Verbrennungskraftmaschine

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Arbeitsweise von Dieselmotoren

Die meisten Dieselmotoren sind Viertaktmotoren, funktionieren allerdings anders als Ottomotoren. Der Unterschied liegt in der Art, wie das Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt. Beim Ottomotor erfolgt die Verbrennung explosionsartig, so dass der Kolben dem Gasdruck nicht mit der gleichen Geschwindigkeit nachgeben kann. Theoretisch betrachtet, ändert sich das Gasvolumen oder der Raum, den das verbrennende Gas einnimmt, in der Kürze der Verbrennungszeit nicht, weshalb man hier von einer Gleichraumverbrennung oder einem Gleichraumprozess spricht. Während der sehr kurzen Verbrennungszeit sind der Druck und die Temperatur beim Ottomotor drei- bis viermal höher als beim Dieselmotor. Dagegen erfolgt beim Dieselmotor die Verbrennung des Kraftstoffes und die Abfuhr der verbrannten Abgase über einen vergleichsweise längeren Zeitraum. Der Druck, den das verbrennende Gas dabei auf den Kolben ausübt, bleibt nahezu gleich, weshalb hier auch von einer Gleichdruckverbrennung oder einem Gleichdruckprozess gesprochen wird.

Beim Dieselmotor wird beim ersten oder Ansaugtakt nur Luft und kein Kraftstoff durch ein Einlassventil in den Brennraum gesaugt. Beim zweiten Takt, dem Verdichtungstakt, wird die Luft auf einen geringen Teil ihres vorherigen Volumens zusammengepresst, durch das Zusammenpressen (Kompression) auf etwa 30 bis 55 Bar verdichtet und dabei auf 700 bis 900 °C erhitzt. Am Ende des Verdichtungstaktes wird zerstäubter Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt, der aufgrund der hohen Temperatur der Luft im Brennraum sofort verbrennt. Einige Dieselmotoren verfügen über eine zusätzliche elektrische Zündanlage, die den Kraftstoff beim Anlassen zündet. Sie ist nur so lange in Betrieb, bis der Motor warm ist. Die Verbrennung treibt den Kolben im dritten Takt oder Arbeitstakt zurück. Beim vierten Takt werden wie beim Ottomotor die Abgase ausgeschoben.

Der Wirkungsgrad eines Dieselmotors, der im Übrigen von den gleichen Faktoren bestimmt wird wie beim Ottomotor, ist von Natur aus höher als der eines Ottomotors und beträgt bei den heute eingesetzten Motoren etwas über 40 Prozent. In der Regel arbeiten Dieselmotoren bei niedrigeren Drehzahlen als Ottomotoren.

5.1

Abgase von Dieselmotoren

Bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff bilden sich Schadstoffe wie Stickoxide und Ruß. Je höher der Sauerstoffanteil im zu verbrennenden Luft-Diesel-Gemisch ist, desto größer wird der Stickoxidanteil im Abgas. Ist der Sauerstoffanteil bei der Verbrennung jedoch gering, so steigt der Anteil an Rußpartikeln im Abgas. Eine Möglichkeit, die ungünstigen Emissionswerte bei Dieselmotoren zu verbessern, bietet die so genannte Common-Rail-Einspritzung (Speichereinspritzung). Common rail bezeichnet die gemeinsame Verteilerleiste, über die die Einspritzdüsen (Injektoren) mit der Kraftstoffpumpe verbunden sind. Bei herkömmlichen direkteinspritzenden Systemen werden Einspritzdruck und -menge letztlich über die Nockenwelle gesteuert. Dadurch sind Druckerzeugung und Einspritzung miteinander gekoppelt. Im Gegensatz dazu übernimmt bei der Common-Rail-Einspritzung eine spezielle Steuerelektronik die Regelung von Druck und Einspritzmenge, d. h., Druckerzeugung und Einspritzung werden entkoppelt. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens liegt auf der Hand: Für jede Drehzahl und Belastung des Motors lässt sich der Einspritzdruck so wählen, dass ein für die Verbrennung optimales Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht.

