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Der grösste Unterschied zwischen einem Dieselmotor und einem Ottomotor (landläufig Benzinmotor) ist die Selbstzündung: Während beim Ottomotor das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch eine Zündkerze gezündet wird, entzündet es sich beim Dieselmotor durch die im Zylinder befindliche heisse Luft von selbst. Daher wird ein Dieselmotor auch als "Selbstzünder" bezeichnet. Ausserdem werden beim Dieselmotor Luft und Kraftstoff erst im Brennraum des Zylinders gemischt, während sie beim Ottomotor gemeinsam eingespritzt werden. Dieselmotoren können als Zwei- oder Viertaktmotoren konstruiert sein. Sie haben immer eine Kraftstoffeinspritzung und nie einen Vergaser, wie er bei Ottomotoren üblich war. Der Dieselkraftstoff wird über eine Einspritzdüse als Tröpfchenwolke in den Brennraum gesprüht und entzündet sich durch die dort herrschende hohe Temperatur von selbst. Die Leistungsregelung erfolgt beim Dieselmotor überwiegend durch die Kraftstoffmenge, die eingespritzt wird. Da Dieselmotoren in Relation zur Leistungsentwicklung ein hohes Gewicht haben, können sie in Bereichen, bei denen das Gewicht eine Rolle spielt – etwa in Flugzeugen und Motorrädern – nicht optimal eingesetzt werden.
Dieselmotoren haben durch den Zündverzug, also die langsamere Verbrennung im Vergleich zum Ottomotor, eine Drehzahl-Obergrenze, die in der Praxis bei 5000 bis 5500 Umdrehungen pro Minute liegt. Daher muss ein Dieselmotor einen grösseren Hubraum haben als ein Ottomotor, um dieselbe Leistung erreichen zu können.
Der Wirkungsgrad ist die Relation zwischen zugeführter Energie und Nutzenergie. Durch die hohe Verdichtung hat ein Dieselmotor von Haus aus einen hohen Wirkungsgrad und einen geringeren Kraftstoffverbrauch als ein Ottomotor, was ihn aus wirtschaftlicher Sicht interessant macht. Durch technologische Entwicklungen wie Abgasturboaufladung und Direkteinspritzung konnte der Wirkungsgrad dieser Verbrennungsmotoren in den letzten Jahrzehnten deutlich gesteigert werden und liegt heute um die 43 Prozent. Idealerweise verbrennt der Kraftstoff im Brennraum vollständig; ist das nicht der Fall, tritt Rauch aus dem Auspuff, der Motor russt.
Die Direkteinspritzung, die seit Ende der Achtzigerjahre üblich ist, konnte den Wirkungsgrad von Dieselmotoren erheblich steigern. Diese Technologie hat inzwischen ältere Konstruktionsprinzipien wie Vorkammereinspritzung und Wirbelkammereinspritzung bei Autos weitestgehend verdrängt. Die Einspritzventile werden heute ausschliesslich elektronisch gesteuert, mechanische Ventilsteuerungen sind eine veraltete Technik. Mit Vor- und Nacheinspritzungen konnten weitere Verbesserungen des Wirkungsgrades erreicht werden, ausserdem konnten dadurch Abgas- und Geräuschemissionen verringert werden.
Bei Dieselmotoren gibt es zwei konkurrierende Einspritz-Systeme: das Pumpe-Düse-System und die Common-Rail-Technologie.
"Turbodiesel" ist der landläufige Ausdruck für einen sogenannten aufgeladenen Dieselmotor. Dabei wird die Luft durch einen oder mehrere Turbolader vorverdichtet, ehe sie in die Brennkammern des Motors gepumpt wird, während bei einem sogenannten Saugmotor nur die Luft für die Verbrennung zur Verfügung steht, die der Motor durch den Unterdruck der Kolbenbewegung selbst einsaugt. Der Turbolader nutzt die Restenergie des Abgasstromes. Durch die Turbo-Aufladung kann mehr Sauerstoff und mehr Kraftstoff bei gleichem Hubraum verbrannt werden und somit eine besonders effiziente Steigerung der Leistung auch bei kleinen Motoren mit geringem Hubraumvolumen erreicht werden. Ein Ladeluftkühler kann zusätzlich dazu beitragen, dass der thermische Wirkungsgrad verbessert wird, was weiterhin die Effizienz des Motors steigert und den Kraftstoffverbrauch senkt. Heute sind Ladeluftkühler bei allen Verbrennungsmotoren mit Turbolader üblich.
Ein Turbolader kann bei einem Verbrennungsmotor seine leistungssteigernde Wirkung erst bei höheren Drehzahlen entwickeln; bis diese erreicht sind, arbeitet der Turbodiesel im Prinzip als Saugdiesel mit deutlich schwächerer Leistung. Bei älteren Turbodieselmotoren führte das zum "Turboloch". Bei modernen Motoren kann dieser Effekt durch verstellbare Leitschaufeln im Einlauf der Turbine (Variable-Turbinengeometrie-Lader oder VTG-Lader) oder einen Druckluftspeicher ausgeglichen werden.
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