Diesels radikale Vision: Warum der Erfinder alle Motoren seiner Zeit für „prinzipiell falsch“ hielt – Der Weg zum Dieselmotor

Diesels radikale Vision: Warum der Erfinder alle Motoren seiner Zeit für „prinzipiell falsch“ hielt – Der Weg zum Dieselmotor

Quelle: Diesel, Rudolf: Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschinen und der heute bekannten Verbrennungsmotoren, Originalschrift von 1893, abgerufen über https://www.digitale-sammlungen.de/de/view/bsb11650204

Episode Transcript

(00:00):
Hallo und herzlich Willkommen. Heute schauen wir uns ein echtes
Stück Technikgeschichte mal genauer an.
Rudolf Diesels Originalschrift Theorie und Konstruktion eines
rationalen Wärmemotors von 1893 wirklich faszinierend aus der
Hochzeit der Dampfmaschine. Wir wollen heute mit ihnen
zusammen rausfinden, was Rudolf Diesel damals wirklich so im

(00:23):
Kopf hatte. Welches Problem trieb ihn denn
um und ja, wie radikal? Anders dachte er eigentlich im
Vergleich zum Stand der Technik?Quelle sind Auszüge direkt aus
seinem Buch, Wir schauen ihm sozusagen über die Schulter.
Genau, wir sind ja in einer Zeit, da dominiert die
Dampfmaschine ganz klar. Aber der Ruf nach effizienteren

(00:45):
Antrieben, flexibleren Antrieben, der wird lauter.
Und da kommt Diesel mit einer ziemlich, na, ja, provokanten
Aussage. Und zwar.
Er sagt alle bisherigen Motoren,also Dampfmaschinen,
heißluftmotoren, ja auch die damaligen Gasmotoren, die seien
im Grunde prinzipiell falsch konstruiert.

(01:05):
Aber er liefert nicht nur Kritik, sondern eine komplett
neue Theorie. Und den Entwurf für einen Motor,
der genau darauf basiert. Prinzipiell falsch.
Puh, das ist schon ne Ansage. OK, packen wir das doch mal aus.
Was genau war denn sein Hauptkritikpunkt an den Motoren
seiner Zeit? Das klingt ja nach ner
Generalabrechnung. Es ging ihm vor allem um die ja

(01:26):
miserable Energieausnutzung, also die geringe Effizienz und
die Art, wie die Verbrennung stattfand.
Bei den Gasmotoren und auch bei sogenannten Feuerluftmaschinen.
Das waren Motoren, die heiße Verbrennungsgase direkt nutzten,
aber nach anderen Prinzipien arbeiteten.
Da kritisierte er zum Beispiel, dass die Verbrennung extrem hohe
Spitzentemperaturen erzeugte, sehr, sehr heiß, OK, und diese

(01:50):
hohen Temperaturen, die zwangen die Konstrukteure aber zu
aufwendiger Kühlung der Zylinder, meistens mit Wasser.
Her. Und diese Kühlung, die
vernichtet natürlich einen großen Teil der wertvollen
Wärmeenergie, bevor sie überhaupt in Arbeit umgewandelt
werden kann. Er sah darin einen fundamentalen
Konstruktionsfehler, ein Problemim Kern des Arbeitsprozesses
sozusagen. Also Hitze erzeugen, nur um sie

(02:12):
dann gleich wieder abzuführen. Das klingt tatsächlich nicht
sehr clever. Was war denn seine revolutionäre
Gegenidee? Er spricht ja von
Grundbedingungen einer vollkommenen Verbrennung.
Ja, das ist der Kern seiner Überlegung, und es sind im
Grunde 3 Punkte, die wirklich einen radikalen Bruch mit allem
bisherigen darstellten. Erstens die höchste Temperatur

(02:34):
im Motorprozess soll nicht durchdie Verbrennung selbst
entstehen, sondern schon davor erreicht werden.
Davor. Wie allein durch das mechanische
Zusammenpressen, also die Kompression von Reiner.
Luft, Moment mal. Die Hitze soll also allein durch
Druck entstehen, bevor überhauptBrennstoff ins Spiel kommt?
Das ist ja völlig anders als beieiner Dampfmaschine oder einem

(02:56):
damaligen Gasmotor. Und der zweite Punkt?
Zweitens, der Brennstoff soll dann erst zugeführt werden, wenn
der Kolben sich schon wieder nach außen bewegt, also während
der Expansionsphase. Und das nicht auf einen Schlag,
sondern ein wenig Schritt für Schritt, idealerweise so
gesteuert, dass die Temperatur dabei konstant bleibt.

