Introductie
In 2002 maakte ik mijn eerste Atkinson 4-takt motor (MK1); zie de betreffende pagina. In 2010 ontwierp ik een tweede versie (MK2); zie de betreffende pagina.
Gesteund door de ervaringen met een roterende in- & uitlaat klep en glazen cilinders met daarin een grafiet zuiger voor een aantal recente 2- en 4-takt motortjes heb ik een derde (MK3) versie ontworpen van deze Atkinson motor; zie onderstaande CAD figuur:
Deze MK3 versie is 40% kleiner dan zijn voorgangers; verder zijn de belangrijkste verschillen:
- Een uiterst simpele roterende klep in de cilinderkop in plaats van twee op en neer gaande kleppen met het nokken aandrijf systeem;
- Een glazen cilinder met daarin een grafiet zuiger;
- Een eigen gemaakt miniatuur elektronisch ontsteek circuit.
Deze veel compactere Atkinson loopt een stuk minder onstuimig dan zijn voorgangers, voornamelijk omdat het continu draaiende klepje helemaal geen stootbelastingen veroorzaakt wat een conventioneel kleppensysteem met nokschijven, stoters en tuimelaars wel doet. Ook de zeer geringe wrijving van de grafiet zuiger in de glazen cilinder (zonder enige smering!) draagt bij aan een soepeler loopgedrag. Een ander voordeel is dat de constructie behoorlijk eenvoudiger geworden is.
Door de glazen cilinder is de gasverbranding ook weer mooi zichtbaar hetgeen natuurlijk ook weer wat bijzonders toevoegt aan deze versie.Toelichting op het ontwerp
1. Het Atkinson principe.
Typisch voor de Atkinson 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 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 wat 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 roterende in- en uitlaatklep.
De roterende in- & uitlaatklep is in feite een eenvoudig 8mm asje met een centrale boring en drie radiale boringen. Tussen de boring voor de inlaat en de twee boringen voor de uitlaat is een stalen propje geperst om de inlaat en de uitlaat van elkaar te scheiden. Deze klepdoorn past met een H6 passing in een 8mm boring dwars door de cilinderkop en wordt meegenomen door het asje waar het onderste tandwiel op zit. Ik heb gekozen voor het meenemen in plaats van een doorlopende as om de klepdoorn niet zijdelings te belasten waardoor die zou kunnen gaan inslijten. Ik heb dit principe met succes eerder toegepast bij een aantal van mijn vorige 4-takt motoren.
De hoekverdraaiing tussen de boringen voor de inlaat en voor de uitlaat moet zodanig zijn dat het inlaten en het uitlaten op de juiste tijdstippen binnen het 4-takt proces plaats vinden. Dat was wel een aardige puzzel omdat de hoekverdraaiingen van de krukas t.o.v. de zuigerbewegingen bij de Atkinson niet symmetrisch zijn. Maar met behulp van de CAD samenstelling in de diverse posities in het proces kon ik de juiste hoekverdraaiing van de in- en uitlaatboringen in de klepdoorn nauwkeurig bepalen; die zijn wel een beetje anders dan de doorsnede hierboven suggereert, dit om die wat leesbaar te houden.
3. De glazen cilinder en de grafiet zuiger.
Ik heb intussen al een vijftal motortjes gemaakt met een glazen cilinder met daarin een grafiet zuiger en dit werkt perfect: zeer lage wrijving van de zuiger in de cilinder (zonder enige smering) en de verbranding is mooi zichtbaar door de glazen cilinder als met het omgevingslicht wat tempert.
De cilinder zaag ik uit een 20ml "Fortuna Optima" injectie spuit die een wanddikte van 2mm heeft en een akelig nauwkeurige binnen diameter: +/- 0,01mm of beter nog! Deze cilinder lijm ik eenvoudig in een 5mm diepe kamer in het cilinderblok met Loctite 603 en na circa een uur uitharden op 50 graden Celsius ontstaat er een absoluut onwrikbare en luchtdichte verbinding.
De grafiet zuiger draai ik op een metalen doorn in de drieklauw en wel zodanig dat die met een speling van 0,01 tot (maximaal) 0,02mm in de cilinder past. Die zuiger loopt dan vrijwel wrijvingsloos in de glazen cilinder en dat blijft hij doen zonder enige smering!
