1. Het Atkinson principe.
Typisch voor het Atkinson proces is dat de vier zuigerslagen (inlaat, compressie, arbeid en uitlaat) gemaakt worden met één omwenteling van het vliegwiel in plaats 2 omwentelingen bij de normale (Otto) 4-takt. De distributie tussen de krukas en het kleppen systeem is daarom 1 op 1 in plaats van 2 op 1. Een belangrijk kenmerk is ook dat de uitlaatslag groter is dan de andere drie slagen waarmee het mogelijk is om de zuiger aan het eind van de uitlaatslag op een haar na tegen de cilinderkop te laten lopen zodat vrijwel alle verbrande gassen uit de cilinder gedreven worden. Bij de normale 4-takt is deze afstand tot de cilinderkop per definitie gelijk aan die aan het eind van de compressieslag en die is behoorlijk, afhankelijk van welke koude compressie wordt gewenst. Aangezien ik bij voorkeur met tamelijk lage compressie werk voor een gemakkelijke opstart en rustig loopgedrag is die ruimte in de verbrandingskamer bij een normale 4-takt altijd nog zo'n 20 % van het cilinder volume en dat percentage van het verbrande gas blijft bij zo'n normale 4-takt dan ook in de cilinder achter op het moment dat er weer vers gasmengsel uit de carburateur wordt aangezogen. Bij industriele 4-takt Otto motoren zijn er wel allerlei technieken toegepast om het negatieve effect van die dode ruimte te compenseren, maar dit is voor dit soort eenvoudige modellen moeilijk te realiseren.
In principe zal de cilindervulling bij de Atkinson dus een stuk zuiverder zijn hetgeen mee zal helpen aan een meer efficiente verbranding. Nu is de efficiency feitelijk niet belangrijk voor kleine model motoren, maar een betere verbranding van het zuiverder gasmengsel zal wel bijdragen aan een betrouwbaarder loopgedrag.
Een belangrijk nadeel van de Atkinson in deze uitvoering is het tamelijk complexe stangenstelsel met behoorlijk abrupte omkeerbewegingen die een tamelijk onstuimig loopgedrag veroorzaken. Behalve dat dit systeem moeilijk compact kan worden gemaakt is ook het uitbalanceren ervan razend moeilijk. Voor zover ik weet is dit de belangrijkste reden geweest waarom dit Atkinson principe het in de industriele praktijk verloren heeft van het Otto principe terwijl ze vrijwel tegelijkertijd zijn ontworpen in de tweede helft van de 19e eeuw. Voor een modelbouw motor is dit nadeel echter geen bezwaar. Eigenlijk is wel spannend om te zien hoe het Atkinson aandrijf systeem deze typische zuigerbewegingen veroorzaakt.2. De Atkinson MK1; versie 2002
Reeds in 2002 maakte ik mijn eerste MK1 versie van deze Atkinson motor, zie onderstaande foto.
De bouw tot aan de eerste omwentelingen
Ik heb deze eerste MK1 versie gemaakt volgens tekeningen en beschrijvingen van Kees Goverde en vanwege "auteursrechten" heb ik destijds afgezien om daarvan een CAD tekening pakket te maken.
Voor het daadwerkelijk bouwen had ik ca 80 netto manuren nodig, geleid door het goede en complete tekening pakket en de uitvoerige beschrijvingen op de website van Kees Goverde. Ik was toen dus klaar om de eerste startpogingen te ondernemen. Maar het duurde meer dan een week voordat de eerste ontploffing zich in de cilinder voordeed! Dat had echter meer te maken met mijn onbekendheid met deze materie dan met de kwaliteit van het ontwerp. Ik moest de parameters nog ontdekken die van belang zijn om de motor in beweging te krijgen. Vervolgens is het dan ook nog zaak om al die parameters dicht in de buurt van hun individueel optimum te krijgen. Een beetje het verhaal van de kip en het ei, want als er ook maar één parameter verkeerd staat komt er geen beweging in de motor en is het dus ook niet mogelijk om de gevoeligheid van de andere parameters te onderkennen, laat staan om die optimaal af te stellen. Maar met wat ondersteuning van Kees Goverde lukte het me eindelijk om de eerste omwentelingen te realiseren. Ook heb ik dankbaar gebruik gemaakt van enkele tips van Martin Alewijn, die een reeks artikelen heeft geschreven in het NVM maandblad "De Modelbouwer" over zijn rijke ervaringen met viertakt motoren.