5.2

Rußfilter

Die bislang beste Methode, um Rußpartikel aus den Abgasen eines Dieselmotors zu entfernen, ist der Einsatz von Partikelfiltern. Moderne Rußpartikelfilter bestehen aus hitzebeständiger Keramik (z. B. Siliciumcarbid). Das Kernstück des Filters ist wabenförmig aufgebaut und hat eine Vielzahl von Kanälen, durch die das rußbeladene Abgas während des Motorbetriebs strömt. Die Wände des Wabenkörpers sind grobporig, d. h., in diesen Poren können sich die Rußpartikel ablagern und auf diese Weise nahezu vollständig aus dem Abgas entfernt werden.

Damit der Rußfilter funktionsfähig bleibt, muss er in gewissen Zeitabständen regeneriert werden, was durch Verbrennung der Rußpartikel gelingt. Ein besonderes Verfahren wurde hierzu von den französischen Automobilherstellern Peugeot und Citroën entwickelt. Bei diesem Verfahren wird zum einen die Zündfähigkeit der Partikel durch Kraftstoffadditive auf die Abgastemperatur (etwa 450 °C) herabgesetzt – normalerweise liegt die Zündtemperatur der Partikel bei etwa 600 °C. Zum anderen nutzt man die Common-Rail-Technik, um die Temperatur der Abgase kurzfristig auf etwa 550 °C anzuheben. Bei dieser Temperatur verbrennen die im Filter abgeschiedenen Rußpartikel. Die Regeneration dauert etwa zwei bis drei Minuten und wird von einem Drucksensor kontrolliert.

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Arbeitsweise von Zweitaktmotoren

Otto- oder Dieselmotoren können auch nach dem Zweitaktprinzip betrieben werden. Dabei ist jeder zweite Takt ein Arbeitstakt und nicht jeder vierte. Der Wirkungsgrad von Zweitaktmotoren ist geringer als der von Viertaktmotoren; die Leistung eines solchen Motors liegt immer etwas unter der Hälfte der Leistung eines Viertaktmotors vergleichbarer Größe.

Das Prinzip des Zweitaktmotors besteht darin, dass die Zeiten für das Ansaugen des Kraftstoffes in den Brennraum und das Ausstoßen der Abgase auf einen kleinen Teil der Dauer eines Taktes beschränkt werden und nicht jeder dieser Vorgänge einen ganzen Takt in Anspruch nimmt. Bei der einfachsten Form des Zweitaktmotors werden die Tellerventile durch Rohrschieber oder Schlitze ersetzt. Sie sind offen, wenn der Kolben am weitesten vom Zylinderkopf entfernt ist. Über den Einlassschlitz wird der Kraftstoff zugeführt; dann folgt der Verdichtungstakt, und das Gemisch wird gezündet, wenn der Kolben das Ende des Taktes erreicht. Anschließend bewegt sich der Kolben mit dem Arbeitstakt wieder aus dem Zylinder heraus und öffnet dabei den Auslassschlitz, durch den die Abgase aus dem Brennraum abfließen können.

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Kreiskolbenmotor oder Wankelmotor

In den fünfziger Jahren entwickelte der deutsche Ingenieur Felix Wankel eine völlig neuartig aufgebaute Kraftmaschine mit innerer Verbrennung: Kolben und Zylinder ersetzte er durch einen dreieckigen Drehkolben in einer fast ovalen Kammer. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird durch einen Einlassschlitz angesaugt und zwischen einer Seite des sich drehenden Kolbens und der Wand der ovalen Kammer festgehalten. Die Kolbendrehung verdichtet das Gemisch bis zur Zündung. Die Abgase werden durch die Drehung des Kolbens über einen Auslassschlitz ausgestoßen. Die kompakte Bauweise des Kreiskolbenmotors und sein dadurch im Vergleich zum Hubkolbenmotor geringeres Gewicht haben ihm in den siebziger und achtziger Jahren zu einer größeren Bedeutung verholfen. Er arbeitet nahezu vibrationsfrei und benötigt im Vergleich zu Otto- und Dieselmotoren eine geringere Kühlung. Nachteile des Wankelmotors sind jedoch der vergleichsweise hohe Kraftstoffverbrauch und ein höherer Schadstoffanteil in den Abgasen. Heutzutage bieten vor allem japanische Automobilhersteller Fahrzeuge mit Wankelmotor an.