Van ottomotor naar benzine- en dieselmotor

De verbrandingsmotor zou een nieuwe fase van de industriële revolutie inluiden. Stoommachines hadden de industrialisatie op gang gebracht, maar hadden ook een belangrijke beperking, namelijk hun fikse afmeting. Stoommachines en turbines waren alleen lonend in grote fabrieken of bruikbaar voor zware transportmiddelen als de trein en het stoomschip. De behoefte aan een kleinschalige vorm van aandrijving werd daarom steeds groter. Daarmee konden ook kleinere bedrijven industrialiseren en werden voertuigen voor individuelere vormen van transport mogelijk. De verbrandingsmotor was de eerste goed werkende oplossing die in dit kader beschikbaar kwam.

Julius LeBlanc Stewart - De dames Goldsmith in het Bois de Boulogne in 1897 in een voiturette. 1901

Wat doet een verbrandingsmotor?

In een verbrandingsmotor komt door de verbranding van een brandstof warmte vrij die tijdens een kringproces binnen de motor kan worden gebruikt om mechanische onderdelen in beweging te zetten, die dan op hun beurt een machine of voertuig kunnen aandrijven. 

Verbrandingsmotoren tot 1800

Eigenlijk was het principe achter de verbrandingsmotor al langer bekend. De oudste tot dusver teruggevonden vermelding stamt zelfs uit 1206 en staat in het 'Boek van kennis van ingenieuze mechanische apparaten' geschreven door de Arabische uitvinder Al-Jazari. Het betreft hier een motor die was voorzien van een krukas.

Tijdens de Renaissance ontwierpen zowel Leonardo da Vinci als Christiaan Huygens een motor die werkte op buskruit. Ook de minder bekende Samuel Morland heeft zich veel met dit principe beziggehouden. Geen van deze wetenschappers kwam echter tot de bouw van een werkende motor.

Verbrandingsmotoren 1800-1876

De Zwitserse uitvinder François Isaac de Rivaz kwam in 1806 wél tot een motor die werkte. Als brandstof gebruikte hij een mengsel van waterstof en zuurstof. Een jaar later had hij om zijn motor al een houten auto gebouwd. Toch ging er ergens iets mis, want succes bleef uit voor De Rivaz.

In 1858 zette de Belgische uitvinder Étienne Lenoir (1822-1900) een volgende stap. Hij vond een zogeheten tweetaktmotor uit. Dat werd mogelijk doordat hij ook de bougie uitvond, het mechanisme dat in verbrandingsmotoren wordt gebruikt om de brandstof te ontsteken. In deze motor werd het principe van de stoommachine gecombineerd met door een bougie ontstoken brandstof.  Tijdens de eerste helft van de eerste 'slag' werd een mengsel van 6% stadsgas en 94% lucht aangezogen. Halverwege de eerste slag werd dit niet gecomprimeerde mengsel met de bougie in brand gestoken. Daarop zette het brandende gasmengsel uit en duwde een zuiger met grote druk verder, welke dan weer een mechanisme in werking zette. Het was de eerste commercieel succesvolle verbrandingsmotor die nog lang in productie zou blijven, maar werd toch niet de eindoplossing.

Links: Patenttekening van François Isaac de Rivaz voor zijn rijdende motor uit 1804. Rechts: Gasmotor van Lenoir uit 1860. 

Niet veel later zetten anderen koers namelijk al koers naar de viertaktmotor, welke alles zou veranderen. Dat begon in 1862 toen de Franse ingenieur Alphonse Beau de Rochas als eerste het principe achter een viertaktmotor beschreef. Hierbij werd een mengsel van brandstof en lucht gecomprimeerd voordat het werd aangestoken. Deze motor is nooit gebouwd, maar het idee van de viertaktmotor zou school maken. 

Uitvinding van de ottomotor

Tegelijkertijd maar onafhankelijk van De Rochas ontwikkelde de Duitse pionier Nikolaus August Otto (1832-1891) een op die van Lenoir geïnspireerde motor die werd aangedreven door gasoline. Deze motor werkte matig, maar toch richtte hij in 1864, samen met zijn partner Carl Eugen Langen, in het plaatsje Deutz de allereerste motorfabriek op om hem te bouwen.

In 1867 bouwden Otto en Langen een atmosferische gasmotor, de flugkolbenmotor. Dit was een voorloper van de uiteindelijke viertaktmotor. In deze motor wordt door de ontploffingsenergie een zuiger omhoog geslingerd. Als deze weer naar beneden komt, drijft hij een tandrad aan dat de energie overdraagt op een as. Deze motor werkte al beter en baarde opzien op de Wereldtentoonstelling in Parijs van dat jaar.

