Der Dieselmotor

Wir haben nun den Kraftstoff und die Verbrennungsluft dem Herzstück unserer Lokomotive zugeführt, dem Dieselmotor. Erfunden wurde der Dieselmotor vom uns schon bekannten Rudolf Christian Karl Diesel. Der Motor kennzeichnet sich durch seine Fähigkeit, selber zu zünden aus. Dieselmotoren sind kräftig und besitzen ein sehr gutes Drehmoment, so dass sie für die Eisenbahnen ideal sind und sich daher gegenüber den Modellen mit Benzin durchsetzen konnten.

Der Dieselmotor erzeugt dabei aus dem Kraftstoff Diesel durch eine Verbrennung die notwendige Energie, um die Lokomotive oder das Fahrzeug zu bewegen. Dabei fällt die Energie aus der Verbrennung in Form einer rotierenden Welle und in Wärme an. Die Drehzahl dieser Welle wird durch die Verbrennung geregelt und dann weiter genutzt. Die Wärme ist mehr ein Problem, als dass sie nützlich wäre. Nur bei einer Verbrennung entsteht nun mal Wärme.

Dieselmotoren gibt es in unterschiedlichen Leistungsklassen und Grössen. Ihr Auto hat vielleicht einen kleinen Dieselmotor unter der Haube. Sie sind stolz, denn Ihr Diesel hat 120 PS und ist somit leistungsfähiger wie der Kleinwagen des Nachbarn.

Der LKW, der einmal wöchentlich den Müll vor der Türe abholt hat ebenso einen Dieselmotor. Ja, der Fahrer lacht Sie aus, denn sein Lastwagen hat 600 PS. Somit einiges mehr als Sie. Rekorde erreicht man nur noch bei den Motoren für Schiffe.

Keine Angst, der Motor des LKW braucht dafür auch mehr Diesel als Sie mit Ihrem Kleinwagen. Das Exemplar auf einer Lokomotive ist einfach ein rechtes Stück grösser, funktioniert aber genau gleich.

Die Leistung ist von Lokomotive zu Lokomotive verschieden, aber generell haben grosse moderne Lokomotiven weit über 1'000 PS. Der Verbrauch ist logischerweise noch grösser.

Aber alles ist kein Vergleich mit einem Schiffsdiesel, der kann so gross sein, wie Ihr neu gebautes Haus am Stadtrand.

Doch sehen wir unseren Dieselmotor etwas genauer an und kümmern uns nicht um die Grösse, sondern um die Funktion, denn die ist überall gleich. Damit können Sie dann beim Fernfahrer punkten, denn wenn Sie genau wissen, wie ein Dieselmotor funktioniert, wissen Sie schon viel mehr als die meisten Autofahrer. So lange der Motor funktioniert ist alles in bester Ordnung. Für alles andere gibt es den Pannendienst oder die Werkstatt. Trotzdem den Dieselmotor sollten Sie etwas besser kennen lernen.

 

Grundsätzlicher Aufbau

Was wir von aussen sehen, ist eigentlich nur ein Gehäuse. Viel damit anfangen können wir eigentlich nicht. Dieses Gehäuse besteht aus einem Metall. Als Metalle kommen Stahl oder sogar Aluminium zur Anwendung. Das Gehäuse für den Motor nennt man korrekterweise Motorblock. Jedoch ist dieser Teil nicht mehr als ein Guss aus einem der erwähnten Metalle. Zudem ist der Motorblock aber das schwerste Teil des Motors. Wir wollen die Anbauten und das innere ansehen.

Das Gehäuse des Motors ist nötig, denn die darin befindlichen Bauteile müssen ja irgendwo gelagert werden und so einen festen Punkt besitzen. Doch lassen wir das Gehäuse einfach den Motorblock sein, wir betrachten nun die Innereien des Motors. Hilfreich wäre nun, wenn der Motorblock aus Glas bestehen würde. Wenn wir den Motor betrachten, erkennen wir aber, dass auf seiner oberen Seite vielleicht mehrere gleich aussehende Deckel vorhanden sind. Darunter schauen wir uns nun um.

Der Zylinder: Mögen Sie sich noch daran erinnern, wir haben doch schon einmal von Zylindern gesprochen. Genau, ich meine die Dampfzylinder der Dampfmaschinen. Es mag Sie vielleicht überraschen, denn auch hier ist der Zylinder eine runde Öffnung und nicht mehr. Wir können sogar ganz frech behaupten, dass der Zylinder eine schlichte Bohrung im Motorblock ist. Trotzdem wollen wir uns etwas mehr mit den Zylindern des Dieselmotors befassen.

Zuerst einmal gibt es davon bei einem Motor gleich mehrere. Motoren haben ab drei Zylinder fast alle erdenklichen Anzahlen. Ihr Wagen hat vielleicht 4 Zylinder und Ihr Nachbar besitzt beeindruckende 6 Zylinder.  Bei einer Lokomotive sind es dann 12 und so weiter. Die Anzahl der Zylinder hat alleine keinen Einfluss auf die Leistung des Dieselmotors. Trotzdem sollten wir uns mit der Anzahl und vor allem der Anordnung der Zylinder befassen. Es gibt spezielle Bauformen, die Sie vielleicht schon gehört haben.

Was ist denn ein V12 und warum schreibt man plötzlichen einen Buchstaben vor die Zahl? Wir haben also zum Zylinder doch noch ein paar Fragen zu beantworten. Dabei entfernen wir uns von der Dampfmaschine, denn die hatte, wenn es hoch kam vier Zylinder und diese wurden direkt oder im Verbund betrieben. Hier gibt es sechs oder noch mehr Zylinder und die arbeiten jeder für sich. Spezielle Schaltungen gibt es nicht mehr. Jedoch können die Zylinder speziell angeordnet werden.

Normalerweise werden Zylinder schön brav nacheinander angeordnet. Das ist ja logisch, denn wir treiben eine gemeinsame Welle an und da bauen wir alle Zylinder in die gleiche Richtung. Solche Motoren nennt man Reihenmotor, was aber nichts mit dem nahezu gleich lautenden Namen eines Elektromotors zu tun hat. Die in Reihe montierten Zylinder ergeben nun aber einen sehr langen Motor und dabei schmalen Motor. Diese Bauform benötigt daher den entsprechenden Platz. Was aber, wenn dieser fehlt?

