Benzのエンジンの前に何があったのか?

カール・ベンツの1886年「パテント・モトールヴァーゲン」は自動車の誕生として歴史に刻まれました.しかし、その伝説的なエンジンにたどり着くまでの道のりは、まさに粘り強さと試行錯誤の物語でした.1806年のドゥ・リヴァーズの水素自動車、1826年のサミュエル・ブラウンの坂道登坂、ルノアールのヒッポモビール、そしてオットーの4ストロークサイクルがなければ、ベンツのガソリンエンジンは決して生まれませんでした.それでは、その連鎖の物語を最初から最後まで見ていきましょう.

爆発でピストンを押すという発想はどう生まれたのか?

蒸気機関は19世紀の初頭にはどこにでもありました.工場や船舶、さらには初期の道路車両まで動かしていました.しかし問題がありました.蒸気ボイラーは重く、温まるまでに何時間もかかったのです.では、燃料をボイラーの外側ではなくシリンダーの中で燃やしたらどうなるでしょうか?内燃機関の発想はまさにこの問いから生まれました.つまり、火をエンジン自体に持ち込むということ、鍋をコンロに載せる代わりに、コンロを鍋の下に置くようなものです.

この発想を初めて本格的に実現したのは、砲兵将校のフランソワ・イサーク・ドゥ・リヴァでした.武器と火薬の世界出身の人物にとって、爆発がピストンを押し出せるという発想は容易なことでありました.実際、大砲も同じ仕組みで動いていたのです.1804年から研究していたエンジンを1807年に車両に搭載し、歴史上初の内燃機関車両は短い距離を走行しました.

水素は気球に、点火はボルタ電池に

ドゥ・リヴァのエンジンには、今日の視点で見ると驚くほど現代的な概念が含まれていました.燃料としての水素、点火のための電気火花です.水素と酸素の混合気は気球に貯蔵され、ボルタ電池が火花を散らし、ピストンが上方へ飛び出しました.その後の工程は機械的に骨の折れるものでした.バルブは手動で開閉する必要があり、タイミング機構は存在しませんでした.下降したピストンは、クランク式の巻き上げ装置を介して車輪を回転させていました.

フランス出身のこのスイス人発明家は、1807年1月30日にパリで 731番の特許を 取得し、ヴァレー州にも登録を行いました.執念の技師のように開発を続け、1813年には巨大な機械を作り上げました.全長6メートル、直径2メートルの車輪を備え、重さおよそ 1トンの 車両でした.ヴヴェイで300キログラムの荷物と4人の乗客を乗せ、9%の勾配のある坂道を26メートル走行しました.その速度は 時速3キロメートル でした.1ストロークあたりの前進距離はわずか4~6メートル.これなら歩いたほうが速い、と言わずにはいられません.

さらに悪いことに、誰も彼を真剣に受け止めなかった.当時の科学界は、内燃機関は決して蒸気機関を追い越せないと主張していた.歴史は後に正しかった方を示すことになるが、そのためには半世紀を要した.ひとつ注記しておくと、同じ1807年に、ニエプス兄弟は水柱の力で舟を走らせられるピレオロフォールの特許を取得した.どちらの設計が本当に世界初なのかは、今日でも議論が続いている.

サミュエル・ブラウンと坂道への反抗:1826年のガスエンジン

次の一歩はイギリスからやってきた.技術者サミュエル・ブラウンは、1823年12月4日に内燃機関について特許を取得した.彼のアプローチはリヴァーズとは異なっていた.古いニューコメン蒸気機関をガス燃料用に改造したのである.彼のエンジンは水素で作動し、独立した燃焼室を使用していた.つまりは、ある意味で真空に依存したガス真空式の設計だった.

ブラウンのデモンストレーションは、エンジン史上最も大胆なマーケティングのひとつだった.1826年5月27日、彼はエンジンを馬車に搭載し、ロンドンのシューターズ・ヒルを坂の上まで登った.今日で言えば車の写真を撮って頂上で止めるようなものに見えるかもしれないが、当時としては類を見ない性能だった.それでもブラウンの車両は実用的な自動車とは言えない.それはデモであり、実証の試みだった.だが証明は完成した.燃焼がシリンダー内で行われれば、車両は本当に動けるのだ.

