Prosper L’Orange und der moderne Dieselmotor

Vom Schiff auf die Straße
Erst nach 1920 wird der Dieselmotor reif sein für den Schritt vom stationären Einsatz und der Verwendung als Schiffsantrieb zum Einbau im Automobil. Die ingenieurwissenschaftliche Leistung, die hinter dieser Entwicklung steckt, verdankt die Dieselmaschine vor allem Prosper L’Orange. Der Ingenieur arbeitet seit 1908 bei Benz & Cie. In Mannheim widmet er sich der Umsetzung von Rudolf Diesels Traum, dem schnelllaufenden, kompakten Dieselmotor als Automobilantrieb. L’O range entwickelt dazu die Vorkammereinspritzung, die Trichter-Vorkammer, die Nadel-Einspritzdüse und die regelbare Einspritzpumpe – Meilensteine auf dem Weg des Selbstzünders in das Automobil und gleichzeitig die Grundlage für die ersten Fahrzeug-Dieselmotoren.
Ein Leben für die Motorentechnik
Prosper L’Orange wird am 1. Februar 1876 in Beirut, Osmanisches Reich, geboren. Ab 1890 wächst er in Deutschland auf. Der Junge ist von der Technik der Verbrennungsmotoren begeistert und entschließt sich, an der Technischen Hochschule in Berlin-Charlottenburg zu studieren. Er legt sein Diplom mit Auszeichnung ab und wird Assistent bei Geheimrat Emil Josse im Wärmetechnischen Laboratorium der TH.
L’Orange wechselt zur Gasmotorenfabrik Deutz, wo er 1906 die Versuchsabteilung leitet. Hier arbeitet er vor allem an einer Variante des Dieselmotors ohne Kompressor für die Lufteinblasung des Dieselöls. Damit will er das Prinzip dieser Verbrennungsmaschine auf kleinere Motoren übertragen: Kompakte Aggregate mit rund 26 kW (35 PS) Leistung wären ideale Antriebe für Automobile. Allerdings muss dem Motor dazu seine „Zügellosigkeit der Brennstoffeinführung“ ausgetrieben werden, erkennt L’Orange. Er will eine Lösung entwickeln, mit der die Kraftstoffzerstäubung und damit die Verbrennung genauer als bisher zu regeln sind.
Ähnliche Projekte verfolgen auch andere Ingenieure, doch Prosper L’Orange schlägt mit seiner Einspritzpumpe den zukunftsweisenden Weg ein. Dieses präzise anzusteuernde Instrument fördert den Kraftstoff mit einem Druck von etwa 50 bar in den Brennraum. Um die Durchmischung von komprimierter Luft und Treibstoff-Sprühnebel zu verbessern, wendet sich der Ingenieur als nächstes der Form des Kompressionsraums zu: 1908 reicht L’Orange ein Patent auf die sogenannte Nachkammer ein, einen Vorraum des Zylinders, in dem sich Luft und Treibstoff verwirbeln können. Die ungekühlte, kugelförmige Kammer liegt dem Brennraum gegenüber, dazwischen sind Ein- und Auslassventile angeordnet. Nach dem Einspritzen des Kraftstoffs entzündet sich eine kleine Menge Diesel in der Nachkammer, das sorgt für eine gute Verwirbelung des restlichen Öls in der komprimierten Luft des eigentlichen Brennraums. Gegenüber der bisher üblichen Lösung mit Kompressor-Einblasung des zerstäubten Treibstoffs fällt L’Oranges neuer Motor mit Einspritzpumpe und Nachkammer deutlich kompakter aus. Noch immer sind die Dieselmotoren aus Deutz aber zu schwer für den Einbau in Fahrzeuge.
Erst nach seinem Wechsel zu Benz & Cie. in Mannheim entwickelt Prosper L’Orange von 1908 bis 1922 mit einer Reihe von Innovationen den schweren Ölmotor zum schnelllaufenden Fahrzeugantrieb weiter. Die wichtigsten Verbesserungen des Konstrukteurs in dieser Epoche sind das Vorkammerprinzip, die Trichter-Vorkammer, die Nadel-Einspritzdüse und schließlich die regelbare Einspritzpumpe. Allerdings scheidet der Ingenieur 1922, noch vor der Vorstellung des ersten Diesel-Lkw, bei Benz & Cie. aus. L’Orange wird Leiter der aus dem Stationärmotorenbau bei Benz & Cie. hervorgegangenen Motoren-Werke Mannheim (MWM). Ab 1926 arbeitet er als selbstständiger Ingenieur und übernimmt 1927 die Leitung der REF-Apparatebau GmbH in Stuttgart-Feuerbach. 1932 jedoch geht REF-Apparatebau in Konkurs. Prosper L’Oranges Sohn Rudolf gründet im September 1933 die Gebrüder L’Orange Motorzubehör GmbH, heute ein Unternehmen der Tognum-Gruppe. Sein Vater wird 1939 für sein Lebenswerk mit der Ehrendoktorwürde der Technischen Hochschule Karlsruhe ausgezeichnet. Prosper L’Orange, der Wegbereiter des modernen Dieselmotors, stirbt am 30. Juli 1939 in Stuttgart.
