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Rudolf Diesel - Zur Person

Rudolf Diesel , der am 18.März 1858 in Paris geboren wurde , studierte Maschinenbau an der Technischen Hochschule München und erhielt dort die Anregung zur Konstruktion einer Wärmekraftmaschine von möglichst hohem Wirkungsgrad. So entwickelte er in den Jahren 1893 bis 1897, in Zusammenarbeit mit der Maschinenfabrik Augsburg und der Firma F. Krupp, den Dieselmotor. In Zusammenarbeit mit ihnen baute er den ersten Kleindieselmotor, sowie Dieselmotoren für Lastwagen und Lokomotiven. 1907 gründete R.Diesel eine Gesellschaft für Thermo-Lokomotiven und 1913 unternahm er eine Probefahrt mit der ersten 1000 PS Grossdiesellok für die Preussischen Staatseisenbahnen. Im Ausland geehrt , im Inland in Auseinandersetzungen verwickelt , setzte sich Diesel auf der Überfahrt von Antwerpen nach Harwich seinem Leben vermutlich selbst ein Ende.


3. Der Dieselmotor

Vor knapp einem Jahrhundert, im Jahre 1892, meldete Rudolf Diesel seinen "Dieselmotor" zum Patent an. Diesel war der Meinung, dass der Wirkungsgrad der seit 1867 bekannten Ottomotoren nicht zufriedenstellend genug war. Zum Vergleich: moderne Dieselmotoren erreichen einen Wirkungsgrad von 46% und sind in der Energieausnutzung den Ottomotoren weit überlegen. So bezieht sich auch das Patent von Diesel auf die "Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors", denn immerhin verfügten schon die ersten Dieselmotoren über einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als die, im Vergleich schon länger bekannten, Ottomotoren. Ein Dieselmotor konnte bereits etwa ein Drittel der aufgewandten Energie in Arbeit umsetzen. Doch nicht nur Diesel nahm sich diesem Prinzip an, sondern auch andere Maschinenbauer und so gab es in den ersten Jahrzehnten der Dieselgeschichte berühmte Firmen wie "Deutz", "MWM" und "Colo", die sich ebenfalls mit dem Bau und der Konstruktion von Dieselaggregaten, sowie deren weiterer Entwicklung befassten. Seit dem Jahr 1892 gibt es unzählige Weiterentwicklungen, Bauformen und Einsatzgebiete des Dieselmotors. Die allgegenwärtige Jagd nach Rekorden vermeldete stets neue Bautypen, Größen, Leistungsangaben und Verbrauchswerte. Was mit dem Patent DRP 67207 begann, führte bis heute zu einer so großen Spezialisierung der einzelnen Motorkomponenten, dass sich ganze Unternehmen nur mit der Produktion und Weiterentwicklung einzelner Bauteile beschäftigen. Neuerdings helfen Internetportale den Dieselmotorherstellern und Werkstätten, geeignete Teile und Zulieferer zu finden. Zu nennen ist da unter anderem die Homepage des VDMA, der eine Produktplattform für den Maschinenbau anbietet. Dabei hat sich die Funktionsweise eines Dieselmotors seit über 120 Jahren nicht verändert und ähnelt sogar dem Prinzip des Verbrennungsmotors von Nicolaus Otto. Die physikalische Arbeitsweise unterscheidet sich grundsätzlich nicht vom Ottomotor. Es findet hier die Umwandlung von chemischer Energie (Treibstoff), über die Wärmeenergie (Verbrennung), in mechanische Energie (Fortbewegung) statt. Die Hauptunterschiede zum Ottomotor bestehen in der Gemischbildung und in der Art der Zündung (Selbstzündung). Dieselmotoren haben im Gegensatz zu Benzinmotoren keine Zündanlage. Aufgrund ihrer Funktionsweise benötigen sie aber immer eine Einspritzanlage. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Art der Luft-Kraftstoff-Gemischbildung. Beim Dieselmotor wird die innere Gemischbildung verwendet.


3.1 Dieselverbrennung

Die Auslösung des Arbeitstaktes erfolgt beim Dieselmotor auf eine verblüffend einfache Weise.Im ersten Ansaugtakt wird zunächst reine Luft angesuagt. Im zweiten Takt wird diese Luft auf etwa 30 bis 55 bar verdichtet. Dabei erhitzt sich die angesaugte Luft auf 700 bis 900 Grad Celsius. Nun wird Dieselkrafstoff in die Brennkammer eingespritzt . Durch die hohe Temperatur der Komprimierten Luft erfolgt die Verbrennung des Dieselkrafstoffes (Selbstzündung). Dadurch steigt der Innendruck gewaltig an, und der Motor leistet seine Arbeit. Im vierten Takt wird dann, wie beim Ottomotor, das verbrannte Gemisch ausgestossen.


3.2 Bauformen des Dieselmotors

Einer der grössten Nachteile des Dieselmotors sind die aufwendigen Einspritzsysteme und die daraus resultierenden aufwendigeren Motorbauformen, sowie die höheren Produktionskosten. Diese unterschiedlichen Einspritztechniken und Bauformen resultieren aus der Tatsache, dass die ersten, sehr einfachen Dieselmotoren nicht besonders komfortable und drehfreudige Antriebsaggregate waren. Im kalten Zustand ist der Diesel durch seinen harten Verbrennungsablauf sehr laut, so dass sein Nageln unüberhörbar ist. Jahrelang verfügte er wegen seiner robusten Bauform über ein höheres Leistungsgewicht, eine geringe Literleistung sowie ein schlechtes Beschleunigungsverhalten. Alle diese Nachteile wurden bis heute mit unterschiedlichen Aufwand beseitigt, so dass man den Dieselmotor als gleichwertige, manchmal sogar als höherwertige Antriebsquelle zum Ottomotor einstufen könnte.


3.3 Die Einspritzsysteme

Je nach Bauart und Anordnung des Brennraumes unterscheidet man bei Dieselmotoren die verschiedenen Einspritzsysteme.


3.3.1 Direkteinspritzung

Bei der Diesel - Direkteinspritzung (Kraftstoff - Luft - Verteilung) wird der Kraftstoff zur Verneblung mit hohem Druck durch eine Mehrlochdüse in die hochverdichtete Ansaugluft gespritzt, wobei durch entsprechende Gestalung des Kolbenbodens die Gemischverwirbelung gefördert wird. Zum Starten des Motors sind keine speziellen Glühkerzen erforderlich, da die Abkühloberfläche des Brennraumes relativ klein ist. Die kalte Ansaugluft wird beim Starten durch den hohen Verdichtungsdruck sehr schnell erhitzt. Die Vorteile der Direkteinspritzung (Bild 3.1) liegen im geringen Wärmeverlust, in der guten Starteigenschaft bei kaltem Motor, sowie im niedrigen spezifischen Kraftstoff- verbrauch. Die Nachteile sind zum einen der rauhe, harte Motorlauf und die hohen Einspritzdrücke, sowie der relativ grosse Zündverzug.


3.3.2 Das M - Verfahren

Das M - Verfahren (Mittenkugelverfahren) gehört zur Gruppe der Direkteinspritzer. Bei diesem System ist der Ansaugkanal (Drallkanal) im Zylinderkopf so verlegt, dass die Verbrennungsluft beim Ansaugen eine starke Drallbewegung erhält. Beim Verdichten wird fast die ganze Luft in den kugelförmigen Verbrennugsraum des Kolbenbodens gepresst. Dadurch erhöht sich die Umlaufgeschwindigkeit des Lufdralls noch weiter. Die Vorteile liegen im ruhigen, elastischen Motorlauf, in der relativen Kraftstoffunempfindlichkeit und der sich daraus ergebenden Verwendbarkeit als Vielstoffmotor. Zudem sind nur relativ geringe Einspritzdrücke (bis etwa 150 bar) notwendig. Die Nachteile dieser Bauart sind zum einen, die hohe thermische Belastung des Kolbens, die Stahlblecheinlagen für die kontrollierte Wärmeausdehnung und Versteifung notwendig macht und zum anderen, ist eine aufwendige Tlstrahlkühlung für die Unterseite des Kolbenbodens eine konstruktive Notwendigkeit. Bei hohen Drehzahlen treten zudem Füllungs - und damit Leistungsverluste auf.