エティエンヌ・ルノアール:初の商業的成功とヒッポモービル

ここから話は本格化する.ベルギー系フランス人の技術者エティエンヌ・ルノアールは、1858年から1860年にかけて開発したエンジンによって、初の商業的成功を収めた内燃機関を作り出した.圧縮を行わず、スパークプラグで点火する2ストロークのガスエンジンで、1860年はルノアールのエンジンが初の内燃機関と呼ばれた年となった.パリではこれらのエンジンに実際の需要があり、1865年までに約143基が販売された.一部の試算では、車両専用ではないエンジンも含めた総販売数は350から400に達するとしている.差異の原因は何を数えるかにある.車両用エンジンのみか、すべてのルノアール・ガスエンジンかである.

しかしルノアールを歴史に刻んだのは、エンジンそのものよりも、それに乗った車両だった.1863年、彼はヒッポモービルを発表した.自らのエンジンを搭載した三輪車両である.エンジンは単気筒で、 2543 cc の排気量、出力はわずか 1.5 hp だった.初期のバージョンでは燃料は水の電気分解で生成した水素であり、その後石油由来の燃料に切り替えられ、原始的なキャブレターが追加された.議論の余地はあるものの、一部では初の自動車と見なされている.ところで燃料の変更には興味深い皮肉がある.初の水素自動車の発想は1806年に遡り、ルノアールは後にガソリン燃料へ回帰し、今日では水素エンジンが再び語られている.歴史は時に完全な円を描くのだ.

問題は最初から明らかだった.ルノアールのエンジンは非効率だった.圧縮がないため燃料の大半が無駄になり、ほぼ半分が浪費されていた.こう考えてみよう.内部点火という発想は正しかったが、点火の前に混合気を圧縮する必要がある.さもなければ爆発の勢いは弱くなる.この壁を越える人物はすでに反対側のケルンで仕事を始めていた.

オットーとランゲン:効率の革命と4ストロークサイクル

1864年、Nicolaus OttoとEugen Langenは、ケルンで世界初の内燃機関企業であるN. A. Otto & Co.を設立しました.3年後の1867年、彼らは自由ピストン式大気圧エンジンを発表しました.このエンジンの動作原理は非常に巧妙なものでした.燃焼によってピストンが上方に飛び出し、その後ピストンが真空効果で下降する際に仕事を行うという仕組みです.1867年のパリ万国博覧会でグランプリを受賞し、それまでで最も効率的なガスエンジンの称号を獲得しました.また、量産に成功した初のエンジンでもありました.約0.5馬力のバージョンの1台が今なお稼働しており、それだけでも十分にエンジニアリングの勝利と言えます.

しかしOttoの頭の中には、さらに大きなアイデアがありました.1861年に最初のエンジンを作り、その年の終わりまでに4ストロークサイクルの着想にたどり着いていました.1876年、ついに燃料を圧縮する世界初の内燃機関を実現しました.今日でも彼の名を冠して呼ばれるオットーサイクルです.違いは何か?混合気を圧縮することで、爆発の力が何倍にも強まるのです.簡単な例えで言えば、同じ風船を軽く膨らませて破裂させる代わりに、限界まで膨らませて破裂させるようなものです.最初のテストではエンジンは数分で故障し、Otto-Langenの提携も解消されましたが、このアイデアは確実に成功しました.圧縮なしの旧設計は急速に廃れ、Lenoir以来続いていた非効率の問題は解決されたのです.

Delamare-Deboutteville:4輪へと進んだ初期の試み

1876年以降、次はこのエンジンを車両に適切に搭載する番でした.フランスのÉdouard Delamare-Debouttevilleは、1881年にLenoirとOttoの研究を検討した上で、最初の4ストローク内燃機関を作りました.1883年にはLéon MalandinとともにOttoの4ストロークエンジンに基づく燃焼エンジンを開発し、同年、ガソリンで走る内燃機関搭載の車両を設計しました.

