Der Verbrennungsmotor ist eine der bedeutendsten technischen Erfindungen der Neuzeit und hat die menschliche Mobilität sowie die industrielle Entwicklung in den vergangenen 150 Jahren fundamental geprägt. Der Verbrennungsmotor ist eine der wichtigsten technischen Errungenschaften der Neuzeit. Seit seiner Erfindung im 19. Jahrhundert hat er sich kontinuierlich weiterentwickelt und ist heute ein zentraler Bestandteil von Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen und anderen Maschinen. Die Geschichte dieser revolutionären Technologie ist geprägt von bahnbrechenden Innovationen, visionären Erfindern und kontinuierlichen technischen Verbesserungen, die den Motor von seinen bescheidenen Anfängen zu einem hochkomplexen und effizienten Antriebssystem entwickelt haben.
Zu Fuß, zu Pferd oder in der Kutsche – seit der Erfindung des Rads haben sich die Möglichkeiten der Menschheit, über Land zu reisen, 4.000 Jahre lang kaum entwickelt. Das ändert sich erst mit den Tüftlern und Erfindern im ausgehenden 19. Jahrhundert. Wo die Eisenbahn den Transport von Menschen und Waren im großen Stil erlaubt, krempelt der Verbrennungsmotor den Individualverkehr grundlegend um. Während jahrtausendelang die Fortbewegung auf die Kraft von Menschen und Tieren angewiesen war, ermöglichte der Verbrennungsmotor erstmals eine unabhängige und kraftvolle Mobilität.
Die Entwicklung des Verbrennungsmotors war kein isoliertes Ereignis, sondern das Resultat jahrzehntelanger wissenschaftlicher und technischer Fortschritte. Der Erfindungsgeist, der die Menschen immer wieder dazu antrieb, weitere Entwicklungsschritte voranzutreiben, führte dazu, dass Motoren gebaut werden konnten, die der gesamten Bevölkerung viele Erleichterungen brachte. Schwere Arbeiten, die zuvor nur mit Körperkraft und mit der Unterstützung von Tieren verrichtet werden konnten, übernahmen irgendwann Maschinen, die durch einen Motor angetrieben wurden. Auch die Mobilität der Menschen nahm deutlich zu. Während früher Reisen mit der Pferdekutsche Tage und Wochen dauerten und man bei Seereisen auf günstigen Wind für die Segelschiffe angewiesen war, brachten Dampfmaschinen und später die Dieselmotoren Eisenbahnen und Schiffe zu einer deutlich höheren Reisegeschwindigkeit und auch zu stark vergrößerten Reichweiten.
Die Pionierzeit: Von der Dampfmaschine zum Gasmotor
Frühe Vorläufer und erste Experimente
Die Geschichte des Verbrennungsmotors beginnt bereits in der Mitte des 19. Jahrhunderts mit den ersten Experimenten zur internen Verbrennung. Étienne Lenoir konnte ab 1859 einen Gasmotor betreiben. Im Jahr 1860 wurde damit das Hippomobile betrieben und ging damit in die Geschichte des Automobils ein. Der belgische Erfinder Étienne Lenoir entwickelte 1859 einen funktionsfähigen Gasmotor, der allerdings noch erhebliche Schwächen aufwies. Lenoirs 1859 patentierter Gasmotor gilt seinerzeit als veritable Sensation und als erste Alternative zur großen und schweren Dampfmaschine. Denn im Unterschied zu ihr muss er nicht mehr lange vorgeheizt werden, bevor er seine Arbeit aufnehmen kann. Versorgt mit Stadtgas aus der Leitung, treibt der leise Motor zum Beispiel Druckmaschinen oder Webstühle an. Allerdings benötigt er aufgrund seiner Konstruktionsweise eine sehr leistungsfähige Wasserkühlung und vor allem enorm viel Gas.