Dit glas en ook wel het grafiet zijn niet echt alledaagse materialen (hoewel met enig zoeken zeker wel te koop via internet). Maar ik was zo gelukkig dat twee collega modelbouwers mij daar een handje mee hielpen waarmee ik Huib en Jos bedoel die ik hierbij nogmaals hartelijke dank zeg daarvoor.
4. De vonk ontsteking.
Voor de vonkontsteking maakte ik ook hier weer gebruik van het aangepaste miniatuur circuit uit de Blokker gas aansteker; zie de betreffende pagina. Een Neodymium magneetje in de aluminium start poelie draait langs een reed schakelaar die het vonksysteem aanstuurt op het juiste moment.
5 De carburateur.
De carburateur is een wat speciale uitvoering van de "Benzinedamp Carburateur" zoals ik die al een paar keer eerder toepaste bij andere motortjes; niks nieuws eigenlijk en dus ook geen probleem.
Ik heb wel de luchtregelaar zoals die op de foto's en de video te zien is later gewijzigd omdat die regeling wat kritisch bleek te zijn. De nieuwe regelaar zit nu in de leiding tussen de carburateur en de cilinderkop en zo staat dat nu ook op het tekening pakket.
Het opstarten van de moter en het gedrag ervan
De motor start gemakkelijk op met een paar handmatige zetten aan het vliegwiel als de carburateur eenmaal goed staat ingesteld. Vooral met verse autobenzine ontstaat er snel een te rijk gasmengsel door een vluchtige component in de benzine hetgeen te zien is aan een gele verbranding in de glazen cilinder. Met die instelling loopt de motor slecht of helemaal niet. Men moet daarom tijdens het opstarten met een handboormachine de regelaar voor de extra lucht bijmenging eerst helemaal open zetten en die dan zeer geleidelijk indraaien totdat de motor overneemt waarbij een blauwe verbrandingskleur ontstaat. Als de regelaar wat verder wordt ingedraaid zal men een gele ontbrandingskleur zien ontstaan ten teken dat het mengsel te rijk is geworden zodat de regelaar weer wat moet worden teruggenomen totdat die gele kleur verdwijnt. Rondom dat instelpunt van de carburateur met de lichtblauwe verbrandingskleur zal de motor het best lopen.
Het toerental van ca 450 omwentelingen per minuut is relatief erg laag en het valt mij op dat dit nauwelijks te beinvloeden is door carburateur instellingen. Mijn verklaring daarvoor is dat het toerental voornamelijk bepaald wordt door het "halve maan effect" van de boringen in de roterende klep, waarvan de diameters tamelijk klein zijn, vooral die voor het inlaten. Bij hoge toerentallen neemt de vulling van de cilinder daardoor af waardoor de motor dan automatisch wat langzamer gaat lopen. Aldus ontstaat er als vanzelf een zeker evenwicht met dit stabiele en relatief lage toerental als gevolg. Ik vind dat prima want ik hou wel van lage toerentallen voor dit soort kleine modellen en zeker voor deze Atkinson met zijn wat complex aandrijfsysteem. Dit alles in tegenstelling tot mijn eerste Atkinson die ik op de tafel moet vastklemmen om er niet af te trillen; deze MK3 versie komt geen millimeter van zijn plaats en staat uiterst kalm zijn rondjes te draaien alsof het een langzame diesel betreft.
Ik ben dus uiterst tevreden met het resultaat en ook hier is het verbrandingsproces weer mooi zichtbaar door de glazen cilinder bij wat getemperd omgevingslicht, zie de video onderaan deze pagina.
Het tekeningpakket is beschikbaar voor eenieder die daar in geinteresseerd is; klik hier voor een aanvraag.
Alternatief voor de glazen cilinder
In het (niet onwaarschijnlijke) geval men niet aan dit zeer speciale glas en/of het grafiet voor de zuiger kan komen is het ook mogelijk om de cilinder van bv. brons te maken en de zuiger van gietijzer. Als die beiden goed gemaakt worden (vrijwel lekvrije passing met lage wrijving) zal de motor daar vrij zeker ook goed mee lopen.
Het enige verschil is dan dat de ontbranding van het gasmengsel niet zichtbaar is; een beetje jammer natuurlijk maar de rest van de motor blijft gelijk.
Mooie replica's van Jaap van Wijk
Prachtige replica van
Bart van Duin:
