Dieselmotoren [1]

Dieselmotoren. Der Dieselmotor, nach seinem Erfinder, dem Ingenieur Rudolf Diesel in München, genannt, ist eine im Viertakt nach einem besonderen Verfahren arbeitende Verbrennungskraftmaschine, die mit flüssigen Kohlenwasserstoffen betrieben wird [1].

Beschreibung des Motors: Nach den Ausführungen der Maschinenfabrik Augsburg, die sich um die weitere Ausgestaltung des im Jahre 1897 auf den Markt gebrachten Dieselmotors und um seine Verbreitung am meisten verdient gemacht hat, ist die Einrichtung des Motors in den Fig. 1–9 dargestellt. Die Maschine ist stehend und ohne Kreuzkopf ausgeführt. Der Zylinderdeckel besitzt fünf durch Ventile verschlossene Oeffnungen. Das Einströmventil E (Fig. 2), das Auspuffventil A (Fig. 2) und das Anlaßventil V (Fig. 1) finden sich hier wie bei jedem Viertaktmotor, eigenartig für den Dieselmotor ist dagegen das Brennstoffventil B (Fig. 2) und das Ueberströmventil (Fig. 5). Alle Ventile werden durch Nocken, die auf einer horizontalen Steuerwelle (Fig. 4) sitzen, betätigt. Bei geöffnetem Einströmventil wird während des ersten Hingangs des Kolbens Luft in den Arbeitszylinder gesogen. Beim ersten Rückgang des Kolbens wird die angesogene Luft in den Verbrennungsraum (Zwischenraum zwischen Kolben in seiner obersten Stellung und Zylinderdeckel) hinein auf ungefähr ¹/₁₅ ihres Anfangsvolumens verdichtet. Der Druck steigt dabei auf 34–36 kg/qcm und die Temperatur auf gegen 500° C. In diese hoch verdichtete und über die Entzündungstemperatur des Brennstoffes erhitzte Luft wird am Ende des Verdichtungshubes und bei Beginn des zweiten Hinganges des Kolbens der Brennstoff durch das Brennstoffventil B allmählich eingespritzt und verbrennt in ihr infolge ihrer hohen Temperatur, ohne daß irgend welche äußere Zündvorrichtung erforderlich wäre. Bei Fortsetzung des Hubes erfolgt hierauf die Expansion der Verbrennungsrückstände, bis sich das Auspuffventil öffnet, worauf der zweite Rückgang des Kolbens dem Ausstoßen der Verbrennungsrückstände dient.

Die Zuführung des flüssigen Brennstoffes zum Brennstoffventil geschieht durch eine Brennstoffpumpe (Fig. 8 und 9) mit Tauchkolben a, selbsttätigem Druckventil b und gesteuertem Saugventil c. Die Pumpe wird durch eine am Ende der Steuerwelle angebrachte Stirnkurbel (Fig. 4 und 5) angetrieben. Von der größten Wichtigkeit zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung ist die sorgfältige Zerstäubung des Brennstoffes beim Eintritt in den Arbeitszylinder. Hierzu wird Preßluft von ungefähr 60 kg/qcm Druck verwandt, die oberhalb des Brennstoffventils (vgl. die Zuführungskanäle in Fig. 6 und 7) zum Brennstoff tritt und bei Oeffnung des Ventils infolge ihres großen Ueberdruckes über die im Arbeitszylinder herrschende Verdichtungsspannung den [755] Brennstoff in den Zylinder mitreißt. Der Weg dahin führt an einem Plattenzerstäuber (Fig. 6) vorbei, der aus vier mit gegeneinander versetzten Löchern versehenen Platten besteht. Die zur Zerstäubung erforderliche Luftmenge wird dem Arbeitszylinder entnommen, und zwar durch das Ueberströmventil (Fig. 5) im Zylinderdeckel, das sich gegen Ende des Verdichtungshubes öffnet und eine durch das Regelventil für die Luftpumpe (Fig. 1) regulierbare Luftmenge in die Anlaß- oder Ueberströmleitung (Fig. 1), wo sie ungefähr 10 kg/qcm Druck besitzt, treten läßt. Diese Leitung, die beim Ingangsetzen des Motors als Anlaßleitung benutzt wird, dient während des Betriebs als Saugraum für eine im Zweitakt arbeitende Luftpumpe L (Fig. 1, 3 und 4), in der die Zerstäuberluft auf 60 kg/qcm Druck verdichtet wird. Aus der Pumpe gelangt die letztere in einen Druckwindkessel, das Einblasegefäß (Fig. 1), und tritt von hier aus durch die Einblaseleitung zum Plattenzerstäuber und durch das Brennstoffventil in den Arbeitszylinder. Das Hubvolumen der Luftpumpe beträgt nur ungefähr ¹/₂% von demjenigen des Arbeitszylinders.

