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14. März 1909: Das Vorkammerprinzip wird zum Patent angemeldet

  • Zentrale Erfindung von Prosper L’Orange für den Dieselantrieb im Automobil
  • Der Ingenieur war von 1908 bis 1922 bei Benz & Cie. tätig
  • Das erste Landfahrzeug mit Dieselmotor ist der 1922 präsentierte Benz Ackerschlepper
  • Vorkammerprinzip ersetzt komplizierte Lufteinblasung
  • Gründliche Erprobung des Konzepts in Ackerschleppern und Motorpflügen
  • Enorme Steigerung der Wirtschaftlichkeit gegenüber Benzolmotoren

Der deutsche Ingenieur und Erfinder Prosper L'Orange meldet am 14. März 1909 das Vorkammerprinzip zum Patent an (DRP 230 517). Die „Vorkammer“ ebnet dem Dieselmotor den Weg von der stationären Kraftquelle hin zum mobilen Einsatz. Heute ist der Dieselmotor aufgrund aktueller Umweltbestimmungen und seiner Treibstoffökonomie aus Personenwagen und Lastwagen nicht mehr wegzudenken. Und die Daimler AG leistet mit ihren Marken immer wieder bedeutende Pionierentwicklungen auf dem Gebiet des Dieselmotors.

Prosper L’Orange (geboren 1. Februar 1876 in Beirut /Osmanisches Reich, gestorben 30. Juli 1939 in Stuttgart ) arbeitet von 1908 bis 1922 bei Benz & Cie. in Mannheim. Das Vorkammerprinzip ist zentral auf dem Weg des Dieselmotors zum kompakten, schnelllaufenden Fahrzeugantrieb: Zwischen Einspritzdüse und dem zylindrischen Verbrennungsraum ist eine halbkugelförmige Kammer angeordnet, die eine schnelle Verbrennung mit hohen Temperaturen bewirkt. So sind mit dem Vorkammer-Diesel deutlich höhere Umdrehungszahlen und damit Leistungen möglich als mit älteren Formen des Selbstzünders. Zu den weiteren epochalen Erfindungen von L’Orange gehören die Trichter-Vorkammer (1919), die Nadel-Einspritzdüse (1919) und die regelbare Einspritzpumpe (1921) – alles Meilensteine auf dem Weg des Selbstzünders in das Automobil und gleichzeitig Grundlage für die ersten Fahrzeugdieselmotoren.

Die Arbeiten L’Oranges führen zum ersten Landfahrzeug mit Dieselmotor, dem im Jahr 1922 präsentierten Benz Ackerschlepper. 1923 folgt ein Benz Lastwagen. Im gleichen Jahr zeigt auch die Daimler-Motoren-Gesellschaft einen Diesel-Lastwagen. Seitdem reißt die Reihe der Diesel-Innovationen aller Marken der Daimler AG nicht mehr ab.

1923: Grünes Licht für den Vorkammerdiesel OB 2

Den Einzug seiner Erfindung im Automobil erlebt Rudolf Diesel nicht mehr, doch hatte er die Verwendung des Dieselmotors im Fahrzeug vorausgesehen. „Es ist meine feste Überzeugung“, schreibt er noch in seinem Todesjahr 1913, „dass der Automobilmotor kommen wird, und dann betrachte ich meine Lebensaufgabe als beendet.“ Zwar hatte zu dieser Zeit der geniale Konstrukteur Prosper L’Orange bei Benz & Cie. bereits das Vorkammerprinzip entwickelt. Doch soll es noch mehr als zehn Jahre dauern, bis ein darauf basierender Lkw-Diesel das Stadium der Serienreife erlangt.

Tausend Touren Nenndrehzahl

Der Beschluss fällt am 14. April 1923 und ruft eine erste Serie des Fahrzeugdiesels vom Typ OB 2 ins Leben, die exakt zehn Einheiten umfasst. Die trockenen technischen Daten des ersten Benz’schen Fahrzeugdiesels lassen die epochale Umwälzung kaum erahnen, die damit ihren Anfang nimmt: vier Zylinder à 125 Millimeter Bohrung und 180 Millimeter Hub, 45 bis 50 PS (33 bis 37 kW) bei einer Nenndrehzahl von 1000/min. Die reicht damals locker fürs Prädikat „schnelllaufend“ und stellt eine Errungenschaft dar, hinter der emsiges Tüfteln am ursprünglich eher schwerblütigen Dieselmotor steckt.