3.3.3 Das Vorkammersystem

Dies ist eine inzwischen relativ selten anzutreffende Einspritzbauart (Bild 3.3). Das Vorkammersystem wird nur noch bei der Autofirma Daimler - Benz in einigen Motoren eingesetzt. Der Brennraum ist hier in die Vorkammer (ein Drittel des Gesamtbrennraumes) und in den Hauptbrennraum (zwei Drittel des Gesamtbrennraumes) unterteilt. Um die Gemischaufbereitung zu unterstützen, ist in der Vorkammer ein Stift mit einer kugelförmigen Verdickung eingesetzt. Die beiden Brennräume sind durch mehrere, verhältnismässig kleine, Bohrungen (Schusskanäle) miteinander verbunden. Die Vorkammer sitzt komplett im Zylinderkopf und ist meist aus einem hochwarmen, austauschbaren Stahlblech hergestellt. Während des Verdichtungstaktes ( 2.Takt ) wird ein Teil der verdichteten Luft auch in die Vorkammer gepresst. Der Kraftstoff wird, kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes, durch eine Einspritzdüse direkt in die Vorkammer des entsprechenden Kolbens eingespritzt. Durch den Sauerstoffanteil in der Vorkammer ist eine Teilverbrennung des eingespritzten Kraftstoffes möglich. Ausserdem entstehen durch die Teilverbrennung hohe Temperaturen, die für einen schnellen Druckanstieg sorgen. Dadurch wird der gesamte Inhalt der Vorkammern durch die Schusskanäle in den eigentlichen Brennraum geblasen, wo dann die eigentliche Verbrennung statt findet. Beim Kaltstart ist die Vorkammer kalt, und die Luft im Verdichtungstakt wird durch das Einblasen in die Kammer abgekühlt . Daher ist die Vorwärmung der angesaugten Luft durch eine extra Glühkerze nötig. Diese notwendige Glühkerze befindet sich in der Vorkammer. Der Hauptvorteil des Vorkammerverfahrens liegt darin, dass durch die geringen Innendrücke ein weicher Motorlauf ermöglicht wird. Des weiteren sind zudem eine gleichmässige Gemischbildung, ein kurzer Zündverzug und eine relativ hohe Maximaldrehzahl aufzuführen. Als Nachteile sind der etwas höhere Kraftstoffverbrauch und die nötige Kaltstarthilfe zu nennen. Ausserdem ist durch die Trennung der beiden Brennräume eine Idealform (kugelförmige Brennkammer) nicht realisierbar.


3.3.4 Das Wirbelkammerverfahren

Diese Verfahren (Bild 3.2) ähnelt zwar stark dem Vorkammersystem, jedoch arbeiten die modernen PKW - Dieselmotoren fast immer nach dem Wirbelkammerverfahren. Die kugelförmige Wirbelkammer ist, vom Hauptbrennraum getrennt, im Zylinderkopf angeordnet. Hauptbrennraum und Wirbelkammer sind jedoch durch einen Schusskanal mit grossem Durchmesser miteinander verbunden. Im Verdichtungstakt bewirkt der Schusskanal in der Wirbelkammer eine intensive Rotation der Ansaugluft. In diesem Luftwirbel wird der Dieselkraftstoff über eine Drosselzapfdüse (der Tffnungsdruck liegt bei etwa 100 bis 130 bar) eingespritzt. Die Verbrennung wird in der Wirbelkammer eingeleitet und greift dann auf den Hauptbrennraum über. Die Wirbelkammer wird im Fahrbetrieb sehr heiss und sorgt somit für eine gute Vorverdampfung des Krafstoffes. Zum Starten des Motors sind allerdings auch hier Glühkerzen erforderlich, da die Unterteilung des Brennraumes eine grosse Oberfläche aufweist, die auf die angesaugte Luft abkühlend wirkt. Die Vor- und Nachteile sind im ganzen Vergleichbar mit dem Vorkammersystem, jedoch ist durch die Verwendung der Wirbelkammer eine weit höhere Literleistung erreichbar. Die benötigten Einspritzdrücke liegen bei etwa 125 bar. Ausserdem liegt der Verbrauch höher als beim Direkeinspritzsystem und eine Kaltstarteinrichtung ist nötig .

