Inleiding
Eerder maakte ik een 1-cilinder 4-takt motor met glazen cilinder waarbij de ontbranding van het gasmengsel zichtbaar is door die glazen cilinder. Ik vatte daarna het plan op om daar ook een 2-takt versie van te maken, enerzijds omdat een 2-takt veel eenvoudiger is dan een 4-takt vanwege het ontbreken van bewegende kleppen en een distributiesysteem met tandwielen of tandriemen, anderzijds omdat een 2-takt met een glazen cilinder een speciale uitdaging is zoals verderop zal blijken.
Bij een normale 2-takt motor wordt het verse gasmengsel onder de zuiger aangezogen als de zuiger zich naar boven beweegt waarbij die dan boven de zuiger het vorige gasmengsel comprimeert dat ontstoken wordt bij de maximale compressie als de zuiger in zijn bovenste positie is aangekomen. Als de zuiger weer naar beneden beweegt tijdens de arbeidsslag wordt het nieuwe verse gasmengsel ook weer onder de zuiger samengeperst in het carter. Als de zuiger in de onderste positie is aangekomen heeft die de uitlaatpoort in de cilinderwand juist geopend waardoor de verbrande gassen ontsnappen. Op dat zelfde moment wordt het samengeperste verse gasmengsel vanuit het carter door een inlaatpoort in de cilinderwand boven de zuiger geinjecteerd waardoor de laatste verbrande gassen worden weggespoeld door de uitlaatpoort. Op dat moment bevindt zich dus boven de zuiger het verse gasmengsel dat wordt gecomprimeerd vanaf het moment dat de zuiger de uitlaatpoort afsluit als die weer naar boven beweegt waarmee de 2-takt cyclus zich herhaalt.
Ik wilde de onderkant van de glazen cilinder niet afsluiten met een carter of een vlak deksel waar een starre zuiger-as lekvrij doorheen zou moeten lopen. Een carter is mij veel te ingewikkeld en aan een starre zuiger-as zou ik nog een zwenkbare drijfstang moeten maken om de koppeling aan de krukas mogelijk te maken hetgeen de hele constructie relatief groot maakt. Bovendien zou dit afbreuk doen aan het vrije uitzicht op de transparante glazen cilinder. Ik wilde de glazen cilinder dus alleen boven aan de cilinderkop bevestigen met Loctite 603 zoals ik dat ook met succes deed bij de 4-takt versie.
Om zo'n 2-takt motor te maken moest ik dus twee problemen oplossen:
1. Een uitlaatpoort maken in de wand van de glazen cilinder;
2. Het verse gasmengsel boven de zuiger injecteren anders dan via het aanzuigen en comprimeren daarvan onder de zuiger.
Het eerste probleem had ik snel opgelost. Het tweede was een geheel ander hoofdstuk maar het heeft uiteindelijk tot een zeer verrassend resultaat geleid.
Het concept
1. De glazen cilinder met de uitlaatpoort.
De cilinder heb ik uit een glazen injectiespuit (Fortuna Optima 20ml) gezaagd zoals ik dat ook deed voor mijn 1-cilinder 4-takt motor met glazen cilinder. De wand daarvan is 2mm dik en de inwendige diameter is met een tolerantie van minder dan +/- 0.01mm akelig nauwkeurig hetgeen een voorwaarde is om de grafiet zuiger zonder zuigerveren er goed passend in te maken. Het lukte mij tamelijk eenvoudig om daarin ook een ca 8mm brede en 5mm hoge uitlaatpoort te slijpen met mijn onlangs gemaakte opstelling voor het doorzagen van glazen buizen.
