-------------------------------------------------------------------
Verbeterde uitvoering (Maart 2011).

Vooral omdat het oorspronkelijk ontwerp last had van ernstige vervuiling door roestaanslag in de cilinder heb ik in maart 2011 het ontwerp gewijzigd. De belangrijkste wijzigingen zijn:
- Cilinder van roestvrij staal i.pl.v. perlietisch gietijzer;
- Zuiger en interne schuif van grafiet i.pl.v. perlietisch gietijzer;
- Diameter cilinderboring, zuiger en schuif vergroot van 18mm naar 22mm.
- Een wat verder vereenvoudigde mechanische constructie.
Het wegblijven van roestvorming samen met de zelfsmerende eigenschappen van het grafiet zorgen er nu voor dat de motor betrouwbaar blijft lopen zonder noemenswaardig onderhoud. Door het vergroten van de cilinderinhoud is het vermogen wat groter geworden hetgeen ook bijdraagt aan een minder kritisch gedrag.
Het aantal onderdelen is wat verminderd en sommigen zijn eenduidiger geworden zoals de mee-nemer van de schuif en de aanslag waar de zuiger tegen aan loopt. Het volstaat nu om die aanslag (eenmalig) op de de juiste plaats op de stoter vast te zetten met een minimale speling tussen deze aanslag en de zuiger als die in zijn achterste positie staat.
Het CAD tekeningpakket is conform deze wijzigingen aangepast per 17 maart 2011 en is beschikbaar voor iedere geinteresseerde; klik hier voor een aanvraag.
-------------------------------------------------------------------

 

Het idee
Het principe van een vlamhapper is feitelijk uiterst simpel ( zie de pagina: principewerking van de vlamhapper ). De constructie van de uitwendige schuif die de opening in de cilinder cyclisch moet vrijgeven en weer afsluiten is echter naar verhouding tamelijk complex. Maar vooral het afstellen ervan is mij erg kritisch gebleken. Kleine afwijkingen leiden daarbij gemakkelijk tot een slecht of niet lopende motor.

Dit bracht mij op het idee om de cilinderopening niet uitwendig maar inwendig af te sluiten en wel met een tweede zuiger die met een kleine slag het gat in de cilinder vrijgeeft, respectievelijk sluit. Deze constructie maakt het tevens mogelijk om deze inwendige schuif rechtstreeks door de werkzuiger te laten aandrijven op een uiterst simpele manier.

Het principe

Als de werkzuiger in de meest rechtse positie is aangekomen heeft die de inwendige schuif over het cilindergat geduwd via het stotertje dat in de cilinderwand op en neer kan bewegen. Op dat moment is het hete gas dus in de cilinder opgesloten en begint af te koelen. Daardoor ontstaat er een onderdruk in de cilinder, waardoor de werkzuiger naar links wordt gedrukt door de buitenlucht (witte pijlen in de animatie). Dit levert in feite de arbeid voor de motor op. Deze onderdruk werkt ook op in de inwendige schuif, waardoor die in de rechter positie blijft staan, zodat het gat in de cilinder afgesloten blijft. Als de werkzuiger naar links beweegt wordt het gas weer samengedrukt. Vanaf het moment dat de druk in de cilinder weer gelijk wordt aan die van de buitenlucht wordt de schuif automatisch open gedrukt als de zuiger zich verder naar links beweegt door het vliegwieleffect. Als je goed oplet is dit effect op de animatie te zien. De schuif werkt zodoende tevens als overdruk ventiel, waardoor er nooit overdruk in de cilinder kan ontstaan, die de motor zou afremmen. Een klein nokje op de werkzuiger drukt de schuif even daarna mechanisch verder open naar de meest linkse positie. Daardoor wordt de opening in de cilinder geheel vrijgegeven, zodat de hete vlamgassen weer vrij baan krijgen om naar binnen gezogen te worden als de werkzuiger zich weer naar rechts beweegt door het viegwiel effect. Als de werkzuiger weer rechts is aangekomen herhaalt de cyclus zich.

