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| Entwicklung der Verbrennungsmotoren | ||||||||||||
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bis zum Großgasmotor im Eisenwerk Neunkirchen
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von Dieter Schmidt
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Ein Rohr, an seinem rückwärtigen Ende verschlossen, wird durch das andere vordere Ende (Mündung) mit Schwarzpulver und einem Geschoss geladen, weshalb diese Waffenart später als „Vorderlader“ klassifiziert wurde. Durch eine kleine Öffnung wurde im richtigen Moment der Zielerfassung die Pulverladung mit einer glimmenden Lunte gezündet. Dabei entwickelte die explosive Verbrennung rasant sich ausdehnende Gase, so dass die steinerne oder metallene Kugel unter lautem Knall und heftiger Rauchentwicklung des Schwarzpulvers die Mündung des Rohrzylinders verließ. Traf sie auf kein Hindernis, so begab sie sich auf eine, durch die innenballistischen Voraussetzungen der Waffe mitbestimmte Flugbahn, an deren Ende sie einfach zu Boden fiel. Dass die Waffentechnik nicht bei diesem altertümlichen Schießprügel stehen blieb, wissen wir heute genau; nach mehr als 700 Jahren. Die Handkanone ist sicherlich der älteste Vorderlader, aber können wir sie auch als Verwandten oder sogar als einen Vorläufer des Verbrennungsmotors akzeptieren? Bild 2 stellt eine Versuchsanordnung dar, die Merkmale der Handkanone und des Verbrennungsmotors enthält. Miteinander vergleichbar sind: der Zylinder entsprechend dem Lauf, der Kolben dem Geschoss, das Treibstoffgemisch entspricht der Pulverladung und die Zündflamme oder Zündkerze entsprechen der glimmenden Lunte. An Versuchen mit einem ähnlichen Gerät habe ich während eines Lehrganges in der Mitte der 1960 Jahre teilgenommen. Mit jeweils unterschiedlichen Treibstoffmengen beaufschlagt, konnten die Teilnehmer die Wirkung der Gase auf den Kolben in einem durchsichtigen Rohrzylinder direkt beobachten. Denn der sparsam eingeölte Kolben hinterließ eine gut sichtbare Spur, sodass die Ausdehnung während der Verbrennungsphase dem jeweiligen Treibstoff-Mengenversuch genau zuzuordnen war. Bei dem Versuch mit einer Übermenge Benzin verließ der Kolben mit einem heftigen Knall den Rohrzylinder und landete im dazu vorsorglich aufgespannten Schutznetz. Die Versuche ließen erkennbar werden, wie die expandierenden Gase den Kolben vor sich herschieben. In der Abkühlungsphase entsteht ein Unterdruck, als dessen Folge der Kolben durch den Druck der Atmosphäre im offenen Zylinder wieder zurückgeschoben wird. Würden noch Pleuel, Kurbelwelle und Schwungrad hinzugefügt, so besäße der Versuchsaufbau alle wichtigen Bauteile eines einfachen Motors, bis auf seine Steuerung. Der Verbrennungsvorgang im Zylinder eines durchschnittlichen, modernen Motors setzt eine Temperatur von 2000-2500°C frei, wobei die Expansion der Gase einen Druck von 30-60 bar entstehen lässt. Durch dessen Wirkung auf den Kolben wird die während des Arbeitstaktes aus der Wärmeleistung entstandene Energie sogleich in Arbeit umgesetzt. Die Temperatur geht dabei auf ca. 800° C herunter, gleichzeitig sinkt auch der Druck auf etwa 3-4 bar ab. Um sich das Verstehen eines technischen Vorganges zu erleichtern, könnte man versuchen ihn in einer gedanklichen Zeitlupe ablaufen zu lassen. Das würde auch helfen die beiden Pulvermaschinen zu verstehen, die in Bild 3 und Bild 4 dargestellt sind. Was ihren Platz in der Geschichte betrifft wird oftmals die Meinung vertreten, dass die daraus entwickelten „atmosphärischen“ Maschinen einen Irrweg bedeutet hätten. Dem Ablauf der Geschichte und den technischen Zwängen der damaligen Zeit wird dieses Urteil nicht gerecht. Doch es stimmt, dass sie in ihrer Leistung begrenzt waren und ihr Energieverbrauch meist sehr viel höher lag als der vergleichbare Verbrauch späterer, mit „Hochdruck“ arbeitender, Verbrennungsmotoren. Ein Arbeitsvorgang der Pulvermaschine nach Bild 3 beginnt damit, dass die Last G durch ein Seil mit dem Kolben D verbunden wird. In die Pulverpfanne C wird Schießpulver eingebracht. Bevor dieses nun gezündet wird, sollte sich der Kolben in der im Bild gezeigten Stellung befinden und die Last am Boden gelagert sein. Die verbrennenden Gase dehnen sich aus und entweichen während der entstehenden Überdruckphase aus dem Zylinder nach außen durch die beiden Rohrstutzen, denen Lederschläuche übergestülpt sind. Ist der gesamte Überdruck entwichen, so kommt es durch die dann folgende Abkühlphase zu einem Unterdruck im Zylinderraum. Der höhere atmosphärische Druck außerhalb des Zylinders schließt zuerst die Schläuche, die nur einen geringen Widerstand darstellen, indem er diese einfach zusammenpresst. Der Druck der Atmosphäre kann daher nur noch auf den Kolben D einwirken und schiebt diesen in den Zylinder A-B bis ein Ausgleich erfolgt ist. Die Maschine in Bild 4 arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die erste von Christian Huygens im Jahre 1673 skizzierte. Die sorgfältig von Denis Papin hergestellte Konstruktionszeichnung der Vorrichtung zeigt vor allem ein verbessertes Ventil. Papin hatte das Prinzip der Pulvermaschine als Assistent von Huygens kennen gelernt. Er hat sie etwa um 1688 gebaut und später zu einer einfachen atmosphärischen Dampfmaschine weiterentwickelt, mehr Denkmodell als von praktischem Wert. Dadurch gilt er aber als einer der frühen Miterfinder der Dampfmaschine. Doch die pulverbetriebenen Maschinen hatten keine große Chance z.B. auf Verbreitung als Hebemaschine. Der Umgang mit Schießpulver war zur damaligen Zeit noch gefährlicher als heute und die Handhabung eines Flaschenzuges oder einer Pumpe war sicherlich unkomplizierter. Im Hinblick auf den Verbrennungsmotor trat daher erst einmal eine lange Entwicklungspause ein. Jedoch völlig zu Recht wurde, trotz ihrer großen Unvollkommenheit, die Pulvermaschine in der Literatur (Conrad Matschoß) mit dem Ehrentitel „Urbild der atmosphärischen Gasmaschine“ bedacht. Im Jahr 1769 gelang es James Watt die erste industriell nutzbare Dampfmaschine zu entwickeln. Die Wärmeenergie musste bei der Dampfmaschine außerhalb des Zylinders erzeugt werden. Der dadurch notwendig gewordene Umfang der Anlagen, ihr hoher Preis und die immensen Kosten für Personal und Brennstoffbedarf waren für große Unternehmen kein Hindernis, jedoch die ebenfalls interessierte Kleinindustrie wurde dadurch vom Erwerb der Dampfmaschine abgeschreckt. Aber die in einigen Schichten sich ausbreitende Aufbruchstimmung hielt die mit der neuen Technik verbundenen Erwartungen auf einem hohen Stand. Das wiederum trieb einige Leute dazu, Entwicklungen zu wagen, die nicht selten zu skurrilen oder gefährlichen Exemplaren gerieten. Doch zu dem Zeitpunkt als der Verbrennungsmotor in den „Erfinderstuben“ langsam Gestalt anzunehmen begann, war bereits eine leistungsfähige und zuverlässige Generation dampfbetriebener Maschinen entstanden. 