Wir beschäftigen uns zunächst mit dem klassischen Dieselprozess. Der Erfinder Rudolf Diesel hatte seine ursprüngliche Absicht, den Carnot-Prozess mit isothermer Wärmezufuhr für den neuen „Wärmemotor“ zu realisieren, aufgeben müssen. Mit der Erfindung des Dieselmotors (Patenterteilung 1893) griff er dann auf die mechanisch einfach zu verwirklichende Gleichdruckverbrennung zurück. Der maximal vorgegebene Prozessdruck wird schon zum Ende der Verdichtung angestrebt, um hinreichend hohe Temperaturen für die Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes zu erreichen. Die nachfolgende Wärmezufuhr muss dann in Verbindung mit einer entsprechenden Steuerung des zurückgehenden Kolbens bei konstantem Druck (p2 = p3) erfolgen, die Wärmeabfuhr erfolgt hingegen wieder bei konstantem Volumen (ν1 = ν4). Somit ist der reine rechtslaufende Gleichdruckprozess durch folgende Zustandsänderungen charakterisiert:
Merke
1 → 2 isentrope Verdichtung (von reiner Luft)
2 → 3 isobare Wärmezufuhr bei maximalem Prozessdruck
(anstelle der tatsächlich stattfindenden inneren Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes)
3 → 4 isentrope Expansion
4 → 1 isochore Wärmeabfuhr an die Umgebung unter Druckminderung
(anstelle des tatsächlich stattfindenden Austauschs Verbrennungsgas – Frischluft)
Die isentrope Verdichtung von 1 → 2 erfolgt analog zum Gleichraumprozess, nur werden jetzt im Endzustand höhere Drücke und Temperaturen angestrebt, die aber zugleich die stabilere Konstruktion (dickere Wandungen, Lagerung der Kurbelwelle nach jeder Kröpfung) des Dieselmotors im Verhältnis zum Ottomotor erfordern. Die Tatsache, dass beim Gleichraumprozess eigentlich ein Brennstoff-Luft-Gemisch, beim Gleichdruckprozess reine Luft verdichtet wird, ist hier ohne Bedeutung, denn beide Vergleichsprozesse verwenden als Arbeitsmittel lediglich Luft als kalorisch perfektes Gas. Das Verdichtungsverhältnis ε ist auch hier analog zum Gleichraumprozess definiert als:
Methode
$\epsilon = \frac{V_{max}}{V_{min}} = \frac{V_1}{V_2} = \frac{\nu_1}{\nu_2}$
Die spezifische Kreisprozessarbeit w ergibt sich für den Gleichdruckprozess aus:
Methode
zugeführte Wärme: $q_{zu} = q_{23} = c_p (T_3 - T_2) \gt 0$
abgeführte Wärme: $q_{ab} = q_{41} = c_V (T_1 - T_4) \lt 0 \; $ oder $ \; \lvert q_{ab} \rvert = c_V (T_4 - T_1) \gt 0$
Kreisprozessarbeit: $w_{GD} = q_{zu} - \lvert q_{ab} \rvert = c_p (T_3 - T_2) - c_V (T_1 - T_4) = c_V \cdot \Bigl[ \kappa (T_3 - T_2) - (T_4 - T_1) \Bigr]$
Im Unterschied zum Ottoprozess treten beim klassischen Dieselprozess drei verschiedene Volumina auf. Darauf reagiert man mit der Definition einer weiteren dimensionslosen Kennzahl.
Methode
Definition des Füllungsgrades ρ: $\rho = \frac{V_3}{V_2} = \frac{\nu_3}{\nu_2} $ (wegen V3 > V2 → ρ > 1)
Das Gesetz von Gay-Lussac für konstanten Druck liefert für den Füllungsgrad ρ:
Methode
$\rho = \frac{\nu_3}{\nu_2} = \frac{T_3}{T_2} \; $ und damit $ \; T_3 = \rho \cdot T_2$
Ein steigender Füllungsgrad ρ führt damit wegen entsprechend größerer Temperatur T3 und qzu = cp(T3 – T2) zu höherer isobarer Wärmezufuhr.
Der thermische Wirkungsgrad des Gleichdruckprozesses ergibt sich nun aus:
Methode
$$\eta_{th,GD} = 1 - \frac{\lvert q_{ab} \rvert}{q_{zu}} = 1 - \frac{q_{14}}{q_{23}} = 1 - \frac{T_4 - T_1}{\kappa \cdot (T_3 - T_2)} = 1 - \frac{1}{\epsilon_{\kappa - 1}} \cdot \frac{\rho^{\kappa} - 1}{\kappa ( \rho - 1)}$$
Der thermodynamische Wirkungsgrad des Gleichdruckprozesses ηth,GD steigt mit wachsendem Verdichtungsverhältnis ε, ist aber noch vom Füllungsgrad ρ abhängig. Ein fallender Füllungsgrad ρ (also eine geringere Wärmezufuhr) führt zu steigendem thermodynamischen Wirkungsgrad.
Die Wirkung auf die spezifische Kreisprozessarbeit wGD ist jedoch eine andere. Mit höheren Füllungsgraden steigt auch die spezifische Kreisprozessarbeit an. Die Füllungsgrade sollten also so bemessen sein, dass Wirkungsgrad und spezifische Kreisprozessarbeit in einem angemessenen optimalen Verhältnis stehen.
Bei gleichem Verdichtungsverhältnis ε ist der thermodynamische Wirkungsgrad des Gleichdruckprozesses (klassischer Diesel-Prozess) unter der Voraussetzung Füllungsgrad ρ > 1 niedriger als der des Gleichraumprozesses (Otto-Prozess). Da man aber wegen der nicht vorhandenen Klopfgefahr das Verdichtungsverhältnis ε beim Dieselmotor höher ansetzen darf, kann dieser Unterschied der Wirtschaftlichkeit verringert werden.
Beim klassischen Diesel-Prozess erfolgt die Verbrennung je nach Füllungsgrad in einem bestimmten Einspritzvolumen VE = V3 – V2. Das muss bei der Festlegung des Verdichtungsverhältnisses beachtet werden.Würde der untere Totpunkt wegen eines zu geringen Verdichtungsverhältnisses zu schnell erreicht, verbliebe nicht genügend Zeit für das vollständige Verbrennen des Kraftstoffes. Deshalb sind Verdichtungsverhältnisse ε > 6 als Mindesthöhe für Dieselmotoren anzusehen.
Bei der Berechnung von Diesel-Prozessen (Gleichdruckprozessen) ist folgendes Rechenschema hilfreich:
| p | ν | T | Bemerkung | |
| 1 | $p_1 $ gegeben | $\nu_1 = \frac{R_L \cdot T_1}{p_1} $ | $T_1 $ gegeben | thermodynamische Temperatur! |
| 2 | $p_2 = p_1 \cdot \epsilon^{\kappa} $ $p_2 = p_1 \cdot \frac{T_2}{T_1} \cdot \frac{\nu_1}{\nu_2}$ | $\nu_2 = \frac{\nu_1}{\epsilon} $ $\nu_2 = \nu_1 \frac{T_2}{T_1} \cdot \frac{p_1}{p_2} $ | $T_2 = T_1 \cdot \epsilon^{\kappa - 1} $ | isentrope Zustandsänderung ε gegeben Grundgleichung ideales Gas |
| 3 | $p_3 = p_2 $ | $\nu_3 = \nu_2 \cdot \frac{T_3}{T_2}$ $\nu_3 = \rho \cdot \nu_2$ | $T_3 = T_2 \cdot $ $ $ | isobare Zustandsänderung ρ = Füllungsgrad!! qzu gegeben |
| 4 | $p_4 = p_3 \cdot \Bigl( \frac{\nu_3}{\nu_4} \Bigr)^{\kappa}$ | $\nu_4 = \nu_1 $ | $ $ | isentrope Zustandsänderung |