Um den Motor kürzer zu bauen, griff man zu einem Trick, denn die Zylinder wurden nicht mehr senkrecht über der Kurbelwelle angeordnet, sondern schräg dazu. So konnte man die Zylinder näher zusammenrücken. Ein Motor mit 12 Zylindern wird so nicht viel Länger als ein Modell mit 6 Zylindern. Dafür wird der Motor etwas breiter. Der Winkel, wie die Zylinder zueinander stehen, darf nicht beliebig gewählt werden und wird deshalb beim Motor angegeben. Das V kennzeichnet nur die Anordnung.

In der Luftfahrt baute man sogar Motoren, die die Zylinder im Kreis angeordnet hatten. Diese Motoren nannte man Sternmotoren und sie kamen wirklich nur in der Luftfahrt zur Anwendung. Lokomotiven begnügten sich mit Reihen- oder V-Motoren. Letztlich sind aber die Unterschiede nur für Profis wichtig, denn die Funktion bleibt gleich. Entscheidend ist, dass möglichst viele Zylinder auf möglichst kleinem Platz angeordnet werden müssen. Die Flugzeuge trieben das einfach in die Höhe.

Die Leistung des Motors wird durch die Grösse und die Anzahl dieser Zylinder bestimmt. Das haben Sie doch auch schon einmal gehört. Gehen Sie doch zurück zu dem Dampflokomotiven, denn dort haben wir auch mit der Vergrösserung und Vermehrung der Zylinder mehr Leistung erreicht. Sie sehen also, die Dampfmaschine und der Dieselmotor haben viele Gemeinsamkeiten, obwohl sie ganz anders funktionieren oder eventuell doch nicht?

Mit dem Hubraum, also dem Volumen im Zylinder wird die Grösse eines Verbrennungsmotors angeben. Bei der Dampfmaschine begnügte man sich noch mit der Fläche, jetzt kommt das Volumen zur Anwendung. Je höher der Ladedruck und der Hubraum ist, desto mehr Leistung kann erzeugt werden. Bei der schon bekannten Dampflokomotive waren das der Druck des Dampfes und die Fläche. So weit entfernt, wie man meinen könnte, ist dieser Vergleich gar nicht.

Der Hubraum wird meistens mit Litern angegeben. Das eigentlich auch nur, weil sich die Leute etwas mehr aus dem Begriff zwei Liter machen können, als aus Kubikmetern. Zudem macht das mehr Eindruck, denn zwei dm3 klingen schon etwas klein. Aber zwei Liter sind gross. Diese Werte hätte man auch bei einer Dampfmaschine erfassen können. Nur spielten diese keine so grosse Rolle, wie bei der Verbrennung, daher die unterschiedlichen Angaben.

Der Kolben: Noch ein Begriff, den Sie doch schon einmal gehört haben. Wie bei der Dampfmaschine ist auch hier der Kolben das Teil, das sich im Zylinder hin und her bewegt. Der Unterschied zwischen den beiden Kolben besteht eigentlich nur im Aufbau, denn der Kolben hat hier eine bessere Führung und besitzt daher keine Führungsstange mehr. Die Funktion ist gleich, denn er wird verschoben. Der Unterschied ist, dass diese Bewegung immer von der gleichen Seite aus erfolgt.

Allgemein müssen die Kolben genau zum Zylinder passen, denn sie sollen ja keine Energie am Rand vorbei lassen und erst noch gut gleiten. Auch das ist kein Unterschied zur Dampfmaschine. Daher können wir festhalten, im Gegensatz zur Dampfmaschine besitzt der Kolben nur auf einer Seite einen Raum, der dazu vorgesehen ist, den Druck auf den Kolben zu erhöhen. Theoretisch könnte das sogar mit Dampf erfolgen. Solche Dampfmotoren gab es sogar. Die sind aber nicht unser Thema, da sie bei der Eisenbahn nicht angewendet wurden.

Die Zylinder und die Kolben sind wie bei den Dampfmaschinen sehr präzis gearbeitete Bauteile. Der Kolben wird mit speziellem Ringen, die Kolbenringe genannt werden, abgedichtet. Diese Kolbenringe sind aus Metall und dichten gut ab. Bei der Dampfmaschine konnte man hier auch andere Materialien verwenden. Hier geht das nicht, weil die Hitze andere Materialien zerstören würde. Daher die metallenen Kolbenringe beim Dieselmotor.

Der Kolben beim Dieselmotor ist ebenfalls mit einer Stange verbunden. Diese befindet sich hier gegenüber dem Verbrennungsraum und wird ebenfalls Kolbenstange genannt. Auch hier werden bei der Dampfmaschine die gleichen Begriffe verwendet. Letztlich stellt aber die Kolbenstange die Verbindung zum angetriebenen Teil her. Diese sind dann aber grundsätzlich verschieden und beim Motor nicht die Räder und ein Kreuzgelenk, sondern die Kurbelwelle, die am unteren Ende des Motorblocks angeordnet ist.

Die Kurbelwelle: Durch die Bewegung der Kolben wird die Kolbenstrange bewegt. Diese ist an ihrem anderen Ende mit einer speziell geformten Welle verbunden. Diese Welle wird Kurbelwelle genannt. Dabei wird die Kolbenstange an der Kurbelwelle konzentrisch angeschlossen. So kann die Kolbenstange das Lager nach unten Drücken und so die Kurbelwelle zum Drehen bringen. Wie bei der Dampfmaschine gibt es daher auch hier einen Punkt, wo die Richtung nicht festgelegt ist.

Die Kurbelwelle beginnt sich so zu drehen. Wir haben die gewünschte drehende Bewegung erhalten. Diese Bewegung können wir dann für den Antrieb unseres Fahrzeugs nutzen. Wir haben also die gleichen Probleme lösen müssen, wie das bei der Dampfmaschine der Fall war. Spezielle Dampfmotoren funktionieren überraschenderweise genau gleich. Sie werden jedoch sehr selten angewendet, denn die Verbrennung ist einfach besser für diese Technik geeignet.

Damit die Kurbelwelle, die auf Sie wirkenden extrem hohen Kräfte aufnehmen kann, ist sie zwischen jedem Zylinder im Motorblock gelagert. So kann sie sich nicht verbiegen und dabei beschädigt werden. Die Kurbelwelle ist ebenso präzise gearbeitet worden, wie die Zylinder und Kolben. Wir sehen also, in einem Motor können nur sehr genau gearbeitete Bauteile zur Anwendung kommen. Jedoch war das bei der Dampfmaschine nicht anders.

Nachdem wir uns im Motor umgesehen haben, wird es Zeit, dass wir die Funktion eines Motors behandeln. Jetzt entfernen wir uns von der Dampfmaschine, denn die Funktion des Motors ist grundlegend anders, denn wir müssen nun eine Verbrennung erzeugen. Daher lohnt es sich, wenn wir uns nun den Motor in seiner Funktion ansehen. Unterschiede zwischen den Dieselmotoren wird es keine geben. Einzig die Benzinmotoren funktionieren anders, aber die sind hier nicht das Thema.

Die nun wichtig werdenden Teile befinden sich nicht mehr im Motorblock. Der Grund ist einfach, denn man muss schliesslich diesen Motor bauen und da geht es besser, wenn man den Kolben und die Kurbelwelle von beiden Seiten einschieben kann. Nun geht es aber daran, den Zylinder zu verschliessen. Auf einer Seite ist das bereits mit dem Kolben erfolgt. Nun werden wir uns mit den Bauteilen auf der anderen Seite befassen.

Der Zylinderkopf: Der Zylinderkopf ist über dem Motorblock montiert worden und gehört nicht mehr zum eigentlichen Motorblock. Wenn Sie die Haube eines alten Autos öffnen, sehen Sie die Deckel, die diesen Zylinderkopf auszeichnen. Wir sehen uns nun an, was unter diesem Deckel zu sehen ist. Wenn Sie die Haube an Ihrem neuen Wagen öffnen, werden Sie diese Deckel nicht sehen, denn heute montiert man viele Abdeckungen um den Lärm zu reduzieren.

Bei einem Blick in den Zylinderkopf erkennen wir Ventile und die wollen wir uns nun etwas genauer ansehen. Diese Ventile schliessen oder öffnen die Auslässe bei einem Zylinder. Dabei gibt es pro Zylinder mindestens zwei Ventile, die nach ihrer Funktion benannt werden. Wir betrachten diese deshalb der Reihe nach und beginnen somit mit dem Einlassventil. Welches der beiden Ventile es genau ist, hängt vom Aufbau des Motors ab.

Das Einlassventil wird an der Leitung, die vom Abgasturbolader oder von der Ladeluftkühlung kommt angeschlossen. Daher lässt das Einlassventil die Ladeluft in den Hohlraum des Zylinders. Der Aufbau des Ventils ist so gestaltet worden, dass die Ladeluft dieses Ventil grundsätzlich aufdrücken kann. Findet im Hohlraum jedoch die Verbrennung statt, drücken die entstehenden Gase gegen den Stössel und dichten das Einlassventil ab.

Die Belastung dieser Einlassventile ist deshalb sehr gross. Daher wurden sie speziell geformt und haben einen Teller an ihrem Ende. Dieser Teller wird so gestaltet, dass ihn die Ladeluft leicht aufdrücken kann. Die Gase der Explosion verschliessen den Einlass jedoch wegen der grossen Fläche. So ist für die Bewegung des Ventils selber eigentlich keine zu grosse Kraft nötig. Die Einlassventile können daher leicht bewegt werden.

Bei jedem Zylinder gibt es gleich grosse Auslassventile. Man kann diese Ventile rein optisch nicht von den vorher vorgestellten Einlassventilen unterscheiden. Für sie gelten auch die gleichen Bedingungen, denn auch hier entstehen sehr grosse Kräfte. Diese treten nun jedoch nur auf, wenn die Verbrennung erfolgt, denn der Druck drückt die Stössel gegen den Sitz und dichtet das Ventil zusätzlich ab.

Mit dem Auslassventil wird der Weg für die Verbrennungsrückstände frei gegeben, oder eben versperrt. Auch sie sind bei der Verbrennung geschlossen und werden nur bei Bedarf geöffnet. So ist geregelt, dass die Luft in den Zylinder kommt und die Abgase diesen wieder auf dem richtigen Weg verlassen. Was uns nun fehlt ist die Steuerung dieser Ventile, denn auch die gab es bei der Dampfmaschine. Ohne Steuerung funktioniert auch der Dieselmotor nicht korrekt.

Gesteuert werden die Ventile durch eine Nockenwelle. Dabei handelt es sich um eine Welle, die an verschiedenen Orten Nocken aufgesetzt hat. Die Welle dreht sich und hebt nun die Ventile an oder setzt sie ab. Je nach Position des Nockens ist das Ventil also geschlossen oder geöffnet. So gibt also die Nockenwelle vor, welcher Zylinder was zu welchem Zeitpunkt mit seinen Ventilen macht. Wir haben eine Motorsteuerung erhalten.

Die Nockenwelle, die als Steuerung des Motors bezeichnet werden kann, wird von der Kurbelwelle bewegt und ist mit einer Kette mit dieser verbunden. Erinnern Sie sich noch an die Dampfmaschine? Auch dort wurden die Einlässe in den Zylinder durch die Dampfmaschine selber gesteuert. Das ändert sich bei der Nockenwelle nicht. Neu ist eigentlich nur, dass die Nockenwelle auch die Zuführung des zur Verbrennung anstehenden Treibstoffes regelt. Wir haben hier daher zusätzliche Funktionen, die wir betrachten müssen.

Die Einspritzdüse ist der Abschluss der Treibstoffleitung. Sie ist hohen Belastungen ausgesetzt, denn nur bei der Einspritzdüse sind eine brennbare Flüssigkeit, hohe Hitze und hohe Drücke im Spiel. Dadurch wird die Einspritzdüse erwärmt und muss gekühlt werden. Das erfolgt mit dem Treibstoff und mit der normalen Kühlung des Motors. Deshalb sind Einspritzdüsen bei Dieselmotoren immer wieder ein Thema für Fehler.