Onderstaande foto toont het resultaat:
Ik was aanvankelijk bang dat de cilinder door die sleuf ernstig verzwakt zou worden, maar het geluk bleek met de domme. Ik kan de cilinder met geen geweld handmatig breken en zelfs na verhitting gedurende een kwartier met een spiritus vlam ter plekke van de sleuf gaf het glas letterlijk en figuurlijk geen krimp. Ik kon er dus eigenlijk wel van uitgaan dat de cilinder heel zou blijven in de heersende en mildere omstandigheden van een lopende motor. Tijdens de ontsteking van het gasmengsel bevindt de zuiger zich boven de uitlaatpoort en dus weet die sleuf niet wat er zich daarboven afspeelt. Ik denk dat de temperatuur van de verbrande gassen als die door de uitlaatsleuf worden gespoeld niet hoger zal zijn dan die van de spiritus vlam. Zoals later zal blijken overleeft deze glazen cilinder het ontbrandingsproces dan ook met gemak.
Door de glazen cilinder zijn de gasontbrandingen fraai zichtbaar bij een wat getemperde ruimteverlichting en dat voegt toch ook iets zeer speciaals toe aan dit model. Een ander voordeel is dat hiermee ook mooi te zien is of het gasmengsel goed en ook altijd ontsteekt. Tevens kun je aan de kleur van de ontbranding vaststellen of de mengverhouding van het gasmengsel optimaal is. Een gele kleur betekent dat het het mengsel te rijk is waarmee de motor minder goed of helemaal niet loopt. Als dan wat meer extra lucht aan het gasmengsel wordt toegevoegd met de regelaar op de carburateur verandert de verbrandingskleur van geel naar blauw ten teken dat dan de optimale gassamenstelling bereikt is van 1 deel benzinedamp op ca 14 delen lucht.
Deze glazen cilinder heb ik eenvoudig in de gietijzeren cilinderkop gelijmd met Loctite 603 waarmee een verbluffend sterke en luchtdichte verbinding ontstaat die moeiteloos en blijvend de temperatuur van de cilinder weerstaat die overigens niet veel hoger wordt dan 80 á 90 graden Celsius.
Alternatief voor de glazen cilinder
Als men niet aan dit wat bijzonder glas kan komen is het altijd mogelijk de cilinder van een geschikte staalsoort te maken met dezelfde afmetingen, waarbij dan natuurlijk de bovengenoemde optisch voordelen wel wegvallen. Maar de motor zal er niet minder goed om lopen als de cilinder boring ook mooi glad en cilindrisch gemaakt is met daarin een mooi passende zuiger.
2. De grafiet zuiger.
De zuiger heb ik van grafiet gemaakt dat ik van mijn vriend Jos kreeg. Een bevriende relatie van hem smelt goud en zilver in grafiet ovens en Jos kreeg van hem een paar versleten exemplaren waaruit ik stukken kon zagen waar ik dan weer zuigers van kan draaien. Grafiet stafmateriaal is ook wel te koop, maar niet zo maar op iedere hoek van de straat en meestal ook niet in kleine hoeveelheden.
Grafiet is ideaal materiaal in dit geval omdat het vrijwel wrijvingsloos in de glazen cilinder op en neer loopt met een passingsruimte van ca 0,01mm. Het is zelf smerend zodat er helemaal geen olie nodig is om het goed lopend te houden. Het zet nauwelijks uit en minder dan glas zodat het nooit vast loopt bij temperatuur verhoging. Het is niet corrosief en overleeft de aanslagen van de gasontbrandingen probleemloos. Het draaien ervan is wel wat vies, maar is verder zeer gemakkelijk.
Ik heb er een messing binnenstuk in gelijmd (ook met Loctite 603) ter versteviging van de pistonpen waar de drijfstang op aangrijpt. Het gat voor de pistonpen heb ik in een keer dwars door de zuiger en het messing stuk geboord nadat dit messing stuk in de zuiger was gelijmd; zie onderstaande figuur:
3. Het kogelklepje.
Het kogelklepje tussen de cilinderkop en de carburateur is een cruciaal onderdeel en vervult hier een speciale functie die ik verderop bij de procesbeschrijving zal toelichten. Van belang is dat de niet afgeveerde stalen fietskogel een tamelijk kleine vrije slag heeft die met draaiende motor optimaal moet worden ingesteld met de verstelbare aanslag boven de kogel. Behalve de kogel is alles van messing gemaakt. De zitting voor de kogel heeft een tophoek van 90 graden en het oppervlak daarvan moet mooi glad worden gedraaid met een scherp beiteltje.
