Van stoom tot bougie en patentproblemen
Brandstofmotoren
Zuigermotor
Een zuigermotor is een motor die geconstrueerd is met één of meer zuigers en cilinders en die deze gebruikt om druk om te zetten in een roterende beweging. Er bestaan viertaktmotoren en tweetaktmotoren met inwendige verbranding; ook een stirlingmotor heteluchtmotor kan met zuigers zijn uitgerust. De stoommachine zou men als de eerste zuigermotor kunnen beschouwen, hoewel het woord meestal niet wordt gebruikt in die context. Dit motortype wordt vooral gebruikt in auto's, motorfietsen, eenvoudige vliegtuigen, aggregaten, etc.
Cilinders
Cilinders van motoren bestaan met een inhoud van minder dan een 1 cc (modelvliegtuigen), enkele cc's tot honderden liters (scheepsdieselmotoren). Grotere cilinders leveren meestal een groter rendement op en kleinere cilinders een groter specifiek vermogen. In de praktijk is vastgesteld dat cilinders met een inhoud tussen de 300 en 400 cc het grootste specifiek vermogen leveren.
Een motor kan elk gewenst aantal cilinders hebben die in diverse configuraties kunnen staan ten opzichte van elkaar: in-lijn-motoren, boxermotoren, radiaalmotoren (ook wel stermotor genoemd), V-motoren, U-motoren en W-motoren. Het aantal cilinders is afhankelijk van het benodigde vermogen en of dit constructief mogelijk is. Motoren met bijvoorbeeld 11 of 15 cilinders komen in de praktijk wel voor maar worden vaak niet toegepast uit constructieve overwegingen.
Compressieverhouding
Nadeel van een mengselmotor is de beperking in de maximaal haalbare compressieverhouding, dit wegens klopgevaar. Voor benzine ligt de maximale (veilige) compressieverhouding rond de 15:1. Sommige hedendaagse, hoogvermogende supersport, motorfietsen hebben standaard al een compressieverhouding van 14:1, zonder toevoeging van speciale additieven om de klopgrens, of detonatiegrens, nog verder te verleggen. Dieselmotoren behalen een aanmerkelijk hoger thermisch rendement omdat daar de compressieverhouding kan oplopen tot 40:1. Dit heeft als logisch gevolg dat een mengselmotor niet het zuinigste ontwerp is. Een tweede nadeel is dat de brandstoffen licht ontvlambaar zijn en dus al verdampen bij lage temperaturen. Bij een buitentemperatuur van 10°C is er bij een lpg-motor reeds explosiegevaar. De brandstoftank van een mengselmotor wordt zwaar uitgevoerd. Een belangrijk voordeel van de mengselmotor is de lichtere uitvoering wat de kostprijs ten goede komt.
​
​
De bougie
In 1859 patenteerde de Belgisch Franse Jean Lenoir een elektrische bougie in zijn eerste verbrandingsmotor die hij in 1858 al uitvond. De motor liep op aardgas en had geen compressie. In 1863 liet hij een versie met carburateur en vloeibare brandstof zien die in voertuig waren gemonteerd. Dit voertuig heeft een gedocumenteerde afstand van 18 km afgelegd en is daarmee het eerste vonkontstoken petroleum gebruikend voertuig dan de weg op kon. De Benz Patentwagen was dus eigenlijk niet het eerste motorvoertuig! Pas in 1898 werden er drie patenten verkregen door Nikola Tesla (US), Frederick Richard Simms (GB) en Robert Bosch (GB). De eerste hoogspanningsbougie (Gottlob Honold, ingenieur bij Bosch), gepatenteerd op 07-01-1902 , maakte het mogelijk dat de benzinemotor de standaard zou worden.
