Kaikki polttomoottorit perustuvat polttoaineen palamiseen energian tuottamiseksi.
Olipa kerran moottori -sarjan ensimmäisessä osassa käsiteltiin höyrykonetta, jossa polttoaine palaa moottorin ulkopuolella. Lämmön siirtyminen moottorin seinän läpi tai lämmönsiirtimen kautta aiheuttaa kuitenkin energianhukkaa, eikä höyrykoneen hyötysuhde voi nousta kovinkaan korkeaksi.
Kun polttoaine poltetaan suoraan moottorin sisällä, saavutetaan monia etuja. Tärkeimpänä hyötysuhde paranee, jolloin polttoainetta tarvitaan vähemmän ja moottorin käyttäminen on edullisempaa. Myös moottorin käyttö on monin verroin helpompaa, kun polttoainetta ei tarvitse varastoida niin suuria määriä. Esimerkiksi raskas höyryveturi tarvitsi kovassa ajossa noin kuution halkoja ja 1000 litraa vettä kymmentä kilometriä varten!
Ensimmäinen sisäiseen palamiseen perustuneen moottorin patentoi englantilainen John Barber (1734-1793) vuonna 1791. Lukuisia muitakin keksintöjä tehnyt Barber kuvaili ensimmäisenä kaasuturbiinin periaatteen, jonka hän suunnitteli kuljettavan hevosetonta vaunua. Sen aikaisella tekniikalla kaasuturbiinin rakentaminen oli kuitenkin mahdotonta, mutta liki 200 vuotta myöhemmin koneen toimivuus osoitettiin rakentamalla toimiva pienoismalli. Barberin työ oli joka tapauksessa tärkeää, ja se johti suihkumoottorin kehittämiseen 1930-luvulla.
Hollantilainen tiedemies ja keksijä Christiaan Huygens puuhaili samoihin aikoihin 1780-luvulla polttomoottorin teorian kanssa. Hänen ideoidensa spekuloidaan johtaneen ranskalaisten Nicephoren veljesten Pyreolophoreen (1807) ja sveitsiläisen, keksijänsä nimeä kantaneeseen Rivazin koneeseen (myös 1807). Pyreolophore käytti polttoaineena hiilipölyn ja hartsin muodostamia kiteitä, jota tonnin painoinen kone poltti 8 grammaa minuutissa kuljettaen venettä ylävirtaan Saone -jokea. Rivazin kone taas käytti polttoaineenaan vetyä, joka annosteltiin moottoriin käsipelillä; myös koneen sähköinen sytytystulppa toimi napista painamalla. Molemmat koneet olivat varsin kömpelöitä, ja niiden polttoaine kallista, joten näiden ei nähty kykenevän haastamaan höyrykonetta.
Atmosfäärinen moottori
Italialaiset Eugenio Barsanti (matematiikan professori) ja Felice Matteucci (insinööri) rakensivat ja patentoivat ensimmäisen massatuotantoon kelpaavan atmosfäärisen moottorin 1850- ja 1860-luvulla. Atmosfäärinen moottori toimii niin, että polttoaineen räjähdyksellä luodaan tyhjiö männän yhdelle puolelle, jolloin ilmanpaine toisella puolella liikuttaa mäntää ja tästä aiheutuva liike voidaan hyödyntää. Barsantin ja Matteucin moottori pystyi käyttämään polttoaineena katuvalaistuksessa käytettyä kaasua, jota oli helposti saatavilla, ja kone tuotti mainion 4 hv tehon.
Suosittelemme
Autokäyttöön tonnin painoisesta moottorista ei vielä ollut – ja muutenkin matkaan tuli mutkia. Sarjatuotanto tehdas- ja laivakäyttöön oli juuri alkamassa belgialaisessa konepajassa vuonna 1864, kun tuotannon käynnistymistä valvonut Barsanti yllättäen menehtyi lavantautiin. Vaikka tilauksia satoi ympäri Eurooppaa, ei Italiaan jäänyt Mateucci syystä tai toisesta ottanut Barsantin roolia hoitaakseen, vaan hän vetäytyi vanhoihin hommiinsa hydrauliikkainsinöörinä. Moottoriprojekti jäi silleen.
