Drei grundlegende Größengruppen
Basierend auf der Leistung gibt es drei grundlegende Größengruppen von Dieselmotoren: kleine, mittlere und große.Die kleinen Motoren haben Leistungswerte von weniger als 16 Kilowatt.Dies ist der am häufigsten produzierte Dieselmotortyp.Diese Motoren werden in Autos, leichten Lastkraftwagen und einigen Anwendungen in der Landwirtschaft und im Baugewerbe sowie als kleine stationäre Stromgeneratoren (z. B. in Sportbooten) und als mechanische Antriebe eingesetzt.Typischerweise handelt es sich um Reihenmotoren mit Direkteinspritzung, Vier- oder Sechszylindermotoren.Viele verfügen über einen Turbolader mit Nachkühler.

Mittlere Motoren haben eine Leistung von 188 bis 750 Kilowatt oder 252 bis 1.006 PS.Der Großteil dieser Motoren wird in schweren Lkw eingesetzt.In der Regel handelt es sich um Reihensechszylindermotoren mit Turbolader und Ladeluftkühlung und Direkteinspritzung.Auch einige V8- und V12-Motoren gehören zu dieser Größengruppe.

Große Dieselmotoren haben eine Leistung von über 750 Kilowatt.Diese einzigartigen Motoren werden für Schiffs-, Lokomotiv- und mechanische Antriebsanwendungen sowie zur Stromerzeugung eingesetzt.In den meisten Fällen handelt es sich um Systeme mit Direkteinspritzung, Turboaufladung und Ladeluftkühlung.Sie können mit nur 500 Umdrehungen pro Minute betrieben werden, wenn Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von entscheidender Bedeutung sind.

Zweitakt- und Viertaktmotoren
Wie bereits erwähnt, sind Dieselmotoren für den Betrieb im Zwei- oder Viertaktzyklus ausgelegt.Bei einem typischen Viertaktmotor befinden sich die Einlass- und Auslassventile sowie die Kraftstoffeinspritzdüse im Zylinderkopf (siehe Abbildung).Häufig werden Doppelventilanordnungen – zwei Einlass- und zwei Auslassventile – verwendet.
Durch den Einsatz des Zweitaktzyklus kann die Notwendigkeit eines oder beider Ventile in der Motorkonstruktion entfallen.Spül- und Ansaugluft werden üblicherweise über Öffnungen in der Zylinderlaufbuchse bereitgestellt.Der Auslass kann entweder über Ventile im Zylinderkopf oder über Öffnungen in der Zylinderlaufbuchse erfolgen.Die Motorkonstruktion wird vereinfacht, wenn ein Kanaldesign anstelle eines Designs verwendet wird, das Auslassventile erfordert.

Kraftstoff für Diesel
Erdölprodukte, die normalerweise als Kraftstoff für Dieselmotoren verwendet werden, sind Destillate, die aus schweren Kohlenwasserstoffen mit mindestens 12 bis 16 Kohlenstoffatomen pro Molekül bestehen.Diese schwereren Destillate werden aus Rohöl gewonnen, nachdem die im Benzin verwendeten flüchtigeren Anteile entfernt wurden.Die Siedepunkte dieser schwereren Destillate liegen zwischen 177 und 343 °C (351 bis 649 °F).Daher ist ihre Verdampfungstemperatur viel höher als die von Benzin, das weniger Kohlenstoffatome pro Molekül enthält.

Wasser und Sedimente im Kraftstoff können den Motorbetrieb beeinträchtigen;Sauberer Kraftstoff ist für effiziente Einspritzsysteme unerlässlich.Kraftstoffe mit hohem Kohlenstoffrückstand können am besten von Motoren mit niedriger Drehzahl bewältigt werden.Gleiches gilt für solche mit hohem Asche- und Schwefelgehalt.Die Cetanzahl, die die Zündqualität eines Kraftstoffs definiert, wird nach ASTM D613 „Standard Test Method for Cetane Number of Diesel Fuel Oil“ bestimmt.

Entwicklung von Dieselmotoren
Frühe Arbeit
Rudolf Diesel, ein deutscher Ingenieur, hatte die Idee für den Motor, der heute seinen Namen trägt, nachdem er nach einer Vorrichtung zur Steigerung der Effizienz des Ottomotors gesucht hatte (dem ersten Viertaktmotor, der von dem deutschen Ingenieur im 19. Jahrhundert gebaut wurde). Nikolaus Otto).Diesel erkannte, dass der elektrische Zündvorgang des Benzinmotors entfallen könnte, wenn die Luft während des Kompressionshubs einer Kolben-Zylinder-Vorrichtung durch Kompression auf eine Temperatur erhitzt werden könnte, die über der Selbstentzündungstemperatur eines bestimmten Kraftstoffs liegt.Diesel schlug einen solchen Zyklus in seinen Patenten von 1892 und 1893 vor.
Als Brennstoff wurde ursprünglich entweder Kohlenstaub oder flüssiges Erdöl vorgeschlagen.Diesel sah Pulverkohle, ein Nebenprodukt der Saarkohlebergwerke, als leicht verfügbaren Kraftstoff an.Zum Einbringen von Kohlenstaub in den Motorzylinder sollte Druckluft verwendet werden;Allerdings war es schwierig, die Geschwindigkeit der Kohleeinspritzung zu steuern, und nachdem der Versuchsmotor durch eine Explosion zerstört wurde, wandte sich Diesel dem flüssigen Erdöl zu.Er führte den Kraftstoff weiterhin mit Druckluft in den Motor ein.
Der erste kommerzielle Motor, der auf Diesels Patenten basiert, wurde in St. Louis, Missouri, von Adolphus Busch installiert, einem Brauer, der einen auf einer Ausstellung in München ausgestellt gesehen und von Diesel eine Lizenz für die Herstellung und den Verkauf des Motors erworben hatte in den Vereinigten Staaten und Kanada.Der Motor arbeitete jahrelang erfolgreich und war der Vorläufer des Busch-Sulzer-Motors, der im Ersten Weltkrieg viele U-Boote der US-Marine antrieb. Ein weiterer für denselben Zweck eingesetzter Dieselmotor war der Nelseco, der von der New London Ship and Engine Company gebaut wurde in Groton, Connecticut.