(03:17):
Er nennt das eine isotherme Verbrennung, also Verbrennung
bei gleichbleibender Temperatur.Isotherm okay.
Keine plötzliche Explosion wie bei den Ottomotoren, sondern
eine kontrollierte, sanfte Wärmezufuhr während der
Arbeitstaktausdehnung. Kontrollierte Verbrennung bei
konstanter Temperatur. Verstehe.
Und der dritte Punkt? Da war doch was mit sehr viel

(03:38):
Luft. Und das ist vielleicht
derüberraschendste.es soll ein gewaltiger Luftüberschuss
verwendet werden, ein riesiger Überschuss Diesel rechnet da mit
Verhältnissen von 100 Kilogramm Luft pro Kilogramm Brennstoff,
vielleicht sogar noch mehr. 100 Kilo.
Ja. Zum Vergleich für die reine

(04:00):
chemische Verbrennung von einem Kilo Kohlenstoff, da bräuchte
man theoretisch nur etwa 11,5 Kilo Luft.
Er will also fast das Zehnfache.100 Kilo Luft für ein Kilo
Brennstoff, das klingt erst mal nach Ballast.
Warum war dieser riesige Luftüberschuss so entscheidend
für seine Idee? Das hatte 2 Gründe.

(04:21):
Zum einen ein eher praktischer Punkt für die Theorie, es
vereinfacht die Berechnungen enorm.
Wenn man so viel überschüssige Luft hat, dann ändern sich die
Eigenschaften des Arbeitsgases durch die Verbrennung kaum.
Man kann also einfach mit den bekannten physikalischen Werten
für Luft rechnen. OK, das leuchtet ein.
Aber der Hauptgrund? Viel wichtiger aber, und das war

(04:43):
die geniale Idee, diese riesige Luftmenge wirkt halt wie ein
interner Schwamm für die Verbrennungswärme.
Sie nimmt die Energie auf, ohne sich selbst extrem stark zu
erhitzen. Ah, ich verstehe die Luft selbst
kühlt sozusagen den Prozess von innen.
Exakt die Temperatur bleibt dadurch in einem Bereich, der
für die Materialien des Motors, Zylinder, Kolben und auch für

(05:06):
die Schmierung beherrschbar ist,und zwar ohne die Notwendigkeit
einer externen Wasserkühlung. Das war revolutionär.
Keine externe Kühlung. Genau.
Denn damit vermeidet er die riesigen Energieverluste, die
bei den damaligen Motoren durch das Kühlwasser entstanden.
Keine externe Kühlung das war einer der Schlüssel zur
erhofften hohen Effizienz. OK, keine Kühlung, Hitze durch

(05:29):
Druck kontrollierte Verbrennung.Hier wird es wirklich
interessant. Wie hat sich Diesel denn diesen
theoretisch perfekten Motor seinen Idealprozess nun genau
vorgestellt, diesen Prozess mit der isothermen Verbrennung?
Ja, sein Idealprozess, den er Prozess v nennt.
Und der war theoretisch brillant, aber eben auch extrem

(05:50):
anspruchsvoll. Er erforderte nämlich ungeheuer
hohe Drücke. Wie hoch?
Diesel spricht von Berechnungen,die auf 200 bis 300 Atmosphären
Spitzendruck Hinausliefen. 300 Atmosphären.
Wow. In einem konkreten
Rechenbeispiel um eine Maximaltemperatur von 800 Grad
Celsius zu erreichen. Kommt er auf einen nötigen

(06:13):
Kompressionsdruck von 250 Atmosphären?
250, Atmosphären, Wahnsinn, das ist ja fast der Druck in
zweieinhalb Kilometern Wassertiefe für die Technik um
1890 muss das doch astronomisch geklungen haben, wie sollte
dieser Prozess denn genau ablaufen?
Also der theoretische Ablauf warso gedacht.
Zuerst wird reine Luft adiabatisch komprimiert.

