Nederlands
click here for English1. Scope
Tot op heden heb ik ervaringen opgedaan met een zestal vlamhappers en ook hier weer met relatief kleine modellen. De constructie van een vlamhapper is zo mogelijk nog eenvoudiger dan die van een Stirling motor, maar het goed afregelen ervan is mij vele malen moeilijker gebleken.
Het principe van een vlamhapper is uiterst simpel: hete vlamgassen die in de cilinder worden gezogen koelen daarin af op het moment dat de cilinder wordt afgesloten door een schuif die een vlamgat in de cilinderkop afdicht. Door die afkoeling ontstaat er een zeker vacuum (onderdruk) in de cilinder waardoor de zuiger erin door de buitenlucht druk wordt terug gedrukt en dat levert dan het (tamelijk geringe) vermogen van de motor op; vlamhappers worden ook wel "Vacuum Motors" genoemd.
Zie hieronder voor een principe schets en klik voor meer details op de betreffende pagina van deze website.
2. Mijn ervaringen met vlamhappers
Nog meer dan Stirling motoren hebben Vlamhappers in vergelijking tot bv. stoommachines en verbrandingsmotoren een relatief zeer laag vermogen, omdat ook hier de druk op de werkzuiger slechts een fractie is van een absolute atmosfeer. In tegenstelling tot een Stirling motor heeft een vlamhapper slechts één arbeid slag; de andere slag is nodig om nieuwe vlamgassen naar binnen te zuigen en tijdens die slag wordt geen arbeid verricht. Dit betekent dat een vlamhapper een iets zwaarder vliegwiel nodig heeft dan een Stirling motor om de motor over deze dode slag heen te helpen.
Bij kleine modellen moet men zelfs speciale maatregelen treffen om de motor in onbelaste toestand soepel en betrouwbaar te laten lopen. Men moet er dan ook niet van uitgaan dat er werktuigen van enig formaat mee kunnen worden aangedreven, behalve als de vlamhapper erg groot is en er grote vertragingen worden toegepast. Feitelijk zijn vlamhappers alleen maar geschikt als aardige modellen voor modelbouwers; ik heb hiervoor nog nergens een praktische toepassing gevonden. Niet zo verwonderlijk want behalve dat ze een zeer gering vermogen hebben zijn ze o.a. erg gevoelig voor het mee naar binnen zuigen van valse en koude buitenlucht en ze vervuilen inwendig ook tamelijk vaak en snel door de corrosieve hete en natte vlamgassen die in de cilinder worden gezogen. Door deze vervuiling ontstaat meestal vroeg of laat zoveel wrijving van de zuiger in de cilinder dat die regelmatig schoon gemaakt moeten worden om de motor goed aan de praat te houden.
Behalve de verrassende eenvoud is het fascinerende van model vlamhappers dat ze zich stoer gedragen in vergelijking tot Stirling motortjes. Hoewel ze ook bijna als sieraadjes te maken zijn lenen ze zich wat minder voor demonstratie in een huiskamer omgeving en als "weggevertjes". Ze vereisen een tamelijk forse spiritusvlam en het is niet aan te raden om ze te demonstreren op de notenhouten salontafel met name als er kans bestaat dat er wat spiritus op die tafel terecht komt, hetgeen niet denkbeeldig is. Ze maken ook aanzienlijk meer lawaai, hetgeen ze evenwel voor sommigen juist aantrekkelijk maken, maar dit zijn dan veelal de meer technisch georienteerde toeschouwers.
Vanwege de feitelijk zeer eenvoudige constructie zijn Vlamhappers wellicht nog gemakkelijker (lees: sneller) te maken dan Stirling motoren. Maar ze zijn afschuwelijk zenuwachtig als het gaat om het afstellen ervan, althans met de gebruikelijke uitwendige schuif die het vlamgat in de cilinder moet openen en sluiten. Het is mijn ervaring dat men voor het goed afstellen zeker zo veel tijd nodig heeft dan aan het bouwen van het motortje zelf. Er zijn namelijk meerdere kritische parameters die stuk voor stuk en tegelijkertijd optimaal ingesteld moeten zijn. Het probleem daarbij is echter dat dit afstellen alleen goed kan gebeuren als het motortje al enigszins de neiging heeft om te gaan lopen en dat is weer alleen het geval als die parameters al redelijk dicht bij hun optimum staan. Een beetje kip en ei verhaal dus. Het kan dan dus gebeuren dat je iets aan het veranderen bent, terwijl een andere parameter niet goed is afgesteld of gemaakt. Dan raak je soms verder van huis en daardoor wordt je ook wel eens moedeloos. Maar het is ook mijn ervaring dat in dit soort situaties de aanhouder altijd wint.