Maar met deze eerste omwentelingen waren mijn doelstellingen echter nog verre van bereikt. De motor liep steeds niet veel langer dan 5 á 10 tellen terwijl het hele systeem daarbij ernstig in onbalans geraakte. Zo erg dat ik de motor aan de werkbank moest vastklemmen om te voorkomen dat hij eraf vloog. Erger was nog dat daardoor dusdanig grote krachten uitgeoefend werden op het gehele stangenstelsel dat er op diverse draaipunten spelingen werden ingeslagen. Verschillende bevestigingen trilden voortdurend los of braken zelfs af en ik had de grootste moeite om het vliegwiel op zijn plaats te houden. Ik stond werkelijk verbaasd over zoveel geweld van een dergelijk klein motortje!
Mijn doelstelling was echter een motor te realiseren die iedere keer 100% betrouwbaar opstart met enkele handmatige zetten aan het vliegwiel, rustig loopt met een relatief laag toerental en dit gewoon blijft doen "met mijn handen op de rug". Ik was niet uit op een groot vermogen maar wel op een fraai ogend model dat vriendelijk staat te snorren en dat geen geheimen meer voor mij heeft. Ik voel mijzelf graag de baas over de motor i.pl.v. andersom.Het "temmen" van de motor
Na deze eerste en gewelddadige omwentelingen ging ik dus een traject in van speurwerk en aanpassingen met vallen en opstaan, dit alles met het oogmerk om de machine te temmen. Dit heeft mij echter een veelvoud aan uren gekost ten opzichte van het primaire bouwen! Maar de uitdaging was groot en het heeft mij veel kennis opgeleverd, die mij uiteindelijk in staat stelt de motor iedere keer opnieuw en vlot op te starten en betrouwbaar te laten lopen.Mijn eerste opgave was om het dynamische gedrag van de motor drastisch te verbeteren. Ik zag daarvoor in eerste instantie twee mogelijkheden:
1. Het mechanisch uitbalanceren
Enkele deskundigen op het gebied van verbrandingsmotoren hadden mij inmiddels al gewaarschuwd dat het uitbalanceren van een één cilinder verbrandingsmotor eigenlijk niet, of maar zeer ten dele, mogelijk was. Desondanks heb ik toch enkele pogingen ondernomen, o.a. door het aanbrengen van verstelbare contragewichten in het vliegwiel. Maar het is me niet gelukt om op die manier merkbare verbeteringen tot stand te brengen.
2. Het verlagen van het toerental.
Verlagen van het toerental gebeurt doorgaans door het knijpen van de luchtinlaat van de carburateur en daarmee de cilindervulling. Dat lukte in eerste instantie niet omdat bij dat knijpen de motor instabiel werd en meestal stil viel. Begrijpelijk omdat de kinetische energie in het vliegwiel recht evenredig afneemt met het toerental. Omdat het vliegwiel bovendien van aluminium was en ook nog aan de kleine kant kon de motor daarmee niet door de arbeidsloze slagen van de viertakt cyclus geholpen worden. Ik heb dus een aanzienlijk groter vliegwiel gemaakt. Omdat mij zwaarder materiaal ontbrak voor deze afmetingen heb ik het weer van aluminium gemaakt. Maar de kinetische energie van een vliegwiel stijgt kwadratisch met de diameter, zodat het mij toch lukte om met dit groter vliegwiel de motor beter aan de praat te houden bij lagere toerentallen.