Der Regulator wirkt auf die Menge und Zeitdauer der Brennstoffzufuhr: Wie die Fig. 8 und 9 zeigen, verlegt er den Drehpunkt f für den Hebel eg, durch den das Saugventil der Brennstoffpumpe betätigt wird, bei zunehmender Geschwindigkeit der Maschine so, daß das Saugventil der Pumpe sich erst später öffnet und früher schließt, daß also insgesamt weniger Brennstoff bei kürzerer Zeitdauer eingespritzt wird.

Die Druckluft, die zum Anlassen des Dieselmotors dient, wird ebenfalls durch die oben beschriebene Luftpumpe geliefert und in den Anlaßgefäßen der Fig. 1 aufgespeichert. Bei Verstellung des Anlaßhebels (Fig. 3) aus der Betriebsstellung in die Anlaßstellung wird infolge Verdrehens der exzentrischen Hülfe l, auf welcher der Brennstoffventilhebel i und der Anlaßventilhebel k sitzen, der erstere außer Einwirkung der Nockenscheibe und der letztere zur Betätigung durch den Anlaßnocken gebracht. Ein Normalbelastungsdiagramm des Dieselmotors ist in Fig. 10, ein Regulierdiagramm in Fig. 11 abgebildet. In Fig. 10 bedeuten ab die Ansaugelinie, bc die Verdichtungslinie, cd die Verbrennungslinie, de die Expansionslinie und ea die Auspufflinie. Die Geschwindigkeit und Zeitdauer für die Einspritzung des Brennstoffes, für seine Verbrennung und damit die Gestalt der Verbrennungslinie cd lassen sich durch die Formgebung des Nockens für das Brennstoffventil, durch die Höhe der Zerstäuberlustpressung und durch die Anzahl und den Durchmesser der Löcher im Plattenzerstäuber beeinflussen.

Theorie des Dieselmotors: Es kann hier auf die Theorie der Verbrennungsmotoren (s.d.) überhaupt verwiesen werden, insofern annäherungsweise an die Stelle des offenen nicht umkehrbaren Arbeitsvorganges ein geschlossener, von der Luft allein ausgeführter umkehrbarer Kreisprozeß gesetzt wird, dem die bei der Verbrennung entwickelte Wärme von außen zugeführt wird. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse dieser Theorie läßt das Folgende erkennen: Um eine möglichst große Wärmeausnutzung zu erzielen, muß man bestrebt sein, in den Verbrennungsmotoren die Verbrennung bei möglichst kleinem Volumen der Ladung vorzunehmen, also die Verdichtung vor der Verbrennung möglichst hoch zu treiben und die Verbrennung so zu leiten, daß das Volumen der Ladung während der Verbrennung möglichst wenig zunimmt. Die letztere Forderung wird bei denjenigen Verbrennungsmotoren, bei denen Luft und Brennstoff vor der Verdichtung gemischt werden, dadurch erfüllt, daß man die Verbrennung ganz im inneren Totpunkt, also bei konstantem Volumen Vx erfolgen läßt, die erstere dadurch, daß man den Inhalt V₁ des Verbrennungsraumes im Verhältnis zu dem Gesamtvolumen V₀, das die Ladung am Ende des Ansaugens besitzt, möglichst klein macht. Mit Rücksicht auf die Vorzündungen, die in einem Gemenge aus Luft und Brennstoff entstehen, wenn durch die Temperatursteigerung bei der Verdichtung an irgend einer Stelle der Ladung die Entzündungstemperatur des Brennstoffes überschritten wird, ist man aber gezwungen, mit der Verdichtung unterhalb einer gewissen Grenze zu bleiben, d.h. es ist für das kleinste bei der Verdichtung erreichbare Volumen V₁ im Verhältnis zum Anfangsvolumen V₀ eine Grenze gegeben, die nicht unterschritten werden kann. Da Benzin und Petroleum sehr leicht entzündlich sind, ist bei gewöhnlichen, mit diesen Brennstoffen betriebenen Viertaktmaschinen diese innere Volumgrenze ungefähr durch V₁ = ¹/₄ V₀ gegeben, so daß das theoretische Diagramm ab'c'd' der Fig. 12 entlieht. Der wesentliche Fortschritt des Dieselmotors gegenüber diesen Maschinen besteht nun darin, daß die eine hohe Wärmeausnutzung hindernde innere Volumgrenze weggeschafft wird, da die Luft allein verdichtet wird, also selbst bei sehr hoher Verdichtung Vorzündungen nicht entstehen können. Die Verdichtung kann daher soweit getrieben und es kann ein so kleines Endvolumen V₁' erreicht werden, als dies mit Rücksicht auf die Festigkeit der Maschine und auf die zulässigen Flächenpressungen in ihr sachgemäß erscheint. Für den Dieselmotor ist daher an Stelle der inneren Volumgrenze eine[756] obere Druckgrenze gegeben, die bei ungefähr 35–40 kg/qcm liegt und mit der das Volumenverhältnis V₁'/V₀ = ~ ¹/₁₅ verknüpft ist. Soll diese Druckgrenze auch während der Verbrennung nicht überschritten werden und doch jedes Brennstoffelement bei möglichst kleinem Ladungsvolumen – den Forderungen der Theorie ensprechend – verbrannt werden, so muß die Verbrennung im Dieselmotor bei konstantem Druck und nicht etwa bei Abnahme des Druckes erfolgen. Es entlieht daher für ihn das theoretische Diagramm abcd der Fig. 11. Aus dem Vergleich mit dem Diagramm ab'c'd' erfleht man sofort, daß in der Tat die Verbrennung im Dieselmotor bei viel kleinerem Volumen erfolgt als in den gewöhnlichen Benzin- und Petroleummotoren. Während in den letzteren nur etwa 22% der im Brennstoff enthaltenen Wärme in Nutzarbeit verwandelt werden, beträgt diese Wärmeausnutzung z.B. beim 70 pferdigen Dieselmotor nach Versuchen, die in der Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ingen. 1903, Nr. 19, wiedergegeben sind, bis zu 33%. Nach den Angaben der Maschinenfabrik Augsburg wurden auch noch günstigere Werte erzielt.

Nun verbrennt jedes Brennstoffteilchen, das in den Dieselmotor zugeführt wird, bei größerem Volumen der Ladung als das vorhergehende. Da die Wärmeausnutzung um so günstiger ist, je kleiner das Volumen bei der Verbrennung ist, so folgt hieraus, daß die Wärmeausnutzung, bezogen auf die indizierte Leistung, unter sonst gleichen Umständen um so ungünstiger wird, je mehr Brennstoff eingespritzt wird, daß also der Verbrauch pro indizierte Pferdestärkestunde aus diesem Grunde bei größeren Belastungen höher ist als bei niedrigen Belastungen. Dieses Ergebnis der Theorie wird durch die Erfahrung insofern bestätigt, als bei ³/₄-Belastung und selbst bei ¹/₂-Belastung der Verbrauch pro indizierte Pferdestärkestunde etwas kleiner ist als bei Normalleistung, wenn auch der Unterschied nicht erheblich ist, da andre Einflüsse (Wärmeabfuhr an die Wandung u.s.w.) in entgegengesetzter Richtung wirken. Da der mechanische Wirkungsgrad mit Abnahme der Belastung abnimmt, so nimmt der Verbrauch pro Nutzpferdestärkestunde mit Abnahme der Belastung zu, immerhin aber ist er bei ¹/₂-Belastung nur um ungefähr 20–22% größer als bei normaler Leistung, was gegenüber andern Verbrennungskraftmaschinen als sehr günstig bezeichnet werden muß. Die Regelungsart des Dieselmotors ist daher bis jetzt derjenigen der übrigen Verbrennungsmotoren überlegen. Ueber eine strenge Theorie des Verbrennungsvorganges im Dieselmotor vgl. [2].

Weitere Angaben: Als Brennstoff kommt für den Dieselmotor Lampenpetroleum in Betracht, es eignen sich für ihn aber auch schwer entzündliche, in Lampen nicht brennbare Mineralölsorten, wie Rohöle, Rohnaphtha, sowie Braunkohlendestillate, wie Solaröl, Gelböl, Rotöl, Paraffinöl, Gasöl u.s.w.