Tweetakt vs viertakt
De viertakt motor heeft een inlaatslag waarbij lucht en brandstof worden aangezogen, daarna volgt de compressieslag waarna de arbeidsslag volgt waarbij het mengsel ontstoken wordt. Hierdoor gaat de zuiger met kracht naar beneden waarna de uitlaatslag volgt. In real-life is de motor minder efficiënt dan theoretisch mogelijk is. Theoretisch zou het vermogen van een viertaktmotor bij hetzelfde toerental de helft van een verder vergelijkbare tweetaktmotor onder ideale omstandigheden zijn. Dit komt doordat er bij een viertaktmotor bij elke vier zuigerslagen een arbeidsslag is en bij een tweetaktmotor één bij elke twee zuigerslagen. Het rendement van een tweetaktmotor is echter lager omdat bij de spoeling de verbrandingsgassen minder goed worden vervangen door het verse brandstofmengsel binnen de cilinder. Bij een viertaktmotor is de spoeling echter vollediger waardoor de cilindervulling beter is dan bij een tweetaktmotor. Hierdoor kan er meer brandstof in de cilinder worden verbrand, zodat er per arbeidsproces meer arbeid wordt geleverd dan door de tweetaktmotor. Omdat de viertaktmotor een kleppenmechanisme nodig heeft, maar ook omdat hij tweemaal minder werkslagen verricht, is een in vermogen vergelijkbare viertaktmotor zwaarder dan een tweetaktmotor. Door het kleppenmechanisme is de viertaktmotor ook ingewikkelder om te produceren. Het verbruik is echter lager dan van een tweetaktmotor. De uitlaatgassen zijn minder verontreinigd dan bij tweetaktverbranding, dit komt door het gebruik van mengsmering (brandstof met olie) bij een tweetaktmotor en de mindere spoeling. Het geluid van een viertaktmotor kan makkelijker gedempt worden met een demper dan bij een tweetaktmotor, die bij toenemende tegendruk van de demper sterk aan vermogen verliest doordat de spoeling slechter wordt.
Het patent op de automobiel
George B. Selden, Patent advocaat
Geïnspireerd door de verbrandingsmotor van George Brayton, die getoond werd in Philadelphia in 1876 bij de Centennial Exposition, begon Selden met de ontwikkeling van een kleinere lichtere versie. Hij slaagde hierin in 1878, 8 jaar voor de publieke introductie van de Benz Patent Motorwagen in Europa, met de productie van een één cilinder 200 kg versie met een ingepakte krukas, voorwielaandrijving, koppeling, voetrem, demper en aandrijfas. Hij werd hierbij geholpen door Frank H. Clement en zijn assistent William Gomm. Hij vroeg een patent aan op 8 mei 1879. De getuige die hij hierbij vroeg was een plaatselijke bank medewerker, George Eastman, die later beroemd werd door de Kodak camera. Zijn aanvraag was niet alleen voor de motor, maar ook het gebruik ervan in een vierwielig voertuig. Hij voegde hier vele wijzigingen op door waardoor het hele proces 16 jaar duurde. Het patent (No. 549.160) werd toegekend op 5 november 1895.
​
Rond deze tijd kwam de Amerikaanse auto-industrie van de grond af en had George Selden, ondanks dat hij nooit een werkende auto had geproduceerd, een gerechtigde claim het patent te bezitten voor de automobiel. Hij kreeg nooit de financiën voor elkaar op één keer na. Hij kon $5.000 krijgen van een zakenvriend uit Rochester. Hij vertelde echter zijn visie dat zij het nog zouden meemaken dat er meer auto's zouden rondrijden dan paard en wagens nu. Daar wilde zijn zakenvriend niets mee te maken hebben. Toen zij elkaar na 25 jaar weer tegenkwamen wilde zijn zakenvriend zijn hand schudden en hij gaf toe het fout te hebben gehad. Selden zei dat hij toch niet zo gek was als hij en de andere dachten en liep weg. In 1899 verkocht hij zijn rechten aan bankier William C. Whitney (van de Electric Vehicle Co). In eerste instantie voor de ontwikkeling en bouw van elektrische taxi's. Whitney en Selden werkte samen om royalties binnen te halen van andere startende autobouwers. Als je betaalde werd je lid van de Association of Licensed Automobile Manufacturers en had je ook recht op een deel van de royalties. De meeste leden waren van de oostkust. Midwesterse producenten van goedkopere voertuigen waren geen lid. Na de verloren rechtszaak tegen Ford focuste hij zich met zijn in 1906 opgerichte 'Selden Motor Vehicle Company' te Rochester (na overname van de Buffalo Gasoline Motor Company, één van de eerste fabrikanten die een rechtszaak aangespannen kregen ivm inbreuk op het patent) op vrachtwagens en hernoemde zijn bedrijf naar 'Selden Truck Sales Corporation'. Hij werd getroffen door een beroerte eind 1921 en stierf in januari 1922 op de leeftijd van 75. Geschat wordt dat hij $1.2 miljoen aan royalties zou hebben ontvangen, hiervan zou minstens de helft betaald zijn aan George Day, manager van de ALAM. Hij zou hier zelf tussen de $200.000 en $600.000 aan hebben overgehouden. Niet slecht voor een man die uiteindelijk de auto-industrie niet echt geholpen heeft.