Maar tevreden was ik nog allesbehalve: het opstarten was nog steeds niet betrouwbaar en ik moest een tamelijk rijk mengsel toepassen om de motor continu te laten draaien. Dat had onvolledige verbranding tot gevolg en daarmee snelle roetvorming op de bougie. Verder bleef het toerental toch nog relatief hoog waardoor het dynamisch gedrag van deze motor door nogal veel asymmetrie in het stangenstelsel onacceptabel bleef, naar mijn oordeel althans.
Het ontwerp van de motor was gebaseerd op een zelf aanzuigend systeem voor het verbrandingsmengsel. De inlaatklep was daarom alleen afgeveerd en werd zodoende niet positief en ook niet instelbaar aangestuurd, zoals dat wel het geval was voor de uitlaatklep met behulp van een klepstoter. De veerspanning voor de inlaatklep is in zo'n geval tamelijk kritisch: een te straffe veer verhindert het openen van de klep, met een te slappe veer sluit de klep niet goed of gaat zweven. Dit bracht mij ertoe om nog een derde mogelijkheid voor het "temmen" aan te pakken.
3. Het aanbrengen van een extra systeem met nokrol, klepstoter en tuimelaar voor de inlaatklep.
Ik kon hiervoor een kopie maken van het systeem waarmee de uitlaatklep bedient wordt. Er was daarvoor gelukkig nog juist genoeg ruimte overgebleven in de constructie. Deze aanpassing heeft veel bijgedragen aan het bereiken van mijn doelstelling. Met het variëren van de inlaattijd en het moment van openen en sluiten van de inlaatklep t.o.v. de bewegingen van de uitlaatklep werd het mogelijk een instelling te realiseren waarbij de motor 100% betrouwbaar opstart met enkele handmatige zetten aan het vliegwiel. Verder werd het gedrag van de motor nog aanzienlijk stabieler bij lage toerentallen en kon ik met een armer mengsel volstaan waardoor de roetvorming op de bougie ook nog behoorlijk verminderde.Overige globale aanpassingen
Bovengenoemde wijzigingen hebben weliswaar geleid tot een betrouwbare en goed lopende viertakt motor maar deze Atkinson bleef toch een ietwat onstuimig gedrag vertonen. Vermoedelijk dragen asymmetrieën in het (overigens fascinerende) stangenstelsel bij tot een moeilijk tembaar krachtenspel op het gehele systeem.
Om die reden heb ik een aantal draaipunten fors moeten verzwaren en/of van kogellagers moeten voorzien. Deze maatregelen hebben het dynamisch gedrag verder verbeterd tot een acceptabel niveau en hebben ook hinderlijke bijgeluiden tot een minimum beperkt.
Voor zowel de cilinder als de zuiger heb ik perlytisch gietijzer toegepast. Ik ben erg gecharmeerd van deze combinatie omdat dit materiaal nauwelijks uitzet, waardoor de zuiger zuiver passend kan worden gemaakt zonder dat die gaat vastlopen bij temperatuurverhoging. Voorts is perlytisch gietijzer goed slijtvast en ook enigszins zelfsmerend door het hoge koolstofgehalte, waardoor het ook niet nodig om olie toe te voegen aan de benzine.Het resultaat
Uiteindelijk heb ik bereikt wat mij voor ogen stond:
1. Betrouwbaar opstarten na 1 tot maximaal 3 handmatige zetten aan het vliegwiel;
2. Het terug kunnen regelen naar een relatief laag toerental van ca 300 omw./minuut ;
3. Aanvaardbaar rustig lopen met dit lage toerental, waardoor de machine op nu zijn plaats blijft en het stangenstelsel niet overbelast wordt;
4. Continu lopen "met mijn handen op de rug". Wel met tamelijk fors, maar niet onplezierig geluid;
2. De verbeterde versie van de Atkinson MK1 (2016)
Ik heb 8 jaar lang de Atkinson MK1 zoals hierboven beschreven gelaten voor wat hij was en in die tijd diverse andere modellen van verbrandingsmotoren ontworpen en gemaakt. Het bleef echter al die tijd een beetje aan mij knagen dat de Atkinson een motor was met een behoorlijk onstuimig loopgedrag, zeker vergeleken met de verbrandingsmotortjes die ik in die 14 jaar maakte.