BILD 3.1

Bild 3.1-3.3 Einspritzverfahren


3.4 Die Einspritztechnik des Dieselmotors

Der Siegeszug des Dieselmotors, besonders bei Nutzfahrzeugen wäre ohne die Entwicklung einer hochwertigen Einspritztechnik undenkbar gewesen. Diese Entwicklung beeinflusste die Firma Robert Bosch so gross, dass sie bis heute Lieferant für viele Dieseleinspritzsysteme ist. Es gibt die Reiheneinspritzpumpen, die vorwiegend bei Nutzfahrzeugen eingesetzt werden. Bei den mittleren und kleinen Pkw hat sich hingegen die Verteilereinspritz- pumpe durchgesetzt.


3.4.1 Die Reiheneinspritzpumpe

Die Reiheneinspritzpumpe ist sich seitlich am Motorblock angebracht. Aus ihr kommen die zahlreichen Einspritzleitungen oben zu den Einspritzdüsen. Ein wesentliches Bauteil der Reiheneinspritzpumpe ist die Nockenwelle, die über Kolbenelemente für die Druckerzeugung verantwortlich ist. Reiheneinspritzpumpen können beachtliche Drücke erzeugen. Die Kolbenförderpumpe entnimmt den Kraftstoff aus dem Tank und erzeugt einen sberdruck von 1 bis 1,5 bar. Die eigentliche, zur Einspritzung notwendige, Druckerhöhung erfolgt erst im Pumpenkolbenelement der Reiheneinspritzpumpe, wobei die mittleren Druckwerte bei maximal 1000 bar liegen. Ausserdem ist zu erwähnen, dass die Reiheneinspritzpumpe an den Schmierkreislauf des Motors angeschlossen ist.


3.4.2 Die Verteilereinspritzpumpe

Da die Reiheneinspritzpumpe besonders teuer ist, suchten Fahrzeughersteller nach einer billigeren Lösung und entwickelten so die Verteilereinspritzpumpe. Diese befindet sich im Motorraum seitlich, im Bereich des Zahnriemen. Angetrieben wird die Verteilerpumpe häufig mit dem gleichen Zahnriemen, der auch die Nockenwelle antreibt. Die Verteilereinspritzpumpe enthält sowohl die eigentliche Kraftstofförderpumpe als auch die Verteil- und die Regeleinrichtung. Wesentliches Bauteil ist neben den Flügelzellen die Kraftstofförderpumpe mit einer Hubscheibe, die für die Druckerzeugung verantwortlich ist. Daneben erkennt man den Spritzversteller mit Regelschieber, ausserdem die Fliehgewichteinrichtung und auch den Anlenkhebel für das Gasseil und die elektromagnetische Abstellvorrichtung.


3.4.3 Die Einspritzdrüse

Die Einspritzdüse bestehht im wesentlichen aus einem Düsenkörper und einer Düsennadel. Die Düsennadel hebt von ihrem Sitz ab, wenn der Kraftstoffdruck die Federvorspannung der Düsennadel übersteigt. Man spricht dann vom Tffnungsdruck. Nun strömt der Krafstoff zu den eigentlichen Spritzöffnungen. Der hohe Einspritzdruck setzt sich in Geschwindigkeit um, wobei der Kraftstoff fein zerstäubt wird. Wenn der Druck im System sinkt, weil die Förderung beendet ist, übersteigt die Federkraft den Druck der Düse, die sich daraufhin sofort wieder schliesst. Die Düsen werden jeweils auf das spezielle Brennverfahren abgestimmt. So kommt es, dass es, je nach Bauform, verschiedene Düsenformen gibt.


3.5 Glühkerzen für den Dieselmotor

Stand der Technik sind heute Glühkerzenstifte, welche wie eine Zündkerze seitlich am Zylinderblock sitzen und in die Vor- oder Wirbelkammer hineinragen. Glühstiftkerzen bestehen im wesentlichen aus einem korrosionsfesten Glühmedium mit eingebetteter Heizwendel und temperaturabhängiger Regelwendel. Durch die Einführung von Schnellsystemen konnten die Vorglüh- und Startzeiten verkürzt werden. Zum Teil werden Glühkerzen heute so gesteuert, dass sie während eines Kaltstartes noch einige Sekunden nachglühen, um das lästige Kaltnageln, aber auch die Rauchbildung , zu vermeiden.


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