Ein zeitweise wahres Stakkato an einschlägigen Patenten, das Benz & Cie. über die langen Jahre bis zum Serienanlauf angemeldet hatte, belegt den Dampf, mit dem die Werkstätten in Mannheim dem Fahrzeugdiesel vom Beginn der Arbeiten im Jahr 1909 an auf der Spur sind. Doch gibt es auch Zäsuren: Der Erste Weltkrieg zum Beispiel legt die Entwicklung für vier Jahre vollständig auf Eis.

Braunkohlen-Teeröl schwappt im Tank

Schnell ist der Beschluss zum Bau des OB 2 hingegen in die Tat umgesetzt. Es dauert gerade mal gut vier Monate, bis diese Aggregate gegen Ende August 1923 einbaufertig parat stehen. Und auch dann fackeln die Benz-Mannen nicht lange und bauen die Maschine flugs in Fünftonner-Kettenfahrgestelle ein. Sie starten bereits am 10. September 1923 von Gaggenau aus eine erste Versuchsfahrt in bergigem Gelände, Braunkohlen-Teeröl schwappt dabei im Tank. Und sie können danach zufrieden resümieren, der Verbrauch sei um „25 Prozent geringer als bei Benzolmotoren“.

Für damalige Ohren ist das Musik, kosten doch Betriebsstoffe wie Braunkohlen-Teeröl von vornherein weit weniger als hoch besteuertes Benzol. Besonders wählerisch ist der neue Motor OB 2 in der Wahl seines Futters ohnehin nicht. „Gasöl, Petroleum, Texas-Öl sowie gelbes oder braunes Paraffin-Öl“ führt ein Schreiben als mögliche Alternativen auf, mit dem die Direktion des Mannheimer Werks die Verkaufsstellen über den neuen Motor bereits Mitte August 1923 ins Bild gesetzt hatte.

Kraftstoffkosten um 86 Prozent gedrückt

Der Öffentlichkeit gegenüber hält sich das Werk mit der sensationellen Neuheit fürs erste aber vornehm und weise zurück. Versuchsleiter Kurt Eltze wartet bis zum 20. Dezember 1923, bevor er dem Mannheimer Bezirksverein Deutscher Ingenieure das folgende eindrucksvolle Ergebnis präsentiert: „Eine Vergleichsfahrt über 103 Kilometer hügeliges, anspruchsvolles Gelände mit voll beladenen Fünftonner-Wagen ergab unter absolut gleichen Bedingungen für den Benzolmotor-Wagen einen Gesamtverbrauch von 40,66 Kilogramm, für den Dieselwagen 29,95 Kilogramm, also eine Ersparnis an Kraftstoffgewicht von 32 Prozent, an Kraftstoffkosten von 86 Prozent.“ Die Resonanz in Fachkreisen ist ungeheuer.

Hinter diesem Durchbruch steckt allerdings eine ursprünglich ganz andere Motivation. Bereits 1909 hatte sich das Werk Mannheim zur Aufnahme des Dieselmotorenbaus entschlossen, nachdem das Diesel’sche Grundpatent von 1892 im Jahr 1907 erloschen war und sich die damaligen Diesel-Stationärmaschinen als handfeste Konkurrenz für die von Benz gebauten ortsfesten Sauggasmotoren erwiesen hatten. Prosper L’Orange als Leiter des Motorenbaus nimmt neben dem klassischen Diesel sofort auch leichte und kleine Dieselmotoren ins Visier, die sich mit Drehzahlen von ungefähr 400/min für Kleingewerbe und transportable Maschinenanlagen eignen sollten. Die Eignung des Diesels für Fahrzeuge scheint damals noch in weiter Ferne, zumal sich viele – einschließlich Rudolf Diesel selbst – erfolglos an diesem Ziel die Zähne ausgebissen hatten. Der notwendige Ersatz für das schwerfällige Lufteinblaseverfahren wollte sich partout noch nicht finden lassen.