1909 – Die Vorkammer
1908 wird Prosper L’Orange bei Benz & Cie. als Leiter des Motorenversuchs eingestellt. In Mannheim will der Ingenieur wie schon bei Deutz vor allem das Dieselprinzip weiter verbessern. Mit seinem Nachkammer-Diesel hat er bereits einen ersten Schritt hin zur Unterteilung von Gemischbildung und Brennraum unternommen. Jetzt experimentiert er an einer Verbesserung dieser Form des Zylinderkopfs. L’Orange konstruiert dazu für seine Arbeiten einen Versuchsmotor, der sich mit verschiedenen Zylinderköpfen ausrüsten lässt.
An dieser Maschine probiert er auch eine Variante aus, bei der zwischen Einspritzdüse und dem zylindrischen Verbrennungsraum eine halbkugelförmige Kammer angeordnet ist. In diesem Raum, der rund 20 Prozent des gesamten Zylindervolumens einnimmt, verbrennt nach der Einspritzung ein kleiner Teil des Dieseltreibstoffs aufgrund des Kontakts mit der heißen Kammerwand. Dabei entsteht in der Vorkammer ein extrem hoher Druck, der das übrige Luft-Diesel-Gemisch in den Zylinder hineintreibt und dort für eine sehr gute Verwirbelung mit der verdichteten Ansaugluft sorgt. Druck und Vermischung ermöglichen eine schnelle Verbrennung mit hohen Temperaturen. So sind mit dem Vorkammer-Diesel deutlich höhere Umdrehungszahlen möglich als mit älteren Formen des Selbstzünders.
Bei einem ersten Probelauf erweist sich der Vorkammer-Diesel als robust, zuverlässig und vor allem sparsam. Der Motor stellt seinen Entwickler zwar weiterhin vor Probleme. Nicht zuletzt ist die Maschine noch immer zu groß, um in ein Automobil eingebaut werden zu können. Aber Prosper L’Orange weiß seine Arbeit auf dem richtigen Weg: Am 14. März 1909 reicht er das Vorkammer-System als Patent ein (DRP 230 517). Sein Erfolg wird von Benz & Cie. honoriert, L’Orange erhält 1910 die Stellung eines Prokuristen im Stationärmotorenbau.
1919 – Trichter-Vorkammer, Nadel-Einspritzdüse und regelbare Einspritzpumpe
Der Erste Weltkrieg stoppt die weitere Entwicklung der Dieseltechnik bei Benz & Cie., 1915 geben die Mannheimer das Vorkammer-Patent sogar ganz auf. Als L’Orange nach Kriegsende die Arbeit an einem modernen Dieselmotor wieder aufnimmt, besinnt er sich denn auch nicht allein auf seine eigenen Vorarbeiten, sondern untersucht auch andere neue Konzepte. Unter anderem stößt er auf den schwedischen Ellwe-Diesel mit Halbkugel-Vorkammer und Bohrungen als Verbindung zum Verbrennungsraum. Angespornt durch die Konkurrenzentwicklung, verbessert L’Orange seine eigene Vorkammer weiter. Mit einem trichterförmigen Einsatz zwischen Vorkammer und Brennraum verändert er ihre Form, um eine sichere Zündung und eine gute Verbrennung unter verschiedenen Belastungen zu erreichen. Unter anderem verbessert die neue Form das Verdampfen des Dieselöls und senkt die Gefahr von Verkokungen. Diese Modifikation meldet er am 18. März 1919 zum Patent an (DRP 397 142). Parallel arbeitet der Ingenieur an einer neuen Einspritzdüse, die deutlich besser funktioniert als frühere Varianten. Diese Nadel-Einspritzdüse stellt Prosper L’O range ebenfalls 1919 vor.
1921 folgt eine regelbare Einspritzpumpe für den Dieselmotor, deren Fördermenge sich stufenlos verändern lässt. Damit kann der Ingenieur die Leistungsabgabe des Motors endlich so präzise regeln, wie es der Einsatz in Automobilen verlangt. Der erste Einbau eines schnelllaufenden Dieselaggregats in ein Fahrzeug ist nun absehbar.
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    Wegbereiter des Diesels: Prosper L’Orange (1876 bis 1939).
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    Benz & Cie. läßt die von Prosper L´Orange entwickelte "Verbrennungskraftmaschine mit Zündkammer" patentrechtlich schützen. Erst dieses sogenannte "Trichterpatent" DRP 397142 vom 18. März 1919 ermöglicht die praktische Umsetzung des schnellaufenden Dieselmotors. Durch entsprechende Bemessung der Breite (d) des Kragenrandes, mit welcher dieser sich gegen die vom Kühlwasser berührte Wand (e) legt, konnte die Temperatur des Zündeinsatzes (c) auf richtiger Höhe gehalten werden, so daß die Vorkammerbohrungen sich nicht mehr durch Ölkoks verstopften. Brennstoffventil (a); Vorkammer (b); Glühspirale zum Anwärmen der Vorkammer (f).
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