In 1863 maakt een eigenaardig voertuig een testrit van Parijs naar de voorstad Joinville-le-Pont. De Hippomobiel lijkt nog het meest op een driewielige kar, maar zonder paarden ervoor. In plaats daarvan is het voertuig uitgerust met een interne verbrandingsmotor met één cilinder, ontworpen door de Fransman Étienne Lenoir.
De reis is slechts 11 kilometer lang en neemt drie uur in beslag, maar markeert een keerpunt in de geschiedenis van techniek en transport. Lenoir is er als eerste in geslaagd om een verbrandingsmotor te maken die niet slechts een prototype is. Het is een echt product dat in veelvoud wordt geproduceerd en een revolutie inluidt in vervoer en industrie wereldwijd.
Van metershoge constructies die slechts een handvol pk’s leverden, is de verbrandingsmotor sindsdien geëvolueerd tot een compacte, efficiënte en supersterke machine. Tegenwoordig levert die de energie voor de auto’s en locomotieven op het land, boten en schepen op zee en vliegtuigen en helikopters in de lucht.
Étienne Lenoir demonstreerde zijn verbrandingsmotor in de Hippomobile middels een testrit met bijna 4 km/h.
Het technische hoogtepunt uit de geschiedenis van de motor is de Wärtsilä RT-flex96C scheepsmotor, die met zijn 2300 ton en 114.800 pk reusachtige containerschepen over de wereldzeeën brengt. Maar aan de moderne verbrandingsmotor zijn talloze experimenten voorafgegaan met verschillende ontwerpen en brandstoffen, van steenkool en buskruit tot waterstof en benzine.
Steenkoolstof en hars als brandstof
Tot ver in de 19e eeuw moesten de meeste mensen nog met de benenwagen of met paard-en-wagen om zich te verplaatsen voor alledaagse bezigheden.
De komst van de stoommachine in schepen, locomotieven en industriële machines mag dan het startschot voor de industriële revolutie hebben gegeven, van de efficiënte verbrandingsmotor was nog geen sprake.
Uitvinders als Lenoir zagen echter de beperkingen van de stoommachine in, waaronder de lage energieomzetting, waardoor de machines onpraktisch groot werden. In 1807 maakten de Franse broers Nicéphore en Claude Niépce een prototype van een nieuw concept, dat als een van de allereerste zogeheten interne verbrandingsmotoren werd beschouwd.
Vier mannen werkten de interne verbrandingsmotor uit
De Rivaz gebruikte waterstof in zijn motor
In 1807 maakt de Franse uitvinder François Isaac de Rivaz (1752-1828) een motor op waterstofgas. Het gas wordt ontstoken door een bougie en de motor geldt als een van de eerste praktische. Hij is echter nooit in productie genomen.
Lenoir maakte de motor toegankelijk
De eerste verbrandingsmotor die commercieel beschikbaar komt, wordt ontwikkeld door Étienne Lenoir (1822-1900). De motor wordt aangedreven door steenkoolgas en Lenoir vraagt er in 1860 patent op aan. Drie jaar later demonstreert hij de mogelijkheden ervan als automotor.
Otto vond de viertaktmotor uit
De eerste viertaktmotor wordt in 1876 ontwikkeld door de Duitser Nikolaus Otto (1832-1891). De motor doorloopt in elke verbrandingscyclus vier slagen: inlaat, compressie, verbranding en uitlaat. Nu wordt dit type motor het meest in auto’s gebruikt.
Diesel haalde meer uit brandstof
Rudolf Diesel (1858-1913) ontwikkelt begin jaren 1890 de dieselmotor. In 1897 demonstreert hij een viertakt dieselmotor met 25 pk. Die maakt beter gebruik van brandstof dan de benzinemotor en heeft geen bougie.
Het nieuwe concept maakte het zwakke punt van de stoommachine goed. Een stoommachine creëert waterdamp, verhit deze buiten de machine zelf en brengt hem dan pas in de cilinder. Maar de broers toonden aan dat een zuiger kon worden aangedreven door een gas dat uitzet tijdens de verbranding in de cilinder zelf.