Vorkammerprinzip als Schlüssel zum Erfolg

Hauptsächlich zwei Patente ebnen dem Diesel den Weg, der ihn am Ende ins Gaggenauer Fünftonner-Fahrgestell 5 K 3 führen wird. Bereits 1909 hatte Prosper L’Orange die zündende Idee, den Motor statt mit Lufteinblaseverfahren mit einem speziell geformten Verbrennungsraum auszustatten, der einen halbkugelförmigen Kopf aufwies – die so genannte Vorkammer ist geboren. Sie umfasst ungefähr ein Fünftel des Kompressionsraums und soll statt explosionsartiger Verbrennung (wie zum Beispiel beim von Deutz praktizierten Nachkammermotor) eine allmähliche Verbrennung sicherstellen. Schon im Sommer 1909 besteht das Verfahren eine erste Bewährungsprobe: Acht Tage und Nächte läuft das vollkommen neu konstruierte Aggregat (160 Millimeter Bohrung, 240 Millimeter Hub) anstandslos auf dem Prüfstand und bringt es auf den bemerkenswert günstigen Verbrauch von 245 Gramm Kraftstoff pro PS und Stunde.

Bis Benz zehn Jahre später das für den kommenden Fahrzeugdiesel zweite grundlegende Patent erhält, ruht die Arbeit am neuen Konzept aus mehreren Gründen. Sie muß erst einmal hinter die Neugestaltung der Abteilung Motorenbau zurücktreten, mit der Prosper L’Orange bald betraut ist. Ab 1912 sitzt L’Orange gar im Vorstand des Unternehmens. Am 4. August 1914 muss er schließlich beim Militär einrücken.

Auf den Trichter gekommen

Sofort nach Kriegsende macht sich der geniale Konstrukteur aber wieder daran, den Vorkammermotor weiterzuentwickeln. Als wichtigste Neuerung kommt dabei das so genannte Trichterpatent heraus, mit dem er den Übergang von der Vorkammer zum Hauptverbrennungsraum neu konzipiert und den bislang üblichen und ebenso schädlichen wie gefährlichen Verkokungen des Kraftstoffs den Garaus macht. Der Zündkörper ist nun so in den wassergekühlten Zylinderkopf eingesetzt, dass nur seine Innenseite von den Verbrennungsgasen berührt wird, und dient somit ausschließlich der Zerstäubung. Die Zündung selbst bewerkstelligt einzig die Verdichtung auf 35 bis 40 Atmosphären. Sinn der Übung: Dadurch arbeit der Motor „bei allen Belastungen mit sicherer Zündung und guter Verbrennung“, so der Erfinder.

Die Wege trennen sich

Im Dieselmotorenbau verzweigt sich die Entwicklung nun in zwei Richtungen. Einerseits gibt es den klassischen Zweig der Aggregate für gewerbliche Antriebe aller Art, der den Leistungsbereich von ungefähr 15 PS (11 kW) pro Zylinder umfasst und für gewöhnlich auf Drehzahlen um die 400/min fixiert ist. Zum anderen zeichnet sich der Bau von schnelllaufenden Fahrzeugdieseln für Schlepper und Lkw ab.

Benz konzentriert sich auf die Weiterentwicklung leichter und schnelllaufender Vorkammerdiesel und stößt die Abteilung „Stationärer Motorenbau“ im April 1922 ab. Deren neuer Name lautet „Motorenwerke vormals Benz, Abteilung stationärer Motorenbau AG, Mannheim“ – kurz: MWM. Ein spezieller Paragraf im Vertragswerk begrenzt das Wirken dieses neuen Unternehmens auf „betriebsfertige Motoren im Gewicht von über 25 Kilogramm pro Pferdekraft“, womit Fahrzeugdiesel für MWM tabu sind: Zu schwer bauen diese Aggregate, um für Fahrzeuge in Frage zu kommen.

Zugleich mit den stationären Motoren kommt Benz & Cie. allerdings ausgerechnet der Erfinder und stete Verfeinerer des Vorkammerprinzips abhanden: Prosper L’Orange verläßt das Haus Benz und setzt seine Karriere im Management von MWM fort. Das weitere Geschick des Vorkammermotors nimmt Benz-Oberingenieur Kurt Eltze in seine tatkräftigen Hände, wobei er allerdings gut bestellte Verhältnisse vorfindet. Denn schon kurz nach der Erteilung des Trichterpatents hatte L’Orange angeregt, den neuen Motor vorerst als billigen Hilfsmotor für Kleingewerbe und Landwirtschaft auf den Markt zu bringen. Sofort begann damals der Bau des neuen Vorkammer-Zweizylinders als Stationär- und Bootsmotor.

Ein Zweizylinder im Fahrzeugtrimm

Just nach dem Ausgliedern des Bereichs Stationärmotoren legt Benz denn auch im Juni 1922 eine erste Probeserie jenes Zweizylinders für landwirtschaftliche Zugmaschinen auf und unternimmt ausführliche Versuche, nicht nur in Traktoren, sondern auch in Lkw. 800/min beträgt dessen Nenndrehzahl, die Maße für Bohrung sowie Hub lauten 135 und 200 Millimeter. Dem Zweizylinder ist eine kleine, aber bemerkenswerte Karriere beschieden: Bereits im März 1923 befindet ihn Benz für serienreif und legt 100 Einheiten für Ackerschlepper auf. Bis Ende 1924 sind bereits 36 Exemplare dieses Zweizylinders in Traktoren und Motorpflüge eingebaut und verkauft. Gebaut wird er bis 1931, insgesamt bringt Benz & Cie. 1188 dieser Maschinen an den Mann.

Vier Zylinder für fünf Tonnen

Doch bleibt diesem Erfolg die rechte Würdigung in der Öffentlichkeit ein wenig versagt, überstrahlt der neue Lkw-Diesel von 1923 doch alles mit seinem Glanz. Unmittelbar nach dem Einschreiben der Probeserie für Schleppermotoren im Juni 1922 nimmt Benz das große Werk in Angriff und konzipert einen neuen Vierzylinder, der auf 125 Millimeter Bohrung und 180 Millimeter Hub basiert und 45 bis 50 PS (33 bis 37 kW) bei 1000 Touren leisten soll. Bereits im September 1922 läuft der erste von drei insgesamt gebauten Prototypen auf dem Prüfstand.

Ende Oktober des gleichen Jahres finden alle drei Aggregate schon den ihnen zugedachten Platz als treibende Kraft unter der Haube des Gaggenauer Fahrgestells 5 K 3, das für fünf Tonnen Nutzlast konzipiert ist und nun der Erprobung des neuen Dieselherzes dient. Dort bewährt sich der neue Motor OB 2 so gut, dass der Beschluss zur Serienfertigung bereits ein halbes Jahr später definitiv fällt.

Dass Benz & Cie. mit diesen Vorkammermotoren der große Wurf gelungen ist, bescheinigt dem Werk respektvoll später keine geringere Instanz als die Deutzer Gasmotorenfabrik, die mit der verzwickten Materie vertraut ist wie kaum ein zweites Unternehmen: „Erst das kompressorlose Dieselverfahren, also der Diesel mit luftloser Einspritzung, machte mit seiner großen Vereinfachung den Weg über das Rohöl im Wagenbetrieb frei“, lautet das Resümee einer Schrift von 1928.

Robert Bosch tritt auf den Plan

Doch soll es noch eine Weile dauern, bis sich das neue Konzept von 1923 auf breiter Front durchsetzt. Großen Anteil daran hat zum Beispiel just jene Person, die als erster Käufer eines solchen dieselgetriebenen Fünftonners bei Benz auftritt: Robert Bosch in Stuttgart ist hellhörig geworden und ordert schnurstracks am 7. Juli 1924 den neuen Fünftonner-Diesel-Lkw, den Benz schon im September liefert.

Boschs Neugier kommt nicht von ungefähr. Bereits Ende 1922 hatte er beschlossen, mit den Bau von Einspritzpumpen zu beginnen. Die fahrfertige Lieferung aus Gaggenau öffnet dem Konstrukteur in mancherlei Hinsicht die Augen: Der Benz-Diesel-Lkw habe gezeigt, so erinnerte sich Bosch später, „wie weit unsere bisherigen Arbeiten gerechtfertigt waren und welche Fehlerquellen dabei auftauchten.“ Und weiter: „Vor allem wurden wir aber ermuntert, unsere Anstrengungen fortzusetzen.“

Wovon am Ende auch der Dieselmotor selbst wiederum nicht zu knapp profitiert. Denn der große Aufschwung für den Diesel kommt erst, als Bosch die Acro-Lang-Einspritzpumpe systematisch verbessert und sich im Jahr 1927 schließlich anschickt, mit seiner neuen Bosch-Einspritzpumpe den Weltmarkt zu erobern.