Voordelen
Dit ontwerp heeft een aantal belangrijke voordelen t.o.v. de gangbare constructie met de uitwendige schuif:
1.Het tamelijk precaire mechanisme om een uitwendige schuif te bedienen met nokrol, tuimelaar, meenemer en aandrukveer vervalt geheel en daarmee ook het kritisch afstellen van de nokschijf, de veerdruk op de nokrol en de schuif en de timing;

2.De afdichting van de inwendige schuif is eenvoudig een kwestie van een goede passing maken in de cilinder. Die is dan eenduidig en kan niet meer varieren omdat er verder niets aan in te stellen is;
3. Er kan nooit een remmende overdruk in de cilinder ontstaan omdat de schuif bij de geringste overdruk het gat in de cilinder automatisch vrijgeeft. Het ontstaan van een tijdelijke overdruk bij de vlamhapper met uitwendige schuif is een van de oorzaken van het moeilijk afstellen van die uitwendige schuif;
4. De wrijving van de inwendige schuif is aanzienlijk minder dan het complete systeem voor een uitwendige schuif, waarbij meestal ook nog enige veerdruk overwonnen moet worden;
5. De inwendige schuif wordt minder warm dan de uitwendige schuif, die rechtstreeks door de vlam wordt aangestraald, evenals de aandrukveer;
6. De instelling van de parameters om de motor goed te laten lopen zijn impliciet, d.w.z. dat er helemaal niets meer valt in te stellen, waardoor er ook niets meer kan verlopen. De motor is zodoende 100% betrouwbaar geworden onder alle omstandigheden;
7. Vanwege de symmetrie draait de motor evengoed rechtsom als linksom. Niet echt een voordeel misschien, maar toch;
8. Het ontwerp is uitermate simpel en robuust met een minimum aan onderdelen die stuk voor stuk eenvoudig te maken zijn. Een aardig model voor een niet al te ervaren modelbouwer; anders gezegd: "een kind doet de was".

Motor prestaties
- Het motortje start 100% betrouwbaar op ca 1 minuut nadat de brander is aangestoken. In die eerste minuut condenseert er wat water van de vlamgassen tegen de koude cilinder, waardoor de motor even niet wil lopen. Deze condens verdwijnt in die eerste minuut waarbij het vliegwiel enkele malen moet worden rondgedraaid.
- Deze vlamhapper heeft geen voorkeur voor draairichting. Dit is een direct gevolg van het feit dat de nokschijf voor de schuif, die in de classieke uitvoering asymetrie vertoont in het bewegingsdiagram, hier ontbreekt.
- Goed afgesteld bedraagt de omwentelingssnelheid 200 tot 500 toeren per minuut als alles in goede conditie is.

Tenslotte
Door de extreme eenvoud oogt deze vlamhapper wellicht niet zo spectaculair voor een argeloze toeschouwer. Maar ik veronderstel dat dit unieke ontwerp zeker gewaardeerd zal worden door menig collega in het kleine wereldje van vlamhapper bouwers.

Publicatie
Over deze vlamhapper is een artikel verschenen in het NVM Maandblad "De Modelbouwer" 2007/ nr.2


Probleem analyse & oplossingen
Ik ben een paar keer benaderd door modelbouwers die dit motortje in eerste instantie toch niet (of niet goed) aan de praat kregen of hielden. Soms zit er een funest foutje in een klein hoekje. Hieronder een soort standaard checklist om een of meer van die foutjes op te sporen en die te elimineren. Volg deze checklist systematisch in de aangegeven volgorde. De opgegeven waardes zijn gerelateerd aan mijn exemplaar dat zeer goed loopt met (max) 500 toeren per minuut:

1. Het motortje moet licht lopen
Men moet zich realiseren dat het vermogen van vlamhappers relatief laag is. De dynamische onderdruk die in de cilinder ontstaat tijdens het afkoelen van de ingezogen vlamgassen bedraagt slechts enkele tienden van een atmosfeer. Dit betekent dat de mechanische wrijvingen zo laag mogelijk moeten worden gemaakt. Daar komt nog bij dat bij een 1-cilinder de motor arbeidsloos is tijdens de aanzuigslag zodat gedurende die slag het motortje aan de gang gehouden moet worden door de opgeslagen energie in het vliegwiel.

Testen met koude motor, zonder vlam en absoluut géén olie tussen zuiger en cilinderwand:
- Geef het vliegwiel een ferme zet met de hand;
- Het geheel losgekoppelde vliegwiel moet dan 1,5 tot 2 minuten blijven doorlopen;
- Met alléén de zuiger eraan gekoppeld moet het vliegwiel minstens 15 seconden doorlopen;
- Met de zuiger, de schuif en de stoter eraan gekoppeld moet het vliegwiel 8 á 10seconden doorlopen.
Zie ook het laatste gedeelte van de video rechts bovenaan de pagina met de demo beelden.
 Als dit sterk afwijkt in negatieve zin is er dus ergens te veel wrijving. Mogelijke oorzaken zijn:
- Vervuild oppervlak van de zuiger, de schuif en cilinderboring. Zo'n vervuiling kan bv. optreden als het motortje tevoren op spiritus gelopen heeft en daarna is afgekoeld. Maak de zuiger, de schuif en het inwendige van de cilinder dan goed schoon met een pluisvrij doekje met een beetje oplosmiddel zoals terpentine of, bij voorkeur, WD40. Wrijf het goed na met een droog doekje en doe de looptest opnieuw.
- De passing van de zuiger en/of de schuif is te nauw. Polijst de zuiger en/of de schuif met zeer fijn polijst linnen.
- De stoter wringt. De mee-nemer van de schuif moet ietwat vrije speling hebben in de sleuf van het asje dat in de schuif is geschroefd.

