Grundlagen und Technik von Dieselmotoren: Aufbau, Funktion und Optimierung

Ventilüberschneidung (2- und 3-Ventiltechnik)

Der Winkel, bei dem Ein- und Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind, wird als Ventilüberschneidung bezeichnet. Dieser Wert hängt von den Motoreigenschaften ab. Im Bereich der maximalen Leistung steigt mit zunehmender Drehzahl die benötigte Zeit für den Gaswechsel, wodurch größere Ventilöffnungswinkel erforderlich sind. Schnelle Hochleistungsmotoren weisen daher eine größere Ventilüberschneidung auf, um eine ausreichende Zylinderfüllung bei hohen Drehzahlen zu gewährleisten.

Dieselmotor-Merkmale

Beim Dieselmotor wird ausschließlich Luft angesaugt. Der Kraftstoff wird durch ein Einspritzsystem in den Zylinder eingebracht und zerstäubt. Die Zündung erfolgt durch die Selbstentzündung des Kraftstoffs aufgrund der hohen Verdichtungstemperatur der Luft.

Kraftstoff

Dieselkraftstoff hat eine Dichte von 0,81 bis 0,85 kg/l bei 15 °C und einen Heizwert von etwa 42.000 kJ/kg. Seine Zündwilligkeit wird durch die Cetanzahl bestimmt: Je höher die Cetanzahl, desto niedriger die für die Zündung erforderliche Temperatur. Die Viskosität des Kraftstoffs nimmt bei niedrigen Temperaturen zu. Bei Temperaturen unter -25 °C kann es zu Problemen beim Durchfluss durch Filter und Einspritzdüsen kommen, was den Kaltstart erschwert.

Gemischbildung

Aufgrund der begrenzten Zeit für die Gemischbildung muss die Druckluft zur besseren Kraftstoffzerstäubung beitragen. Zusätzlich ist eine hohe Turbulenz erforderlich, um eine optimale Vermischung mit der Luft zu erreichen. Es ist nicht notwendig, ein bestimmtes Kraftstoff-Luft-Verhältnis einzuhalten, jedoch sollte eine ausreichende Luftmenge für eine vollständige Verbrennung vorhanden sein.

Verbrennung: Der Kraftstoff wird am Ende des Verdichtungstaktes eingespritzt. Die durch die Verdichtung erhitzte Luft (über 500 °C) entzündet den Kraftstoff, wodurch eine schlagartige Verbrennung stattfindet, noch bevor der Kolben den oberen Totpunkt (OT) erreicht. Die Zeit zwischen Einspritzbeginn und Zündung wird als Zündverzug bezeichnet. Bei Motoren mit Vorkammern werden Glühkerzen eingesetzt, um den Kaltstart zu erleichtern.

Zylinderladung

Der Zylinder wird immer mit der maximal möglichen Luftmenge gefüllt. Der Luftüberschuss gewährleistet eine vollständige Verbrennung. Es gibt keine Drosselklappe im Ansaugtrakt, die den Luftstrom begrenzt. Die Leistungsregelung des Motors erfolgt durch die Veränderung der eingespritzten Kraftstoffmenge über das Gaspedal.

Aufladung

Bei Dieselmotoren ist die Aufladung weit verbreitet, um die Leistung zu steigern. Durch die Erhöhung des Luftdrucks im Zylinder kann mehr Kraftstoff verbrannt und somit mehr Leistung erzeugt werden.

Turbolader

Der Turbolader ist das am häufigsten verwendete Aufladesystem bei Viertakt-Dieselmotoren. Dieses System nutzt die hohe Geschwindigkeit der Abgase, um eine Turbine anzutreiben. Die Turbine ist über eine Welle mit einem Zentrifugalkompressor verbunden, der die Ansaugluft verdichtet. Der Turbolader nutzt somit die Restenergie der Abgase. Der Ladedruck variiert mit der Motordrehzahl, sodass der Turbolader erst ab einer bestimmten Drehzahl wirksam wird.