Konkurrenz vom Kompagnon

Darüber hinaus ist dem Vorkammerdiesel aus Mannheim von Anfang an eine heftige Konkurrenz in Gestalt des von Berlin-Marienfelde entwickelten Lufteinblase-Diesels der Daimler-Motoren-Gesellschaft (DMG) erwachsen. Dessen Väter sind von ihrer Konstruktion genauso überzeugt wie die Benz-Mannen von ihrer Vorkammermaschine. Die DMG hatte schon früh große Erfolge bei U-Boot-Dieseln mit Lufteinblasung und sich daran gemacht, das Selbstzünderverfahren auch auf Fahrzeugmotoren zu übertragen. Bereits 1913 fertigt das Werk in Marienfelde zum Beispiel erste Dieselmotoren des Typs FM, die sich eines Druckspeicherverfahrens bedienen, das in etwa der späteren Direkteinspritzung entspricht.

Nach 1918 gehen die Marienfelder Arbeiten am Fahrzeugdiesel weiter, konzentrieren sich dann aber auf das ursprüngliche Prinzip der Drucklufteinblasung. So entsteht ein Vierzylindermotor mit 40 PS (29 kW) bei einer Drehzahl von ebenfalls 1000/min, der seine Praxistauglichkeit bereits im Jahr 1923 bei vielen Probefahrten eindrucksvoll unter Beweis stellt. Anstandslos nimmt ein solchermaßen befeuerter Daimler-Lkw beispielsweise zwischen 20. und 30. September 1923 die Strecke Berlin-Stuttgart-Berlin unter die Räder.

Heftiger Wettstreit bis 1925

Dass von beiden Systemen aber nur eines den Zuschlag auf Dauer erhalten wird, ist klar: Im Vorfeld der späteren Fusion schließen Benz & Cie. und die DMG schon am 1. Mai 1924 einen Interessen-Gemeinschaftsvertrag, der den jeweiligen eigenen konstruktiven Spielraum in Mannheim und Berlin zugunsten eines Zentral-Konstruktionsbüros stark einschränkt. Welche Richtung dort einzuschlagen sei, darüber wogen heftige Auseinandersetzungen bis ins Jahr 1925 und bremsen die Entwicklung. Bis 1926 gelangen die neuen zwei- und vierzylindrigen Fahrzeugdiesel von Benz über zweistellige Absatzzahlen nicht hinaus. Insgesamt erreichen diese bis 1928 produzierten frühen Fahrzeugdiesel aber doch die beachtliche Stückzahl von 631 Einheiten, bevor sie dem Sechszylinder OM 5 endgültig weichen müssen, den die frisch fusionierte Daimler-Benz AG ab 1926 neu entwickelt.

Jahrzehntelange Dominanz

Dieser 75 PS (55 kW) starke Lkw-Motor mit 8,6 Liter Hubraum feiert seine Premiere im Mai 1927 auf der Automobilausstellung in Köln und lässt als weiterer kompressorloser Diesel keinen Zweifel daran, welches Konstruktionsprinzip sich bei Daimler-Benz durchgesetzt hat: Aus einleuchtenden Gründen ist die Wahl auf den bei Benz & Cie. entwickelten Vorkammermotor gefallen. Seine großen Trümpfe gegenüber der aus Berlin ins Feld geführten Konstruktion mit Drucklufteinblasung lauten: Einfacherer Aufbau und günstigere Charakteristik der Verbrennung.

Mit diesen Vorteilen behauptet sich das Vorkammerprinzip jahrzehntelang im Nutzfahrzeugdiesel. Erste Direkteinspritzer, die den Vorkammermotor dann sachte im schweren Lkw bei Daimler-Benz ablösen, tauchen erst in den 1960er Jahren auf. Und im Transporter hält sich das von Prosper L'Orange entwickelte Vorkammerkonzept gar fast bis ans Ende des vorigen Jahrhunderts.