2. De afdichting van de zuiger en de schuif
De zuiger moet enerzijds licht in de cilinder lopen, maar anderzijds daarin ook bijna luchtdicht afsluiten en dat zonder olie.
Het boring in de cilinder moet daarom zuiver cilindrisch en glad zijn. De diameterverschillen over de lengte van het gat mogen niet meer zijn dan ca 0,02mm. Dit is tamelijk eenvoudig te bereiken door het cilindergat handmatig en met ruim olie op te ruimen met een verstelbare ruimer waarbij met een zelfde ruimer instelling de cilinder enkele omgedraaid wordt totdat de ruimer er vlot doorheen gaat.. De ruimer daarna steeds een fractie groter instellen en deze behandelingen herhalen totdat er nauwelijks nog diameterverschillen meetbaar zijn. Deze methode doet weinig onder voor honen, hoewel dat wellicht de beste methode is als men tenminste de beschikking heeft over hoon gereedschap.
De speling van de zuiger en de schuif in de cilinder boring mag niet meer zijn dan ca 0,03mm. Daarom eerst het cilindergat maken zoals boven beschreven en dan de zuiger en schuif ook mooi cilindrisch en glad draaien totdat die zuiver in de cilinder passen.
Controleer de goede afdichting van de zuiger en van de schuif in de cilinder als volgt met koude motor en zonder vlam:
- Zet de zuiger in de meest rechtse positie;
- Druk ook de schuif in de meest rechtse positie waarbij de cilinderopening wordt afgesloten;
- Beweeg de zuiger langzaam naar links door aan het vliegwiel te draaien. Door de overdruk die dan meteen in de cilinder ontstaat wordt de schuif ook meteen iets naar links geduwd en wel zover dat het cilindergat net vrijkomt, hetgeen te zien is aan een een klein spleetje rechts van de schuif. Als de zuiger verder naar links wordt bewogen beweegt de schuif niet meer (zolang de nok op de zuiger de schuif niet raakt) omdat er dan geen overdruk meer kan worden gemaakt als gevolg van de kleine opening in het vlamgat.
- Als de schuif in het geheel niet naar links wordt gedrukt is er dus geen overdruk gemaakt. Er is dan een te groot lek langs de zuiger en de cilinderwand en/of langs de schuif en de cilinderwand. Er is dan maar één remedie: een nieuwe zuiger en/of schuif maken met goede passing in de cilinder.

3. De materialen voor cilinder, zuiger en schuif
Aanvankelijk gebruikte ik perlietisch gietijzer (GG25) voor zowel de cilinder als de zuiger en de schuif. Dat werkte wel goed, maar het gietijzer is echter roestgevoelig vooral met de hete en vochtige vlamgassen die voortdurend naar binnen worden gezogen. Deze roest zorgde samen met vlamgas residuen voortdurend voor vervuiling waardoor er regelmatig te grote wrijvingen ontstonden zodat de cilinder, zuiger en schuif regelmatig moesten worden gereinigd. Recent (maart 2011) heb ik de cilinder van roestvrij staal gemaakt en de zuiger en schuif van grafiet zoals sommige modelbouwers ook deden met kennelijk succes. Er treedt geen roestvorming meer op en grafiet heeft goede zelfsmerende eigenschappen. Smeren met olie is namelijk uit den boze omdat de olie verbrand en dan resten achter laat die fatale wrijvingen opleveren.
Ik sluit niet uit dat een roestvrije stalen zuiger en schuif in een roestvrij stalen cilinder vergelijkbare resultaten oplevert, maar grafiet heeft m.i. toch de voorkeur vanwege de zelfsmerende eigenschappen.
De zuiger en de schuif dus nooit smeren met welke dunne olie dan ook! Dit werkt echt averechts en is ook absoluut niet nodig.