Procesbeschrijving
1. De gasuitwisseling.
Ik ging er aanvankelijk van uit dat boven de zuiger van een 2-takt motor nooit onderdruk ontstaat zodat daar het verse gasmengsel uit de carburateur ook niet kan worden aangezogen. Dat is immers ook de reden waarom het verse gasmengsel bij een normale 2-takt onder de zuiger wordt aangezogen en ook daar weer wordt samengedrukt in het carter om de cilinder door te spoelen op het moment dat de zuiger in zijn onderste positie is aangekomen en de uitlaatpoort in de cilinderwand heeft geopend om de verbrande gassen te laten ontsnappen. Om redenen die ik in de inleiding noemde wilde ik de onderkant van de cilinder open houden en ik veronderstelde dus dat ik een een of ander separaat zuig/perspompje nodig had om het gasmengsel uit de carburateur aan te zuigen en dat dan door de cilinder heen te spoelen met wat overdruk. Ik ben nogal druk bezig geweest met het ontwerpen en maken van zo'n klein pompje dat door de motor zelf zou worden aangedreven (met dank voor de opmerkingen hierover van Martin Aleweyn). Ik zal al mijn ervaringen daarmee hier niet meer opsommen omdat ik dat eerder deed in het "logboek" dat ik hier nu heb weggehaald. Het komt er op neer dat het wel mogelijk bleek, maar ook dat het behoorlijk complex was om zo'n pompje te maken dat voldoende druk en debiet zou maken om het kogelklepje in de cilinderkop te openen en om de cilinder goed door te spoelen.
Maar tijdens deze experimenten deed ik een bijzondere en zeer verrassende ontdekking: er trad ook zonder zo'n pompje wel degelijk een forse luchtstroom op door de carburateur te oordelen aan de golfbewegingen van het benzine oppervlak die ik door de glazen wand van de carburateur kon waarnemen. Ik dacht eerst aan het thermodynamisch "Kadenacy effect" waarbij er onderdruk kan ontstaan in de cilinder als de hete verbrandingsgassen door de uitlaatpoort ontsnappen en dat wel uitgebuit wordt om met aangepaste uitlaatdempers de prestaties van 2-takt motoren te verbeteren. Maar deze forse luchtstroom ontstond ook als ik de vonkontsteking uitschakelde. Omdat er dan geen ontbranding is kan er natuurlijk ook geen Kadenacy effect optreden. Mijn verklaring voor die luchtstroom door de carburateur is daarom een andere en heeft vooral te maken met het feit dat deze 2-takt geen normale 2-takt is. Het grootste verschil is dat ik hier een kogelklep in de cilinderkop heb zitten en geen vaste inlaatpoort in de cilinderwand zoals dat altijd het geval is bij normale 2-takt motoren. Mijn verklaring voor dit uiterst merkwaardig proces is de volgende:
Als er een ontsteking plaats vindt ontstaat er een hoge verbrandingsdruk die de kogel in de klep op zijn zitting gedrukt houdt gedurende die arbeidsslag. Als de zuiger na het uitlaten van de verbrande gassen weer naar boven beweegt wordt er dus ontbrandbaar gas samen gedrukt. Ik vermoed dat dit vooral lucht zal zijn, wellicht mede als gevolg van het eerder genoemde "Kadenacy effect". Door de hoge temperatuur daarvan zal de gasdichtheid relatief laag zijn zodat bij het comprimeren een lagere druk ontstaat dan bij het het comprimeren van het koude gasmengsel uit de carburateur. Als de zuiger dan weer in zijn hoogste positie is aangekomen en van richting omkeert stuitert de kogel vermoedelijk even waardoor die relatief lage overdruk in de cilinder meteen wegvalt. Op dat moment komt er weliswaar een vonk, maar er vindt natuurlijk geen ontbranding plaats in die lucht en de druk in de cilinder blijft daardoor atmosferisch. Als de zuiger dan naar beneden beweegt wordt de kogel daarom wel van zijn zitting getild waardoor er toch gasmengsel uit de carburateur in de cilinder wordt gezogen. Dit gasmengsel zal dan wel wat gemengd zijn met de lucht die kort daarvoor terug in de carburateur werd terug gedrukt. Op zich niet zo erg omdat er aan het primaire gasmengsel altijd wat extra lucht moet worden bijgemengd. Blijkbaar is de verhouding benzinedamp/lucht zelfs nog wat groter dan de optimale 1 op 14 omdat ik steeds toch ook nog wat extra lucht bij moet mengen met de regelaar op de carburateur. Vrijwel zeker zullen er nog wat restanten van de verbrande gassen in dit gasmengsel zitten maar blijkbaar is dat zo weinig dat het mengsel gewoon goed ontsteekt.
Het kogelklepje heeft een instelbare aanslag waarmee de verticale vrije slag van het niet afgeveerde kogeltje kan worden ingesteld. Deze instelling blijkt in dit geval dan ook vrij kritisch te zijn maar het leverde tevens de sleutel tot het succes; wellicht het geluk van de domme. Met de optimale instelling van de kogelklep bereikte ik soms gemakkelijk toerentallen van 1000 tot zelfs 1500 per minuut! Opmerkelijk is ook dat de motor op deze manier ook heel langzaam kan lopen met toerentallen rondom 150 per minuut, hetgeen vermoedelijk te maken heeft met het feit dat hij mechanisch gezien loopt "als door de wind gedreven" omdat alles op kogellagertjes loopt, de wrijving van de grafietzuiger in de cilinder minimaal is en er geen afremmende drukopbouw onder de zuiger optreedt.
Ik kan niet anders dan tot de conclusie komen dat deze 2-takt op deze manier gewoon staat te "4-takten"! Met even veel recht zou je dit ontwerp trouwens ook een 4-takt kunnen noemen met een 2-takt constructie; het is maar net hoe je er tegen aan kijkt.
Ik heb dit uiterst merkwaardige proces gevisualiseerd met een animatie in onderstaande video die ik maakte toen ik het motortje goed aan de praat had gekregen.
Het cyclisch missen van de ontsteking is duidelijk te horen, vooral bij de lagere toerentallen maar het is eigenlijk alleen maar fascinerend om dat waar te nemen. Als men goed oplet is dit "missen" zelfs te zien bij de slow motion video opnamen. Het motorvermogen zal hierdoor wel relatief laag zijn, maar dat deert mij in het geheel niet omdat ik nooit op krachtpatsers uit ben. Ik ga er immers geen koe mee uit de sloot trekken om deze uitdrukking maar weer eens uit de kast te halen.
2. De vonkontsteking.
Aanvankelijk had ik het mini Blokker systeem toegepast omdat dit tot nu toe goed werkt op alle motortjes waar ik dat op geinstalleerd heb. Maar ik wist ook dat de vonk ervan minder krachtig is dan die van een klassieke motorfiets bobine. Ik heb eerder ervaren dat 2-takt motoren een krachtiger vonk nodig hebben dan 4-takt motoren en ik schrijf dat toe aan het feit dat de gasvulling van een 2-takt doorgaans minder zuiver is dan van een 4-takt motor omdat het 2-takt spoelproces soms niet al de verbrande gassen volledig verdrijft uit de cilinder. Nu heb ik hier wel geen spoelproces maar wel wordt hier feitelijk per definitie steeds een zekere hoeveelheid verbrand gas terug gedrukt in de carburateur aan het einde van één van de twee compressie slagen.
Toen ik op provisorisch wijze de schakeling met de klassieke bobine aansloot liep de motor uitstekend en zeer reproduceerbaar. Het was ook duidelijk te zien aan het glimlampje dat ik soms als vonk detectie gebruik dat de vonken hiermee niet de neiging hebben om te doven en vooral ook dat de energie ervan onmiskenbaar en behoorlijk veel groter is te oordelen naar het feller oplichten van het glimlampje. Toen ik het mini systeem weer aansloot onder overigens precies gelijke omstandigheden liep de motor soms wel, maar vaker niet ofwel tamelijk aarzelend. Ik kan niet anders dan concluderen dat het mini systeem hier blijkbaar een randgeval is, in ieder geval zolang ik er niet in slaag om de gaszuiverheid nog te verbeteren en daar heb ik eigenlijk niet zo bar veel hoop op omdat het feitelijk een principieel en negatief bijverschijnsel is van dit merkwaardig proces.
Ik heb dus maar besloten om het mini vonksysteem in ieder geval voorlopig te vervangen door het systeem met een klassieke bobine. Een beetje jammer is dat wel wel, maar je kunt de fysica nu eenmaal niet dwingen met wensen. Echt onoverkomelijk is het ook weer niet omdat ik deze grotere bobine in de houten voet van de motor kon inbouwen waarvoor ik die wel met ca 15mm moest ophogen.
3. Het vliegwiel.
Aanvankelijk had ik een vliegwiel gemaakt van allerlei restanten messing, maar ik kreeg het vermoeden dat het te licht was. Eigenlijk niet zo'n gekke gedachte want bij iedere cyclus moet hier het vliegwiel de motor door 3 arbeidsloze slagen heen helpen. Ik heb toen een nieuw stalen vliegwiel gemaakt met iets grotere diameter maar vooral een stuk zwaarder: ca 1kg i.pl.v ca 0,5 kg. Het effect ervan was onmiskenbaar positief en vooral bij lage toerentallen is het mooi om te zien hoe dit vliegwiel de motor door de arbeidsloze slagen heen sleept.
Tenslotte
Dit motortje is onbetwist en verreweg het meest idiote ding dat ik ooit gemaakt heb. Het proces is in principe wat onbeheerst en berust vooral op een min of meer toevallig gedrag van het kogelklepje. Maar het ding loopt desondanks betrouwbaar, geholpen door een wat zwaar vliegwiel, een tamelijk vette vonk en erg lage systeem wrijvingen. Het niet geheel zuivere gasmengsel ontsteekt weliswaar goed, maar ook met wat wisselende explosieve kracht te oordelen aan de video opnames, hoewel dit ook mede veroorzaakt kan zijn door stroboscopisch filmgedrag, wie zal het zeggen.
Het rendement zal wel niet erg hoog zijn, in ieder geval niet in vergelijking met een mooi aangestuurde 4-takt. Maar spectaculair is het in ieder geval wel als men de vlamhoestbuien door de uitlaatpoort ziet op de video die mijn zoon Marc maakte met zijn mooie camera.
Het motortje blinkt ook uit door een ongekende en extreme eenvoud. Feitelijk bevat het niet veel meer dan een cilinder met zuiger, een kogelklepje, een vliegwiel, een simpele carburateur en een vonkmaker. Dus geen aangestuurde kleppen met nokschijven stoters en tuimelaars, geen distributie met tandwielen of tandriemen, geen koel of smeersysteem, eenvoudige krukas zonder carter, enz. Misschien daardoor wel wat saai om te zien behalve als men zich realiseert welk bijzonder proces zich hier afspeelt en als men de explosies ziet als het licht in de ruimte wat getemperd wordt.
Praktisch nut heeft het niet, maar dat geldt voor vrijwel alle modelbouw motortjes. Er zijn ook mensen die een kathedraal in elkaar lijmen met luciferhoutjes; een fantastische prestatie als je het mij vraagt, maar daar kun je ook geen mis in opdragen. Onder de motto's "hoe gekker hoe liever" en "een kinderhand is snel gevuld" ben ik weer erg tevreden met het resultaat.
Met dank aan Jos voor de raad, daad en ondersteuning, aan mijn zoon Marc voor de video's en aan Huib Visser voor het glaswerk.