(06:37):
Adiabatisch heißt. Adiabatisch heißt, der Zylinder
ist perfekt isoliert, es findet kein Wärmeaustausch mit der
Umgebung statt, die Luft wird also allein durch das schnelle
Zusammenpressen erhitzt, auf diegewünschte hohe Zieltemperatur
sagen wir 800 Grad Celsius, dannwährend der Kolben sich wieder
nach außen bewegt, also expandiert, wird der Brennstoff

(06:59):
fein verteilt eingespritzt. Und zwar genauso dosiert, dass
die Temperatur im Zylinder konstant bei diesen 800 Grad
bleibt. Das ist die Isotherme
Verbrennungsphase. OK, konstant 800 Grad während
der Verbrennung. Richtig.
Und nachdem der Brennstoff zugeführt ist, lässt man die
heißen Gase weiter Adiabatisch expandieren, also wieder ohne

(07:21):
Wärmeaustausch, bis sie fast aufUmgebungsdruck und Temperatur
abgekühlt sind. So wird die Wärmeenergie maximal
in Arbeit umgewandelt. Das klingt nach einer
Thermodynamisch unglaublich eleganten Idee, wirklich clever
und die Effizienz, was hat er daerwartet?
Theoretisch sensationell. Diesel berechnete für diesen
Idealprozess einen Wirkungsgrad von über 70%.

(07:45):
Über 70%. Ja, das kam dem damals
bekannten, theoretisch maximal möglichen Wirkungsgrad nach
Carnot schon sehr nahe. Und war weit jenseits von dem,
was Dampfmaschinen, vielleicht 1015% oder Gasmotoren so um die
20% erreichten. Über 70% aber wie um alles in
der Welt wollte er das praktischbauen?

(08:06):
Hatte er dafür schon konkrete Vorstellungen, gerade bei diesen
irren drücken? Ja, erstaunlicherweise schon.
Er hat in seiner Schrift bereitsKonstruktionsdetails skizziert.
Ziemlich detailliert sogar. Oft dachte er an mehrzylindrige
Motoren, damit die Kraftabgabe gleichmäßiger ist.
Macht Sinn. Für die extremen Drücke schlug
er sogenannte Plangerkolben vor.Plungerkolben was ist das?

(08:28):
Das kann man sich vorstellen wiemassive Stempel, ähnlich wie bei
hydraulischen Pressen. Die laufen ohne Kolbenringe
direkt im Zylinder und werden eventuell durch eine Flüssigkeit
abgedichtet, sehr robust. Er beschrieb auch schon
Einspritzdüsen. Die den Brennstoff sehr fein
zerstäuben sollten. Und als Brennstoff.
Ursprünglich hatte er dabei vor allem an Kohlenstaub gedacht.

(08:50):
Der war ja damals reichlich verfügbar, aber er erwähnte
ausdrücklich auch flüssige Brennstoffe wie Petroleum oder
Gas. War da also schon flexibel.
Und das wirklich alles ohne externe Kühlung, nur durch
diesen Riesen luftüberschuss. Das war sein erklärtes Ziel.
Ja, der gewaltige Luftüberschusssollte die Temperaturen intern
niedrig genug halten. Er hat sich sogar schon Gedanken

(09:13):
über die praktischen Probleme gemacht.
Was passiert mit der Asche vom Kohlenstaub?
Gute Frage. Seine Antwort?
Die ist so fein, die wird einfach mit den Abgasen
rausgeblasen. Ah okay.
Läuft der Motor ruhig? Ja, meinte er, weil es keine
Explosionen gibt, sondern eine sanfte Verbrennung.
Läuft also stoßfrei. Und die Schmierung bei der

