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Titel:

Der Dieselmotor


  Note: 1   Klasse: 10









Arbeit: Der Dieselmotor

Erfinder: Rudolf Diesel (1858 - 1913)

Geschichte des Dieselmotors

1878 hörte der Erfinder des Dieselmotors Rudolf Diesel von dem schlechten Wirkungsgrad der Dampfmaschine und von der "Kreisprozeß"-Theorie des französischen Physikers Sadi Carnot, die den Idealvorgang einer Verbrennung beschreibt. Daraus entstand seine Idee, eine rationelle Wärmekraftmaschine zu schaffen. Im Jahre 1892 war die Idee so weit, dass er am 27. Februar beim Patentamt eine Anmeldung mit dem Titel "Neue, rationelle Wärmekraftmaschine" einreichte, wofür er ein Jahr später das Patent "Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungskraftmaschinen" erhielt. Die praktische Umsetzung seines Patents erforderte hohen finanziellen Aufwand. Diesel suchte daher die Unterstützung von Maschinenfabriken, die er von der Maschinenfabrik Augsburg und Friedrich Krupp (Essen) bekam. Ein Versuchsmotor war schon im Juli 1893 in Augsburg fertiggestellt. Doch er funktionierte nicht. Bis zum 17. Febraur 1897 wurde noch experimentiert. An dem Tag fand die offiziellen Abnahmeversuche des Motor statt. Dieser erste "praxistaugliche Dieselmotor" besaß bei einer Leistung von 20 PS und einem Gesamtgewicht von 4,5 t und einen Wirkungsgrad von etwa 26 %. Er übertraf damit die Dampfmaschinen mit damals 12 % Wirkungsgrad erheblich. Seetüchtige Schiffe wurde ab 1903 mit Dieselmotoren ausgerüstet. Erst zehn Jahre nach Diesels Tod gelang die Entwicklung einer Pumpe, die schweren flüssigen Kraftstoff in die hoch komprimierte Luft direkt einzuspritzen konnte. 1927 wurde eine serienreife Pumpe produziert. Die ersten LKWs mit Dieselantrieb wurden in den Jahren vorgestellt. 1936 ging der erste PKW-Diesel in Serie. Heute begegnen wir dem Dieselmotor am häufigsten im Straßenverkehr. Praktisch alle Lastkraftwagen, Omnibusse und Schlepper sind damit ausgerüstet. Weitere Einsatzgebiete sind die Handelsschiffahrt und die Eisenbahn. Der Diesel ist nach wie vor die am wirtschaftlichsten arbeitende Wärmekraftmaschine.


Funktionsweise Dieselmotor

1. Ansaugtakt: Reine Luft wird durch den nach unten gleitenden Kolben angesogen.

2. Verdichtungstakt: Der noch oben gleitende Kolben verdichtet die Luft und nimmt dabei Arbeit auf, die von der Welle entrichtet wird.

3. Arbeitstakt: Im oberen Totpunkt wird ist die Luft maximal verdichtet: Es herrschen sehr hoher Druck und Temperatur. Jetzt wird aus der schwarzen Einspritzpumpe schwerer Kraftstoff in die Luft eingespritzt. Sofort entzündet er sich durch die hohe Temperatur selber. Der Kolben wird nach unten gestossen, verrichtet dabei Arbeit.

4. Ausschiebetakt: Die verbrannten Abgase werden durch den erneut nach oben steigenden Kolben über ein zweites Ventil ausgestossen


Gemischbildung
Der Kraftstoff wird mit hohen Druck in einer Vorkammer des Brennraums oder in einer Kolbenmulde durch einer Einspritzdüse gespritzt. Luft und Kraftstoff werden verwirbelt und die eigentliche Gemischbildung findet statt.

Zündung
Aufgrund der hohen Verdichtung 30...50 bar, erwärmt sich die Luft auf 700...900°C, der nun eingespritzte, verdunstende Kraftstoff wird durch die heiße Luft entzündet.


