder zu verschiedenen Gemischzuständen während der Verbrennung. Dabei entstehen Bereiche, wo viel Kraftstoff vorzufinden ist und Bereiche, wo mehr Luftanteile vorliegen.
- Fette Bereiche: Kraftstoffüberschuss
- Magere Bereiche: Luftüberschuss
In der Abbildung ist eine Momentaufnahme der Verbrennung zu erkennen. Dabei sind die mageren Bereiche verhäuft im äußeren Bereich vorzufinden und die fetten Bereiche im Inneren des Zylinders.
- Bei Dieselmotoren entsteht viel Ruß in den fetten Gemischzonen. Daher arbeiten die Motoren generell mit höherem Luftüberschuss.
- Dieselmotoren arbeiten mit Lambdawerten von λ = 1,3 bei Volllast bis hin zu λ = 15 im Leerlauf.
- Der Lambdawert gibt an, in welchem Verhältnis Luft und Kraftstoff zueinander stehen. Bei λ = 1 werden 14,7 kg Luft benötigt, um 1 kg Kraftstoff zu verbrennen.
Der Kraftstoff wird in einem feinen Nebel in den Brennraum eingespritzt, dabei kommt es zur Bildung vieler kleiner Tröpfchen. Die einzelnen Tröpfchen entzünden sich selber aufgrund des hohen Drucks und der hohen Temperatur im Brennraum.
In der Grafik kann man erkennen, wie die Verbrennung am Kraftstofftröpchen stattfindet.
Die Verbrennung findet von außen nach innen statt. Im äußeren Bereich vermischt sich die Luft mit dem Kraftstoffnebel, dort entzündet sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Von da aus verbrennt es immer weiter bis zur Mitte des einzelnen Tröpfchens.
Zündverzug
Ein wichtiger Faktor bei der Gemischbildung ist der Zündverzug. Dieser beschreibt die Zeit zwischen Austreten des Kraftstoffes aus den Düsen bis zum Entzünden.
Zu großer Zündverzug führt zu einer Ansammlung von Kraftstoff im Brennraum und hat einige Auswirkungen:
- Schlagartige Verbrennung
- Nagelndes Motorgeräusch
- Belastung für Bauteile des Motors
- Leistungsverlust
Ein zu großer Zündverzug entsteht oft bei noch kalten Motoren und wenn der Kraftstoff nicht optimal im Brennraum verteilt wird.
Einspritzungen
Die Einspritzung erfolgt bei modernen Dieselmotoren in mehreren Phasen. Dazu gehören die Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung. Im folgenden Diagramm werden die einzelnen Phasen genauer beleuchtet.
Die Unterteilung in mehrere Einspritzungen verbessert den Verbrennungsablauf enorm. Jede Phase hat bestimmte Funktionen.
Einspritzung | Funktion |
|---|---|
Voreinspritzung |
|
Haupteinspritzung |
|
Nacheinspritzung |
|
Ein weiterer Aspekt bei der direkten Einspritzung ist der Einspritzdruck. Bei Dieselmotoren wird mit Drücken von bis zu 2500 bar eingespritzt. Somit wird der benötigte Kraftstoffnebel erzeugt.
Die Einspritzung durch den Injektor wird im Folgenden nochmals dargestellt.
Durch die direkte Einspritzung mit hohem Druck steigt der Wirkungsgrad der Dieselmotoren und auch der Kraftstoffverbrauch wird gesenkt.
Grundlagen und Verbrennungsablauf Anwendung
Ein wichtiger Aspekt bei Dieselmotoren ist der Einfluss von niedrigen Temperaturen. Da sich der Kraftstoff selbst entzünden muss und nicht wie beim Ottomotor durch die Zündkerze entzündet wird, kann es beim Kaltstart zu Problemen kommen.
Damit die Motoren trotzdem anspringen können, werden sogenannte Glühkerzen eingesetzt.
Glühkerzen werden im Motor so verbaut, dass sie den Brennraum erhitzen können.
Steigt man also bei niedrigen Temperaturen in das Fahrzeug ein und schaltet die Zündung an, werden die Glühkerzen bestromt und heizen sich auf. Nach wenigen Sekunden erreichen sie bereits Temperaturen von 800 °C. Danach kann der Motor ohne Probleme gestartet werden.
Glühkerzen sorgen also für ein besseres Verhalten beim Anspringen und tragen dazu bei, den Ausstoß von Emissionen zu verringern, weil die Motoren schneller ihre Betriebstemperatur erreichen und im Leerlauf stabiler arbeiten.
Grundlagen und Verbrennungsablauf Zusammenfassung
Dieselmotoren arbeiten mit einer inneren Gemischbildung, dabei wird mit bis zu 2500 bar direkt in den Brennraum eingespritzt.
Die Qualität der Gemischbildung hat Einfluss auf die Motorleistung, die Verbrennungsgeräusche sowie auf den Schadstoffausstoß.
- Bei der Verbrennung im Zylinder entstehen magere und fette Bereiche, also unterschiedliche Gemischzustände.
- Zu großer Zündverzug sorgt für eine schlagartige Verbrennung. Dies führt zum Nageln des Motors, einer hohen Belastung für die Bauteile und zum Leistungsverlust.
- Durch Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen wird der Verbrennungsverlauf optimiert. Der Schadstoffausstoß wird verringert und die Regeneration des Partikelfilters erleichtert.
- Glühkerzen helfen beim Kaltstart des Motors und senken den Emissionsausstoß.
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