In 1876 bereikt Otto tenslotte de definitieve doorbraak. Toen kwam hij tot de viertaktmotor die het prototype zou worden voor alle latere verbrandingsmotoren. Deze kwam bekend te staan als de ottomotor. Het voordeel dat deze motor op zijn voorgangers had, was dat hij de brandstof op een efficiëntere manier in de cilinder wist te verbranden.

Horizontale Otto-motor op gas. 1904

Eigenlijk wilde Otto vooral een geschikte aandrijving ontwerpen voor machines voor kleine bedrijven. Hij maakte zich zorgen over hoe kleine bedrijven door de mechanisatie van grote fabrieken van de markt werd verdrongen. Hij wilde deze mensen met zijn motor een nieuwe kans geven. De mogelijkheden die de motor verder bood, zoals voor de aandrijving van voertuigen, vond hij minder interessant.

Om deze reden is de ottomotor ontworpen voor louter stationair gebruik. Dat had gevolgen voor de zuiger die daardoor heen en weer gaande bewegingen maakte. Dat maakt hem inderdaad ongeschikt voor gebruik in voertuigen.

Ondanks al zijn goede bedoelingen kreeg Nikolaus Otto geen patent op zijn motor, omdat deze te veel overeenkomsten had met de door De Rochas beschreven motor.

Niettemin zou ook Étienne Lenoir in 1883 een verbeterde versie van de viertaktmotor ontwerpen.

Een op petroleum lopende Ottomotor van de Nijmeegse firma Honig uit 1912,     gebruikt in hun stijfselfabriek.

Werking viertaktmotor

De term 'viertaktmotor' verwijst naar de vier draaibewegingen die worden gemaakt om de motor te doen werken. De energie komt van de verbranding van een hoogenergetisch mengsel van brandstof en lucht. Deze wordt steeds weer ontstoken in een cilinder, waarna de vrijkomende energie een zuiger binnen de cilinder in beweging zet. De beweging van de zuiger wordt vervolgens overgebracht op dat onderdeel van de machine dat in beweging moet komen, zoals bijvoorbeeld raderen of een krukas.

Binnen de vier draaibewegingen wordt de verbrandingscyclus afgewisseld met een reinigings- of spoelcyclus waarin de afgewerkte gassen uit de cilinder worden geperst. Deze verbrandingscyclus bestaat uit:

1. De inlaatslag. Er gaat een inlaatklep open, de zuiger gaat naar beneden gaat en een brandstof-lucht mengsel (bij diesel alleen lucht) wordt de cilinder in gezogen. Bij een atmosferische motor wordt de cilinder gevuld door onderdruk, bij een geblazen motor door overdruk.
2. De compressieslag. De in- en uitlaatklep gaan dicht, de zuiger komt naar boven, het mengsel wordt samengeperst en de verbranding wordt gestart.
3. De arbeidsslag. Door de verbranding ontstaat hoge druk die de zuiger naar beneden drukt en vermogen afgeeft aan de krukas.
4. De uitlaatslag. De uitlaatklep gaat open en uitlaatgassen worden uit de cilinder gedreven. Hierna gaat en de uitlaatklep weer dicht.

De grote mannen achter de verbrandingsmotor. V.l.n.r.: Étienne Lenoir (voor 1870), Nikolaus Otto, Gottlieb Daimler en Rudolf Diesel (1883). 

De benzinemotor van Daimler

Gottlieb Daimler (1934-1900) was technisch directeur bij de fabriek van Otto in Deutz. In die functie hield hij zich bezig met het verder ontwikkelen van de viertaktmotor. In 1883 kreeg hij in die hoedanigheid een patent op de allereerste benzinemotor. Deze motor was lichter dan de ottomotor en beter geschikt voor mobiel gebruik.

In tegenstelling tot zijn baas interesseerde Daimler zich namelijk wel voor de mogelijkheden die zijn motor bood op het gebied van vervoer. In hoge mate zelfs en dat zou hem geen windeieren leggen. In 1885 bouwde hij de motor als eerste in bij een tweewieler, waardoor hij telt als de uitvinder van de motorfiets. Daarna bevestigde hij zijn motor in een boot en tenslotte in een koets. Zo werd hij bovendien uitvinder van de automobiel. Motorboten waren er al eerder geweest. 

Ingekleurde patenttekening van de reitwagen van Daimler uit 1885.

Uitvinding van de dieselmotor

Otto en Daimler waren niet bepaald de enigen met ideeën voor efficiëntere motoren. Ook Rudolf Diesel (1858-1913), een in Parijs geboren en getogen, maar in München afgestudeerde Duitse werktuigbouwkundige was erdoor gefascineerd. Hij wilde graag een verbrandingsmotor bouwen waarbij er geen vonk nodig was om te brandstof te ontsteken en dus ook geen bougies of ander ontstekingsmechanisme. Hij wilde dat bereiken door de lucht in de cilinder zodanig te comprimeren dat deze heet genoeg werd om de ingespoten brandstof vanzelf tot ontbranding te brengen.