(09:35):
Hitze? Auch da hatte er Ideen.
Unter anderem half wohl die Plungerkonstruktion, die heißen
Teile vom eigentlichen Schmiermechanismus fernzuhalten.
Interessant ist auch, er rechnete die nötige
Zylindergröße für eine 100 PS Maschine aus und kam zu dem
Ergebnis, dass sie verglichen mit den riesigen hallenfüllenden
Dampfmaschinen der Zeit erstaunlich kompakt sein könnte.

(09:57):
Trotzdem diese 250 Atmosphären. Das klingt nach einer gewaltigen
technischen Hürde für 1893 war ihm klar, dass das vielleicht,
na ja, zu ambitioniert war. Sah er auch einen, sagen wir
mal, pragmatischeren Weg vor? Ein Kompromiss?
Ja, das hat er durchaus, und dasist wichtig für das Verständnis,

(10:18):
wie der Dieselmotor später Realität wurde.
Er beschrieb das als die erste Abweichung vom vollkommenen
Idealprozess die Idee hier? Man verzichtet auf die
komplizierte isotherme Phase während der Kompression.
Die hätte beim Idealprozess sogar noch eine
Wassereinspritzung zur Kühlung während des Komprimierens
erfordert, um die Temperatur nicht zu schnell ansteigen zu

(10:39):
lassen. Wassereinspritzung beim
Komprimieren OK, das klingt wirklich kompliziert.
Ja, stattdessen komprimiert man die Luft einfach adiabatisch,
also ohne Wärmeaustausch und ohne diese Wassereinspritzung,
bis die gewünschte Zündtemperatur erreicht ist.
Und. Was brachte das für Vorteile
außer der Vereinfachung? Der entscheidende Vorteil war
der Druck. Man erreicht dieselbe hohe

(11:01):
Zieltemperatur in seinem Beispiel wieder 800 Grad
Celsius, aber bei einem deutlichdeutlich niedrigeren
Maximaldruck. Deutlich niedriger heißt.
Statt der extremen 250 Atmosphären rechnete er vor.
Wären dann nur noch etwa 90 Atmosphären nötig?
90 statt 250 das ist ein Riesenunterschied.
Absolut. Das war zwar immer noch viel für

(11:22):
die damalige Zeit, keine Frage, aber technisch wesentlich
realistischer, besser beherrschbar.
Gab es dabei auch Nachteile? Einen Preis für diesen
Kompromiss? Ja klar, die theoretische
Effizienz sinkt ein wenig. In seinem Rechenbeispiel fiel
sie von den idealen 73% auf immer noch sehr beeindruckende
71%. Also nur 2 Prozentpunkte

(11:43):
weniger. Genau ein minimaler Verlust an
Wirkungsgrad, wenn man so will. Außerdem sind die Abgase am Ende
etwas heißer als beim Idealprozess, aber der Gewinn an
Einfachheit und Machbarkeit war enorm, kein kompliziertes
Einspritzwasser mehr während derKompression nötig, geringere
Drücke, leichtere Konstruktion. Diesel selbst erkannte das als

(12:05):
einen sehr vielversprechenden Weg für die praktische Umsetzung
seines Motors. Und hat er diesen
pragmatischeren Ansatz auch für verschiedene Brennstoffe
durchdacht sowie den Idealprozess?
Absolut. Er beschrieb auch für diesen
abweichenden Prozess Konstruktionsvarianten eine für
feste Brennstoffe wie Kohlenstaub, dann eine sehr

(12:26):
detaillierte Variante für flüssige Brennstoffe.
Hier entwarf er sogar einen kompletten Viertaktmotor für
Petroleum. Inklusive Überlegungen zur
Temperaturverteilung im Zylinderund so weiter und schließlich
ging er auch auf gasförmige Brennstoffe ein, hatte sogar die
Idee, einen einfachen Apparat zur Vergasung von Kohle direkt
an den Motor anzubauen. Er war da also sehr flexibel im