Dit principe zou cruciaal blijken om de interne verbrandingsmotor kleiner en efficiënter te maken. De broers namen in 1807 patent op de motor Pyréolophore, die een mengsel van kolenstof en hars verbrandde, en installeerden hem op een boot. Zij hebben de motor echter nooit in commerciële productie genomen.
Van chemische energie naar rotatie
Een interne verbrandingsmotor werkt door de chemische energie in een brandstof om te zetten in mechanische energie. De vloeibare brandstof wordt in een kamer – de cilinder – omgezet in gasvorm en vermengd met zuurstof, waarna het mengsel wordt ontstoken.
Bij de verbranding komt energie vrij in de vorm van warmte, waardoor het gas uitzet en de zuiger naar beneden in de cilinder drukt. Het gas koelt af, en wanneer de zuiger naar zijn hoogste stand terugkeert, herhaalt het proces zich.
3 uitvindingen veranderden de motor
1. Verbranding vindt plaats in de cilinder
De verbrandingsmotor verplaatste de verbranding van het gas naar de cilinder, waar het wordt samengeperst en de temperatuur stijgt. In de stoommachine vond de verhitting van de stoom plaats buiten de cilinder, waardoor de machines onpraktisch groot werden.
2. Kleppen regelen verbranding
Voor de verbranding in de cilinder is zuurstof nodig, die wordt aangevoerd via een inlaatklep. Zodra de verbranding heeft plaatsgevonden, moet het uitlaatgas uit de cilinder worden afgevoerd, wat gebeurt door de uitlaatklep.
3. Nieuwe brandstoffen leveren meer energie
Energierijke brandstoffen als benzine en diesel maakten het mogelijk veel meer chemische energie uit de brandstof om te zetten in warmte en vervolgens in mechanische energie om raderen, schroeven en turbines aan te drijven.
Elke zuiger in de motor duwt tegen de aandrijfas van de motor, de krukas, die een op- en neergaande beweging maakt, net zoals de benen van een wielrenner de pedalen rondtrappen. De krukas zet deze beweging om in de rotatie van de wielen van een auto, de schroef van een schip of de turbine van een vliegtuigmotor.
Lange weg van theorie naar praktijk
Hoewel het basisprincipe eenvoudig is, is er honderden jaren gewerkt aan de ontwikkeling van de verbrandingsmotor.
Sinds de 17e eeuw probeerden ingenieurs en wetenschappers verbrandingsmotoren te ontwerpen en te bouwen; de beroemde Nederlandse astronoom, natuurkundige en wiskundige Christiaan Huygens had bijvoorbeeld een motor ontworpen met buskruit als brandstof.
Maar pas in 1824 beschikten ingenieurs over de theoretische kennis om de interne verbrandingsmotor te ontwikkelen. De Franse ingenieur en natuurkundige Nicolas Léonard Sadi Carnot, die wordt beschouwd als een van de belangrijkste denkers achter de wetten van de thermodynamica, kwam in die tijd met een theorie over de optimale ‘warmtekrachtmachine’ en ontwikkelde het zogeheten Carnot-circuit.
De eerste automotoren leverden slechts 2 pk.
Uit zijn formules en berekeningen maakte Carnot op dat het vermogen van een interne verbrandingsmotor toeneemt met het verschil tussen de koude en warme fase van de brandstof. Het werd duidelijk dat er nieuwe motoren moesten worden ontwikkeld die werkten bij hogere temperaturen in de cilinder dan de 100 °C die waterdamp kan opleveren. Met andere woorden, er waren nieuwe en betere brandstoffen nodig.
De Otto-motor was de doorbraak
Toen Étienne Lenoir in 1863 buiten Parijs rondreed in zijn Hippomobiel, was dat dan ook met een motor die waterstof kon verbranden. De motor was een succes voor die tijd, met 500 tot 1500 geproduceerde exemplaren in Europa.
Terugkijkend waren de motoren van Lenoir echter niet erg zuinig of krachtig. Een 18 liter-motor van Lenoir leverde slechts 2 pk. Ter vergelijking: gewone automotoren van 1 à 2 liter leveren nu meestal 100 pk of meer.
Dus voordat de verbrandingsmotor op grote schaal kon worden ingevoerd, moest hij naar een hoger niveau worden getild. De Duitse ingenieur Nikolaus Otto was hiervoor verantwoordelijk toen hij het zogeheten ottoproces uitvond, het basisprincipe van de meeste moderne automotoren.
Tijdens de vier slagen van de motor worden brandstof en lucht, die door een klep binnenkomen, in de cilinder gemengd terwijl de zuiger omlaag staat. Dan wordt de zuiger omhoog gevoerd, waardoor het gasmengsel wordt samengeperst.
Een vonk ontsteekt nu het gas, dat uitzet en de zuiger weer omlaag duwt. Wanneer het gas is afgekoeld, gaat de zuiger weer omhoog en het uitlaatgas wordt door een andere klep uit de cilinder geperst. Dit proces wordt herhaald.
Het principe van Otto’s motor verschilde van dat van Lenoir door de compressie van het gas, waardoor het mogelijk werd de temperatuur in de cilinder te verhogen door middel van een zogeheten adiabatisch proces. De hogere temperatuur maakte de motor efficiënter.
De eerste Otto-motor werd gebouwd in 1876 en in de volgende 17 jaar werden er bijna 50.000 van verkocht. In de jaren 1880 verfijnden de Duitse ingenieurs Gottlieb Daimler en Wilhelm Maybach, beiden pioniers in de auto-industrie, het concept met onder meer de carburateur. Die maakte het mogelijk benzine als brandstof te gebruiken in plaats van Otto’s steenkoolgas.
Nieuwe motoren brengen de samenleving vooruit
1712: Pompen hielden de mijnen droog
De zogeheten Newcomen-motor uit 1712 draait op stoom, die een zuiger in een cilinder omhoog drijft. Wanneer de stoom wordt gecondenseerd door het inspuiten van water, wordt de zuiger weer naar beneden gezogen. De motor werd meestal gebruikt in waterpompen voor mijnen.
1768: Stoom bracht de industrie op gang
James Watt maakte de stoommachine efficiënter door hem van een aparte condensatiekamer te voorzien. Zo verloor de cilinder minder warmte. Watts stoommachine werd een icoon van de industriële revolutie.
1876: Benzine bracht auto’s aan de rol
De viertaktmotor met interne verbranding was in feite de eerste benzinemotor. Terwijl uitvinder Nikolaus Otto hem in grote fabrieken wilde gebruiken, stond zijn baas, Gottlieb Daimler, erop dat hij compact genoeg werd gemaakt voor gebruik in voertuigen.
1897: Diesel gaf schepen superkrachten
Rudolf Diesel ontdekte dat hij het gas in de cilinder zo sterk kon samenpersen dat het ontbrandde zonder een bougie. De dieselmotor is zuiniger en wordt gebruikt in zware voertuigen, zoals schepen, treinen en vrachtwagens.
Een van de laatste grote doorbraken voor de verbrandingsmotor in de 19e eeuw kwam in de jaren 1890, toen Rudolf Diesel in 1895 de naar hem genoemde motor ontwikkelde en patenteerde.
Diesel besefte dat het verbrandingsgas kon worden ontstoken zonder gebruik te maken van een vonk van een bougie. Hij perste het gas gewoon zozeer samen dat de warmte van het adiabatische proces zelf het gas ontstak.
Het voordeel van het dieselprincipe is dat de brandstof efficiënter wordt gebruikt door de hogere compressie en dus temperatuur tijdens de verbranding. Aanvankelijk werden dieselmotoren vooral gebruikt in de industrie en voor grote machines, zoals schepen, maar nu ook in personenauto’s, juist vanwege hun brandstofefficiëntie.
Reuzenmotor loopt in twee takten
De dieselmotor blijft de scheepvaart domineren – en dat geldt ook voor de absolute zwaargewichten van de oceaan, de containerschepen. Gemeten in ruwe kracht is de Wärtsilä RT-flex96C scheepsmotor het hoogtepunt in de geschiedenis van de verbrandingsmotor.
Alle feiten getuigen van zijn kolossale afmetingen en prestaties. 14 cilinders, 114.800 pk en het gewicht van circa 400 Afrikaanse olifanten zijn slechts enkele cijfers achter de 26,6 meter lange dieselmotor.
Gigantische motor is 2300 ton brute kracht
14 cilinders en 114.800 pk. Een hoogte van 13,5 meter, een lengte van 26,6 meter en een gewicht van 2300 ton. Dit zijn de cijfers van de Wärtsilä RT-flex96C, de koning van alle verbrandingsmotoren.
Cilinders van 1 meter breed
Elk van de 14 cilinders, waarin diesel en lucht worden samengeperst en ontstoken, heeft een diameter van 96 cm. Het volume is circa 1,8 kubieke meter wanneer de zuiger onderaan staat. Bij maximaal vermogen gaat de zuiger 102 keer per minuut op en neer.
Krukas van 300 ton
Terwijl de zuigers op en neer gaan, draaien zij de krukas onder in de motor rond en via een tandwiel wordt de beweging vertaald in omwentelingen van de schroef. De krukas weegt 300 ton en loopt over de volle lengte van de motor, 26,6 meter.
Zuigerstang koppelt zuiger en krukpen
De zuigerstang verbindt de zuiger via een zogeheten kruiskop met de krukas. De zuigerstangen zijn circa 6 meter lang en voorzien van straalpijpen die continu olie in de zuigers spuiten terwijl deze met circa 30 km/h op en neer gaan.
Olie koelt de zuigers
De koelolie wordt verdeeld door gaten boven in de zuigers. Door de olie raken de zuigers niet oververhit door wrijving tegen de binnenkant van de cilinders. De slaglengte van de zuiger (de afstand tussen de bovenste en onderste positie in de cilinder) is 2,5 meter.
Het Finse bedrijf Wärtsilä zit achter de bouw van de reuzenmotor, en het eerste exemplaar werd in 2006 in gebruik genomen op het 397 meter lange containerschip Emma Mærsk.
Binnen een jaar na het debuut waren 500 exemplaren verkocht van de motor, die de grote containerschepen met snelheden tot 45 km/h kan voortstuwen.
Het containerschip Emma Mærsk werd als eerste uitgerust met ’s werelds grootste dieselmotor. Die produceert meer dan 100.000 pk en stuwt het schip voort met een snelheid tot 45 km/h.
De Wärtsilä RT-flex96C is een tweetaktmotor, die een verbrandingscyclus afwerkt in twee slagen in plaats van vier. In de tweetaktmotor vindt de verbranding plaats telkens wanneer de zuiger zich bovenin bevindt, terwijl dat in de viertaktmotor slechts om de andere keer is.
De constructie van de tweetaktmotor is eenvoudiger omdat er minder bewegende onderdelen nodig zijn dan bij de viertaktmotor. Een ander voordeel is dat ingenieurs meer vermogen, dus pk’s, kunnen bereiken per kilo motorgewicht.
Motor worstelt met gewicht
De zwaartekracht was de grootste tegenstander bij de ontwikkeling van de 2300 ton wegende motor.
Om er zeker van te zijn dat deze de druk van zijn eigen gewicht kan weerstaan, gebruikten ingenieurs geavanceerde computerberekeningen, eindige-elementenmethoden geheten, om 3D-modellen van onder meer de cilinderblokken te maken.
VIDEO: Kijk hoe ingenieurs de monstermotor bouwen
De reusachtige Wärtsilä RT-flex96C motor kan tot 250 ton brandstof per dag verbruiken.
De Wärtsilä RT-flex96C is het meest extreme resultaat tot nu toe van het pionierswerk van Lenoir, Otto, Diesel en diverse andere ingenieurs in de 19e eeuw. En de verbrandingsmotor zal nieuwe triomfen blijven vieren, zowel op zee als elders.
De Japanse autofabrikant Mazda bijvoorbeeld past het voordeel van de dieselmotor – zijn hoge compressieverhouding – toe op zijn nieuwe benzinemotoren. Volgens Mazda zou de technologie het brandstofverbruik met 20-30 procent kunnen verbeteren in vergelijking met traditionele benzinemotoren.
Dus al doen elektrische auto’s hun intrede in ons dagelijks leven, de verbrandingsmotor is nog lang niet afgeschreven.