Hinzu kommt noch, dass der Kraftstoff in der Düse fein zerstäubt werden muss, was wiederum feine Öffnungen erforderlich macht. Je feiner der Treibstoff zerstäubt wird, desto besser wird der Treibstoff anschliessend verbrannt. Das erkennt man letztlich in den Abgasen. Deshalb sind Einspritzdüsen sehr sorgfältig gebaute Teile, die bei einem Defekt auch entsprechend teuer sind. Wenn die Einspritzdüse den Kraftstoff einspritzt wird von der Nockenwelle vorgegeben.

Die Zündfolge des Motors ist also letztlich in der Kurbelwelle hinterlegt. Damit haben wir unseren Rundgang durch den Zylinderkopf abgeschlossen und wir kommen nun zur eigentlichen Funktion des Dieselmotors. Dort werden wir auch gleich erfahren, was mit dem Begriff Zündfolge genau gemeint ist. Daher wechseln wir nun zur Funktion des Dieselmotors und sehen dann, wie der Motor genau funktioniert.

 

Funktion des Dieselmotors

Wir haben was wir brauchen angesehen und haben auch etwas in den Motor hineingeschaut. Es wird nun Zeit, sich mit der Funktion dieses Motors zu befassen. Vergleiche mit der Dampfmaschine sind daher nicht mehr möglich. Zwei Teile haben wir kennen gelernt, denn wir haben den Treibstoff und die Luft für diese Aufgabe vorbereitet. Damit können wir eine Verbrennung erzeugen. Es fehlen nur noch die Zündquelle und der Zeitpunkt, wann welcher Zylinder die Verbrennung ausführen muss.

Genau genommen handelt es sich beim Dieselmotor um einen Viertakt-Dieselmotor. Das heisst, der Motor arbeitet in vier Takten. Sie haben schon von einem Takt gehört? Ja, in der Musik geht nichts ohne einen Takt, da spricht man vom 3/4 oder 4/4 Takt. Mehr kann ich dazu nicht sagen, denn das ist nicht meine Fachrichtung. Der Dieselmotor arbeitet im 3/4 Takt, auch wenn er 6 oder 12 Zylinder hat. Macht er das nicht, funktioniert er nicht richtig. Geregelt wird das mit der Zündfolge.

Die Zündfolge: Mit der Zündfolge wird vorgegeben, wann welcher Zylinder zündet. Diese Zündfolge erfolgt dabei nicht der Reihe nach. Sie ist so geregelt worden, damit die Kurbelwelle gleichmässiger belastet wird. Welche Zündfolge nun genau eingestellt ist, hängt vom Hersteller und vom Aufbau der Nockenwelle ab. Sie müssen nur wissen, dass diese Zündfolge existiert und dass die Zylinder nicht immer der Reihe nach zünden.

Man nennt die Zündfolge eines Motors auch Taktfolge. Jedoch wird mit dem Begriff Taktfolge viel mehr ausgesagt, als mit der Zündfolge, denn hier werden die vier Takte eines Dieselmotors erwähnt. Diese Taktfolge ist ebenfalls in der Nockenwelle vorgegeben. Welcher Takt nun wann und wo erfolgt, hängt grundsätzlich von der Zündung ab und daher können wir die Taktfolge mit der Zündfolge nennen, ohne dass wir einen zu grossen Fehler begehen.

Mit der Taktfolge kommen wir langsam zum Betrieb des Motors. Welcher Zylinder nun in welcher Position ist, soll uns nicht näher interessieren, denn wir wollen die Funktion anhand der vier Takte ansehen. Daher betrachten wir den Zylinder, der so steht, dass er mit den Takt beginnt, der als erster Takt bezeichnet wird. Nun müssen wir nur noch wissen, wann denn diese Taktfolge genau beginnt. Daher bestimmten wir einen Zustand, der als Startpunkt gilt.

Zum Start sind bei unserem Zylinder die Ventile und die Einspritzdüse geschlossen und der Kolben befindet sich am oberen Ende des Zylinders. Genau zu diesem Zeitpunkt beginnen die vier Takte eines Dieselmotors. Der Grund ist simpel, denn im Zylinder befindet sich nun nichts und wir müssen nun damit beginnen, die Verbrennung vorzubereiten. Das werden wir nun mit der Betrachtung der einzelnen Takte auch machen.

1. Takt (ansaugen): Unser Motor beginnt sich nun zu drehen. Durch die Nockenwelle werden die Einlassventile des Zylinders geöffnet. Der Weg für die Ladeluft wird so frei gegeben und die Luft kann in den Zylinder strömen. Der dazu notwendige Hohlraum wird geschaffen, weil sich nun der Zylinder durch die Drehung der Kurbelwelle nach unten bewegt. So kommt immer mehr Luft in unseren Zylinder, der immer mehr Platz frei gibt. Die Luft wird daher angesaugt, was dem Takt den Namen gab.

Bei modernen Dieselmotoren mit verdichteter Ladeluft unterstützt der Druck diesen Effekt noch zusätzlich. Das heisst, die Zeit, die nun verstreicht, bis der Kolben unten angelangt ist, kann besser genutzt werden. So strömt mehr Luft in den Verbrennungsraum. Die Bezeichnung ansaugen stammt noch aus jenen Tagen, wo es keine Abgasturbolader gab, denn dann wurde die Luft durch den entstehenden Unterdruck in den Verbrennungsraum gezogen.

An dieser Situation ändert sich erst etwas, wenn der Kolben am unteren Wendepunkt angekommen ist. Jetzt endet der erste Takt und es beginnt der zweite Takt. Die Einlassventile, die bisher geöffnet waren, werden wieder geschlossen. Damit befinden wir uns nun unten und der Hohlraum ist mit Ladeluft gefüllt. Die Ventile sind geschlossen, so dass die Ladeluft im Zylinder gefangen ist. Wir können nun zum zweiten Takt gehen.

2. Takt (verdichten): Der Zylinder wird nun durch die Kurbelwelle nach oben bewegt. Die Nockenwelle lässt alle Ventile geschlossen. Damit kann keine Luft aus dem Verbrennungsraum entweichen. Durch den nun kleiner werden Hohlraum, wird die Luft zusätzlich verdichtet. Die Ventile werden dadurch zusätzlich gegen ihren Sitz gepresst. Dadurch kann nun absolut nichts mehr entweichen. Die Luft wird daher durch den immer kleiner werdenden Raum zusätzlich verdichtet.