(12:48):
Denken. Es gab also den Idealprozess und
diese erste pragmatischere Abweichung hatte er noch weitere
Vereinfachungen im Sinn, vielleicht um den Motor noch
kleiner zu bauen? Ja, das nannte er die zweite
Abweichung, die unvollständige Expansion.
Unvollständige Expansion. Genau.
Die Idee ist, den Kolben nicht bis zum maximal möglichen

(13:10):
Volumen expandieren zu lassen, also die Gase nicht bis auf
Atmosphärendruck zu entspannen, sondern die Expansion vorher
abzubrechen und die Gase mit etwas restdruck auszustoßen.
Das ist ja spannend. Er hatte also diese große.
Fast philosophische Vision vom perfekten thermodynamischen
Motor und gleichzeitig einen sehr klaren Blick für die

(13:33):
praktischen Schritte und Kompromisse auf dem Weg dorthin.
Wo hat er denn das Potenzial fürseinen Motor gesehen, für welche
Anwendungsgebiete war der gedacht?
Überall, also wirklich. Er war da unglaublich
optimistisch und weitsichtig, das spürt man richtig beim
Lesen, natürlich in der Großindustrie als Ersatz für
Dampfmaschinen, klar. Aber er betonte besonders das

(13:53):
Potenzial für die Kleinindustrieund das Handwerk.
Interessant. Seine Idee Dezentralisierung der
Kraftversorgung Weg von den riesigen zentralen
Dampfkraftwerken, hinzu vielen kleinen unabhängigen Motoren,
die direkt vor Ort arbeiten, daswar für die damalige Zeit ein
sehr moderner Gedanke. Dezentrale Energie ja, das

(14:13):
klingt modern und darüber hinaussicher auch im Transportwesen.
Ja, unbedingt Lokomotiven. Er träumte von leistungsfähigen,
effizienten Lokomotiven und entwarf sogar ein ziemlich
futuristisches Bahnsystem. Einzeln angetriebene Wagen auf
separaten Spuren, um Zusammenstöße zu vermeiden.

(14:36):
Eine faszinierende Vision. Klingt fast nach Science Fiction
für die Zeit. Absolut dann natürlich
Straßenbahnen und Fuhrwerke, also frühe Formen von
Automobilen oder Lastwagen und Schiffe.
Gerade auf Schiffen sah er enorme Vorteile, durch die Platz
und Brennstoffersparnis im Vergleich zu den riesigen

(14:57):
Dampfkesselanlagen. Das ist ja eine enorme
Bandbreite. Gab es noch speziellere Ideen?
Oh ja, er dachte sogar darüber nach, den Prozess umzukehren und
den Motor als Kältemaschine zu nutzen.
Als Kühlschrank sozusagen. Quasi ja, und der beschrieb das
Konzept einer geschlossenen Maschine.
Dabei würde die Arbeitsluft nicht nach jedem Takt

(15:19):
ausgestoßen und durch Frische ersetzt, sondern in einem
geschlossenen Kreislauf immer wieder verwendet und gekühlt.
Wozu das? Das hätte noch kompaktere
Bauweisen ermöglicht oder den Einsatz unter besonderen
Bedingungen erlaubt, zum Beispiel in U Booten oder an
Orten ohne ausreichend Frischluft.
Also wenn wir das jetzt mal zusammenfassen, er hatte diese 3
kernideen hohe Temperatur durch Kompression vor der Verbrennung.

(15:43):
Langsame, gesteuerte Verbrennungwährend der Expansion und der
massive Luftüberschuss als interne Kühlung.
Wie hat er sich damit nun ganz bewusst von allem abgegrenzt,
was es damals schon gab? Er zieht da eine ganz klare
Linie. Er erklärt wirklich detailliert,
warum die existierenden Motoren eben nicht nach seinen
Prinzipien arbeiten und auch garnicht arbeiten können.