すべてが順調に進んだわけではありません.最初の試験で車は真っ二つに割れました.ええ、文字通りにです.しかしフランスにおいて、この2人は今日、最初の4輪自動車の発明者として称されています.これは先駆者をめぐる議論がいかに繊細なものであるかを示しています.名前や特許を得ることと、実際に公の目に触れて使える状態になることとの間には、大きな違いがあるのです.

Benzによる特許へと至る最後の一歩:1886年

Karl Benzの物語は、実は1886年の7年前に始まっています.彼の最初の定置式ガソリンエンジンは単気筒2ストロークエンジンで、初めて 1879年の大晦日に 作動しました.ガソリンというアイデアがどのように生まれたかと言えば、その話はあまりに日常的で完璧です.Benzは手袋を洗っていたとき、ベンジンが入ったボウルが火花で炎上するのを見て、この揮発性液体が燃料として使えるのではないかと考えたのです.つまり、台所の事故が、自動車時代を切り開く燃料を見つけたということです.

Benz Patent-Motorwagen のために 1886年1月29日に ガスエンジンで走る車両の特許出願が行われ、特許が取得されました.単気筒4ストロークのガソリンエンジンは約 0.55 kW (0.75馬力)を発生し、最高速度は 16 km/h でした.この数字は de Rivaz の 3 km/s と比べれば革命的ですが、今日の基準では物足りないものです.本当の課題は速さではなく、組み合わせでした.軽量シャシー、強力だが小型のエンジン、そして石油ベースの燃料 - さらにエンジンの出力がフライホイールで平滑化されること.これらすべてが揃ったとき、初めて実用に耐える自動車が生まれたのです.多くの歴史家はこの特許を自動車の誕生とみなしています.まもなく Gottlieb Daimler も登場しました.多くの人は彼を実用的な内燃機関を作り上げた最初の人物とみなし、1889年にはV型2気筒4ストロークエンジンを発明して、この道をさらに一歩前へ進めました.

この連鎖の全体を見て何が見えてくるか?

それぞれの名前が一つのピースを運んでいました.de Rivaz はシリンダーに火を入れ、Brown は動けることを証明し、Lenoir は売れるエンジンを示し、Otto は効率を解決し、Delamare-Deboutteville は4輪へと移行し、Benz はすべてを一台の車にまとめ上げました.どれ一つとして、他がなければ成功しなかったでしょう - 特許の歴史が一人の発明者の名を冠していても、そのエンジンは実のところ80年にわたる集合的な努力の産物だったのです.

だから次に車のキーを回してエンジンの音が聞こえたとき、一瞬立ち止まって考えてみてください.その音は、1807年の水素気球から始まった非常に長い物語の最後の輪なのです.この連鎖の中でどのステップが最も勇敢だと思いますか?私のお気に入りは、Benz がベンゼンの入ったボウルの事故からガソリン燃料のアイデアを救い出したことですが、まったく真剣に受け取られなかった de Rivaz の水素自動車も無視するわけにはいきません.

出典

• ド・リヴァスエンジン
• サミュエル・ブラウン(技術者)
• サミュエル・ブラウン(ブロンプトン出身)
• First Auto | The Engines of Our Ingenuity - ヒューストン大学
• イッポモビル
• エティエンヌ・ルノアール
• アイデアの誕生: エティエンヌ・ルノアールと内燃機関
• オットーエンジン
• オットー・ランゲン大気圧エンジン
• オットー(1832) - Energy Kids
• 自動車の先駆者たち
• ドラマール=ドゥブトヴィル
• ベンツ・パテント・モーターカー
• 1886年ベンツ・パテント・モーターヴァーゲン レプリカ
• ベンツ・パテント・モーターヴァーゲン
• 自動車の歴史 - ガスエンジン