1876 hatte der Amerikaner Henry Corliss, zufällig im selben Jahr als N. A. Otto seinen revolutionierenden Viertaktmotor herausbrachte, eine Dampfmaschine mit der Leistung von 1400 PS auf der Weltausstellung in Philadelphia vorgeführt. Aber auch mit diesem Rekordwert war die Dampfmaschine, 90 Jahre nach Watts Patent, noch lange nicht am Ende ihrer Leistungsskala angelangt. Doch geschichtlich gesehen wurde sie bereits in die Nebenrolle eines Vorläufers des Verbrennungsmotors abgedrängt, als in der Zeit von 1780-1790 mehrere kluge Köpfe herausfanden, wie sie Leuchtgas herstellen konnten. Wem von ihnen die Ehre gebührte der Erste gewesen zu sein, weiß man heute nicht mehr. Von diesem Zeitpunkt an beschäftigten sich die Erfinder, vor allem in den europäischen Ländern England, Frankreich und Italien damit, Maschinen zu ersinnen, die mit Gas als einem relativ standortunabhängigen Energieträger laufen sollten. Obwohl sich die Dampfmaschine in einigen Tätigkeitsfeldern noch lange halten würde, hatten die Menschen damals bereits erkannt, dass sie keineswegs die ideale Kraftquelle war und man nach einer solchen weiterhin zu suchen hatte. Jean Joseph Etienne Lenoir (1822-1900) gelang es einen Motor zu entwickeln, auf den er 1860 ein Patent erhielt und der vor allem in Frankreich erfolgreich vermarktet wurde. Der Erfinder hatte das äußere Erscheinungsbild seiner Konstruktion dem der damaligen Dampfmaschinen nachempfunden. Auch deren Schiebersteuerung, hatte er nach den notwendigen Anpassungen übernommen -Bild 5. Neben einer Wasserkühlung hatte Lenoir bereits eine elektrische Zündung eingebaut, die auf dem Wagner’schen Hammer und einem Induktionsapparat basierte. Heute wirkt es befremdlich, dass diese Zündapparatur von seinen Entwicklungsnachfolgern lange Zeit nicht beachtet wurde. Die damalige Zündschaltung hatte allerdings den Nachteil einer zu langen Einschaltzeit. Auch die Platzierung der Funkenzünder an den Zylinderdeckeln war schlecht gewählt. Zum Zündzeitpunkt wurde über eine Kontaktschiene die Hochspannung auf jeweils eine der beiden Kerzen an den Zylinderdeckeln gelenkt und die Funken für die Dauer eines halben Hubes freigesetzt. Dadurch führte das Verfahren zu einem hohen Verbrauch an teuren, aber notwendigen Batterie-Elementen. Lenoir übernahm Herstellung und Vertrieb seines Motors nicht selbst, daher brachten die mit dem Bau beauftragten Fabrikanten Werbematerial heraus, um die Maschine in der Öffentlichkeit bekannt zu machen. Möglicherweise haben diese Prospekte auch dazu geführt, dass die Informationen über die Lenoir’sche Maschine den Mann erreichten, dessen Name an vorderster Stelle mit der Geschichte des Verbrennungsmotors verbunden ist. Nikolaus August Otto (1832-1891) dessen Geburtsort in der Nähe von Wiesbaden (Holzhausen) lag, hatte mit 19 Jahren seine Kaufmannslehre mit gutem Erfolg abgeschlossen. Nach wenigen Jahren, in denen er praktische Erfahrung in seinem Beruf sammelte, bereiste er fast ganz Westdeutschland und besuchte eine meist ländliche Kundschaft. Deren Suche nach einer Kraftmaschine, welche die viele Handarbeit erleichtern sollte, war Otto daher wohlbekannt. Auch hatte er oft genug Klagen gehört über die Unzulänglichkeiten der Dampfmaschine in Bezug auf die Bedürfnisse kleinerer Betriebe. Aus diesem Grunde beschloss er mit seinem Bruder Wilhelm die Maschine des Lenoir zu verbessern und für den Betrieb mit Spiritus einzurichten. Er begann sogleich damit einen Spiritusvergaser zu konstruieren, der aber leider nicht erhalten blieb. Es ist möglich, dass Otto diesen nicht länger aufhob, nachdem ihm die Patentierung versagt worden war. Der Besitz eines kleinen Vermögens das ihm seine Mutter hinterließ, erleichterte ihm den beruflichen Umstieg, den er aber erst im Alter von etwa 30 Jahren endgültig vollzog. Dass sein Bruder Wilhelm sich bereits nach den anfänglichen Misserfolgen wieder zurückzog, hinderte Nikolaus August Otto nicht, den einmal eingeschlagenen Weg weiterzubeschreiten. So ließ er sich von dem Kölner Feinmechaniker M.J. Zons einen kleineren Lenoir’schen Motor nachbauen. Diesen schaffte er zu einer eigens dafür angemieteten Werkstätte und begann sofort damit zu experimentieren. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse verwertete er auch sogleich bei der Entwicklung eines gänzlich neuen Motorenprinzips. Obwohl er sehr zuversichtlich mit dem Bau begann, folgte schnell eine Phase der Verzweiflung, denn die Experimente führten am Ende zur Zerstörung seines Versuchsmotors. Noch in den 80er Jahren plagten ihn Erinnerungen an die heftigen Verbrennungsstöße, welche die Ursache für die entmutigenden Rückschläge gewesen waren. Von dem Motor selbst ist kein einziges Teil erhalten geblieben, auch später haben sich keine der Originalskizzen oder Pläne aus dieser Zeit mehr finden lassen. Einige der Erkenntnisse aus den Jahren 1860-1862 hat er in privaten Briefen erwähnt, vieles davon hat er in seinen späteren schriftlichen Erinnerungen noch nachträglich zu dokumentieren versucht. Obwohl er bei seinen Experimenten, über die er in einem Brief an seine Braut (Anna Gossi, geb. 2.10.1839 in Wallerfangen, Saar—gest. 16.12.1914) nach Köln schrieb, auch „beglückende“ Erkenntnisse gewann: 1)„und siehe da, das Schwungrad machte dann mit großer Kraft mehrere Umdrehungen“, so hatte er doch anscheinend große Schwierigkeiten, den richtigen Zündpunkt und Füllungsgrad für seinen Motor zu finden. Es muss sehr frustrierend für ihn gewesen sein, den fremden Motor (zwar unvollkommen) arbeiten zu sehen, jedoch das ihm vorschwebende, bessere Funktionsprinzip an seinem Versuchsgerät nicht umsetzen zu können. So musste er leider erkennen, dass sich die letzten Geheimnisse für ihn (noch) nicht lösen ließen. Die Angst vor der selbst erfahrenen Zerstörungskraft seiner Maschine bringt ihn erst einmal dazu in den Sektor der „atmosphärischen“ Motoren hinüber zu wechseln. Eine 1863 erbaute Maschine erfährt im Ausland und in den deutschen Ländern Patentschutz. Nur die Kommission Preußens versagt ihm diesen vorerst (bis 21.April 1866) mit der höchst eigenartigen Begründung, dass sein angemeldetes Verfahren bei älteren „atmosphärischen Dampfmaschinen“ bereits angewendet worden sei. Wohl gemerkt, den Vergleich mit einer Dampfmaschine fand die Fachkommission statthaft. Auch, dass es vorher bereits funktionierende Gasmotoren gegeben hatte, könnte ihr unbekannt geblieben sein. Heute nimmt man aber an, dass zumindest Otto von einer anderen atmosphärischen Maschine wusste, die zwei italienische Erfinder mit Namen Barsanti und Matteucci entwickelt hatten. Der Erfolg damit war den beiden allerdings versagt geblieben. Als sein kleines Vermögen fast aufgebraucht war kam Otto glücklicherweise mit Eugen Langen (1833-1895) zusammen, dem Sohn einer angesehenen Kölner Fabrikantenfamilie. Langen hatte am Karlsruher Polytechnikum studiert und bereits mit Heißluftmotoren Erfahrungen gesammelt. Schon durch die Familientradition war ihm der technische Fortschritt ein ernstes Anliegen. Daher hatte er auch sein Augenmerk auf die sich abzeichnenden Anfänge des Verbrennungsmotorenbaues gerichtet. Als Langen 1864 von Ottos Motor erfuhr, suchte er den Erfinder in seiner kürzlich innerhalb Kölns neu bezogenen Werkstätte auf. Nach wenigen Wochen schlossen beide einen Gesellschaftervertrag, der zum Beginn einer fruchtbaren und freundschaftlichen Geschäftsverbindung werden sollte. Otto und Langen verbesserten gemeinsam den atmosphärischen Motor und