In 2010 bedacht ik dat een Atkinson met riem aandrijving (in plaats van de erg lange klepstoters) en een bovenliggende nokken-as wel eens een stuk rustiger zou kunnen lopen. Met die gedachte ontwierp ik de MK2 versie; zie de betreffende pagina daarvoor. Omdat ik intussen ervaring had opgedaan met roterende kleppen bij andere 4-takt modellen heb ik vrij kort daarna een derde (MK3) versie ontworpen en gemaakt; zie de betreffende pagina. Deze MK2 en vooral de MK3 versie hebben een aanzienlijk beter dynamisch gedrag omdat door de tandriem en vooral door de roterende klep veel minder stootbelastingen optreden.
Ik kreeg echter regelmatig toch nog aanvragen voor tekeningen van de MK1 versie, voornamelijk omdat blijkbaar veel modelbouwers problemen hebben met het verkrijgen van geschikte tandriemen en het maken van de tandwielen daarvoor. Kortelings (Juni 2016) heb ik dan maar besloten om daar alsnog een CAD tekening pakket van te maken. Daarbij heb ik tevens nog een aantal verbeteringen aangebracht, gebruik makend van een aantal ervaringen die ik in al die jaren heb opgebouwd met de ontwikkeling van al mijn andere verbrandingsmotortjes; het toepassen van "voortschrijdende inzichten" zo gezegd.
Onderstaande CAD figuur toont het resultaat van deze verbeterde MK1 versie:
De belangrijkste kenmerken, resp. verbeteringen t.o.v. de eerste MK1 versie zijn:
1. Het toepassen van de "Benzinedamp Carburateur" in plaats van de klassieke venturie carburateur; zie voor de voordelen daarvan de betreffende pagina van deze carburateur.
2. Een vliegwiel van staal of messing in plaats van aluminium waardoor de diameter ervan behoorlijk kleiner is.
3. Een aansluitblokje op de cilinderkop voor zowel het inlaten van het gasmengsel uit de carburateur als voor het uitlaten van de verbrande gassen. De veel kleinere (cosmetische) uitlaatdemper kon daardoor ook rechtstreeks op dit aansluitblokje worden geschroefd.
4. Een hogere houten voet waar een niet al te grote bobine van een (klassieke) auto of motorfiets kan worden ingebouwd. Dat kan natuurlijk ook met een kleiner systeem vonk systeem zoals het electronisch "Blokker" circuit; zie daarvoor de betreffende pagina.Enkele technische specificaties
Globale afmetingen: lxbxh= 320x190x230mm;
Cilinder: boring 24mm, lengte 65mm, perlytisch gietijzer;
Zuiger: diameter 24mm, lengte 28mm, perlytisch gietijzer;
Zuigerslagen: inlaat ca 26mm, compressie ca 21mm, arbeid ca 29mm, uitlaat ca 34mm. De verschillen in zuigerslagen zijn typisch voor de Atkinson motor.
Vliegwiel: diameter 150m, breedte 20mm, messing of staal;
Toerental: regelbaar tussen ca 300 en 800 omwentelingen per minuut;
Brandstof: autobenzine Euro 95 of bij voorkeur Coleman Fuel.
Tekening pakket
Ik heb van deze sterk gewijzigde 2016 versie een compleet CAD tekening pakket gemaakt dat beschikbaar is voor iedere geinteresseerde; klik hier voor een aavraag.
Ik heb dus wel het tekening pakket gemaakt maar nog niet de motor zelf zodat ik er nog geen video van kan laten zien. Ik aarzel een beetje om dat te doen omdat ik dan een enigzins het gevoel heb om twee keer hetzelfde model te maken, hoewel deze 2016 versie wezenlijk beter zal zijn dan de MK1 Atkinson die ik 14 jaar geleden maakte.
Mooie replica gemaakt door
Immo Drust:
