Wie Dieselmotoren funktionieren

Der 4,5-Liter-V-8-Duramax verbessert den Wirkungsgrad im Vergleich zu Benzinmotoren um 25 Prozent und reduziert gleichzeitig Schadstoffe und Emissionen. Weitere Bilder zu Dieselmotoren. 2008

-Einer der beliebtesten Artikel ist "How Car Engines Work", in dem die Grundprinzipien der Verbrennung erläutert werden, der Viertaktzyklus erläutert wird und alle Subsysteme erläutert werden, die dem Motor Ihres Autos bei seiner Arbeit helfen. Lange Zeit, nachdem wir diesen Artikel veröffentlicht hatten, lautete eine der häufigsten Fragen (und einer der häufigsten Vorschläge im Vorschlagsfeld): "Was ist der Unterschied zwischen einem Benzin- und einem Dieselmotor?"

Diesels Geschichte beginnt tatsächlich mit der Erfindung des Benzinmotor. Nikolaus August Otto hatte den Benzinmotor bis 1876 erfunden und patentiert. Diese Erfindung verwendete das Viertakt-Verbrennungsprinzip, auch als "Otto-Zyklus" bekannt, und ist heute die Grundvoraussetzung für die meisten Automotoren. In der Anfangsphase war der Benzinmotor nicht sehr effizient, und andere wichtige Transportmittel wie der Dampfmaschine es ging auch schlecht. Nur etwa 10 Prozent des in diesen Motortypen verwendeten Kraftstoffs bewegten tatsächlich ein Fahrzeug. Der Rest des Brennstoffs erzeugte einfach nutzlose Wärme.

-1878 besuchte Rudolf Diesel die Polytechnische Hochschule in Deutschland (das Äquivalent einer Ingenieurschule), als er etwas über den geringen Wirkungsgrad von Benzin- und Dampfmaschinen erfuhr. Diese störenden Informationen inspirierten ihn, einen Motor mit einem zu entwickeln höhere Effizienz, und er widmete einen Großteil seiner Zeit der Entwicklung einer "Combustion Power Engine". Bis 1892 hatte Diesel ein Patent für den heutigen Dieselmotor erhalten.

-Wenn Dieselmotoren so effizient sind, warum setzen wir sie nicht öfter ein? Sie könnten die Worte "Dieselmotor" sehen und an große, kräftige Lastwagen denken, die schwarzen, rußigen Rauch ausstoßen und ein lautes Klappern verursachen. Dieses negative Image von Diesel-Lkw und -Motoren hat Diesel für Gelegenheitsfahrer in den USA weniger attraktiv gemacht - obwohl Diesel hervorragend für den Transport großer Sendungen über große Entfernungen geeignet ist, war er nicht die beste Wahl für Pendler im Alltag. Dies beginnt sich jedoch zu ändern, da die Leute den Dieselmotor verbessern, um ihn sauberer und leiser zu machen.

Wenn Sie dies noch nicht getan haben, sollten Sie wahrscheinlich zuerst lesen, wie Automotoren funktionieren, um ein Gefühl für die Grundlagen der Verbrennung zu bekommen. Aber beeilen Sie sich - in diesem Artikel enthüllen wir die Geheimnisse des Dieselmotors und lernen einige neue Fortschritte kennen.

-Theoretisch sind Dieselmotoren und Benzinmotoren ziemlich ähnlich. Beide sind Verbrennungsmotoren Entwickelt, um die im Kraftstoff verfügbare chemische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Diese mechanische Energie bewegt die Kolben in den Zylindern auf und ab. Die Kolben sind mit einer Kurbelwelle verbunden, und die Auf- und Abbewegung der Kolben, die als lineare Bewegung bezeichnet wird, erzeugt die Drehbewegung, die erforderlich ist, um die Räder eines Autos vorwärts zu drehen.

Sowohl Dieselmotoren als auch Benzinmotoren wandeln Kraftstoff durch eine Reihe kleiner Explosionen oder Verbrennungen in Energie um. Der Hauptunterschied zwischen Diesel und Benzin besteht in der Art und Weise, wie diese Explosionen stattfinden. In einem Benzinmotor wird Kraftstoff mit Luft gemischt, durch Kolben komprimiert und durch Funken von Zündkerzen entzündet. Bei einem Dieselmotor wird jedoch zuerst die Luft komprimiert und dann der Kraftstoff eingespritzt. Da sich Luft beim Komprimieren erwärmt, entzündet sich der Kraftstoff.

Die folgende Animation zeigt den Dieselzyklus in Aktion. Sie können es mit der Animation des Benzinmotors vergleichen, um die Unterschiede zu sehen.

Dieselmotor © .com 2019

Der Dieselmotor verwendet einen Viertakt-Verbrennungszyklus wie ein Benzinmotor. Die vier Striche sind:

1. Ansaughub - Das Einlassventil öffnet sich, lässt Luft ein und bewegt den Kolben nach unten. -
2. Kompressionshub - Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und komprimiert die Luft.
3. Verbrennungshub - Wenn der Kolben die Spitze erreicht, wird Kraftstoff genau im richtigen Moment eingespritzt und gezündet, wodurch der Kolben wieder nach unten gedrückt wird.
4. Auspuffhub - Der Kolben bewegt sich zurück nach oben und drückt das bei der Verbrennung entstehende Abgas aus dem Auslassventil heraus.

Denken Sie daran, dass der Dieselmotor keine Zündkerze hat, Luft ansaugt und komprimiert und dann den Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzt (Direkteinspritzung). Es ist die Wärme der Druckluft, die den Kraftstoff in einem Dieselmotor entzündet. Im nächsten Abschnitt werden wir den Dieseleinspritzprozess untersuchen.

Kompression

Bei der Arbeit an seinen Berechnungen stellte Rudolf Diesel die Theorie auf, dass eine höhere Kompression zu einem höheren Wirkungsgrad und mehr Leistung führt. Dies geschieht, weil sich die Luft konzentriert, wenn der Kolben Luft mit dem Zylinder zusammendrückt. Dieselkraftstoff hat einen hohen Energiegehalt, daher ist die Wahrscheinlichkeit, dass Diesel mit der konzentrierten Luft reagiert, größer. Eine andere Möglichkeit ist, wenn Luftmoleküle so nahe beieinander gepackt sind, dass Kraftstoff eine bessere Chance hat, mit so vielen Sauerstoffmolekülen wie möglich zu reagieren. Rudolf erwies sich als richtig - ein Benzinmotor komprimiert im Verhältnis 8: 1 bis 12: 1, während ein Dieselmotor im Verhältnis 14: 1 bis 25: 1 komprimiert.

Foto mit freundlicher Genehmigung von DaimlerChrysler Atego Sechszylinder-Dieselmotor

Ein großer Unterschied zwischen einem Dieselmotor und einem Gasmotor besteht im Einspritzprozess. Die meisten Automotoren verwenden eine Einspritzung oder einen Vergaser. Ein Einspritzsystem spritzt unmittelbar vor dem Ansaugtakt (außerhalb des Zylinders) Kraftstoff ein. Ein Vergaser mischt Luft und Kraftstoff lange bevor die Luft in den Zylinder eintritt. In einem Automotor wird daher während des Ansaugtakts der gesamte Kraftstoff in den Zylinder geladen und dann komprimiert. Die Verdichtung des Kraftstoff / Luft-Gemisches begrenzt das Verdichtungsverhältnis des Motors - wenn es die Luft zu stark komprimiert, entzündet sich das Kraftstoff / Luft-Gemisch spontan und verursacht Klopfen. Klopfen kann den Motor beschädigen, da es zu übermäßiger Hitze führt.

Dieselmotoren verwenden eine Direkteinspritzung - der Dieselkraftstoff wird direkt in den Zylinder eingespritzt.

Der Injektor eines Dieselmotors ist seine komplexeste Komponente und wurde vielfach experimentiert - in jedem bestimmten Motor kann er sich an verschiedenen Stellen befinden. Der Injektor muss in der Lage sein, der Temperatur und dem Druck im Zylinder standzuhalten und den Kraftstoff dennoch in einem feinen Nebel zu fördern. Es ist auch ein Problem, den Nebel im Zylinder zirkulieren zu lassen, damit er gleichmäßig verteilt wird. Einige Dieselmotoren verwenden spezielle Induktionsventile, Vorbrennkammern oder andere Vorrichtungen, um die Luft in der Brennkammer zu verwirbeln oder auf andere Weise den Zünd- und Verbrennungsprozess zu verbessern.

Einige Dieselmotoren enthalten a Glühkerze. Wenn ein Dieselmotor kalt ist, erhöht der Kompressionsprozess die Luft möglicherweise nicht auf eine Temperatur, die hoch genug ist, um den Kraftstoff zu entzünden. Die Glühkerze ist ein elektrisch beheizter Draht (denken Sie an die heißen Drähte, die Sie in einem Toaster sehen), der die Brennräume heizt und die Lufttemperatur erhöht, wenn der Motor kalt ist, damit der Motor starten kann. Laut Cley Brotherton, einem Gesellentechniker für Schwermaschinen:

Alle Funktionen in einem modernen Motor werden vom ECM gesteuert und kommunizieren mit einem ausgeklügelten Satz von Sensoren, die alles von RPM messen. auf Motorkühlmittel- und Öltemperaturen und sogar auf die Motorposition (d. h. T.D.C.). Glühkerzen werden heutzutage bei größeren Motoren selten verwendet. Das ECM erfasst die Umgebungslufttemperatur und verzögert das Timing des Motors bei kaltem Wetter, sodass der Injektor den Kraftstoff zu einem späteren Zeitpunkt versprüht. Die Luft im Zylinder wird stärker komprimiert, wodurch mehr Wärme erzeugt wird, was das Starten erleichtert.

Kleinere Motoren und Motoren ohne solche fortschrittliche Computersteuerung verwenden Glühkerzen, um das Kaltstartproblem zu lösen.

Natürlich ist die Mechanik nicht der einzige Unterschied zwischen Dieselmotoren und Benzinmotoren. Es gibt auch das Problem des Kraftstoffs selbst.

Eine Probe von Dieselkraftstoff Staff / Getty Images

-Erdölkraftstoff beginnt als Rohöl, das natürlicherweise auf der Erde vorkommt. Wenn Rohöl in Raffinerien verarbeitet wird, kann es in verschiedene Arten von Kraftstoffen unterteilt werden, darunter Benzin, Düsentreibstoff, Kerosin und natürlich Diesel.

Wenn Sie jemals Dieselkraftstoff und Benzin verglichen haben, wissen Sie, dass sie unterschiedlich sind. Sie riechen bestimmt anders. Dieselkraftstoff ist schwerer und öliger. Es verdunstet viel langsamer als Benzin - sein Siedepunkt ist tatsächlich höher als der Siedepunkt von Wasser. Sie werden oft Dieselkraftstoff hören, der als "Dieselöl" bezeichnet wird, weil er so ölig ist.

Dieselkraftstoff verdunstet langsamer, weil er schwerer ist. Es enthält mehr Kohlenstoffatome in längeren Ketten als Benzin (Benzin ist typischerweise C9H20, während Dieselkraftstoff typischerweise C14H30 ist). Die Herstellung von Dieselkraftstoff erfordert weniger Raffination, weshalb er früher billiger als Benzin war. Seit 2004 ist die Nachfrage nach Diesel jedoch aus mehreren Gründen gestiegen, einschließlich der zunehmenden Industrialisierung und des zunehmenden Baus in China und den USA [Quelle: Energy Information Administration].

Dieselkraftstoff hat eine höhere Energiedichte als Benzin. Im Durchschnitt enthält 1 Gallone (3,8 l) Dieselkraftstoff ungefähr 155 x 10⁶ Joule (147.000 BTU), während 1 Gallone Benzin 132x10 enthält⁶ Joule (125.000 BTU). Dies, zusammen mit dem verbesserten Wirkungsgrad von Dieselmotoren, erklärt, warum Dieselmotoren eine bessere Laufleistung erzielen als gleichwertige Benzinmotoren.

Dieselkraftstoff wird verwendet, um eine Vielzahl von Fahrzeugen und Betrieben anzutreiben. Es treibt natürlich die Diesel-LKWs an, die Sie auf der Autobahn sehen, aber es hilft auch, Boote, Schulbusse, Stadtbusse, Züge, Kräne, landwirtschaftliche Geräte und verschiedene Einsatzfahrzeuge und Stromerzeuger zu bewegen. Überlegen Sie, wie wichtig Diesel für die Wirtschaft ist - ohne seine hohe Effizienz würden sowohl die Bauindustrie als auch die Landwirtschaft immens unter Investitionen in Kraftstoffe mit geringer Leistung und Effizienz leiden. Rund 94 Prozent der Fracht - ob in Lastwagen, Zügen oder Booten - wird mit Diesel betrieben.

In Bezug auf die Umwelt hat Diesel einige Vor- und Nachteile. Der Pro-Diesel stößt sehr geringe Mengen an Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Kohlendioxid aus, Emissionen, die zur globalen Erwärmung führen. Die hohen Mengen an Stickstoffverbindungen und Partikeln (Ruß) werden beim Verbrennen von Dieselkraftstoff freigesetzt, was zu saurem Regen, Smog und schlechten Gesundheitsbedingungen führt. Auf der nächsten Seite werden einige der jüngsten Verbesserungen in diesen Bereichen vorgestellt.

Sauberere Kraftstoff- und strengere Emissionswerte sollten die Zahl der frühen Todesfälle aufgrund der Verschmutzung durch Dieselmotoren verringern. Foto mit freundlicher Genehmigung von Mario Tama / Getty Images

-Während der großen Ölkrise in den 1970er Jahren begannen europäische Automobilunternehmen, Dieselmotoren für den kommerziellen Einsatz als Alternative zu Benzin zu bewerben. Diejenigen, die es ausprobierten, waren etwas enttäuscht - die Motoren waren sehr laut und sie würden nach Hause kommen, um ihre Autos von vorne nach hinten mit schwarzem Ruß bedeckt zu finden - das gleiche Problem, das in großen Städten für Smog verantwortlich ist.

In den letzten 30 bis 40 Jahren wurden jedoch die Motorleistung und die Kraftstoffsauberkeit erheblich verbessert. Direkteinspritzvorrichtungen werden jetzt von fortschrittlichen Computern gesteuert, die die Kraftstoffverbrennung überwachen, die Effizienz steigern und die Emissionen reduzieren. Besser raffinierte Dieselkraftstoffe wie schwefelarmer Diesel (ULSD) senken die Menge der schädlichen Emissionen, und die Aufrüstung der Motoren, um sie mit sauberem Kraftstoff kompatibel zu machen, wird zu einem einfacheren Verfahren. Andere Technologien wie CRT-Partikelfilter und Katalysatoren verbrennen Ruß und reduzieren Partikel, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe um bis zu 90 Prozent. [Quelle: Diesel Technology Forum]. Die kontinuierliche Verbesserung der Standards für saubereren Kraftstoff aus der Europäischen Union wird auch die Autoindustrie dazu bringen, härter an der Senkung der Emissionen zu arbeiten. Bis September 2009 hofft die EU, dass die Partikelemissionen von 25 mg / Kilometer auf 5 mg / Kilometer sinken werden [Quelle: EUROPA]..

Möglicherweise haben Sie auch von Biodiesel gehört. Ist es dasselbe wie Diesel? Biodiesel ist eine Alternative oder ein Zusatz zu Dieselkraftstoff, der in Dieselmotoren ohne oder mit nur geringen Änderungen an den Motoren selbst verwendet werden kann. Es wird nicht aus Erdöl hergestellt, sondern aus Pflanzenölen oder tierischen Fetten, die chemisch verändert wurden. (Interessante Tatsache: Rudolf Diesel hatte ursprünglich pflanzliches Saatöl als Kraftstoff für seine Erfindung in Betracht gezogen.) Biodiesel kann entweder mit normalem Diesel kombiniert oder ganz alleine verwendet werden. Weitere Informationen zu Biodiesel finden Sie unter Funktionsweise von Biodiesel.

Weitere Informationen zu Dieselmotoren und verwandten Themen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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