Introductie
De koude compressie in de cilinder van een (modelbouw) motor kan in principe berekend worden uit het totale volume van die cilinder (inclusief de dode ruimte) en de slag die de zuiger daarin maakt. In de praktijk kan of zal die echter lager zijn vanwege meer of minder grote lekken langs de zuiger of lekken elders in het systeem. Het kan ook voorkomen dat de compressie veel te hoog is gemaakt, waar vooral de kleinere modelbouw motortjes last van kunnen hebben. Het is mijn ervaring dat voor dit soort modellen de compressie het best tussen 2,5 en 5 ato kan liggen.
Met name in het geval er zich problemen voordoen die te maken kunnen hebben met de compressie van het gasmengsel kan het dus van belang zijn de werkelijke compressie te meten. De druk in de cilinder is dynamisch van aard en in feite zijn we alleen geinteresseerd in de maximale druk zoals die optreedt als de zuiger in zijn bovenste positie is aangekomen en het gasmengsel wordt ontstoken. Er bestaan wel drukmeters, maar die zijn vaak niet beschikbaar voor de gemiddelde modelbouwer ofwel ze zijn niet geschikt voor dit doel. Voorts zijn dit meestal mechanische instrumenten bedoeld voor statische drukmetingen waarbij de wijzer heftig heen en weer gaat schommelen bij sterk wisselende drukken zoals die optreden in de cilinder als de motor wordt rondgedraaid met bv. een handboormachine. Daarmee is het dus lastig, zo niet onmogelijk om de maximale compressie goed te meten.
Ik heb daarom een uiterst simpel maar goed werkend systeempje gemaakt waarmee de maximaal optredende compressiedruk in de cilinder eenvoudig en met behoorlijke nauwkeurigheid kan worden gemeten. Het is zo eenvoudig dat het voor iedere modelbouwer geen probleem zal zijn om het zelf te maken.Het principe
Fig.1Zoals figuur 1 laat zien bestaat het systeem uit een kogelklepje dat in plaats van de bougie in de cilinderkop wordt geschroefd en waarvan de uitgang is aangesloten op een jampotje met water. De veerdruk op de stalen fietskogel kan worden geregeld met de inschroefbare stift boven in huis van de klep.
Op het moment dat de compressiedruk P onder de kogel gelijk of groter wordt aan de veerdruk wordt de kogel opgetild waardoor er plotseling luchtbellen ontstaan in de jampot. Uit de maat "D" (op te meten met een schuifmaat) kan dan de compressiedruk in de cilinder worden afgeleid als tevoren het verband is bepaald tussen de maat "D" en de luchtdruk die de kogel juist optilt . Dit lineaire verband kan eenmalig en eenvoudig worden bepaald door de kogelklep aan te sluiten op een compressor met instelbare en afleesbare luchtdrukken. Door de maat "D" met een schuifmaat op te meten bij verschillend ingestelde gasdrukken waarbij de luchtbellen ontstaan kan dan een tabel of grafiek worden gemaakt waaruit de gasdruk bij een bepaalde waarde van "D" af te lezen is. Figuur 2 toont zo'n grafiek zoals die geldt voor mijn eigen kogelklep.
Fig. 2De helling van de lijn in de grafiek is afhankelijk van de stijfheid van de gebruikte veer. Met een wat stuggere veer zal de helling steiler zijn, met een slappere veer is het omgekeerde het geval.
De uitvoering
De kogelklep moet dus in plaats van de bougie in de cilinderkop worden geschroefd. De schroefdraad van de kogelklep moet dus dezelfde zijn als die van de gebruikte bougie. Het is natuurlijk ook mogelijk om zo nodig een verloopstuk te maken in het geval men met verschillende draadsoorten te maken heeft. In alle gevallen voor een goede afdichting zorgen met een rubber O-ring.
De globale afmetingen van de kogelklep zijn om praktische reden ongeveer gelijk aan die van een bougie; de lengte zal wellicht wat groter zijn. Daarmee is ook de keuze van de kogel en het veertje min of meer begrensd omdat die immers in het huis van de kogelklep moeten passen. Voor de kogel heb ik de standaard stalen fietskogel gebruikt met een diameter van 4,8mm (3/16 inch). De veer heeft een binnendiameter van ca 4mm en met de draaddikte van 0,6mm is de buitendiameter dan ca 5,2mm. De gestrekte lengte van de veer is ca 30mm. De maximale veerkracht van dit veertje is ca 1 kgf als het vrijwel geheel wordt ingedrukt. Men kan natuurlijk een wat afwijkend veertje gebruiken zolang de veerkracht in dezelfde orde van grootte blijft.De kracht op de onderkant van de kogel is gelijk aan PxO waarbij P de compressiedruk is en O het oppervlak van de zitting die door de kogel wordt afgesloten. Ik wilde een meetbereik maken van ca 2 tot 6 ato en een eenvoudig rekensommetje leerde mij dat ik dan een zittingdiameter moest maken van ca 3,5mm bij gebruik van het beschikbare veertje. Oorspronkelijk had ik de kogel op een boring van 3,5mm in het messing huis laten rusten, maar dat sloot niet 100% goed af, vooral bij lagere veerdrukken. Daardoor ontstonden er altijd wat storende belletjes in de jampot terwijl de kogel nog niet werd getild door de gasdruk onder de kogel. Daarom heb ik later voor de kogel zitting een rubber O-ringetje gebruikt waardoor dit probleem werd opgelost. Deze O-ring heeft een buitendiameter van 9mm en een gat diameter van 3mm. De kogel sluit dan af op een diameter van ca 3,5mm, precies wat het rekensommetje aangeeft. Dat dit rekensommetje goed klopte blijkt uit de grafiek van figuur 2 die het resultaat is van de ijking van de kogelklep op mijn ijskastcompressor waarop ik een manometer van een fietspomp heb aangesloten.
De boring onder de kogel heb ik bewust klein gemaakt (1,5mm) om het toegevoegde volume aan de cilinder verwaarloosbaar klein te houden.
Men kan natuurlijk ook een of andere meedraaiende wijzer aanbrengen op de stift van de kogelklep om de slag daarvan te meten met een schaalverdeling op het huis van de kogelklep. Maar het aanbrengen van zo'n schaalverdeling op het huis van de kogelklep is niet erg eenvoudig en het opmeten van de maat "D" met een schuifmaat is eigenlijk simpeler en zal m.i. ook veel nauwkeuriger zijn.De half met water gevulde jampot met de centrale leiding en een ontluchtingsgaatje in het deksel is behalve uiterst simpel een perfecte indicator om het moment van het optillen van de kogel vast te stellen. De afmetingen daarvan zijn natuurlijk niet belangrijk.
De meetprocedure
Verwijder de bougie en schroef de kogelklep daarvoor in de plaats in de cilinderkop. Sluit de uitgang van de kogelklep met een rubberen slang aan op het jampotje met water. Laat de motor ronddraaien met bv. een handboormachine en draai de stift in de kogelklep zover in dat er geen bellen in het water ontstaan. De compressie in de cilinder is dan dus lager dan de veerdruk op de kogel. Draai de stift geleidelijk uit naar boven met de draaiende motor totdat er plotseling bellen ontstaan in het water. Op dat moment is de compressiedruk dus gelijk (of een fractie hoger) dan de veerdruk boven de kogel. Meet in die situatie de waarde van de maat "D" en lees in de ijk grafiek de daarbij behorende druk af. Dit is dan de maximale compressiedruk in de cilinder.
Zie ook onderstaande video:
De resultaten
Ik heb met deze drukmeter de koude compressie gemeten van al mijn verbrandings motortjes gemeten. Ze varieerden tussen 2 en 4 ato, hetgeen volgens mijn verwachting was. Bij één motor bleek de compressiedruk echter 6 Ato te zijn of zelfs nog iets meer. Het is de 4-takt met roterende klepschijven waar ik soms wel wat problemen mee heb in de zin dat de schijven een fractie uit elkaar worden gedrukt. Men moet beseffen dat de ontbrandingsdruk ca 4,5 x groter is dan de koude compressie zodat er hier piekdrukken van 20 tot 30 atmosfeer kunnen optreden! Feitelijk was dit probleem voor mij de reden om deze methode van compressie meting te ontwikkelen. Wellicht kan ik deze motor nu wat betrouwbaarder maken door de compressie wat te verlagen; we zullen zien.
Tekeningen
Ik heb van deze kogelklep drukmeter een 2-bladig tekeningpakket gemaakt dat ik graag ter beschikbaar stel aan eenieder die daar belangstelling voor heeft.