(16:06):
Dampfmaschinen nutzen externe Verbrennung und einen ganz
anderen thermodynamischen Kreisprozess.
Klarer Fall Heißluftmotoren wie die von Ericsson oder Sterling.
Die arbeiteten zwar mit Luft, aber erhitzten und kühlten diese
auf sehr ineffiziente Weise von außen und Feuerluftmaschinen die
hatten zwar interne Verbrennung,aber arbeiteten mit viel

(16:29):
geringerem Luftüberschuss und erreichten hohe schädliche
Temperaturen im Feuerraum, was wieder externe Kühlung erzwang.
Und die Gasmotoren seiner Zeit. Die Ottomotoren, die Anwähnten.
Die waren seinem Konzept vielleicht am nächsten Jahr,
aber eben doch fundamental anders.
Die Saugten ja ein zündfähiges Gemisch aus Gas und Luft an,
komprimierten es nur mäßig und zündeten es dann

(16:50):
explosionsartig. Die klassische Zündkerze.
Genau diese Explosion führte aber zu hohen Temperatur und
Druckspitzen, erforderte eine massive Bauweise und eben wieder
starke Kühlung. Diese argumentierte seine
Methode Erstluft Hochverdichtendbis zur Zündtemperatur.
Vor dann erst den Brennstoff einspritzen und kontrolliert

(17:11):
verbrennen lassen. Die sei Thermodynamisch viel
überlegener. Interessanterweise lehnte er
auch sogenannte Regeneratoren ab.
Das sind Wärmetauscher, die die Abgaswärme nutzen, um die
angesaugte Frischluft vorzuwärmen.
Das klingt doch eigentlich sinnvoll.
Ja, das war damals eine populäreIdee zur Effizienzsteigerung.
Aber diese sagte. Für meinen Prozess sind die

(17:33):
nutzlos oder sogar schädlich. Warum das denn, weil sein Ziel
ja war, die Wärme intern durch maximale Expansion in Arbeit
umzuwandeln, sodass die Abgase idealerweise ohnehin kühl sind,
da gibt s dann nicht mehr viel Wärme zurückzugewinnen.
Eine wirklich beeindruckende Gedankenwelt, die sich da
auftut. Man merkt beim Lesen seiner

(17:54):
Schrift diesen unbedingten Willen, die Gesetze der
Thermodynamik so konsequent wie möglich in eine Maschine
umzusetzen. Eine Vision, die wirklich weit
über das hinausging, was damals üblich war.
Absolut. Und was beim Studium dieser
Originalschrift besonders klar wird, der Dieselmotor, wie er
sich dann später durchgesetzt hat und wie wir ihn im Grunde

(18:16):
heute kennen, der basiert viel stärker auf diesem
pragmatischen, abweichenden Prozess.
Also auf der rein adiabatischen Kompression, gefolgt von einer
Verbrennung, die eher bei konstantem Druck oder sogar
leicht steigendem Druck stattfindet.
Und nicht auf dem Ideal mit den 250 Atmosphären.
Genau, nicht auf dem ursprünglichen, noch radikaleren

(18:38):
Ideal der isotaren Verbrennung. Bei diesen Extremen drücken die
Realität die technische Machbarkeit hat hier eindeutig
einen Kompromiss mit der reinen Theorie erzwungen.
Und das führt uns zu einer letzten Frage, vielleicht zum
Mitnehmen für Sie. Wie oft kommt es eigentlich vor,
dass die tatsächliche Umsetzung einer brillanten Idee von der

(18:58):
ursprünglichen, vielleicht perfekten Vision abweicht?
Ist das immer ein Verlust, ein Manko, oder ist es nicht
vielleicht einfach der natürliche, ja sogar notwendige
Weg, wie technischer Fortschrittin der realen Welt funktioniert,
als ständiger Kompromiss zwischen dem Ideal und dem, was
tatsächlich machbar ist? Das war unser heutiger Blick in

(19:19):
die frühen Ideen von Rudolf Diesel.
Wir hoffen, es war spannend für sie, vielen Dank für ihr
Interesse und bis zum nächsten Mal.