Durch die Verdichtung wird die Luft immer heisser. Seit dem Abgasturbolader wissen wir, dass Luft, die verdichtet wird, heiss wird. Je kleiner der Platz wird, desto heisser wird die Luft im Verbrennungsraum. Für diese Verdichtung wird fast die gesamte Zeit des Taktes benötigt. Eine Änderung findet erst kurz vor dem Ende dieses Taktes statt. Die Luft ist nun sehr heiss und steht unter sehr hohem Druck. Der Zylinder ist für die Verbrennung vorbereitet.

Kurz bevor der Kolben an der höchsten Stelle angekommen ist, wird der Kraftstoff durch die Einspritzdüse in den Verbrennungsraum gespritzt. Dazu wird die Einspritzdüse geöffnet und der Weg für den Treibstoff frei gegeben. Jetzt versteht sich auch, warum die Einspritzpumpe den Treibstoff unter einen hohen Druck setzen muss, denn wäre das nicht der Fall, könnte der Treibstoff nicht in ausreichendem Masse in den Hohlraum eingespritzt werden.

Wie knapp vor dem Ende des zweiten Taktes eingespritzt wird, ist eine Einstellung, die nur von Profis gemacht wird. Durch den Kontakt des fein zerstäubten Treibstoffes mit der heissen Luft verbrennt er sofort explosionsartig. Genau zum jetzigen Zeitpunkt ist der zweite Takt fertig und der Kolben am obersten Punkt angekommen. Die vorzeitige Einspritzung ist nur nötig, damit die kurze Zeit, die bis zur Explosion benötigt wird, noch ausreicht um den Zylinder ganz nach oben zu schieben.

Sie kennen das von der Dampfmaschine, wo man diesen Effekt Voröffnen nennt. Die Explosion des Treibstoffes findet nicht augenblicklich statt und setzt mit einer kleinen Verzögerung ein. Der Motor läuft nur rund, wenn man die Zündung kurz vor dem oberen Wendepunkt ausführt. Bei einem Motor mit Benzin erfolgt jetzt die Zündung mit einem elektrischen Funken. Das ist der Unterschied zum Dieselmotor, wo sich der Kraftstoff selber entzündet.

3. Takt (arbeiten): Durch die Verbrennung entstehen sehr grosse Kräfte. Die Luft will sich nun ausdehnen und muss Platz schaffen. Damit wird der Kolben im Zylinder unter gewaltigem Druck nach unten gestossen. Das ist das einzige Teil, das sich nun bewegen lässt. Erstmals wird der Kolben durch die Explosion und nicht durch die Kurbelwelle gesteuert. Jedoch müssen wir die Verbrennung etwas genauer betrachten.

Ich habe doch gesagt, dass wir ausser Treibstoff und Luft nichts benötigen. Jetzt wissen Sie auch warum, denn die Luft wird so heiss, dass sie den Treibstoff ohne fremde Zündquelle entflammt. Solche Motoren nennt man Selbstzünder. Das ist eine Eigenart der Dieselmotoren. Motoren, die mit Benzin betrieben werden, arbeiten hier mit einer zusätzlichen Zündquelle. Bei beiden Motoren kommt es aber genau jetzt zur Explosion. Unterschiede zwischen den beiden Kraftstoffen gibt es nur bei der Art der Zündung.

Wir folgen wieder unserem Kolben. Der wird nun durch die Explosion nach unten gedrückt. Dadurch versetzt er die Kurbelwelle in Bewegung. Es ist von allen vier Takten der einzige, wo der Kolben die Kurbelwelle steuert, denn die Kraft der Explosion ist so gross, dass es für den Kolben nur einen Weg gibt, den nach unten. Alles andere würde den Motor zerreissen und so zu schweren Schäden führen. Zudem steuert diese Verbrennung die restlichen Takte der anderen Zylinder.

Je weiter der Kolben nach unten bewegt wird, desto geringer wird die Kraft der Explosion. Irgendwann wird dann der Punkt erreicht, wo die Kraft der Explosion kleiner wird, als die Gegenkraft der Kurbelwelle. Die Arbeit ist getan und der Kolben ist beim untern Wendepunkt angelangt. Genau hier regeln wir die Drehzahl des Motors, denn der durch die Explosion entstandene Schwung muss ausreichen, bis es zu einer neuen Explosion kommt. Ist diese Explosion kräftiger, dreht der Motor schneller.

Bei den anderen Takten wird die Drehzahl der Kurbelwelle durch die Drücke und die Reibung gebremst. Das heisst, je mehr Treibstoff eingespritzt wird, desto länger hält die Kraft der Verbrennung an und desto weniger Zeit bleibt der Kurbelwelle um sich zu verlangsamen. Geben wir im Gegensatz dazu weniger Treibstoff in den Motor reicht die Kraft nicht aus, um den ganzen Schwung zu behalten. Der Motor dreht langsamer.

Der Arbeitstakt wird mit dem ganz unten angekommenen Kolben beendet. Spätestens jetzt übernimmt die Kurbelwelle wieder das Kommando. Die Ventile sind jetzt noch geschlossen, aber die Nockenwelle bewegt sich ja über die Kette auch und löst nun eine Veränderung der Ventile aus. Das heisst, wir kommen zum Takt vier und damit zum Abschluss unserer Betrachtung. Wir müssen jetzt wissen, dass der Raum mit Gasen aus der Verbrennung gefüllt ist.

4. Takt (ausstossen): Jetzt wo der Kolben an seinem unteren Totpunkt angelangt ist, sorgt die Nockenwelle dafür, dass die Auslassventile geöffnet werden. Der jetzt wieder nach oben laufende Kolben stösst die Verbrennungsrückstände aus dem Zylinder. Das erfolgt so lange, wie der Kolben nach oben läuft. Damit werden alle Rückstände ausgestossen. Der vierte und letzte Takt wurde beendet und Zylinder ist wieder in der Startposition.

Unser Motor hat nun zwei Umdrehungen gemacht und wir sind wieder kurz vor den Startpunkt. Das heisst, die geöffneten Auslassventile werden, wenn der Kolben ganz oben ist, geschlossen und die Einlassventile erneut geöffnet. Der beschriebene Umlauf beginnt von vorne und wir haben die Funktion des Dieselmotors kennen gelernt. Es gibt keine weiteren Schritte mehr. Bleiben eigentlich die restlichen Zylinder, die wir bisher nicht beachtet haben.

Bei einem Motor mit vier Zylindern sind diese in der Taktfolge so eingestellt, dass immer einer den Arbeitstakt ausführt. So ist gesichert, dass die Kurbelwelle immer in Bewegung bleibt. Grössere Motoren haben daher den Vorteil, dass zwei Zylinder gleichzeitig arbeiten. Dadurch erhöht sich insgesamt die Leistung des Motors. So gesehen, kann man anhand der Zylinder auf die Leistung des Motors Rückschlüsse ziehen.

Wie bei der Dampfmaschine haben wir aber auch hier ein Problem, denn in welche Richtung sich die Kurbelwelle dreht, ist nicht genau definiert, denn der Kolben, der sich im Takt 3 nach unten bewegt, drückt einfach auf die Kurbelwelle, diese dreht sich nun in die Richtung, in der sie den geringsten Widerstand hat. Das darf aber zur richtigen Funktion nur in einer Richtung erfolgen, deshalb wird die Drehrichtung beim Starten des Motors vorgegeben.

Durch die Explosionen und die heissen Gase in den Zylindern wird der Motor sehr heiss. Damit das Metall nicht schmilzt, muss der Motor gekühlt werden. Zudem drehen die Teile sehr schnell und sind dadurch einer grossen Reibung unterworfen, daher muss man bei einem Motor ganz genau auf die Schmierung achten. Es lohnt sich deshalb, wenn wir nun einen Blick auf die Kühlung und die Schmierung werfen.

 

Schmieren und kühlen

Sowohl bei den Dampflokomotiven, als auch bei den elektrischen Lokomotiven verloren wir nie ein Wort über die Schmierung. Gerade bei der Dampflokomotive war die Schmierung, wie hier beim Verbrennungsmotor ein wichtiges Thema. Die beweglichen Teile der Dampfmaschine mussten sauber gleiten können. Jedoch war das schon alles, was es dort zu schmieren gab. Schlimmer traf es den elektrischen Motor, denn dort mussten nur die Lager geschmiert werden und mit den Kugellagern gab es überhaupt keine externe Schmierung mehr.

Ein Verbrennungsmotor muss unbedingt geschmiert werden, denn das Öl hat bei einem solchen Motor viele Aufgaben zu übernehmen. Auch das Thema Kühlung war bisher nur nebensächlich behandelt worden. Hier beim Verbrennungsmotor wird die Kühlung ebenfalls sehr wichtig. Es ist deshalb sicher nicht verkehrt, denn wir unseren Dieselmotor mit der Schmierung und der Kühlung abschliessen. Dadurch erhalten Sie auch ein paar Informationen der anderen Antriebsformen. Beginnen wir mit der Schmierung unseres Motors.

Die Schmierung: Die Aufgabe einer Schmierung besteht darin, die beweglichen Teile ohne grosse Reibung in einem festen Teil drehen zu lassen. Je besser diese beweglichen Teile geschmiert werden, desto besser ist das Teil vor Schäden geschützt. Das gilt auch für die Dampfmaschine oder andere beweglichen Teile, wie zum Beispiel Lager. Bei einem Motor, der mit Verbrennung arbeitet, muss die Schmierung jedoch noch zusätzliche Aufgaben übernehmen.

Bei der Schmierung eines Dieselmotors werden mit der Schmierung der Bauteile auch Rückstände an den Wänden im Verbrennungsraum entfernt. Diese Rückstände verschmutzen dabei das verwendete Schmiermittel. Daher muss man bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor regelmässig das Schmiermittel wechseln. Die Handbücher der Fahrzeuge geben darüber Auskunft und zum Schutz des Motors sollte man diese Wartungsintervalle einhalten.

Als Schmiermittel werden bei einem Verbrennungsmotor mineralische Öle verwendet. Diese speziellen Öle behalten eine bestimmte Beständigkeit auch bei ansteigenden Temperaturen bei. Diese mineralischen Öle werden speziell für diesen Zweck hergestellt.

Man kann jedoch ein Öl, das in einem Motor verwendet wird, nicht zum Schmieren von Triebstangen benutzen, da dort andere Schmiermittel benötigt werden.

Gerade die Wärme bei Verbrennungsmotoren stellt hohe Anforderungen an ein Schmiermittel. Die Schmiermittel verlieren mit zunehmender Wärme ihre Eigenschaften. Wird das Öl zu heiss, wird es zu flüssig und kann sogar verdampfen. Die Schmierung fällt daher aus.

Besonders Dampfmaschinen müssen daher spezielle für sehr hohe Temperaturen geeignete Schmiermittel verwenden. Daher hat jede Maschine das für sie passende Schmiermittel. Das gilt auch für die unterschiedlichen Verbrennungsmotoren.

Mit den modernen Motoren kamen auch künstlich hergestellte Schmiermittel zur Anwendung.

Diese für Hochleistungsmotoren entwickelten Schmiermittel haben verbesserte Eigenschaften. Trotzdem müssen auch diese Schmiermittel regelmässig erneuert werden. Die Wärme und die Verschmutzung setzen dem Schmiermittel zu, so dass es mit der Zeit seine Eigenschaften nicht mehr wahrnehmen kann. Es wird zu zähflüssig oder eben zu flüssig.

Gelagert wird das Schmiermittel beim Dieselmotor in einer Ölwanne. Diese Ölwanne ist unterhalb des Motors montiert worden und mit diesem verbunden. Dadurch kann das Schmiermittel bei einem Verbrennungsmotor nach getaner Arbeit abtropfen und landet wieder in der Ölwanne. Solche Ölwannen gibt es jedoch nur bei den Verbrennungsmotoren, denn die anderen Schmierungen benötigen viel kleinere Mengen an Schmiermittel, so dass es dort nur kleine Reservoire gibt.

Mit Hilfe einer Pumpe wird das Schmiermittel der Wanne entnommen und an diverse Orte im Motor befördert. Dort schmiert das Schmiermittel das entsprechende Bauteil und fliesst dann wieder in die Wanne zurück. Je nach Ort der Schmierung nimmt das Öl dabei auch Schmutz und Wärme auf. Diese Beimengungen gelangen mit dem Schmiermittel in die Ölwanne. Das Schmiermittel wir mit zunehmendem Einsatz verfärbt.