Al in 1882 ging hij met dat idee aan de slag en deed hij veel experimenten. Bijna tien jaar later koste zijn droom hem bijna het leven, toen een prototype in zijn nabijheid ontplofte. Curieus genoeg bewees juist deze ontploffing dat Diesel op de goede weg was, want er was geen vonk aan te pas gekomen. In februari 1892 kreeg hij het patent toegewezen op het idee achter zijn motor. 

Helaas was de motor zelf nog niet klaar voor gebruik. Pas in 1894 wist een drie meter hoog prototype het een minuutje vol te houden. In 1897 was het eindelijk zo ver en werd de eerste echte dieselmotor aan de wereld gepresenteerd.

Bij deze verbrandingsmotor wordt de lucht in de cilinder door de zuiger samengedrukt. Wanneer de zuiger zijn hoogste stand heeft bereikt, wordt de brandstof ingespoten met behulp van gecomprimeerde lucht. Deze ontbrandt meteen en de daardoor ontstane gassen drukken de zuiger weer omlaag.

Dit systeem was zuiniger dan de benzinemotor, omdat de de lucht zo veel meer wordt comprimeert voordat de brandstof in de kamer wordt geïnjecteerd. Bij een benzinemotor is die verhouding 10:1, bij een dieselmotor 25:1. Hierdoor kan de brandstof veel efficiënter worden gebruikt.

Het voordeel hiervan werd aanvankelijk vooral gemerkt bij de aandrijving van wat grotere en zwaardere machines, omdat dieselmotoren geen kleine jongens waren. De motor kon ook alleen maar stationair draaien en veroorzaakte veel trillingen en lawaai. Medewerkers van Diesels bedrijf bleven echter aan verbeteringen sleutelen, waardoor de motor vanaf 1912 ook in schepen en treinen kon worden gebruikt. Pas vanaf de jaren '20 lukte het geleidelijk aan om de motor geschikte te maken voor auto's en motoren. 

Ook het vinden van de juiste brandstof heeft nog even geduurd. Aanvankelijk bleek de motor het beste te lopen op petroleum. De speciale dieselolie werd later pas ontwikkeld.

Advertentie voor een motor-aangedreven melkmachine van het merk Waterloo uit +/-1900. Niet alleen in fabrieken bracht de verbrandingsmotor verlichting.

Een nieuwe fase in de industriële revolutie

Zowel Otto als Diesel hadden motoren op de markt gebracht die de industrialisatie van kleinere bedrijven vooruit hielp. Dat was niet voor niks, want hun inspanningen brachten het gewenste effect teweeg. Een soort van tweede industriële revolutie brak aan, dit keer onder kleinschaliger fabrieken. Of liever gezegd kleinschaliger bedrijven, want er bleken tal van sectoren waarbinnen de motoren een uitkomst waren, zoals bijvoorbeeld de landbouw en de mijnbouw.

Nieuw vervoer

Ook de transportrevolutie ging echter een nieuwe fase in door de verbrandingsmotor, want het gemotoriseerd vervoer kwam nu van de grond. Dat betekende dat er voor het eerst individueel of kleinschalig wegtransport mogelijk werd zonder dat de energie daarvoor geleverd hoefde te worden door mens of lastdier. Daardoor kon persoonlijk vervoer in toenemende mate een stuk sneller, maar ook comfortabeler plaatsvinden dan voorheen. Hierdoor was met name de automobiel tijdens zijn beginjaren opvallend populair bij (welgestelde) vrouwen.

Cover van de bladmuziek voor het populaire lied My Automobile Girl from New Orleans uit 1900. 

Bronnen

• Meidenbauer J. (red.) - 'Het grote boek van uitvindingen en ontdekkingen.' Lisse 2004
• Hart-Davis A. (red.) - 'Wetenschap, de grote ontdekkingen. Deel 4:  De industriële revolutie II, 1700-1890'. 2010 
• Wikipedia (nl.wikipedia.org) - 'Etienne Lenoir' / 'Flugkolbenmotor' / 'Nikolaus Otto' (19-11-2018) / 'Verbrandingsmotor' / 'Gottlieb Daimler' (20-11-2018) / 'Rudolf Diesel' (21-11-2018)
• www.absolutefacts.nl/wetenschap/data/dieselrudolf.htm (21-11-2018)
• autorai.nl/geschiedenis-van-de-dieselmotor/ (21-11-2018)

Afbeeldingen

• Otto-motor op gas: Wikimedia/ New Catechism of the Steam Engine, 1904
• Rudolf Diesel: Wikimedia / Britannica.com / Deutsches Museum, Munich
• Diesel motor: Wikimedia / Rankin Kennedy, Modern Engines, Vol II, 1905 (gescand uit herdruk uit 1912)
• Overige: Wikimedia (commons.wikimedia.org)