gestalteten dies so überzeugend, dass sie ihn auf der Pariser Weltausstellung 1867 präsentierten konnten, wo er die höchste Auszeichnung, den „Grand Prix“ erhielt. Allerdings soll der Motor (Bild 6) unter den 14 anderen Maschinen der meist französischen Mitbewerber anfangs eher durch ein unangenehmes Geräusch aufgefallen sein, welches seine Steuerung hervorrief. Erst der Protest des preußischen Vertreters Franz Reuleaux führte zu einer Verbrauchsmessung bei der Ottos Motor so gut abschnitt, dass die Kontrolleure nach einer versteckten Gasleitung suchten. Sie konnten nicht glauben, dass der deutsche Motor weniger als die Hälfte an Gas verbrauchen sollte als die anderen Maschinen. Der Erfolg auf der Pariser Weltausstellung konnte aber nicht sofort in gutes Geld umgemünzt werden. Die Vorbereitungen zur Präsentation und die gesamten Kosten für den Bau und die Umrüstung des Motors, hatten die Einlagen der beiden Gesellschafter Otto und Langen dahinschwinden lassen. Nach einer kurzzeitigen Neufirmierung mit einem weiteren Partner, der während seiner kurzen Verweilzeit in der neuen Firma unter „Langen, Otto & Roosen“ die Firmenfinanzen ordnete, entstand im Jahre 1872 eine neue Gesellschaft mit dem Namen „Gasmotoren-Fabrik Deutz AG“. An dieser erhielt Eugen Langen mit der Hilfe seiner Familie 66,6% Anteile. Emil (1809-1889) und Valentin (1837-1909) Vater und Sohn Pfeifer, die auch gleichzeitig seine Partner in einer Zuckerfabrik waren, erkauften die Anrechte auf das verbleibende Drittel. Dabei betrug das in die Gesellschaft eingezahlte Gesamtkapital 300.000 Taler. Otto selbst erhielt einen langfristigen Anstellungsvertrag mit ansehnlicher Vergütung und dem verbrieften Recht, Aktien der Firma in einer festgelegten Höhe von den anderen Gesellschaftern (pari) erwerben zu können. Die nun stark anwachsende Produktion veranlasste Langen, für den Werkstattbetrieb Gottlieb Daimler (1834-1900) einzustellen, der sich bereits einen ausgezeichneten Ruf als weitsichtiger Betriebsleiter und Organisator erworben hatte. Der wiederum brachte Wilhelm Maybach (1846-1929) nach Deutz mit. Dieser war mit 21 Jahren Daimler begegnet, der seine Technik-Genialität erkannte und ihn seitdem protegierte. Sein exzellentes Wissen hatte sich Maybach größtenteils im Selbststudium erworben. Der ideenreiche Mann begleitete Daimler auch auf seinem späteren Weg und hat in dessen Namen und Auftrag viele weit reichende Entwicklungen, Detaillösungen und Verbesserungen zustande gebracht. Hier in Deutz sollte es Daimlers und Maybachs erste Aufgabe sein, Ottos atmosphärischen Motor unter produktionstechnischer Sicht umzuarbeiten, so dass eine lohnende Serienfertigung zu erreichen war. Im Laufe des gesamten Verkaufszeitraums bis ins Jahr 1883 konnte die Deutzer Fabrik 2650 Stück absetzen, wobei der Motor von einer anfänglichen Leistung von 1/2 PS nur bis zu einer oberen Grenze von 3 PS weiterentwickelt werden konnte. Das leisteten allerdings auch Heißluftmotoren die, zumindest eine Zeit lang, eine ernste Konkurrenz zu werden drohten. Sie konnten eine Leistung von ca. 8 PS erreichen. Außerdem hatten sie den Vorteil, dass sie in einfachster Weise aufzustellen und mit Holz oder Kohle zu betreiben waren, beides Brennmaterialien die leicht beschafft werden konnten. Das Geschäft der aufstrebenden Deutzer Firma geriet daher Mitte des Jahres 1875 ins Stocken, die Bestellungen waren zurückgegangen. Doch die Rettung war bereits nahe gerückt. |
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| – Ende 1. Teil – | ||||||||||||
| Dieter Schmidt |
Historischer Verein
Stadt Neunkirchen e.V.