Da die Schmutzteile auch etwas grösser sein können, baut man vor der Ölpumpe einen Ölfilter ein. Dadurch wird das Schmiermittel immer gereinigt, bevor es erneut zur Schmierung genutzt wird. Man wählte die Lösung mit dem Filter vor der Pumpe, weil man so den Schmutz in der Wanne behalten kann. Beim Wechsel des Schmiermittels wird dann auch gleich der Schmutz abgelassen. Wie alle Filter müssen auch die Ölfilter regelmässig ausgewechselt werden, da sie verstopfen können.

Die Ölpumpe hat dabei eigentlich nur die Aufgabe, das Schmiermittel in Bewegung zu versetzen. So gelangt immer wieder neues Schmiermittel an die Stellen wo es benötigt wird. Da meistens Öle verwendet werden, gab man ihr den Namen Ölpumpe. Nebst den Dieselmotoren benötigen auch andere Baugruppen solche Ölpumpen um das Schmiermittel in eine künstliche Bewegung zu versetzen. Doch nun zum Schmiermittel bei den Dieselmotoren.

Das Schmiermittel ist im Motor auch an Stellen anzutreffen, wo es recht heiss werden kann. Damit wird es für einen kurzen Moment sehr flüssig. Das führt dazu, dass durch feine Risse im Gehäuse auch Schmiermittel austreten kann. Man sagt dazu, dass der Motor Öl schwitzt. Dieses Problem entsteht auch bei gut gewarteten Motoren und ist schlicht eine Folge der hohen Belastungen, die in einem solchen Motor entstehen können. Trotzdem ergeben sich durch das austretende Schmiermittel Probleme mit der Umwelt.

Eine spezielle Umweltwanne verhindert, dass dieses austretende Schmiermittel die Umwelt gefährden kann. Nur ein Tropfen dieser Mineralöle kann mehrere Liter Wasser ungeniessbar machen. Deshalb muss allenfalls auslaufendes Öl sicher gefangen werden. Man stellt den Motor mit samt der Ölwanne in eine weitere Wanne. Diese ist so gebaut, dass das austretende Schmiermittel nicht in die Umwelt gelangen kann. Daher dient die Umweltwanne dem Umweltschutz.

Jedoch bleibt der grösste Teil dieses Öls im Kreislauf, aber der Schutz der Umwelt darf nie vernachlässigt werden. Ein Problem sind die heissen Schmiermittel jedoch trotzdem, denn sie können die Schmierung bei zu grosser Wärme nicht mehr erfüllen. Daher müssen diese Schmiermittel gekühlt werden. Das erfolgt üblicherweise durch den Fahrtwind. Bei der Umweltwanne steht dieser jedoch nicht mehr zur Verfügung. Man muss eine künstliche Kühlung verwenden.

Bei einer künstlichen Kühlung des Schmiermittels benutzt man Wärmetauscher. Diese Wärmetauscher geben die Wärme des Schmiermittels, wie bei einem Kühler an Lamellen ab. Diese Lamellen werden jedoch nicht mit Luft, sondern mit einer Flüssigkeit gekühlt. Daher ist ein Wärmetauscher ein Bauteil das eine Flüssigkeit mit einer anderen Flüssigkeit kühlt. Grundsätzlich übernehmen sie aber die Aufgaben eines Kühlers.

Für das Schmiermittel wird zur Kühlung Wasser verwendet. Dieses Wasser dient auch der Kühlung des Motors, womit wir den Schritt zur Kühlung des Motors gemacht haben. Wir haben zwar erfahren, dass das Schmiermittel Wärme aufnimmt, aber das reicht bei einem Verbrennungsmotor schlicht nicht aus. Daher muss der Motor zusätzlich gekühlt werden. Daher sehen wir uns nun die Kühlung dieser Motoren an.

Kühlung: Jede Verbrennung erzeugt Wärme. Das wissen wir seit dem Artikel über die Dampflokomotiven, denn dort wird die Wärme des Feuers dazu genutzt, um das Wasser zu erwärmen und daraus Dampf zu erzeugen. Bei einem Verbrennungsmotor ist das ähnlich, nur dass man hier das Wasser nicht nutzen will. Es wird jetzt rein zum Zweck der Kühlung eingesetzt. Daher lohnt es sich sicherlich, wenn wir etwas genauer auf die Kühlung eines Dieselmotors blicken.

Ohne diese Kühlung würde unser Verbrennungsmotor sehr schnell zu heiss und die für die Funktion nötigen Toleranzen würden zu klein. Das bedeutet, dass sich die Bauteile nicht mehr mit kleinem Widerstand bewegen können. Durch die Kräfte wird das Material des Motorblocks, also die Zylinderwände angegriffen. Der Motor blockiert und es kommt zu einem schweren Motorschaden, der nur selten repariert werden kann. Hinzu kommt, dass das heisse Metall das Schmiermittel entzünden könnte.

Die einfachste Methode einen Motor zu kühlen ist Luft. Luft kann überraschend viel Wärme ableiten und so den Motor auf einer bestimmten Temperatur halten. Solche Verbrennungsmotoren sind eher klein und haben geringe Leistungen. So besitzt etwa Ihr Rasenmäher oder das Moped Ihres Sohnes so einen mit Luft gekühlten Motor. Das reicht dort um den Motor vor Schäden zu schützen. Beim Moped hilft dabei sogar noch der Fahrtwind für die Kühlung.

Bei grösseren Motoren kommen aber Kühlungen zum Einsatz, die mit Wasser arbeiten. Der Vorteil hier, man kann die Wärme gezielter im Gehäuse abführen. Dazu werden die entsprechenden Bereiche im Motorblock geschaffen. Die Wärme wird dabei näher bei der Quelle abgenommen. Die Rückkühlung, also die Kühlung des Wassers erfolgt jedoch auch hier mit Luft. Doch betrachten wir einmal das Wasser, das für die Kühlung benützt wird.

