Die vier Takte im Vergleich
Es arbeiten beide Verbrennungsmotoren in vier Arbeitsschritten: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Jedoch wird im Gegensatz zum Ottomotor beim Dieselmotor reine Luft angesaugt und nicht ein Kraftstoff-Luft-Gemisch.
Nun wird das Gemisch beim Ottomotor ungefähr auf ein Verhältnis von 7:1 verdichtet (der Druck ist etwa bei 8-18 bar und die Temperatur bei 400-600°C), der Dieselmotor dagegen arbeitet mit einem Verdichtungsverhältnis von 18:1 (wobei der Druck auf 30-50 bar und die Temperatur auf 700-900°C steigt). Der Kraftstoff wird beim Dieselmotor dann direkt in den Brennraum gespritzt.
Nun beginnt beim Ottomotor die Verbrennung, der nötige Funke hierzu kommt von der Zündkerze (Fremdzündung). Die Temperatur steigt bei diesem Vorgang auf ca 2000°C. Jetzt wird der Kolben im Motor wieder zurückgedrückt und die Verbrennung endet durch die Expansion (Arbeitstakt). Beim Dieselmotor wird die Selbstzündfähigkeit des Dieselkraftstoffs beim vorherrschenden hohen Druck ausgenutzt (Eigenzündung). Auch hier ist die Verbrennungstemperatur etwa bei 2000°C, wodurch ebenfalls der Kolben nach unten gedrückt wird und somit der Arbeitstakt erfolgt.
Beim Auspuffen der Abgase gibt es weitere Unterschiede. Die Abgastemperatur ist beim Ottomotor deutlich höher, jedoch bildet sich beim Dieselmotor im Gegensatz zum Ottomotor Ruß, der als krebserregend gilt. Der Benzinmotor bedroht das Klima allerdings mehr, da dieser wesentlich mehr Kohlenmonoxid und Stickoxid auspufft.
Der Nutzwirkungsgrad liegt beim Ottomotor bei 25%, beim Dieselmotor dagegen bei 33%. Zu beachten ist jedoch zusätzlich das höhere Gewicht des Dieselmotors - etwa 5-6 kg pro kW im Gegensatz zum Ottomotor mit nur etwa 0.5-5 kg/kW (ZX10R Motor, 130Kw bei 65Kg).
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Vorteile des Benzinmotors
Für den Benzinmotor spricht das geringe Leistungsgewicht (kg/kW), das deutlich schnellere Ansprechverhalten und vor allem der größere nutzbare Drehzahlbereich. Sportlicheres Fahren - z. B. bei Motorrädern - ist wohl eher mit Benzinmotoren möglich, zumal alleine die Einbaumaße Grund genug sind, dass Motorräder mit Dieselmotor die Ausnahme bleiben werden. In der Regel sind Benzinmotoren billiger als Dieselmotoren, so dass der Vorteil des geringeren Verbrauchs beim Dieselmotor erst für “Vielfahrer“ wirksam wird - ein Effekt, der durch die unterschiedliche Besteuerung noch verstärkt wird. Gründe für den niedrigeren Preis sind unter anderem die niedrigeren Baukosten, die Entbehrlichkeit eines Turboladers und das Einsparpotenzial bei der Schalldämmung des Motorraums.
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Vorgänge beim Ottomotor
Während des Ansaugtakts, wo sich der Kolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum gelangt, findet ein isobarer Prozess statt. Somit vergrössert sich das Gasvolumen, da es beim Abwärtsgehen des Kolbens zu einer Raumvergrösserung kommt. Der Gasdruck bleibt jedoch im 1.Takt konstant. Im Verdichtungstakt, wo sich der Kolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt verschiebt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch komprimiert wird, findet ein adiabatischer Prozess statt, d.h. das Volumen im Brennraum (Gasvolumen) reduziert sich und der Druck sowie Temperatur steigen an, ohne dass dabei Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird. Während des Arbeitstakts, wo das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Zündkerze entzündet wird, finden zuerst ein isochorer und anschließend wiederum ein adiabatischer Prozess statt. Der isochore Prozess findet bei der Zündung statt, d.h. Gasvolumen bleibt konstant, während der Druck bis zum Maximalwert ansteigt. Der adiabatische Prozess findet hingegen nach der Zündung statt, wo die sich ausbreitenden Gase den Zylinderkolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt wegdrücken. Dabei sinkt der Gasdruck, während das Gasvolumen steigt. Es kommt jedoch bei diesem Vorgang zu keinem Wärmeaustausch mit der Umgebung. Im Auspufftakt, wo der Kolben sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt und die durch die Verbrennung entstandenen Abgase über den Auslasskanal den Brennraum verlassen, findet wiederum ein isobarer Prozess statt. Dabei bleibt der Gasdruck konstant, während sich die Gasmenge verringert.
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Kurbelwelle
Die Kurbelwelle überträgt die durch die lineare Bewegung des Kolbens auf die Pleuelstange abgegebene Kraft als Drehmoment auf das Schwungrad der Kupplung. Die Kurbelwelle besteht aus Kurbelzapfen und Wellenzapfen. Die Kurbelzapfen nehmen den Pleuel auf und führen eine Kreisbewegung um die Drehachse der Kurbelwelle aus. Der Durchmesser dieser Kreisbewegung entspricht der Hubbewegung, welche im Zylinder durch den Kolben erzeugt wird. Die Wellenzapfen drehen sich nur um die Drehachse der Kurbelwelle und beeinflussen die Hubbewegung nicht. Es gibt gebaute, also aus Einzelteilen zusammengesetzte und geschmiedete oder gegossene, also aus einem Stück gefertigte Kurbelwellen. Die Kurbelwelle muss der Biegungsbeanspruchung, welche durch die Kolbenkraft bei der Hubbewegung des Kolbens entsteht, der Torsionsbeanspruchung, welche bei lang gestreckten elastischen Körpern durch entgegengesetzt gerichtete Drehmomente zu einer schraubenförmigen Verdrehung führen kann, sowie der Axialkraft, welche längs der Achse entsteht, standhalten. Deshalb müssen sowohl gebaute als auch gegossene Kurbelwellen eine hohe Festigkeit haben.
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Arbeitsweise
Takt (Arbeiten) In dem Augenblick, in dem der Kolben das Ende des zweiten Taktes erreicht hat, ist das Volumen in der Brennkammer am geringsten. Nun wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch mit der Zündkerze entzündet und verbrannt. Die Zündflammen breiten sich mit einer Geschwindigkeit von 10 m/s bis 30 m/s aus, sodass das Gemisch nach 0,001 Sekunden vollständig entflammt ist. Dabei entsteht ein Höchstdruck von 50 bar bis 75 bar und eine Höchsttemperatur von 2000° C bis 2500° C.
Takt (Ausstoßen) Wegen des Druckes, der aufgrund der sich ausbreitenden Gase im Arbeitstakt entsteht, wird der Zylinderkolben vom oberen Totpunkt in Richtung unteren Totpunkt weggedrückt. Dabei sinkt beim Ansaugtakt der Druck und die Auslassnockenwelle öffnet das Auslassventil. Wie die Abbildung zeigt, verschiebt sich schließlich der Zylinderkolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt hin und die Abgase können über das geöffnete Auslassventil ausströmen. Ein neues Arbeitsspiel kann beginnen.
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Pleuel
Der Pleuel, d.h. die Pleuelstange, sorgt für die Übertragung der Kraft, welche bei der Hubbewegung des Kolbens erzeugt wird, auf die Kurbelwelle. Dabei wird die geradlinige Kolbenbewegung in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt. Die Pleuelstange ist ständig wechselnden Belastungen ausgesetzt. Dabei wechseln die Beanspruchungen auf Zug, Druck, Biegung und Knickung ständig. Deshalb werden hochfeste Werkstoffe wie Karbonfaser-Kunststoffe, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Kugelgraphitguss, legierter Vergütungsstahl und Sinterwerkstoffe für die Herstellung der Pleuel eingesetzt. Zudem stellt der Pleuel durch die Ölbohrung eine Leitung für die Schmierung zur Verfügung.
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Zylinderkopf
Im Zylinderkopf sind die Ventile, die Zündkerze und die Nockenwelle untergebracht. Der Zylinderkopf zählt zu den kompliziertesten Bauteilen des Kraftfahrzeugs, da verschiedene Elemente in einem Bauteil vereinigt werden müssen. Der Zylinderkopf dichtet bzw. schließt den Zylinder nach oben ab. Motoren, welche flüssigkeitsgekühlt sind, verfügen über Kühlkanäle sowie über Ölkanäle im Zylinderkopf, welche für die Schmierung sorgen. Der Zylinderkopf ist hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, da er den Brennraum abschließt und die Ein- und Auslassventile aufnimmt. Aus diesem Grund werden für die Produktion des Zylinderkopfs in der Regel Leichtmetalllegierungen eingesetzt, weil diese die Wärme besser ableiten können und somit die thermische Belastung mildern. Im Zylinderkopf sind Elemente der Motorsteuerung (Nockenwelle, Ein- und Auslassventil) sowie die Zündkerzen (beim Dieselmotor die Einspritzdüsen) eingebaut. Da all diese Teile den Zylinderkopf mechanisch stark beanspruchen, wird das Leichtmetall, aus welchem der Zylinderkopf gefertigt ist, durch Gussteile verstärkt. Zudem muss der Zylinderkopf über eine gute Dichtung verfügen (Zylinderkopfdichtung). Diese befindet sich zwischen Motorblock und Zylinderkopf und dichtet den Brennraum und die Öl- und Wasserkanäle ab.
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Vorteile des Dieselmotors
Ein wichtiges Argument für den Dieselmotor ist der geringere Kraftstoffverbrauch. Dieser konnte durch die Einführung der Direkteinspritzung noch einmal deutlich reduziert werden. Ein weiteres Argument für den Dieselmotor ist das große Drehmoment besonders im meist genutzten unteren Drehzahlbereich. Zum starken Beschleunigen aus tiefen Drehzahlen muss nicht mehr unbedingt zurückgeschaltet werden. Der Dieselmotor spricht somit zwar immer mit einer gewissen Verzögerung an, jedoch auch mit deutlich mehr Kraft - was nicht zuletzt dem in aller Regel verbauten Turbolader zu verdanken ist. Durch den Einsatz von modernen Automatikgetrieben, wie dem Direktschaltgetriebe (DSG), kann der Dieselmotor immer in dem recht schmalen, aber dafür von der Kraftentfaltung her verhältnismäßig konstanten Drehzahlbereich gehalten werden, was diesen wohl gravierendsten Mangel gegenüber dem Benzinmotor vollständig behebt und ihn sogar überlegen macht, denn das schmale Drehzahlband bedingt auch, dass ein Gangwechsel ausreicht, um vom unteren Ende des Drehzahlbandes bis zum oberen zu gelangen und somit sofort die Maximalleistung abrufen zu können. Das größere Drehzahlband des Benziners steht ihm beim Wechseln vom sparsamen Betrieb zur Vollast (beispielsweise bei einem Überholvorgang) eher im Wege, da im Grunde zwei Schaltvorgänge benötigt werden, um das obere Drehzahlband zu erreichen, was bei allen sequenziell orientierten Getrieben von Nachteil ist.