Samaan aikaan saksalainen Nikolaus Otto tutki veljensä kanssa polttomoottoria. Hän kopioi ensin ranskalaisen Lenoirin moottorin vuonna 1861, mutta ei yllättäen saanut sille patenttia. Sen jälkeen hän tutki nelitahtimoottoria ja rakensi siitä prototyypin, joka kuitenkin toimi vain hetken ennen hajoamistaan. Tässä kohtaa hänen veljelleen riitti ja Otto jäi projektinsa kanssa yksin.
Otto löysi vuonna 1864 rahoittajaksi sokeritehtailijan pojan Eugen Langenin, jonka kanssa moottoribisnes lähti pyörimään mukavasti. Heidän tehtaansa valmisti atmosfääristä moottoria, joka toimi Lenoirin koneeseen nähden kaksinkertaisella hyötysuhteella. Mateucciin mukaan Otto loukkasi hänen patenttiaan, mutta italialaisen valitus kaikui kuuroille korville. Otto ja Langen tekivät kauppaa, ja heidän moottorinsa möi erinomaisesti: vuonna 1875 valmistui peräti 634 konetta. Rakenne oli kuitenkin tiensä päässä, kun suuri moottori kehitti ainoastaan 3 hevosvoimaa, eikä sen merkittävä kehittäminen ollut mahdollista.
Ensimmäinen nelitahtimoottori
Otto oli jatkanut nelitahtimoottoriin kehitystä vuosikymmenen ajan taustalla. Vuonna 1872 Oton puoliksi omistamaan Deuz AG:n liittyivät kyvykkäät insinöörit Gottlieb Daimler ja Willhelm Maybach. Pian nelitahtimoottori saatiin kun saatiinkin toimimaan ja sille myönnettiin 24 eri patenttia vuonna 1877. Edelleenkin moottorityyppiä kutsutaan ottomoottoriksi.
Otto ja Daimler olivat kuitenkin eri linjoilla mitä uudella moottorilla kannattaa tehdä: Otto halusi jatkaa suurten teollisuusmottorien valmistamista, kun taas Daimlerin mielessä siinsi pienempi, ajoneuvokäyttöön soveltuva moottori, jonka nopeutta voitaisiin säätää kaasulla. Ihmisluonto astui esiin, kun koulunsa kesken jättänyt Otto kadehti yliopistotutkinnon suorittanutta Daimleria. Otto kirjasi kaikki patentit omiin nimiinsä.
Ristiriita johti siihen, että Daimler sai potkut vuonna 1880. Hän halusi jatkaa moottorin kehittämistä Otton patenteista huolimatta, ja onneksi hänen palkkaamansa juristi löysikin yhden nelitahtimoottoria koskevan ranskalaisen patentin vuodelta 1862 – ja tie oli vapaa. Daimler nappasi mukaansa Maybachin, jonka kanssa he perustivat työpajan Cannstattiin.
Vuonna 1883 Daimler ja Maybach patentoivat ensimmäisen moottorinsa, jonka polttoaineena käytettiin apteekista saatavaa puhdistusainetta. Moottori kiersi mukavat 750 kierrosta minuutissa, ja nopeus nousi pian 900 kierrokseen. Moottoriin lisättiin myös vauhtipyörä ja sitä kokeiltiin vuonna 1885 esitellyssä kaksipyöräisessä Reitwagenissa. Maybach ajoi kulkimella kolmen kilometrin matkan 12 km/h keskinopeudella. Seuraavana vuonna parannettu moottori asennettiin hevoskärryihin, jotka testissä kulkivat jo 16 km/h nopeudella.
Toinen saksalainen, Karl Benz, kehitti samaan aikaan omaa moottoriaan ja hevosetonta vaunuaan. Hän tutki ensin kaksitahtimoottoria, jolle hän sai patentin vuonna 1880, mutta käytännössä moottori ei toiminut, joten myös Benz siirtyi nelitahtimoottorin kehittämiseen. Vuonna 1885 hän sai valmiiksi ensimmäisenä varsinaisena autona pidetyn moottorivaununsa, jolle myönnettiin patentti 1886. Benzin ja Daimlerin kehitystyöt tapahtuivat toisistaan tietämättä, vaikka etäisyyttä oli vain 60 km. Loppujen lopuksi herrojen yritykset päätyivät yhteen, kun Daimler-Benz syntyi vuonna 1926.
1800-luvun lopulla autojen valmistus alkoi tosissaan. Konsepti oli nykyisenlainen: neljä pyörää ja bensiiniä polttoaineena käyttävä nelitahtimoottori. Ranskan autoteollisuus käynnistyi vuonna 1890 ensin lisenssillä valmistettujen Daimlerin moottorien turvin; johdossa oli tuttu nimi Armand Peugeot. Britannia seurasi sekin Daimlerin lisenssin voimin 1896, ja perinne eli pitkään: näihin päiviin saakka Jaguarin huippumallit ovat kantaneet Daimlerin nimeä. Ensimmäinen amerikkalainen auto, Duryea motor wagon, esiteltiin 1893.
Autosta tulee massatuote
Bensiinimoottorin ja autojen massavalmistus alkoi 1900-luvun alussa. Ensimmäinen sarjatuotantoauto oli Oldsmobile Curved Dash, jonka valmistus aloitettiin 1901. Aiemmista autoista poiketen se valmistettiin keskenään vaihtokelpoisista osista kokoonpanolinjalla. Tuotantomäärä olikin hurja, ja mallia rakennettiin 6 vuoden aikana peräti 19000 kpl. Auton vesijäähdytetty yksisylinterinen moottori tuotti riittävän 5 hv tehon ja kiidätti auton 32 km/h huippunopeuteen.
Ford paransi tuotantotehoa vielä lisää ja esitteli ensimmäisen liukuhihnan vuonna 1913 Highland Parkin tehtaallaan. Autoja rullasi hihnalta vain 15 minuutin välein, mikä oli aikanaan ennenkuulumatonta. Tehtaan tuottavuus oli 8-kertainen kilpailijoihin nähden, kun yhden auton valmistukseen tarvittiin vain puolentoista tunnin työ aiemman 12,5 tunnin sijaan.
Vuonna 1908 esitelty Fordin T-malli möi allistyttäviä määriä ja autoja valmistettiin yli 15 miljoonaa. Mallissa oli nelisylinterinen 2,9-litrainen moottori, joka tuotti 20 hv tehon ja kuljetti autoa yli 70 km/h nopeudella, mikä varmasti riitti sen ajan teillä. Moottori oli kaikkiruokainen, ja polttoaineena saattoi käyttää bensiinin lisäksi etanolia tai lamppuöljyä. Moottorin valmistus jatkui peräti vuoteen 1941 saakka varamoottoriksi ja teollisuuskäyttöön.
Vaikka 1910-luvulla sähkö ja jopa höyry vielä kilpailivat paikasta automobiilin keulalla, niin polttomoottori alkoi tässä kohtaa vetää etumatkaa muihin. Ottomoottori oli kolmikosta ainoa, jolla saattoi käydä pitemmällekin taipaleelle ilman huolta polttoaineen saatavuudesta. Bensiinin yleistyminen ja sen hinnan romahtaminen ensimmäisen maailmansodan jälkeen oli viimeinen niitti vaihtoehtoisille polttoaineille.
Nelitahtinen bensiinimoottori oli 100 vuotta sitten suunnilleen samanlainen kuin nykyisinkin. Mitään maatamullistavia suuria teknisiä harppauksia ei ole tullut, mutta pieniä viilauksia senkin edestä. Nykyiset moottorit ovatkin merkittävästi luotettavampia, tehokkaampia ja taloudellisempia.
1920-luvulla dieselmoottori kehittyi sekin autokäyttöön sopivaksi. Seuraavassa osassa tutustumme sen historiaan.
