Dieselmotoren
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1893 wendete Rudolf Diesel erstmalig das Prinzip der Selbstzündung als maßgebliches Antriebsmerkmal in einem Motor an. Er nutzte die bereits bekannte Tatsache, dass Gase und Flüssigkeiten sich sowohl unter Einfluss von hohen Temperaturen ausdehnen, als auch im umgekehrten Fall erhitzen, wenn man sie komprimiert.
Im Dieselmotor manifestierte er das Prinzip durch starke Kompression von Luft in den Motorzylindern, die den eingebrachten Dieselkraftstoff dann zur Zündung brachte.
Die Selbstzündung in früheren Entwicklungen
Durch entsprechend starker 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.
- Im ersten Takt, dem s.g. Ansaugtakt, bewegt sich der Kolben vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) und saugt „frische“ Umgebungsluft (und ggf. rückgeführtes Abgas) durch das geöffnete Einlassventil an.
- Im zweiten Takt, dem s.g. Verdichtungstakt: wird die angesaugte Luft bei geschlossenen Ventilen durch die Kolbenbewegung von UT nach OT stark verdichtet und dadurch eine signifikante Temperaturerhöhung erzeugt. Gegen Ende des Verdichtungshubs wird eine genau dosierte Menge an Dieselkraftstoff eingespritzt, der sich von selbst entzündet. Durch die Selbstzündung benötigt ein Dieselmotor keine Zündkerzen!
- Im dritten Takt, dem s.g. Arbeitstakt (Arbeitshub) verbrennt der Dieselkraftstoff mit der Luft und der Druck der Verbrennungsgase drückt den Kolben vom OT zum UT.
- Im vierten Takt, dem s.g. Ausstoßtakt werden die verbrannten Gase durch die Bewegung des Kolbens vom UT zum OT durch das geöffnete Auslassventil ausgestoßen.
Dieselmotoren haben einen besonders guten Wirkungsgrad
Die Selbstzündung als technischer Fortschritt gegenüber der damals noch recht unzuverlässigen Otto-Zündung war nicht Ausgangspunkt von Diesels Überlegungen, sondern nur eine Folge seines eigentlichen Motivs:
Er strebte vielmehr einen Prozess mit höchster Wärmeausnutzung, 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. In der Konsequenz führte das zur vergleichsweise späten Kraftstoffeinspritzung in verdichtete, heiße Luft als Initiator für die Energieumsetzung. Selbstzündung statt Initiierung durch Zündkerze.
Wodurch wird eine gute Interaktion von Dieselmotor und gutem Kraftstoff bestimmt?
Kompressionsenddrücke von modernen Dieselmotoren mit Hochaufladungskonzepten können Werte bis zu 130 bar erreichen; die komprimierte Luft erhitzt sich auf Temperaturen, die zwischen 700 und 900 Grad Celsius liegen.
In diesem Zustand wird nun möglichst fein verteilter Brennstoff in die erhitzte Luft eingespritzt, wodurch zunächst eine schnelle Verdampfung und anschließend eine lokale Selbstentzündung in Gang gebracht werden. Die Verbrennung setzt ein und es kommt zu einem deutlichen Druckanstieg, wodurch an dem sich abwärtsbewegenden Kolben mechanische Arbeit verrichtet wird.
Der abgestimmte Dieselkraftstoff initiiert in den richtigen Momenten während der zweiten und dritten Arbeitstakte eine stetige Umwandlung der Energie in Arbeit und Transmission. Speziell eingestellte Eigenschaften, u.a. Zündwilligkeit zum richtigen Zeitpunkt und Abbrenngeschwindigkeit, machen einen guten Dieselkraftstoff aus.