Die revolutionäre Erfindung von Nikolaus August Otto
Der entscheidende Durchbruch kam mit Nikolaus August Otto, einem autodidaktischen Ingenieur aus Deutschland. Der große Durchbruch gelingt Nicolaus August Otto. Als Autodidakt erkennt er die Schwächen bestehender Gasmotoren. 1861 beginnt er, mit einem neuen Prinzip zu experimentieren. Ziel ist ein effizienterer und zuverlässigerer Motor, der nicht auf städtische Gasnetze angewiesen ist. Otto erkannte die fundamentalen Schwächen der bestehenden Gasmotoren und entwickelte über Jahre hinweg das Viertaktprinzip.
Gemeinsam mit seinem Bruder entwickelt Otto den Viertaktmotor. Das Herzstück ist der Arbeitszyklus: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen. Dieser revolutionäre Ansatz mit den vier Takten – Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen – sollte zum Grundprinzip fast aller modernen Verbrennungsmotoren werden.
Es war der Deutsche Nikolaus August Otto, der im Jahr 1862 den ersten Verbrennungsmotor baute. Die auch als Ottomotor bekannte Maschine war jedoch zunächst viel zu groß, um als Antrieb für ein Fahrzeug dienen zu können. Nach jahrelanger Entwicklungsarbeit gelang Otto schließlich der Durchbruch: Erst 1876 gelingt der technische Durchbruch. In der Gasmotorenfabrik Deutz AG entsteht der erste industriell hergestellte Viertaktmotor. Er bietet einen besseren Wirkungsgrad als alle bisherigen Antriebe. Später wird das Prinzip zum Standard im Motorenbau.
Die Geburtsstunde des Automobils: Benz und Daimler
Karl Benz und der Patent-Motorwagen
Die Anwendung des Verbrennungsmotors für den Individualverkehr war der nächste logische Schritt. Carl Benz gelingt es, Ottos Prinzip in ein selbstfahrendes Fahrzeug zu integrieren. 1886 meldet er den Patent-Motorwagen an – ein dreirädriges Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Karl Benz aus Mannheim konstruierte den ersten funktionsfähigen Motorwagen und erhielt dafür am 29. Januar 1886 das Patent.
Carl Benz ist der Erste, der ein funktionstüchtiges Automobil mit Verbrennungsmotor auf den Markt bringt. Sein dreirädriger Patent-Motorwagen war eine harmonische Einheit von Motor und Fahrzeugkonstruktion, die speziell für den motorisierten Betrieb entwickelt wurde. Auch Benz war ein begabter und zäher Erfinder. In seiner Werkstatt in Mannheim machte auch er aus dem von Otto entwickelten Explosionsmotor einen brauchbaren Automotor. In manchem war sein Motor Daimlers Motor überlegen.
Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach
Parallel zu Benz arbeitete Gottlieb Daimler zusammen mit Wilhelm Maybach in Cannstatt bei Stuttgart an einem eigenen Motorkonzept. Im Jahre 1872 kommt die Kunde aus Deutz bei Köln: Die dortige Gasmotoren-Fabrik sucht einen technischen Leiter. Gottlieb Daimler nutzt die Chance — für sich und für Wilhelm Maybach. Beide ziehen um ins Rheinland. Einer der Firmengründer in Deutz ist Nikolaus August Otto, der mit „atmosphärischen Gasmotoren“ auf sich aufmerksam gemacht hatte und 1876 den Viertaktmotor erfindet.
Nach Differenzen mit Otto verließen Daimler und Maybach 1882 die Deutzer Gasmotorenfabrik und gründeten ihre eigene Werkstatt. Daimler und Maybach entwickeln im Gartenhaus die Glührohrzündung und andere Verbesserungen am Verbrennungsmotor. Die Patente darauf legen den rechtlichen Grundstein für den späteren Erfolg. Sie entwickelten den berühmten „Standuhr“-Motor, einen kompakten und schnelllaufenden Einzylinder-Benzinmotor.
1885 bauen Daimler und Maybach mit dem sogenannten „Reitwagen“ den Vorläufer des Motorrads. Im Oktober 1886 setzen sie den Standuhr-Motor in eine Kutsche ein – das erste Automobil mit vier Rädern.
Die Erfindung des Dieselmotors
Rudolf Diesel und sein revolutionäres Konzept
Eine weitere bahnbrechende Innovation in der Geschichte des Verbrennungsmotors war die Erfindung des Selbstzündermotors durch Rudolf Diesel. Erfinder des Dieselmotors ist der deutsche Ingenieur Rudolf Diesel, der seine Überlegungen zu einem Motor mit besonders hohem Wirkungsgrad erstmals 1893 im Werk Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors veröffentlichte.