Der Dieselmotor wurde im Ersten Weltkrieg zum Hauptantrieb für U-Boote. Er war nicht nur sparsam im Kraftstoffverbrauch, sondern erwies sich auch unter Kriegsbedingungen als zuverlässig.Dieselkraftstoff war weniger flüchtig als Benzin und konnte sicherer gelagert und gehandhabt werden.
Am Ende des Krieges suchten viele Männer, die Dieselmotoren bedient hatten, nach Friedensjobs.Die Hersteller begannen, Dieselmotoren an die Friedenswirtschaft anzupassen.Eine Modifikation war die Entwicklung des sogenannten Halbdiesels, der mit einem Zweitaktzyklus bei niedrigerem Kompressionsdruck lief und eine Glühlampe oder ein Glührohr zum Zünden der Kraftstoffladung nutzte.Diese Änderungen führten dazu, dass der Motor kostengünstiger zu bauen und zu warten war.

Kraftstoffeinspritztechnik
Ein unerwünschtes Merkmal des Volldiesels war die Notwendigkeit eines Hochdruck-Lufteinspritzkompressors.Zum Antrieb des Luftkompressors war nicht nur Energie erforderlich, sondern auch ein Kühleffekt, der die Zündung verzögerte, als sich die komprimierte Luft, typischerweise mit 6,9 Megapascal (1.000 Pfund pro Quadratzoll), plötzlich in den Zylinder ausdehnte, der einen Druck von etwa 3,4 hatte bis 4 Megapascal (493 bis 580 Pfund pro Quadratzoll).Diesel hatte Hochdruckluft benötigt, um pulverisierte Kohle in den Zylinder einzuleiten;Als flüssiges Erdöl Kohlenstaub als Brennstoff ersetzte, konnte eine Pumpe anstelle des Hochdruck-Luftkompressors gebaut werden.

Es gab verschiedene Einsatzmöglichkeiten einer Pumpe.In England verwendete die Vickers Company die sogenannte Common-Rail-Methode, bei der eine Batterie von Pumpen den Kraftstoff in einem Rohr, das sich über die gesamte Länge des Motors erstreckt und zu jedem Zylinder führt, unter Druck hält.Von dieser Rail-(oder Rohr-)Kraftstoffversorgungsleitung leitete eine Reihe von Einspritzventilen die Kraftstoffladung zu jedem Zylinder zum richtigen Zeitpunkt in seinem Zyklus ein.Eine andere Methode nutzte nockenbetriebene Ruck- oder Kolbenpumpen, um Kraftstoff unter vorübergehend hohem Druck zum richtigen Zeitpunkt an die Einspritzventile jedes Zylinders zu liefern.

Die Abschaffung des Einspritzluftkompressors war ein Schritt in die richtige Richtung, aber es gab noch ein weiteres Problem zu lösen: Die Motorabgase enthielten übermäßig viel Rauch, selbst bei Leistungen, die weit innerhalb der PS-Nennleistung des Motors lagen, und obwohl dies der Fall war Es befand sich genügend Luft im Zylinder, um die Kraftstoffladung zu verbrennen, ohne einen verfärbten Auspuff zu hinterlassen, der normalerweise auf eine Überlastung hindeutet.Die Ingenieure erkannten schließlich, dass das Problem darin bestand, dass die kurzzeitig unter hohem Druck stehende Injektionsluft, die in den Motorzylinder explodierte, die Kraftstoffladung effizienter verteilt hatte, als es die mechanischen Ersatzkraftstoffdüsen konnten, mit dem Ergebnis, dass der Kraftstoff ohne den Luftkompressor auskommen musste Suchen Sie nach den Sauerstoffatomen, um den Verbrennungsprozess abzuschließen, und da Sauerstoff nur 20 Prozent der Luft ausmacht, hatte jedes Kraftstoffatom nur eine Chance von eins zu fünf, auf ein Sauerstoffatom zu treffen.Die Folge war eine unsachgemäße Verbrennung des Kraftstoffs.

Bei der üblichen Konstruktion einer Kraftstoffeinspritzdüse wird der Kraftstoff in Form eines kegelförmigen Strahls in den Zylinder eingeführt, wobei der Dampf von der Düse abstrahlt, und nicht in Form eines Strahls oder Strahls.Es konnte nur sehr wenig getan werden, um den Kraftstoff gründlicher zu verteilen.Eine verbesserte Vermischung musste erreicht werden, indem der Luft zusätzliche Bewegung verliehen wurde, am häufigsten durch induktionserzeugte Luftwirbel oder eine radiale Bewegung der Luft, Quetschen genannt, oder beides vom äußeren Rand des Kolbens zur Mitte.Um dieses Wirbeln und Quetschen zu erzeugen, wurden verschiedene Methoden eingesetzt.Offensichtlich werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn der Luftwirbel in einem eindeutigen Zusammenhang mit der Kraftstoffeinspritzrate steht.Eine effiziente Nutzung der Luft im Zylinder erfordert eine Rotationsgeschwindigkeit, die dafür sorgt, dass sich die eingeschlossene Luft während der Einspritzperiode kontinuierlich von einem Sprühstoß zum nächsten bewegt, ohne dass es zwischen den Zyklen zu extremen Absenkungen kommt.