4. De afstelling van de stoter
- De aanslag aan de achterzijde moet zodanig op de stoter worden vastgezet dat in de uiterst rechtse positie van de zuiger er slechts enkele tienden van een millimeter speling blijft tussen deze aanslag en de zuiger. Als alles gemaakt is volgens de tekeningen zal dat de schuif dan het vlamgat geheel afdekken met een overlap van ca 1mm.
- Als de zuiger langzaam in zijn uiterste linker positie wordt gedraaid zal de schuif het vlamgat vrijwel geheel openen op ca 1mm na; als de motor loopt zal de schuif echter zover doorschieten dat het vlamgat geheel geopend wordt.

5. De vlam afstelling
De vamhapper kan aléén goed lopen als er er uitsluitend hete vlamgassen naar binnen worden gezogen. Daar zijn alle vlamhappers uiterst gevoelig voor !
Er moet dus voorkomen worden dat behalve vlamgassen ook nog valse en koude buitenlucht mee naar binnen wordt gezogen
. Neem daarom de volgende maatregelen:
- De vlam moet het cilindergat behoorlijk ver overlappen; zie onderstaande schets.
- Ietwat merkwaardig maar erg belangrijk is dat het hart van de vlam 5 á 6mm links staat t.o.v. het hart van het cilindergat. Zeer waarschijnlijk is dit het gevolg van het feit dat de vlamgassen onder een zekere hoek naar binnen worden gezogen.
- Een wapperende vlam veroorzaakt ook aanzuigen van valse buitenlucht. Enige tocht kan heel snel leiden tot slecht lopen of stoppen van de motor.

De effecten van de positie van de vlam t.o.v. het gat in de cilinder zijn dramatisch groot. Daarom heb ik een hele reeks experimenten gedaan om de optimale positie in dit geval te bepalen. Onderstaande schets geeft daarvan de resultaten; zie ook de foto rechts op de pagina.


Opmerkelijk is dus ook dat de lont tegen het metaal van de cilinder moet liggen (maat "0") en duidelijk ca 5mm links ligt t.o.v. het gat in de cilinder. De vlam wordt hierdoor goed in de cilinder gezogen en kennelijk zonder bijmenging van valse koude buitenlucht. Deze positie van de vlam maakt de motor uiterst betrouwbaar met een maximale snelheid van 400 tot 500 omwentelingen per minuut.
De spiritusbrander moet dus in horizontale en verticale richting zodanig worden opgesteld dat deze situatie ontstaat. Het kan zijn dat met een draaiende motor de positie van de lont nog wat verder geoptimaliserd kan worden door de lont met een pincet wat heen en weer te bewgen voor het vlamgat.


6. Water condens
Als de lont wordt aangestoken zal er gedurende de eerste minuut wat condenswater tegen en in de koude cilinder ontstaan. Het is aan te bevelen om gedurende die tijd de motor stil te laten staan met de zuiger en de schuif in hun achterste positie. Door het opwarmen van de cilinder zal dan dit condenswater verdwijnen.

7. De brandstof
De motor prestatie en de betrouwbaarheid bij het opstarten kan behoorlijk worden verbeterd door het gebruik van pure alcohol (ethanol) in plaats van spiritus. Ethanol heeft een grotere verbrandingswarmte en vervuilt ook veel minder dan spiritus dat naast ethanol ook ca 10% water, 2% methanol en een blauwe kleurstof bevat. Alcohol 96 tot 98% (gedenatureerde alcohol) is bij de drogist te verkrijgen danwel te bestellen; ca 12 Euro per liter.
!! Nooit 100% methanol gebruiken; het is gevaarlijk giftig !!

8. Onderhoud
Ondanks het feit dat de cilinder nu van roestvrij staal is gemaakt en de zuiger en schuif van grafiet kan het toch nog wel voorkomen dat de oppervlakken ervan op den duur wat vervuilen. In dat geval de zuiger en schuif uitnemen en alles met een pluisvrij doekje, eventueel gedrenkt in wat oplosmiddel zoals WD40, schoonmaken en daarna alles nawrijven met een droog doekje.. Geen moeilijk karwei omdat de zuiger en schuif zeer eenvoudig te demonteren en weer te monteren zijn.


Het lijkt een hele waslijst, maar het is allemaal heel goed haalbaar. Als men hieraan voldoet loopt het motortje als een tierelier!

 

 

 


Mooie uitvoering van Jeroen Jonkman:

Prachtige replica van
Lorenzo Porro:






Mooi werk van leerlingen
WICO campus Belgie:



Leerlingen Koninklijk Atheneum
Campus de Wigerd Overpelt:
 

Zeer fraaie replica van
Heiko Strssberger:

 
Optimale positie van de lont