Kühlwasser wird bei den meisten Motoren verwendet um eine effiziente Kühlung zu erhalten. Wasser ist einfach zu beziehen und ist in der Lage die entstehende Wärme abzuführen. Wie einfach der Bezug ist, zeigt die Tatsache, dass man es notfalls aus einem Bach oder See beziehen kann. Im Gegensatz zu den Kühlungen bei den Transformatoren kann hier normales Trinkwasser verwendet werden und die Mineralisierung spielt keine Rolle.

Der Nachteil dieses Wassers ist jedoch, dass es bei tiefen Temperaturen gefrieren kann. Gefriert Wasser, dehnt es sich aus. Das führt dazu, dass der Motorblock gesprengt wird. Daher muss man bei der Kühlung mit Wasser darauf achten, dass dieses nicht gefrieren kann. Eine Lösung dabei ist, dass man das Wasser immer warm hält. Damit man ein Gefrieren verhindern kann, heizt man es künstlich auf, oder man setzt ihm eine Flüssigkeit, die Frostschutzmittel genannt wird, zu.

Frostschutzmittel verhindern, dass Wasser unter dem Gefrierpunkt gefrieren kann. Diese Frostschutzmittel werden aus Glyzerin, Ethylenglykol oder Ethanol und zusätzlichen Stoffen hergestellt. Mischt man diese Stoffe in einem bestimmten Verhältnis, erhält man ein Kühlmittel, das für bestimmte Temperaturen geeignet ist. Je mehr Frostschutzmittel man zusetzt, desto kälter darf es werden, bis auch dieses Kühlmittel gefriert.

Man nennt Kühlwasser, das mit einem Frostschutzmittel durchsetzt ist, auch Kühlmittel. Damit kann man das speziell für die Kühlung geschaffene Kühlmittel besser vom unbehandelten Kühlwasser unterscheiden. Besonders bei der Entsorgung sind unterschiedliche Lösungen gefragt, denn ein Kühlmittel auf der Basis von Wasser, darf nicht in den normalen Wasserkreislauf gelangen und muss speziell entsorgt werden.

Bis vor wenigen Jahren hatten Lokomotiven der schweizerische Bundesbahnen SBB kein Frostschutzmittel und somit Kühlwasser. Das ging, weil man die Lokomotiven aus Prinzip an einer Vorheizanlage angeschlossen hatte. Musste eine Diesellokomotive geschleppt werden, hat man das Wasser einfach abgelassen und am neuen Standort wieder ergänzt. Mittlerweile wird aber auch hier ein Kühlmittel mit einem Frostschutzmittel verwendet. Die Vorteile dieser Kühlmittel waren einfach zu gut.

Das Kühlmittel sorgt nun dafür, dass der Verbrennungsmotor nicht zu heiss werden kann. Diese Kühlung soll verhindern, dass dem Motor dienende Flüssigkeiten, wie zum Beispiel das Öl, zu heiss werden können. Dabei ist natürlich nicht das Kühlmittel selber gemeint, denn dieses soll ruhig erwärmt werden. Jedoch führt die Erwärmung dazu, dass sich auch das Kühlmittel ausdehnt. Vielleicht erinnern Sie sich noch an die Dampfmaschine, wo der Kessel dadurch unter Druck geraten ist.

Mit speziellen Ausdehnungsgefässen wird dem Umstand Rechnung getragen, dass erhitztes Wasser mehr Platz benötigt. Die sich ausdehnende Flüssigkeit kann in dieses Gefäss ausweichen und bekommt so den benötigten Platz. Damit wird der Druck ausgeglichen und die Kühlung kann ohne Druck funktionieren. Diese Art der Kühlung wird bei älteren Modellen oder bei kleineren Motoren verwendet. Man nennt diese ohne Druck im Kühlsystem funktionierende Kühlung auch Siedewasserkühlung.

Bei der Siedewasserkühlung wird das Wasser bis zum 80°C heiss. Damit ist die Grenze erreicht, wo das Wasser zu sieden beginnt, jedoch noch nicht kocht. So entstand der Name für diese Kühlung. Diese Siedewasserkühlung funktioniert gut, man muss mit den entsprechenden Massnahmen jedoch verhindern, dass diese Temperatur überschritten wird. Das kennen Sie vielleicht von den Passfahrten mit dem alten Wagen, der auf dem Pass sehr heiss war.

Setzt man das Kühlmittel, wie bei einer Druckwasserkühlung, unter Druck, kann es mehr Wärme aufnehmen. Solche Druckwasserkühlungen kommen nur zur Anwendung, wenn besonders viel Wärme abgeführt werden muss. Man arbeitet mit dem Phänomen, dass Wasser, das unter Druck steht, später zu sieden beginnt. Das führt dazu, dass in solchen Kühlung das Wasser auch bei nahezu 100°C nicht kocht.

Jedoch muss man hier darauf achten, dass der Druck im System der Druckwasserkühlung konstant bleibt. Daher haben auch diese Kühlungen ein Ausdehnungsgefäss, das den Druck im System regelt und so eine optimale Kühlung ermöglicht. Die Anlagen mit Druckwasser sind jedoch neu und kommen nur bei neueren Modellen zur Anwendung, die damit jedoch die Wärme noch besser abführen können. Entscheidend ist daher das Baujahr und nicht die Art der Kühlung.

Das Kühlwasser wird schliesslich bei allen Kühlsystemen in einem Kühler mit Frischluft abgekühlt. Hier unterscheiden sich Diesellokomotiven kaum von elektrischen Lokomotiven, denn der Kühler ist einfach mit Wasser statt mit Öl gefüllt. Die Kühlluft wird jedoch bei diesen Anlagen zusätzlich mit dem Fahrtwind unterstützt. Jedoch zeigen die Anlagen deutlich, dass man mit Luft und dem passenden Kühler sehr viel Wärme abführen kann.

Wir haben unseren Rundgang durch den Dieselmotor abgeschlossen und wissen nun, wie er funktioniert. Eigentlich kennen wir uns mit dem Motor schon sehr gut aus und können damit viele Leute beeindrucken. Durch die Verbrennung entstehen bei einem Verbrennungsmotor zwei Ausgangsprodukte. Neben dem gewollten Ergebnis, bleiben aber von der Verbrennung noch Abgase zurück und die müssen irgendwie in die Umwelt entlassen werden. Daher kommen wir nun zu den Abgasanlagen.

 

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