De motor die leerde eerst te persen en dan pas te verbranden — elke benzinemotor sindsdien draait op Otto's vier slagen.
1876·~3 pk bij 180 tpm·~14% — 3× zoveel als zijn rivalen·Eén liggende cilinder·Stadsgas·30,000+ by 1890
1· HET VERHAAL
Vuur, getemd in vier slagen
In 1876 bouwde Nicolaus Otto bij de Deutz-fabriek nabij Keulen een gasmotor die zijn mengsel eerst samenperste voordat hij het ontstak — en hij liep zo soepel naast de ratelende motoren van die tijd dat hij de bijnaam 'stille motor' kreeg. Hij leverde ongeveer drie pk bij 180 tpm, stond vastgeschroefd op een werkplaatsvloer en werd gevoed via de stadsgasleiding in de muur. Er werden er meer dan dertigduizend van verkocht, en zijn viertaktcyclus is nog altijd de hartslag van vrijwel elke benzinemotor op aarde.
~3 pk bij 180 tpmVermogen~14% — 3× zoveel als zijn rivalenRendement
2· WAAROM HET ERTOE DEED
Eerst persen, dan verbranden
Oudere gasmotoren zogen hun mengsel naar binnen en staken het aan bij atmosferische druk — amper vier procent van de warmte uit de brandstof werd omgezet in arbeid. Otto perste het mengsel eerst samen tot een fractie van zijn volume, zodat de verbranding tegen een zuiger duwde die daadwerkelijk weerstand bood. Het rendement verdrievoudigde ruwweg, en de compressieverhouding is nog altijd het eerste getal waar een motorontwerper voor vecht.
Zuigen, persen, knallen, blazen — elke taak krijgt zijn eigen volledige zuigerslag. Maar één slag op de vier levert vermogen; de opgeslagen energie van het vliegwiel draagt de machine door de andere drie heen. Die strikte taakverdeling maakte verbranding beheersbaar, bouwbaar en eindeloos opschaalbaar — van brommer tot Le Mans.
4· WAAROM HET ERTOE DEED
Van curiositeit naar industrie
Een stoominstallatie had een ketel, een stoker en een uur voorbereidingstijd nodig. De Otto-motor startte in enkele minuten en was per paardenkracht te koop, niet per stookhuis — kleine werkplaatsen konden zich eindelijk überhaupt een motor veroorloven. Zijn eigen ingenieurs, Gottlieb Daimler en Wilhelm Maybach, vertrokken al snel om hem te verkleinen, sneller te maken en op wielen te zetten: binnen tien jaar was de viertaktmotor mobiel, en werd de auto onvermijdelijk.
5· PROBEER HET
Draai de vier slagen
Eén cilinder, de vier slagen, live: laat hem draaien, zet hem stil, of sleep de krukas zelf door de cyclus — en let op hoe vaak er eigenlijk helemaal niets duwt.
Uitlezing
Vermogen2.8 pk
Arbeidsslagen per seconde1.4
Compressieverhouding (1876)≈ 2.5 : 1
Thermisch rendement~14%
Van de vier slagen is er maar één een arbeidsslag — bij 170 tpm krijgt het vliegwiel 1.4 keer per seconde een zet en rolt het daartussen uit, en dat maakt het verreweg het grootste onderdeel van de machine. Moderne motoren draaien veertig keer zo snel en verdelen het werk over meerdere cilinders, maar de cyclus is nog altijd die van Otto — ongewijzigd.
Verdieping · Waar de energie van de brandstof heen gaat· geopend vanuit Otto's stille motor
Tijdlijnen · Motoren · ga dieper · Otto's stille motor
Waar de energie van de brandstof heen gaat
Twee derde van elke liter bereikt nooit de wielen — en dat is de natuurkunde die gierig is, niet de ingenieurs.
~1/3 van de brandstof·~1/3·~1/3·compressieverhouding
1· HET IDEE
Van de warmte in de brandstof: ruwweg een derde wordt arbeid, een derde verlaat de motor via de uitlaat, een derde gaat naar de koelvloeistof
Verbrand een liter benzine en je zet een vaste, royale hoeveelheid warmte vrij. Een goede moderne motor zet daar ongeveer een derde van om in bruikbare arbeid; de rest verlaat de motor als hete uitlaatgassen en als warmte die de koelvloeistof en de olie meenemen. Dat is geen slordigheid — een warmtemotor kan warmte alleen in arbeid omzetten door een temperatuurverschil te benutten, en de thermodynamica zet een harde grens op hoeveel elke zo'n motor ooit kan onttrekken. De hele geschiedenis van motorontwerp is een belegering van dat plafond.
2· WAAROM HET ERTOE DOET
Compressie is de hoofdhefboom
Het rendement van de ideale ottocyclus hangt van precies één ding af: de compressieverhouding. Pers het mengsel harder samen voordat je het verbrandt en meer van de warmte wordt duwkracht — daarom is de compressie gestegen van Otto's 2,5:1 naar 10 tot 14:1 vandaag, en daarom was het het eerste getal op deze tijdlijn. De grens is kloppen: benzine ontploft ongecontroleerd als je haar te hard samenperst, en elk decennium brandstofchemie kocht er weer een punt of twee bij.
3· WAAROM HET ERTOE DOET
Ook de ontsnappingsroutes worden belast
Wat je niet kunt voorkomen, kun je recyclen. De turbolader zit in de hete uitlaatstroom en graait energie terug om meer lucht naar binnen te persen. De hybride vangt de bewegingsenergie op die remmen anders in warmte zou verbranden. Zelfs de warmte van de koelvloeistof wordt ingezet om de cabine te verwarmen. Niets hiervan doorbreekt het thermodynamische plafond — ze plunderen er slechts omheen.
4· WAAROM HET ERTOE DOET
Waarom de elektromotor iedereen te kijk zette
Een elektromotor is geen warmtemotor — hij zet elektrische energie om in beweging zonder dat er een temperatuurverschil in het spel is, dus het plafond geldt gewoon niet. Een rendement van boven de negentig procent is heel gewoon. Dat de benzinemotor maar een derde van zijn liter overhoudt, was nooit onkunde; het was de prijs voor arbeid uit vuur. De elektromotor weigert simpelweg die prijs te betalen.
5· PROBEER HET
Pers je weg naar meer rendement
Schuif de compressieverhouding en kijk hoe het ideale ottorendement zijn curve beklimt — steil in het begin, vlak precies waar echte motoren zich bevinden, met kloppen wachtend aan de rechterkant.
Uitlezing
Ideaal rendement55%
Een echte motor hier~37%
De restuitlaat- + koelwaterwarmte
De ideale Otto-curve met een realistische lading. Wrijving, warmteverlies en onvolledige verbranding nemen elk hun deel van wat de cyclus toelaat — en daarom komt van de brandstof uiteindelijk maar ongeveer een derde als arbeid bij de wielen aan.