Dieselverbrennung
Der Dieselmotor ist ein Kolben-Zylinder-Gerät mit intermittierender Verbrennung. Es arbeitet entweder mit einem Zweitakt-oder Viertaktzyklus (siehe Abbildung); Im Gegensatz zum Benzinmotor mit Zündkerze induziert der Dieselmotor jedoch nur Luft in den Brennraum an seinem Ansaughub. Dieselmotoren werden typischerweise mit Verdichtungsverhältnissen im Bereich von 14:1 bis 22:1 konstruiert., Sowohl Zweitakt-als auch Viertaktmotorkonstruktionen finden sich bei Motoren mit Bohrungen (Zylinderdurchmesser) von weniger als 600 mm (24 Zoll). Motoren mit Bohrungen von mehr als 600 mm sind fast ausschließlich zwei-Takt-Zyklus-Systeme.
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Der Dieselmotor gewinnt seine Energie, indem er Kraftstoff verbrennt, der in die komprimierte Heißluftladung innerhalb des Zylinders eingespritzt oder gesprüht wird. Die Luft muss auf eine Temperatur erhitzt werden, die größer ist als die Temperatur, bei der sich der eingespritzte Kraftstoff entzünden kann., Kraftstoff, der in Luft gesprüht wird, deren Temperatur höher ist als die „Selbstzündungstemperatur“ des Kraftstoffs, reagiert spontan mit dem Sauerstoff in der Luft und brennt. Die Lufttemperaturen liegen typischerweise über 526 °C (979 °F); Beim Motorstart wird jedoch manchmal eine zusätzliche Erwärmung der Zylinder verwendet, da die Temperatur der Luft innerhalb der Zylinder sowohl durch das Verdichtungsverhältnis des Motors als auch durch seine aktuelle Betriebstemperatur bestimmt wird., Dieselmotoren werden manchmal als Selbstzündungsmotoren bezeichnet, da die Einleitung der Verbrennung eher auf durch Kompression erwärmter Luft als auf einem elektrischen Funken beruht.
Bei einem Dieselmotor wird Kraftstoff eingeführt, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt seines Hubs nähert. Der Kraftstoff wird unter hohem Druck entweder in eine Vorbrennkammer oder direkt in die Kolben-Zylinder-Brennkammer eingebracht. Mit Ausnahme kleiner Hochgeschwindigkeitssysteme verwenden Dieselmotoren Direkteinspritzung.
Dieselmotor-Kraftstoffeinspritzsysteme sind typischerweise so ausgelegt, dass sie Einspritzdrücke im Bereich von 7 bis 70 Megapascal (1.000 bis 10.000 Pfund pro Quadratzoll) bereitstellen. Es gibt jedoch einige Hochdrucksysteme.
Eine präzise Steuerung der Kraftstoffeinspritzung ist entscheidend für die Leistung eines Dieselmotors. Da der gesamte Verbrennungsprozess durch Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird, muss die Einspritzung in der richtigen Kolbenposition (d. H. Kurbelwinkel) beginnen. Zuerst wird der Kraftstoff in einem fast konstanten Volumenprozess verbrannt, während sich der Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts befindet., Wenn sich der Kolben von dieser Position wegbewegt, wird die Kraftstoffeinspritzung fortgesetzt, und der Verbrennungsprozess erscheint dann als nahezu konstanter Druckprozess.
Der Verbrennungsprozess in einem Dieselmotor ist heterogen—das heißt, Kraftstoff und Luft werden vor Beginn der Verbrennung nicht vorgemischt. Folglich ist eine schnelle Verdampfung und Vermischung von Kraftstoff in Luft für eine gründliche Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs sehr wichtig. Dies legt großen Wert auf das Design der Injektordüse, insbesondere bei Direkteinspritzmotoren.
Motorarbeit wird während des Hubs erhalten., Der Krafthub umfasst sowohl den Konstantdruckprozess während der Verbrennung als auch die Ausdehnung der heißen Verbrennungsprodukte nach Beendigung der Kraftstoffeinspritzung.
Dieselmotoren sind oft turboaufgeladen und unterkühlt. Die Zugabe eines Turboladers und eines Nachkühlers kann die Leistung eines Dieselmotors sowohl in Bezug auf Leistung als auch Effizienz verbessern.
Das herausragendste Merkmal des Dieselmotors ist seine Effizienz. Durch das Komprimieren von Luft anstelle eines Luft-Kraftstoff-Gemisches wird der Dieselmotor nicht durch die Vorzündungsprobleme begrenzt, die hochkompressive Zündkerzenmotoren plagen., Somit können bei Dieselmotoren höhere Verdichtungsverhältnisse erreicht werden als bei der Funkenzündungsvariante; entsprechend können häufig höhere theoretische Zykluseffizienz im Vergleich zu letzteren realisiert werden. Es ist anzumerken, dass für ein gegebenes Verdichtungsverhältnis der theoretische Wirkungsgrad des Zündkerzenmotors größer ist als der des Kompressionszündungsmotors; In der Praxis ist es jedoch möglich, Kompressionszündungsmotoren mit Kompressionsverhältnissen zu betreiben, die hoch genug sind, um Wirkungsgrade zu erzielen, die größer sind als die mit Zündkerzensystemen erreichbaren., Darüber hinaus sind Dieselmotoren nicht auf eine Drosselung des Ansauggemisches angewiesen, um die Leistung zu steuern. Als solches ist der Leerlauf-und reduzierte Wirkungsgrad des Diesels dem des Funkenzündungsmotors weit überlegen.
Der Hauptnachteil von Dieselmotoren ist ihre Emission von Luftschadstoffen. Diese Motoren geben typischerweise einen hohen Anteil an Partikeln (Ruß), reaktiven Stickstoffverbindungen (üblicherweise als NOx bezeichnet) und Gerüchen im Vergleich zu Funkenzündungsmotoren ab. Folglich ist die Akzeptanz der Verbraucher in der Kategorie Kleinmotoren gering.,
Ein Dieselmotor wird gestartet, indem er von einer externen Stromquelle angetrieben wird, bis Bedingungen festgelegt sind, unter denen der Motor mit eigener Kraft betrieben werden kann. Die einfachste Startmethode besteht darin, Luft aus einer Hochdruckquelle-etwa 1,7 bis fast 2,4 Megapascal—zu jedem der Zylinder zuzulassen, die wiederum bei ihrem normalen Zündhub abgegeben werden. Die Druckluft wird ausreichend erhitzt, um den Brennstoff zu entzünden., Andere Startmethoden beinhalten Hilfsausrüstung und umfassen das Zulassen von Druckluftstrahlen auf einen luftaktivierten Motor, der darauf ausgerichtet ist, das Schwungrad eines großen Motors zu drehen; Zufuhr von elektrischem Strom zu einem elektrischen Startmotor, ähnlich ausgerichtet auf das Motorschwungrad; und Anwenden eines kleinen Benzinmotors, der auf das Motorschwungrad ausgerichtet ist. Die Auswahl der am besten geeigneten Startmethode hängt von der physikalischen Größe des zu startenden Motors, der Art der angeschlossenen Last und davon ab, ob die Last während des Startens getrennt werden kann oder nicht.