Der Dieselmotor wird von 8 bis 200 PS. einzylindrig, von 30 PS. an zweizylindrig und für große Motoren nach Bedarf drei- und vierzylindrig ausgeführt. Ueber die Bauart des Dieselmotors in Rußland, Schweden, Ungarn, Frankreich, England und in Amerika sowie über Dieselmotoren für Schiffszwecke vgl. [3]. Die Hauptabmessungen für verschiedene Größen von Einzylindermaschinen sind nach den Ausführungen der Maschinenfabrik Augsburg in der folgenden Tabelle angegeben. Die angegebenen Gewichte gelten für ¹/₃₀ Ungleichförmigkeitsgrad (für größere Gleichförmigkeit werden Zweizylindermotoren angewandt). Hinzugefügt ist der Brennstoffverbrauch, wie er von der genannten Fabrik mit einem Spielraum von 10% für Brennstoff von 10000 WE./kg unterem Heizwert garantiert wird.

Bei normaler Belastung beträgt die indizierte Mittelspannung der Maschine ungefähr 6,5–6,8 kg/qcm, der mechanische Wirkungsgrad (Verhältnis der Nutzarbeit zur indizierten Arbeit) ungefähr 80%, die Luftpumpenarbeit ungefähr 3% der indizierten Arbeit. Die Motoren können bei vorübergehenden Kraftschwankungen um gegen 20% der Normalleistung überlastet werden. Bei 15° Zuflußtemperatur und 70° Abflußtemperatur beträgt der Kühlwasserverbrauch ungefähr 11 (bei großen) bis 16 l (bei kleinen Maschinen) pro effektive Pferdestärkestunde der Normalleistung. Die Diagrammbildung erfolgt bei gut ausgeführten Dieselmotoren bis zum Leerlauf herab vollkommen regelmäßig. Die Auspuffgase sind, sofern der Motor in gutem Zustand ist, praktisch geruchlos und unsichtbar, außer bei Ueberlastung, wo Rußbildung auftritt.

[757] Rechnet man für deutsche Verhältnisse als Preis für 1 kg Petroleum 22 ., für 1 kg Paraffinöl oder Rohöl 8,25–10 . (vgl. [3]), so erhält man z.B. als Brennstoffkosten des 25 pferdigen Motors für eine Nutzpferdekraftstunde bei Normalleistung (unter Einrechnung des Spielraums von 10% für die Augsburger Garantiezahlen) 4,7 . bei Petroleumbetrieb und 1,8–2,3 . bei Betrieb mit Paraffinöl oder Rohöl.

Mit Leuchtgas oder Kraftgas kann der Dieselmotor nicht betrieben werden, da das Einspritzen und Zerstäuben von Leuchtgas oder gar Kraftgas zu viel Kraft verbrauchen würde und da beim Einspritzen eine augenblickliche vollständige Mischung mit der Verbrennungsluft und damit eine vollkommene Verbrennung nicht erzielt werden könnte.

Literatur: [1] Diesel, Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors, Berlin 1893; Ders., Diesels rationeller Wärmemotor, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ingen. 1897, S. 845, 955; Ders., Mitteilungen über den Dieselmotor, ebend. 1899, S. 36, 128; Ders., Mitteilungen über den thermischen Motor, System Diesel, Zeitschr. d. österr. Arch.- und Ingen.-Ver. 1901, S. 589, 609; Lüders, Der Hochdruckwärmemotor, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ingen. 1898, S. 783; Meyer, Eugen, Die Beurteilung der Kreisprozesse der Wärmekraftmaschinen mit besonderer Berücksichtigung des Dieselmotors, ebend. 1897, S. 1108; Ders., Die Beurteilung des Dieselmotors, Journ. f. Gas u. Wasser 1898, S. 559, 575; Ders., Versuche an Spiritusmotoren und am Dieselmotor, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ingen. 1903, Nr. 18 und 19; Vogel, Der Wärmemotor, Patent Diesel, Journ. f. Gas u. Wasser 1898, S. 637, 655. – [2] Stodola, Die Kreisprozesse der Gasmaschinen, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ingen. 1899, S. 1045, 1086. – [3] Diesel, Der heutige Stand der Wärmekraftmaschinen und die Frage der flüssigen Brennstoffe, unter besonderer Berücksichtigung des Dieselmotors, ebend. 1903, Nr. 38. – [4] Schröter, Diesels rationeller Wärmemotor, ebend. 1897, S. 785, 817; Ders., Neuere Leistungen der München-Augsburger Maschinenindustrie, ebend. Nr. 28. Vgl. a. die Werke über Verbrennungsmotoren.

Eugen Meyer.

Fig. 1., Fig. 2., Fig. 3., Fig. 4., Fig. 5., Fig. 6., Fig. 7., Fig. 8., Fig. 9.

Fig. 10., Fig. 11.

Fig. 12.