Vergleich: Benzin / Dieselmotor

Beide Verbrennungsmotoren arbeiten in vier Arbeitsschritten: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen.
Im Gegensatz zu dem Ottomotor, bei dem ein Kraftstoff-Luftgemisch angesaugt wird, ist es beim Dieselmotor reine Luft. Der Kraftstoff wird direkt in den Brennraum gespritzt. Auch die Entzündung erfolgt beim Dieselmotor nicht mittels einer Zündkerze, sondern aufgrund der hohen Verdichtung entzündet sich das Diesel-Luftgemisch von selbst. Man spricht im Vergleich von innerer und äußerer Gemischbildung, sowie Fremdzündung und Eigenzündung. Wegen der hohen Drücke im Brennraum müssen die Bauteile eines Dieselmotors entsprechend robust gebaut sein. Dehalb hälts ein Diesel auch länger. Für die Kraftstoffversorgung sind eine aufwendige Einspritzpumpe, sowie Einspritzdüsen notwendig. Kostenmässig fallen diese Bauteile im Vergleich zum Ottomotor mit seiner Abgasregelung kaum noch ins Gewicht. Die Abgas Emissionen liegen bei PKW Motoren deutlich besser, als bei einem Ottomotor mit ungeregelten Katalysator. Der Gesetzgeber möchte die Abgasgifte jedoch noch weiter reduzieren, so dass heute mit Rußfiltern, Oxydationskatalysatoren und andere Maßnahmen die Emissionen weiter gedrückt werden. Der Dieselmotor arbeitet mit Luftüberschuß.



Ottomotor (1)
Dieselmotor (2)

Gemischbildung:
1) äußere Gemsichbildung
2) innere Gemischbildung

Zündung:
1) Fremdzündung
2) Selbstzündung

Verdichten:
1) 10...15 bar
2) 10...15 bar

Höchsttemperatur nach Verdichtung:
1) 400...600°C
2) 700...900°C


Der Kraftstoffverbrauch ist beim Diesel deutlich geringer. Dies ist auf den besseren Wirkungsgrad zurück zu führen:

Der Dieselmotor holt also 5% mehr Leistung aus der eingesetzten Energie wie der Ottomotor. Die restlichen 70% gehen ebenfalls für Abgaswärme, Kühlung und Reibung verloren, d.H. von 10 Litern Kraftstoff werden nur 3 Liter zum Fortbewegen genutzt.


Der Turbolader

Der Turbolader ist ein besonders wichtiges Bestandteil des direkteinspritzenden Dieselmotors geworden. Er besteht aus Turbine und Verdichter auf einer gemeinsamen Welle. Das Abgas des Motors treibt die Turbine an. Der Verdichter vorverdichtet der Frischluft. Ein Bypassventil steuert den maximale Ladedruck, damit schon bei geringen Drehzahlen ein hoher Ladedruck erzeugen werden kann. Dieses Ventil gibt ab einem bestimmten Ladedruck den direkten Weg zur Abgasanlage frei. Zum Teil kann hier auf ein solches Ventil verzichtet werden, da bei Dieselmotoren die Schaufeln des Verdichterrades verstellbar sind. Ein Motor kann mehrere Turbolader besitzen. Sie sind meist parallel, können aber auch in Reihe geschaltet sein. Benziner fahren mit unter 2 bar. Dieselmotoren hingegen mit höheren Drücken von maximal 2 bis 3 bar. Hohe Temperaturen beim Verdichten werden durch einen Luft-Luft-Wärmetauscher reduziert.


Der Common Rail Dieselmotor ("common"=gemeinsam, "rail"=Rohr)

Bei einem Common Rail wird der Einspritzdruck in dem Druckspeicher (max 1350 bar) vorgehalten. Bei anderen Einspritzsystemen wird der Einspritzdruck erst aufgebaut, wenn er benötigt wird. Das Hochdruckrohr mündet in den Druckspeicher. Es ist mit den elektro-hydraulisch gesteuerten Einspritzdüsen verbunden. So werden eine Vor- und -Nacheinspritzung realisierbar, denn es können so sehr kurze Öffnungszeiten (0,1-0,2ms) erreicht werden. Die Voreinspritzung bewirkt einen kurzer Zündverzug der nachfolgenden weichen Verbrennung der Haupteinspritzung. Durch einen Katalysator wird bei der Nacheinspritzung für sinkende Stickoxidemissionen gesorgt. Doch der anschnellende Kraftstoffverbrauch, hält die Hersteller in der Regel davon. Ein weiterer Vorteil dieses Einspritzsystems ist, dass der Einspritzdruck nicht abhängig von der Motordrehzahl sein muss. Im Gegensatz zu anderen Systemen, bei denen der Einspritzdruck mit steigender Motordrehzahl auch ansteigt. Durch eine Hochdruckpumpe wird der Kraftstoff in den Druckspeicher geführt. Die Einspritzdüsen sind mit Magnetventilen ausgestattet, die vom elktronischen Motorsteuergerät angesteuert werden. Das Steuergerät bestimmt Spritzbeginn und Spritzende was in Verbindung mit dem gewählten Einspritzdruck, die Kraftstoffmenge ausmacht.








Quelle: keine Angaben




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