Diesels revolutionäre Idee basierte auf dem Prinzip der Selbstzündung durch extreme Verdichtung. Das Erfolgsgeheimnis seiner Konstruktion war die Selbstzündung, die bis heute als Synonym für den Motor steht. Diesel konstruierte seine Erfindung so, dass ein Luft-Kraftstoff-Gemisch 20-fach verdichtet wurde und allein durch diesen Druck entflammte.
Die Entwicklung zur Serienreife
Die praktische Umsetzung von Diesels Theorie erwies sich als äußerst schwierig. Diesel wird weiterhin heftig angegriffen: Die Idee ist Quatsch, kein Material kann den hohen Druck aushalten, der Selbstzünder kann nicht funktionieren, Diesel ist ein realitätsfremder Träumer! Nach der Explosion rebellieren die Arbeiter in der Augsburger Maschinenfabrik, und die Mitarbeiter der großen Dampfmaschinenabteilung fürchten eine Konkurrenz, die ihnen die Arbeitsplätze wegnimmt.
Nach jahrelanger Entwicklungsarbeit mit zahlreichen Rückschlägen gelang schließlich der Durchbruch: Erst 1897 präsentierte Diesel auf der II. Kraft- und Arbeitsmaschinen-Ausstellung in München seinen Geldgebern und der Weltöffentlichkeit einen Motor, der mit Mineralöl arbeitete und einen tagelangen Dauerversuch überstand. Neuerer Literatur zufolge hatte er einen spezifischen Kraftstoffverbrauch von 258 g/PSh (350,8 g/kWh), was rechnerisch einen Wirkungsgrad von fast 24 % ergibt.
Am 17. Februar 1897 fanden die offiziellen Leistungsmessungen statt: er leistete 20 PS und hatte tatsächlich einen thermischen Wirkungsgrad von 26,2%, verglichen mit 10% einer Dampfmaschine gleicher Leistung! Das war Diesels Triumph, der Lohn jahrelangen Schuftens bis zur Erschöpfung.
Technische Grundlagen und Funktionsweisen
Das Viertaktprinzip
Das von Otto entwickelte Viertaktverfahren bildet bis heute die Grundlage der meisten Verbrennungsmotoren. Im ersten Takt bewegt sich der Kolben nach unten und saugt durch ein Ventil eine Mischung aus Luft und Treibstoff in den Zylinder. Im zweiten Schritt fährt der Kolben nach oben, verdichtet das Gemisch und erwärmt es dabei. Im Moment der maximalen Verdichtung wird das Gemisch durch den Funken einer Zündkerze gezündet. Durch den Druck der Explosion wird der Kolben im eigentlichen Arbeitstakt sehr schnell nach unten gedrückt. Im vierten Arbeitsschritt schnellt der Kolben wieder hoch und drückt die verbrannten Gase durch ein Ventil aus dem Zylinder.
Die vier Takte im Detail:
- Ansaugtakt: Der Kolben bewegt sich nach unten und saugt das Kraftstoff-Luft-Gemisch an
- Verdichtungstakt: Der Kolben komprimiert das Gemisch
- Arbeitstakt: Die Zündung erfolgt, die Explosion treibt den Kolben nach unten
- Ausstoßtakt: Die verbrannten Gase werden ausgestoßen
Der Zweitaktmotor als Alternative
Neben dem Viertaktmotor entwickelte sich auch der Zweitaktmotor als alternative Bauform. Da die Kurbelwelle während eines Taktes eine halbe Umdrehung vollführt, bewältigt der Zweitaktmotor im Unterschied zum Viertaktmotor die zur Leistungsentwicklung erforderlichen beiden Takte während einer Umdrehung der Kurbelwelle. Der Zweitaktmotor führt somit pro Kurbelwellen-Umdrehung einen Arbeitstakt aus. Daher verfügt ein Zweitaktmotor über eine im Vergleich zum Viertaktmotor fast doppelt so hohe Hubraumleistung und das Drehmoment wird gleichmäßiger abgegeben.
Der Zweitaktmotor hat spezifische Vor- und Nachteile:
- Vorteile: Höhere Hubraumleistung, einfachere Bauweise, geringeres Gewicht
- Nachteile: Ungünstige Abgaswerte, die durch hohe Anteile an unverbranntem Kohlenwasserstoff (CmHn) und Kohlenstoffmonoxid (CO) im Abgas hervorgerufen werden
Otto- versus Dieselmotor
Die grundlegenden Unterschiede zwischen Otto- und Dieselmotor liegen in der Art der Gemischbildung und Zündung:
Ottomotor:
- Fremdzündung durch Zündkerze
- Homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch
- Niedrigere Verdichtung (ca. 10:1)
- Quantitative Laststeuerung über Drosselklappe
Dieselmotor:
- Selbstzündung: Die angesaugte oder durch einen Lader zugeführte Luft heizt sich durch die adiabate Kompression stark auf, und der in die heiße Luft eingespritzte Kraftstoff entzündet sich ohne eine externe Zündhilfe. Die im Ottomotor notwendigen Zündkerzen entfallen
- Innere Gemischbildung
- Hohe Verdichtung (15:1 bis 23:1)
- Qualitative Laststeuerung über Einspritzmenge
Meilensteine der technischen Entwicklung
Die Einführung der Kraftstoffeinspritzung
Die Einführung der Kraftstoffeinspritzung im Jahr 1955 gilt als ein entscheidender Wendepunkt in der Entwicklung des Verbrennungsmotors, da sie eine präzisere Kraftstoffdosierung und bessere Gemischaufbereitung ermöglichte.
Der Turbolader revolutioniert die Leistungsfähigkeit
Der Turbolader, der 1962 erstmals in der Automobilindustrie in Serie eingesetzt wurde, revolutionierte die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors. Ein Turbolader nutzt die Abgase eines Motors, um ein Turbinenrad anzutreiben, das die Luftzufuhr in die Zylinder komprimiert. Dies erhöht die Sauerstoffmenge in der Verbrennung und ermöglicht eine höhere Leistung, ohne den Hubraum des Motors zu vergrößern.
Die Entwicklung der Aufladung hat eine lange Geschichte: Mit der Aufladung von Verbrennungsmotoren beschäftigten sich schon Gottlieb Daimler (1885) und Rudolf Diesel (1896). Sie versuchten mit vorkomprimierter Luft die Motorleistung zu erhöhen. Der Schweizer Alfred Büchi erhielt 1905 das Patent der Abgasturboaufladung. Erst im Jahre 1925 gelang ihm die erfolgreiche Anwendung. Er erreichte eine Leistungssteigerung von 40%.
Der Wankelmotor als innovative Alternative
Der Rotationsmotor, auch bekannt als Wankelmotor, wurde 1964 von NSU mit dem Modell Spider eingeführt und gilt als eine der innovativsten Entwicklungen im Bereich der Verbrennungsmotoren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hubkolbenmotoren verwendet der Rotationsmotor einen drehenden Rotor, um Energie zu erzeugen. Dieses Design bietet mehrere Vorteile, darunter weniger bewegliche Teile, eine kompakte Bauweise und einen ruhigeren Lauf.
Moderne Optimierungstechnologien
Im Jahr 2012 führte Mazda mit seiner Skyactiv-Technologie eine Revolution in der Optimierung von Kompressionsverhältnissen ein. Das Kompressionsverhältnis eines Motors bestimmt die Effizienz der Verbrennung. Höhere Kompressionsverhältnisse ermöglichen eine effizientere Energieumwandlung, was zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führt. Mazda setzte bei seinen Skyactiv-Motoren ein extrem hohes Kompressionsverhältnis von bis zu 14:1 ein, das durch präzise Steuerung und fortschrittliche Materialien möglich wurde. Diese Technologie hat gezeigt, dass Verbrennungsmotoren trotz der zunehmenden Elektrifizierung noch optimiert werden können.
Anwendungsbereiche und Verbreitung
Mobilität und Transport
Der Verbrennungsmotor revolutionierte alle Bereiche der Mobilität:
- Automobile: Von den ersten Motorwagen bis zu modernen Hochleistungsfahrzeugen
- Nutzfahrzeuge: LKW und Busse für den Güter- und Personentransport
- Schifffahrt: Vom kleinen Motorboot bis zum Containerschiff
- Luftfahrt: Propellerflugzeuge und frühe Düsenantriebe
- Schienenverkehr: Diesellokomotiven und Triebwagen
Industrielle Anwendungen
Neben der Mobilität fanden Verbrennungsmotoren breite Anwendung in der Industrie:
- Stationäre Kraftmaschinen für Fabriken
- Antriebe für Pumpen und Generatoren
- Landwirtschaftliche Maschinen
- Baumaschinen und mobile Arbeitsgeräte
Umweltaspekte und Zukunftsperspektiven
Die Herausforderung der Emissionen
Mit der Massenmotorisierung rückten ab den 1960er Jahren zunehmend die Umweltauswirkungen in den Fokus. Trotz aller Weiterentwicklungen hat der Verbrennungsmotor an politischer und gesellschaftlicher Akzeptanz verloren. Die Klimakrise stellt die Technologie grundsätzlich infrage.
Politische Entscheidungen und Verbotspläne
Im November 2021 beschlossen rund 2 Dutzend Staaten auf der Weltklimakonferenz von Glasgow eine Erklärung zum Verbot von Verbrennungsmotoren im Bereich der automobilen Nutzung. Deutschland unterzeichnete die Erklärung mit Hinweis auf nicht ausgeschöpftes Potential alternativer Brennstoffe nicht.
Im Juni 2022 beschloss das EU-Parlament, dass Neuwagen ab dem Jahr 2035 kein CO2 mehr ausstoßen dürfen. Demnach dürfen in der EU im Bereich der Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeugen ab 2035 nur noch emissionsfreie Fahrzeuge neu zugelassen werden.
Alternative Kraftstoffe und Technologien
Trotz der Herausforderungen wird an verschiedenen Zukunftstechnologien gearbeitet:
- Synthetische Kraftstoffe (E-Fuels)
- Wasserstoffverbrennungsmotoren
- Biokraftstoffe der zweiten und dritten Generation
- Hybridisierung mit elektrischen Antrieben
Fazit
Der Verbrennungsmotor hat die moderne Zivilisation maßgeblich geprägt. Generell kann man die Erfindung der Verbrennungsmotoren als einen Meilenstein in der gesamten Motorengeschichte betrachten. Seine Entwicklung von den ersten experimentellen Gasmotoren über die revolutionären Erfindungen von Otto, Diesel, Benz und Daimler bis zu den hochmodernen, computergesteuerten Aggregaten von heute zeigt eine beeindruckende technische Evolution.
Die Geschichte des Verbrennungsmotors ist nicht nur eine Geschichte technischer Innovation, sondern auch eine Geschichte von visionären Persönlichkeiten, die gegen Widerstände und Zweifel ihre Ideen verwirklichten. Sie schufen die Grundlage für eine mobile Gesellschaft und ermöglichten wirtschaftlichen Fortschritt in einem zuvor unvorstellbaren Ausmaß.
Auch wenn die Zukunft des Verbrennungsmotors angesichts der Klimakrise und der Entwicklung alternativer Antriebe ungewiss erscheint, bleibt sein historischer Beitrag zur menschlichen Entwicklung unbestritten. Trotzdem bleibt der Verbrennungsmotor ein Symbol für technische Kreativität und Mobilität.
Die über 150-jährige Geschichte des Verbrennungsmotors zeigt eindrucksvoll, wie aus einer revolutionären Idee eine Technologie entstehen kann, die das Leben von Milliarden Menschen verändert. Von Nikolaus August Ottos erstem funktionsfähigen Viertaktmotor über Karl Benz‘ Patent-Motorwagen bis zu Rudolf Diesels Selbstzünder – jede dieser Erfindungen war ein Meilenstein auf dem Weg zur modernen Mobilität.
Quellen:
TÜV Nord – Eine kurze Geschichte des Verbrennungsmotors