Men moet zich door dit alles niet laten afschrikken. Met voldoende geduld en systematiek is het afstellen zeer wel mogelijk. Eenmaal alle parameters op hun optimum ingesteld draaien ze er lustig en tamelijk betrouwbaar op los en verbazen met name modelbouwers van stoommachines. Misschien juist omdat ze, net als stoommachines, behoorlijk stoer staan te doen. Maar afgezien daarvan houdt elke vergelijking daarmee meteen op.
Onderstaande tips gaan dus voornamelijk over het inregelen en optimaal afstellen van vlamhappers met uitwendige schuif (zie paragraaf 4 voor een vlamhapper met inwendige schuif).
3. Tips voor de vervaardiging en afstelling van vlamhappers
1. Wrijvingen.
Vanwege het lage vermogen is het zaak om wrijvingen en andere tegenwerkende krachten tot een minimum te beperken. Het is aan te raden om op de vliegwiel as en in de drijfstang waar die op de krukpen zit kogellagertjes toe te passen. Die lagertjes bevatten vaak wat vet waardoor ze wat zwaar draaien. Dit vet moet daarom goed uitgewassen worden door ze op een asje rond te draaien in wasbenzine. Vet is hier niet nodig omdat er bij dit soort modellen geen sprake is van slijtage.
Ook moet er extra aandacht besteed worden aan een goede uitlijning van de drijfstangen om te voorkomen dat er wringing en daardoor onnodige wrijvingen ontstaan op de draaipunten daarvan.
De zuiger moet wel vrijwel luchtdicht passen in zijn cilinder maar daar ook met weinig wrijving in op en neer kunnen lopen. Dit kan als volgt gecontroleerd worden met een volkomen droge en schone zuiger en cilinder:
- Met de cilinder verticaal en de duim op de bovenste opening ervan moet de zuiger in de cilinder blijven hangen; dan is er sprake van een voldoende luchtdichtheid.
- Haalt met de duim weg dan moet de zuiger spontaan uit de cilinder vallen; dan is de wrijving laag genoeg.
De ingezogen hete vlamgassen die ook waterdamp produceren veroorzaken vrijwel altijd wat corrosie op de cilinderwand en/of de zuiger. Al vrij snel ontstaat er dan een aanslag die de wrijving tussen de zuiger en de cilinder doet toenemen. Zolang de motor loopt zal die daar wat minder last van hebben, maar als die langer stil staat en afgekoeld is komt het vaak voor dat die niet goed of helemaal niet meer wil lopen. In dat geval moet de cilinder en de zuiger weer schoon gemaakt worden met bv. wat WD40 aan een pluisvrij doekje. Dit is overigens altijd aan te raden om te doen als men de motor voor langere tijd opslaat. Vooral de wat kleinere modellen kunnen relatief veel last hebben van deze vervuiling omdat hun vermogen relatief laag is.
Smeren met olie is mij in vrijwel alle gevallen funest gebleken: het motortje loopt daardoor veel minder goed en meestal zelfs helemaal niet meer. Bedenk dat de vlamgassen tegen de 1000ºC heet kunnen zijn en daar is echt geen enkele olie tegen bestand. Er ontstaat dan snel een aanslag van verbrande olie samen met residuen van vlamgassen, waardoor de zuiger stroef of zelfs vast gaat lopen. Smeren met fijn en droog grafiet poeder (geschraapt van een potlood) of een weinig WD40 kan wel en biedt in sommige gevallen enig soelaas.
De mate van de vervuiling hangt sterk af van de gebruikte materialen voor de cilinder en de zuiger (zie onder punt 3.)
2. Het pas maken van de zuiger in zijn cilinder.
Het motorvermogen wordt opgewekt op het moment dat de hete gassen in de afgesloten cilinder afkoelen waardoor er een onderdruk ontstaat in de cilinder. Om die onderdruk maximaal te benutten moeten de lekkages zo klein mogelijk worden gemaakt. Het is daarom zaak dat de zuiger goed past in zijn cilinder met een speling van maximaal 0,03mm en dat het schuifje mooi vlak is en goed aansluit tegen het vlamgat in cilinder.