​
​
De uitvinders van de technieken die tot de auto leidde
Isaac de Rivaz (1752-1828)
Rivaz vond de eerste waterstofverbrandingsmotor uit in 1806 en een eenvoudige automobiel aangedreven door deze waterstofverbrandingsmotor in 1807 (Patent 731 van 30-01-1807). Daarmee was hij net iets eerder dan de broers Niépce die hun motor toepaste in een boot en het patent hebben gekregen op 20-07-1807). Al in 1775 voorziet hij de ontwikkeling van de automobiel. Hij probeert met alle macht er één te bouwen. De eerste waren uitgerust met stoommachines. Hij is geïnspireerd door het pistool van Volta om de eerste verbrandingsmotor te bouwen. Het pistool van Volta betreft Volta's onderzoek naar het ontbranden van gasmengsels met behulp van vonken in een speelgoed pistool met een kurk. In 1813 bouwt hij een groter voertuig. De motor bestaat uit een verticale cilinder van 1.5m lang en een slag van 97cm. Bij ieder slag legt de kar van 6 meter met wielen van 2m diameter een afstand van 6 meter af. Er was dus geen krukas, geen drijfstang en geen in-cilinder compressie. Men vind zijn voorstellen een utopie en denkt dat ze nooit kunnen wedijveren met de voordelen van stoommachines. De brandstof die hij gebruikte was waterstof, benzine werd pas later gebruikt, vanaf 1870 toen ook de carburateur werd uitgevonden.
​
Philippe le Bon (1767-1804)
In 1801 vind le Bon een motor uit die een verbetering is van Robert Steele's ontwerp. Deze gebruikte kolengas dat werd ontstoken door een elektrische vonk. Dit was de eerste poging tot een inwendige verbrandingsmotor.
​
Jean-Joseph Étienne Lenoir (1822-1900)
Belgische uitvinder die begin 1850 naar Frankrijk verhuisde en in 1859 de eerste motor met inwendige verbranding uitvond en daarbij uitvindingen van andere samenbracht met zijn eigen ideeën. De motor had inwendige verbranding, vonkontsteking en tweetakt. Hij kreeg er in november 1859 patent 43624 voor, geldig voor 15 jaar, en luidde 'patent voor een motor op gas en op uitgezette lucht'. In 1860 vind hij de bougie met elektrische ontsteking uit, hij integreerde de vonkinductor van Heinrich Daniel Ruhmkorff. Ook gebruikte hij de door Ruhmkorff uitgevonden bobine. De ontsteking van een mengsel van brandstof en lucht door een vonk werd in 1777 al beschreven door Volta, de Italiaanse natuurkundige, daarna door Isaac de Rivaz voor een motor met inwendige verbranding in 1807. Lenoir heeft dit alles toegepast in boten en auto's. In 1862 was hij de eerste persoon die een rit maakt in een auto met een interne verbrandingsmotor. In 1884 bouwde hij zijn eerste viertakt motor gebaseerd op het principe van de 'cycles van Beau de Rochas (1862)'. Rochas had nooit een motr gebouwd maar hat wel het patent op de 4 takt motor (Nr. 52.593 16-1-1862). Lenoir wordt gezien als één van de 100 grootste uitvinders aller tijden. De hedendaagse auto's danken hun kopkleppen, bougie ontsteking en tuimelaars aan Lenoir.
​
George Brayton's 'Ready Motor'
In 1872 patenteerde Brayton (1830-1892, Boston, USA) een tweetakt verbrandingsmotor met een constante druk die gebruik maakte van verdampte brandstof. Later zelfs van kerosine en (diesel)olie. Deze motor stond bekend als de 'Ready Motor' en vormde uiteindelijk de basis voor de gas turbine. De 'Ready motor' had één cilinder voor de compressie en een compressie kamer en één aparte cilinder waarin de producten uitzette voor de arbeidsslag. Er was geen bougie nodig, het had nl. een constante vlam om iedere slag te ontsteken. Hij demonstreerde dat het verlengen van de compressieslag door de constante injectie van brandstof meer kracht opleverde per verbruikte eenheid brandstof. Echter werd veel van deze winst weer teniet gedaan door het ontbreken van een adequate methode om de brandstofmix voor de ontsteking te comprimeren. Er werden testen uitgevoerd in voertuigen voor personenvervoer. Problemen met de financiering en te veel wielslip met koud weer deden het project de das om. De motor werd ook in Engeland gebouwd en door de Schot Dugal Clerk omgebouwd naar een vonk ontsteking. Het formaat was wel een issue. Een 10pk motor had een inhoud van 19.3 liter. en woog 1.814 kg. De motoren stonden bekend om het makkelijke starten en de stabiele werking. In een horizontale uitvoeringe werden er verschillende boten mee aangedreven. In die toepassing deed het formaat er niet zo toe. Zijn motoren dreven al voertuigen, boten en onderzeeërs aan voordat Otto en Diesel succesvol waren. De Otto-motor werd ondertussen wel steeds populairder. De compressie van de Brayton motor was nogal laag, er was veel wrijving en warmteverlies tussen de twee cilinders. Toch wordt de Ready Motor beschouwd als de eerste veilige en praktische olie motor, eigenlijk de voorloper van de dieselmotor.
De Rivaz auto
Nikolaus August Otto
Nikolaus August Otto (1832-1891)
Lenoirs tweetakt brandstofmotor inspireerde Otto in 1876 tot de implementatie van de viertaktcycles van Rochas, net als Lenoir in 1884.
In 1864 komt Carl Eugen Langen in contact met Nikolaus August Otto, die in zijn vrije tijd werkt aan de verbetering van de atmosferische motor van de Belg Etienne Lenoir. De technisch opgeleide Eugen Langen ziet het potentieel van de ontwikkelingen van Otto en sticht één maand na hun ontmoeting de eerste motorenfabriek ter wereld, N. A. Otto & Cie. De eerste motor was een gevaarte dat 500kg per pk moest verplaatsen. Op de Parijse wereldtentoonstelling van 1867 won de verbeterde gasmotor, de flugkolbenmotor, de gouden medaille. Hij verbruikte drie maal minder brandstof dan Lenoirs motor. Nadat de eerste fabriek failliet ging, sticht Langen in Deutz met vreemd kapitaal de Gasmotorenfabrik Deutz, het huidige Deutz AG, dat later overging in het concern Klöckner-Humboldt-Deutz (KHD) dat op zijn beurt overging in IVECO. Otto's schulden ter waarde van 18.000 talern (Pruisische munteenheid) werden overgenomen door Eugen Langen. Om de productie te verzekeren, wierf Langen Gottlieb Daimler, verantwoordelijk voor de productie, en Wilhelm Maybach, verantwoordelijk voor de constructie aan. In 1874 haalde de firma een maandelijkse productie van 80 motoren met een totaal van 5000 stuks. Nu kon Otto zijn oude idee van een viertaktmotor productierijp maken, wat gebeurde in 1876. Hij had inmiddels concurrentie van de heteluchtmachine die minder milieuvriendelijk was maar ook met hout, turf of kolen gestookt kon worden. Eind 1876 had Maybach er al voor gezorgd dat de motor in productie kon, niet alleen in Deutz, maar ook in het buitenland door het gebruik van licenties. De eerste Deutzer A-Motor had 3pk, het jaar erna al 5 pk., voor zijn dood experimenteerde Otto reeds met een 100pk motor.
In 1876 werd het viertaktprincipe voor het eerst beschreven voor een patent, in 1886 werd de patentaanvraag ongeldig verklaard omdat het principe reeds door Beau de Rochas was beschreven. Otto kon zijn patent niet behouden en een onvergelijkbare strijd begon.
Nikolaus had een zoon, Gustav, die in 1911 Gustav Otto Flugmachinenwerke opricht. Zijn bedrijf wordt BMW AG op 21-07-1917.
Wilhelm Maybach en Gottlieb Daimler
Uit persoonlijke overwegingen verlieten Maybach en Daimler de onderneming van Otto. Zij kregen 113.000 goudmark mee aan Deutz aandelen voor alle patenten die zij ontwikkeld een aangevraagd hadden. Zij verwezenlijkte in 1883 hun eigen ideeën van een lichte snellopende benzinemotor die voor mobiele inzet was bedoeld. Ze richten de Daimler Motoren Gesellchaft op. Zij gingen motoren bouwen voor universele toepassingen te land, ter zee en in de lucht. Elk van deze toepassingen waren een lijn, de drie lijnen vormden een driepuntige ster, het logo van Mercedes-Benz. Voor het eerst slaagde ze erin vloeibare brandstoffen te gebruiken door het uitvinden van de carburateur. Dit had grote voordelen op het gebied van opslag en transport. In november 1885 bouwde ze de eerste kleine motor bouwde ze in een houten fiets. Hiermee onstond één van de eerste motorfietsen, de Reitwagen. Er werd een rit mee gereden van 3 kilometer met een gemiddelde snelheid van 12 km/u. In maart 1887 werd een motor ingebouwd in een rijtuig die op dezelfde rit een snelheid haalde van 16 km/u. In de tussentijd had Carl Benz zijn eerste rit gemaakt in juni 1886 met zijn Patentwagen en was daarmee net iets eerder en krijgt algemeen de erkenning de eerste auto te hebben gebouwd.
​
De broers zijn echter enthousiast en bouwen de motoren in boten en vliegtoestellen. In 1887 verkochten ze hun patenten al naar het buitenland en in 1889 stonden ze op de wereldtentoonstelling in Parijs. In dat jaar bouwde ze ook de eerste eigen auto die onder licentie in Frankrijk (1890 Panhard & Levassor en Peugeot), de UK (1896 Daimler Coventry) en de US (1891 Steinway) verkocht werd. In 1894 kwam de Fenix motor (met nokkenas, carburateur met sproeikop etc). Deze motor was wat men nodig had. Veel Franse constructeurs kochten deze motoren. Enkele deelnemers aan de eerste autorace ter wereld (Parijs-Rouen) in dat jaar hadden zo'n motor aan boord. In 1900 sterft Daimler aan een hartziekte. Maybach gaat echter door en ontwerpt de eerste Mercedes. Deze is niet meer afgeleid van de koets en wordt als een moderne auto gezien. Topsnelheid was 65.5 uit 35 pk. Het prototype kon niet als Daimler op de markt komen omdat de naam Daimler voor heel Frankrijk al gelicenseerd was aan Panhard & Levassor. De naam Mercedes werd toen gekozen. Door brand in Cannstatt, waar tot dan toe geproduceerd werd, verplaatste de productie zich naar Stuttgart. In 1906 ontwikkelde Maybach een motor die de luchtvaart een enorme sprong voorwaarts zou geven, een 120 pk racemotor en dubbele ontsteking. Doordat DMG hem geen goede functie gaf stapte hij op en ging in zee met Graf von Zeppelin. Na de 1e WO mochten er geen luchtvaartuigen meer gebouwd worden in Duitsland en in 1921 start hij daarom met de productie van luxe automobielen. Zijn V12 ontwerp was licht gebouwd voor gebruik in de Zeppelins (één Zeppelin met V12 haalde de rand van de Atmosfeer) maar ook in de DS7- Zeppelin van Maybach zelf. Het was de eerste Duitse V12. DMG fuseerde door de crisis en de druk van de banken met Benz & Co in 1926 waardoor Daimler Benz AG ontstond. Maybach overleed in 1929.
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
Edouard Delamare-Deboutteville
​
Volgens de Fransen zouden zij in 1884 de eerste auto op de weg hebben gezet en niet Carl Benz in 1885. Edouard was 23 in 1879 toen hij een universele machine uitvond die kon snijden, frezen en boren. Hij kreeg interesse in de interne verbrandingsmotor als aandrijving van zijn machine maar ook voor voertuigen. Hij kende de patenten van Rochas, Lenoir en Otto. In 1883 bouwde hij een 1 cilinder 4 takt motor met bobine met bougie en accu ontsteking, kopkleppen en een hoge compressie. Deze bouwt hij in een driewieler die echter verongelukt. De nieuwe motor kreeg ook nog zuigerveren, lucht of waterverwarming voor de carburateur, uitlaatdemper en een progressieve koppeling. Het is zeker dat er een vierwielig voertuig is gebouwd maar dat deze ook heeft gereden is niet te bewijzen. Zijn patent is nooit opgevallen of gebruikt. Jammer, want veel van zijn ontwikkelingen waren bruikbaar geweest voor Daimler en Benz die sommige dingen nogal simpel hadden opgelost. Helaas moest hij zijn experimenten opgeven om de kost te blijven verdienen. Hij is zijn motoren blijven ontwikkelen maar alleen voor industrieel gebruik en niet meer voor auto's.
Daimler Reitwagen
Daimler Advertentie uit 1905