Vor hundert Jahren wurden sie erfunden, heute treiben Verbrennungsmotoren rund um den Globus millionenfach Fahrzeuge aller Art an. Dennoch sind sie längst nicht restlos erforscht. "Nikolaus August Otto und Rudolf Diesel hätten sich wohl ihre Maschinen gar nicht zu erfinden getraut, wenn sie gewußt hätten, wie kompliziert es da drinnen zugeht", sagt Franz Pischinger, Professor für Maschinenbau an der Technischen Hochschule Aachen und Papst der deutschen Motorenforschung. "Bei der Verbrennung von Benzin laufen Hunderte verschiedener mehrstufiger Detailreaktionen ab, die bis ins letzte auch heute noch nicht bekannt sind."

Die Werkhalle unter seinem Büro hat Pischinger in lauter kleine Kabuffs zerteilt, die jeweils einen Motorenprüfstand bergen. Um jede der Verbrennungsmaschinen windet sich ein Gewirr von Kabeln und Schläuchen, das Einblick in ihr Innenleben verschaffen soll. An den Türen zu den Versuchskammern warnen Schilder davor, während eines Versuchs einzutreten. Laserlicht, das die Motoren durchleuchtet, könnte die Augen schädigen. Auf Bildschirmen flimmern die Meßergebnisse, die Diplomanden und Doktoranden sind in fachliche Diskussionen vertieft. Neben den chemischen Prozessen wollen sie vor allem die Strömungen im Zylinder ergründen. Denn Strömungen bestimmen wesentlich die Ausbreitung von Flammen, in Motoren genauso wie bei Waldbränden oder Kerzen.

Viele der Fragen, an denen die Wissenschaftler tüfteln, lassen sich erst seit wenigen Jahren dank moderner Meßinstrumente untersuchen. Manche hat sich früher gar niemand gestellt, zum Beispiel die nach Schadstoffen im Abgas. "Die Motorenforscher haben in den fünfziger Jahren noch nicht gewußt, daß überhaupt Stickoxide bei der Verbrennung entstehen", erinnert sich Pischinger, dem seine 64 Lebensjahre kaum anzumerken sind. "Es hat keine entsprechenden Meßgeräte gegeben. Und es hat auch keinen interessiert." Erst vor gut zwanzig Jahren wurden die ersten, nach heutigen Maßstäben extrem laschen Grenzwerte festgesetzt, und die Ingenieure begannen, sich mit den Giften zu befassen, die Motoren in die Atmosphäre pusten. Zu dieser Zeit kam Pischinger gerade nach Aachen. Zuvor hatte er zehn Jahre in der Industrie, bei Klöckner-Humboldt-Deutz in Köln, gearbeitet. Durch einen Zufall war der gebürtige Österreicher, der ursprünglich Flugzeugbauer werden wollte, damals seiner Zeit voraus. "Ich habe bei Klöckner-Humboldt-Deutz unter anderem Motoren für den Untertagebergbau entwickelt", erzählt er. "Und da hat man schon damals auf Stickoxide geachtet. Denn die Bergleute wollten nicht tränenden Auges und hustend arbeiten."

Die Erkenntnisse, die an der Hochschule gewonnen werden, sollen sich auch in der Praxis niederschlagen. Darum setzt der Aachener auf einen regen Austausch mit der Industrie. Das käme auch den Studenten zugute, die ja nach Studienabschluß für die Motorenhersteller arbeiteten. "Aber die Forschung muß selbständig sein", betont Pischinger, zugleich Sprecher des Aachener Sonderforschungsbereiches "Motorische Verbrennung", an dem neun Lehrstühle beteiligt sind. "Man darf den Forscher nicht täglich mit Entwicklungsanforderungen bombardieren. Er muß sich auf sein Problem konzentrieren können."

Zu sechzig Prozent wird die Arbeit an seinem Lehrstuhl durch Drittmittel finanziert, von denen rund die Hälfte aus der Industrie kommt. Insgesamt 120 Mitarbeiter - 20 davon sind Mechaniker und Kraftfahrzeugtechniker - werkeln an den Prüfständen, simulieren am Computer und grübeln am Schreibtisch. Vor siebzehn Jahren hat der Professor, wie viele seiner Kollegen im Maschinenbau, nebenbei eine Firma gegründet, die FEV Motorentechnik mit inzwischen mehr als 300 Angestellten. Kein Wunder, daß sein Terminkalender überquillt. Auch der Autor mußte monatelang auf eine Audienz beim Motorenpapst warten. Seine Vorlesungen hält Pischinger aber alle selbst und schiebt sie nicht wie manch anderer als lästigen Ballast auf seine Assistenten ab. Die Firma habe er gegründet, weil sich große Projekte, die einen langjährigen Mitarbeiterstamm voraussetzten, an der Hochschule nicht verwirklichen ließen. Da das Unternehmen die Hochschule ständig mit den neuesten Anforderungen konfrontiere, profitierten beide Seiten von der engen Zusammenarbeit. Die Uni ist für die Forschung zuständig, die FEV Motorentechnik für die Entwicklung. Wie die Kooperation in der Praxis aussieht, erläutert der Aachener Maschinenbauer an einem Beispiel.

Schon Nikolaus Otto schlug sich mit dem Problem des Klopfens herum: Eine zu schnelle Verbrennung des Kraftstoffes erzeugt nicht nur Lärm, sondern zerstört auch in kurzer Zeit den Motor. Ließe sich das Klopfen gezielt ausschalten, könnten die Hersteller Motoren bauen, die das Benzin-Luft-Gemisch höher verdichten und deswegen weniger Sprit schlucken würden. Die Wissenschaftler an der Hochschule versahen eine Verbrennungsmaschine mit einem Fenster aus Quarzglas, um in den Zylinder hineinphotographieren zu können. Bei 200 000 Belichtungen pro Sekunde erkannten sie, daß eine Änderung der Dichte des Kraftstoff-Luft-Gemisches das Klopfen verursacht. Anschließend bestückten sie einen Motor mit 96 Lichtleitfasern, die rasterartig angeordnet das Verbrennungslicht aufzeichneten. Damit wollten sie herausfinden, wie sich das Klopfen im Motor ausbreitet. Bei Klopfbeginn bilden sich Flammen im noch unverbrannten Gemisch und breiten sich mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit aus. Nach einer zwanzigtausendstel Sekunde ist der ganze Spuk wieder vorbei. Klopfen rührt also von einer Selbstzündung irgendwo im Inneren des Brennraumes her, die Stoßwellen produziert. Kolben und Zylinderwand reflektieren die Wellen und nehmen dabei Schaden. "Bisher wollte man in der Industrie immer dort etwas verändern, wo die Zerstörung auftrat", erzählt Pischinger. "Aber man muß woanders eingreifen" - an jenen Stellen, wo sich das Gemisch selbst entzündet.

Soweit das Ergebnis der Forscher an der Hochschule. Aufgabe der Entwicklungsingenieure bei der FEV Motorentechnik und anderen Firmen ist es nun, herauszufinden, wie sie die Strömung an den neuralgischen Punkten im Brennraum verändern müssen, um das Klopfen zu verhindern. Im Gegensatz zu ihren Vorarbeitern an der Uni dürfen sie die Rahmenbedingungen dabei nicht vergessen: Der Motor sollte weiterhin schadstoffarm verbrennen, wenig Treibstoff verbrauchen und kostengünstig in großen Stückzahlen herzustellen sein.