De boring in de werkcilinder moet mooi cilindrisch en glad zijn. De beste manier om een cilinderboring mooi cilindrisch en glad te maken is honen. Veel modelbouwers (zoals ik) beschikken echter niet over de apparatuur daarvoor. Daarom ga ik als volgt te werk:
Het cilindergat globaal uitboren en dan uitdraaien tot de gewenste diameter met ca 0,1mm ondermaat. Dan het gat handmatig opruimen met een verstelbare ruimer omdat die dan zichzelf zoekt in de cilinderboring. De ruimer in de bankschroef klemmen met het platte uiteinde van de conus; dus niet de ruimer draaien maar de cilinder handmatig over de ruimer in de bankschroef. Steeds ruim olie toevoegen. Bij dat ruimen de cilinder steeds meerdere malen omkeren bij eenzelfde instelling van de ruimer totdat die er soepel doorheen loopt. Daarna deze procedure herhalen waarbij de ruimer een fractie groter is ingesteld. Deze bewerkingen net zolang herhalen totdat er eigenlijk geen diameter verschil meer meetbaar is over de gehele lengte van de boring die dan ook vanzelf mooi glad zal zijn.
De diameter die dan ontstaat hoeft niet exact gelijk te zijn aan die van de tekening omdat de zuiger pas hierna passend in de cilinder wordt gemaakt en wel als volgt:
De zuiger afdraaien totdat die wat "hakend" in de cilinder past. Door de zuiger met een fijne schuurpasta (bv. auto cleaner Commandant nr.4) handmatig in de cilinder te polijsten ontstaat er dan een passing met een speling van 0,02 millimeter of minder! Het resultaat is dat de wrijving zo laag is dat de motor ronddraait "als door de wind gedreven" terwijl er meer dan voldoende compressie is, ook zonder zuigerveren die overigens nooit toegepast moeten worden bij dit soort kleine vlamhappers omdat ze veel te veel wrijving veroorzaken.
Deze manier om de cilinderboring te maken heeft veel weg van honen en met een beetje geduld doet die daar ook nauwelijks of niet voor onder. Het werkt in ieder geval goed met perlietisch gietijzer (GG25) voornamelijk omdat dit materiaal wat “zanderig” is en zich daardoor gemakkelijk laat bewerken. Dit materiaal is desondanks erg slijtvast, is enigszins zelfsmerend door het relatief hoge koolstofgehalte (ca 8%) en heeft niet de neiging tot invreten als de zuiger er in op en neer gaat.
Vooral bij het boren en draaien ontstaat wel behoorlijk vies grijs en wat vettig afval maar dat is een kwestie van evt. wat afdekken en schoonmaken; je moet dit voor lief nemen.
Nu is de kans is wel groot dat je niet over een verstelbare ruimer beschikt. Het kan ook heel goed gaan als je het cilindergat mooi glad uitdraait met een scherpe binnenbeitel waarbij je altijd van buiten naar binnen moet draaien met de laagste voedingssnelheid. Bij de laatste keer de beitel van het materiaal wegdraaien voordat je de beitel terugtrekt. Als de draaibank goed uitgelijnd is zal het gat ook mooi cilindrisch zijn (minder dan 0,02mm tapsheid). Als dat niet het geval is moet je het gat opruimen met een ruimer met een lage omwentelingssnelheid en ruim olie. Daarna de zuiger in de cilinder polijsten zoals ik boven heb beschreven.3. Het materiaal voor de cilinder, de zuiger en de schuif.
Allereerst is het van belang dat de thermische uitzetting van de zuigermateriaal gelijk of wat kleiner is dan dat van de cilinder om te voorkomen dat die vast loopt als de hele zaak warm wordt en dat is behoorlijk bij een vlamhapper.
Een goede keuze is perlietisch gietijzer (GG25) voor zowel de cilinder als de zuiger. Dit materiaal is erg slijtvast, enigszins zelf smerend door het hoge koolstofgehalte en laat zich zeer gemakkelijk bewerken door het "zanderig" gedrag. Het nadeel is wel dat dit materiaal redelijk corrosief is en dat het regelmatig schoonmaken zoals onder punt 1 beschreven min of meer vaak aan de orde zal zijn.
Een alternatief is roestvrij staal voor de cilinder met daarin een roestvrij stalen of gietijzeren zuiger. Een nadeel van roestvrij staal is het moeilijker te bewerken is. Ook hier zal het regelmatig schoonmaken in meer of mindere mate nodig zijn.
Ideaal is het toepassen van grafiet voor de zuiger omdat dit materiaal niet corrodeert. De cilinder kan in dat geval ook gemaakt worden van brons of van een goede (harde) soort aluminium legering.
De vlamschuif wordt ook erg heet en die moet dan ook van roestvrij staal gemaakt worden. De raakvlakken van het schuifje en het vlak rondom het vlamgat in de cilinder moeten met een scherpe frees mooi vlak worden gemaakt. Behalve eventueel zeer licht ontbramen met polijst linnen moeten deze vlakken niet handmatig worden na geschuurd, omdat dan snel een vrijwel onzichtbare bolling ontstaat en daarmee lekkage langs die vlakken.
4. De afstelling van de vlamhapper.
Het juiste bewegingspatroon van het schuifje in de 360º cyclus is van cruciaal belang.
Het schuifje moet het cilindergat openen 30 tot 40º vóórdat de zuiger zich het dichtst bij de cilinderkop bevindt. De reden is dat de afgekoelde vlamgassen tijdens de arbeidslag van de zuiger ook weer gecomprimeerd worden waarbij de atmosferische druk bereikt wordt al voordat de zuiger zijn uiterste stand heeft bereikt. Als het vlamgat te laat wordt geopend ontstaat er zodoende een tegenwerkende overdruk in de cilinder die de motor afremt of zelfs doet stoppen. Dit openen van het vlamgat door het schuifje moet bij voorkeur zo abrupt mogelijk gebeuren. In die 30 tot 40º ontsnapt dus het afgekoelde gas met atmosferische druk uit de cilinder. Het schuifje moet het vlamgat weer afsluiten op het moment dat de zuiger zich op 20 tot 30º van de andere uiterste zijde van de cilinder bevindt.
De overlap van het schuifje met het vlamgat op het moment dat dit wordt afgesloten moet vrijwel nul zijn. Ik heb zelfs de ervaring dat de motortjes beter lopen als er nog een heel klein spleetje overblijft van een haardikte breed! Voor dit verschijnsel heb ik tot op heden nog geen goede verklaring gevonden, vermoedelijk heeft dit ook te maken met het voorkomen van enige tegenwerkende overdruk in de cilinder.
De veertjes die het schuifje tegen het cilindervlak aandrukken moeten zodanig worden afgesteld dat het schuifje mooi parallel langs het cilindervlak beweegt maar wel met een minimale druk om de wrijving laag te houden. De veertjes hoeven in feite het schuifje alleen tegen dit vlak te houden omdat de onderdruk in de cilinder de rest van het afsluitwerk doet.
5. De spiritus vlam.
De grootte van de vlam en de positie daarvan t.o.v het vlamgat in de cilinder is ook van grote invloed op de motorprestatie. Het is raadzaam daar eerst wat mee te experimenteren alvorens de definitieve uitvoering van de spiritusbrander te maken en de plaats ervan t.o.v. het vlamgat te bepalen. Het komt er op neer te voorkomen dat er behalve hete vlamgassen ook valse en koude buitenlucht mee naar binnen gezogen wordt. Het is mijn ervaring dat de vlam ca twee maal breder en ook hoger moet zijn dan het vlamgat zodat er een ruime overlap ontstaat. Dit is ook de reden dat vlamhappers behoorlijk gevoelig zijn voor tocht die het vlammetje laat wapperen waardoor ook valse buitenlucht mee naar binnen gezogen wordt.
Het gebruik van ethylalcohol (96 -98%) heeft wat voordelen boven spiritus, dat behalve kleurstof en methylalcohol ook nog ca 10% water bevat. De vlam van ethylalcohol is heter, reukloos en veroorzaakt ook wat minder residuen, die na afkoelen een aanslag op zuiger en cilinderwand kunnen veroorzaken.4. Vlamhappers met een inwendige schuif
Met name om de tamelijk kritische afstellingen van een vlamhapper met externe schuif grotendeels te elimineren heb ik vlamhappers ontworpen en gemaakt met een inwendige schuif die het vlamgat aan de binnenkant van de cilinder opent en sluit in plaats van aan de buitenkant. In feite is deze schuif een tweede zuiger die gemaakt is van hetzelfde materiaal als de werkzuiger.
Zie voor deze constructie en de belangrijke voordelen van deze constructie de pagina van de 1-cilinder versie.
Ook heb ik daarvan een 2-cilinder versie gemaakt alsmede een versie met glazen cilinder die een een werkzuiger en schuif heeft die beiden van grafiet zijn gemaakt. Deze laatste versie heeft bovendien het belangrijke voordeel dat die in het geheel niet vervuilt en daardoor geen enkel onderhoud vergt omdat grafiet en glas niet corroderen in deze omstandigheden. Een aardigheid van deze derde versie met glazen cilinder is ook dat de verdringer wordt aangedreven met een uniek magneet systeem.