Het idee.

Het leek mij wel eens aardig om een 2-takt motortje te ontwerpen waarbij de zuiger door een slinger in gang wordt gehouden in plaats van door het gebruikelijke vliegwiel. Het moest iets weg hebben van een klok waarbij de slinger niet door een veerwerk aangedreven wordt maar door een zuigertje dat in een glazen cilinder op en neer loopt als gevolg van een 2-takt verbrandingsproces.

Niets meer dan een aardigheidje want het is niet de bedoeling dat het ook maar iets gaat aandrijven of dat je ermee kunt zien hoe laat of het is. Praktisch gezien nutteloos dus maar ik bewandel nu eenmaal graag niet eerder begane paden omdat dit mij een soort gevoel van avontuur verschaft met min of meer onvoorspelbare en uitdagende vooruitzichten.

Ik heb een ontwerp gemaakt waarbij ik weer diverse sub ontwerpen en trucjes toepaste waarmee ik goede ervaringen heb opgedaan met diverse eerder gemaakte verbrandingsmotortjes. Volslagen nieuw is hier dus alleen dat een vliegwiel en krukas ontbreken waarvan de functies worden overgenomen door een slinger en een tandheugel systeem.

Historie

Reeds in 2015 maakte ik het eerste ontwerp, maar ik kreeg het met geen geweld aan de praat ondanks talloze opstartpogingen en vele experimenten om de oorzaak van het falen te achterhalen. Ik werd heen en weer geslingerd tussen het gevoel dat ik iets over het hoofd zag ofwel dat het fundamenteel onhaalbaarheid was om een 2-takt motortje met een dergelijk laag toerental aan de praat te houden. Omdat ik er alsmaar niet achter kwam waarom het op een mislukking uitdraaide heb ik het tenslotte maar opgegeven, iets dat ik overigens niet gauw doe. Het project verdween dus in de ijskast. Het bleef echter wel aan mij knagen dat ik een ontwerp dat op papier zou moeten werken niet succesvol in de praktijk kon realiseren.
Toen dit project drie jaar later (januari 2018) ter sprake kwam tijdens een contact met mijn vriend en ex Philips collega Jos wist hij mij over te halen om het uit de ijskast te halen om het opnieuw te proberen. Hij stelde voor om ook nog een tweede ex Philips collega Jan erbij te betrekken. Het zijn deze twee mannen die mij gedurende ca 3 maanden hebben gestimuleerd om tot het bittere einde vol te houden. En deze steun had ik nodig want ik heb er ongeveer 6 weken aan gewerkt waarbij ik 5 verschillende versies moest maken om uiteindelijk tot het gewenste resultaat te komen. Zonder "de weldadige adem van Jos en Jan in mijn nek" zou ik het waarschijnlijk geen 6 weken hebben volgehouden waarvoor ik hen dank verschuldigd ben.
Van de eerste vier versies leerde ik eigenlijk alleen hoe het niet moest maar ik ontdekte daarmee wel gaandeweg meer en meer waar de gevoeligheden zaten en die waren er best veel. In feite waren ze allemaal terug te voeren naar het feit dat een slinger nu eenmaal een aanzienlijk minder drijvend effect (inertie) heeft dan een snel draaiend vliegwiel.
Het zou te ver voeren als ik hier alle ervaringen tijdens al die weken uitgebreid uit de doeken zou doen, ook al omdat een behoorlijk aantal daarvan achteraf niet relevant bleken. De belangrijkste gevoeligheden en de daaruit voortvloeiende maatregelen die uiteindelijk tot het goede resultaat hebben geleid komen hier verderop nog wel aan de orde.

Het Ontwerp
Onderstaande figuren illustreren het ontwerp:

Figuur 1

Figuur 2

Figuur 3

Het procesprincipe.
De starre zuiger-as van een klein 2-takt motortje is middels een drijfstang verbonden aan een excentriek dat aan een klein tandwiel is bevestigd. Dit tandwiel drijft een cirkelvormige tandheugel aan die ik maakte van een tweemaal groter tandwiel. De overbrengverhouding van deze twee tandwielen is derhalve 1 op 2. De slinger is bevestigd aan deze tandheugel.
Deze constructie zorgt ervoor dat de zuiger van de 2-takt motor op en neer beweegt als de slinger heen en weer slingert. In zowel de linker als de rechter hoogste positie van de slinger staat de zuiger ook in zijn hoogste positie waarbij de maximale compressie boven de zuiger optreedt. Op dat moment wordt ook de vonk op de bougie gegenereerd die het gasmengsel boven de zuiger ontsteekt. De daarop volgende arbeidsslag van de zuiger zorgt ervoor dat de slinger weer naar de andere uiterste positie wordt gedrukt. Daar herhaalt zich het verbrandingsproces waardoor de slinger weer naar de tegenovergestelde uiterste positie wordt teruggedrukt. Aldus ontstaat er een continue slingerbeweging zolang het 2-taktproces tenminste goed en regelmatig verloopt.
Op het scharnierpunt van de zuiger-as en de drijfstang is een klein Neodymium magneetje gemonteerd dat dus met de zuiger-as mee op en neer beweegt. Een in hoogte verstelbare reedschakelaar wordt door deze magneet even gesloten als de zuiger op zijn hoogste positie is aangekomen. De reedschakelaar stuurt op dat moment een miniatuur vonksysteem aan dat ik maakte van een elektronisch circuit uit een gasaansteker; klik hier voor de beschrijving van dit "Blokker" vonk systeem. Dit vonksysteem is samen met de 1,5 volt voeding batterij gemonteerd op de achterkant van de verticale montageplaat.

In feite bepaalt de hoogte instelling van de reedschakelaar hier de maximale compressie omdat op het moment van de vonk het gasmengsel ontbrandt waardoor de zuiger dan meteen weer naar beneden wordt gedrukt. Het is mij gebleken dat de hoogte instelling van de reedschakelaar een van de meest kritische gevoeligheden van het hele systeem is. Bij een te hoge instelling van de reedschakelaar loopt de slinger tegen een dusdanig hoge compressie aan dat die zijn volledige slag niet meer kan maken. Bij een te lage instelling ontsteekt het gasmengsel te vroeg waardoor het vermogen van de arbeidsslag te laag wordt om de slinger zijn volledige slagen te laten maken. De marge voor deze reed instelling is klein, maar als eenmaal de juiste hoogte van de reedschakelaar is gevonden vormt dit verder geen probleem.

De 2-takt unit
In feite heb ik hier het 2-takt concept overgenomen van de "Drukgestuurde 2-takt Sabine"; klik hier voor de betreffende pagina. Een systeem met twee kogelklepjes en een expansie vaatje verzorgt automatisch het aanzuigen van het verse gasmengsel uit de carburateur, het comprimeren daarvan in het expansie vaatje en het doorspoelen van de cilinder op het moment dat de zuiger de uitlaatopening in de cilinder passeert in zijn onderste positie. In tegenstelling tot het standaard 2-takt proces wordt hier het verse gasmengsel helemaal boven in de cilinder geinjecteerd in plaats van door een inlaatopening in de wand van de cilinder tegenover de uitlaat poort. Het spoelproces boven door de cilinderkop is met dit kogelklepsysteem veel effectiever.
De cilinder is van glas gemaakt dat ik zaagde uit de cilinder van een 20 ml "Optima Fortuna" injectiespuit. Dit hittebestendige boraatsilicaat glas heeft een relatief dikke wand van 2mm en de inwendige diameter is extreem nauwkeurig met een onrondheid die in de orde van 0,01mm ligt. Dit maakte het mogelijk om er een grafiet zuiger in te maken die nagenoeg lekvrij in die cilinder loopt met verwaarloosbare wrijving. De cilinder is lekvrij ingeklemd tussen twee O-ringen die in groeven liggen in het boven- en onderdeksel van de cilinder, zie figuur 3. Volgens mijn ervaring is de combinatie van een glazen cilinder met daarin een zuiger van grafiet ideaal voor dt soort verbrandingsmotortjes. De boring in de cilinder hoeft men niet zelf te maken, is extreem nauwkeurig van diameter en is super glad. De grafiet zuiger kan daardoor met zeer goede passing in die cilinder gemaakt worden en loopt daarin nagenoeg wrijvingsloos op en neer zonder enige slijtage. Een bijkomende aardigheid is dat de ontbranding mooi zichtbaar is door de glazen wand heen als de ruimteverlichting wat getemperd wordt. Dit is mooi te zien op de video rechts bovenaan en onderaan deze pagina.
De starre zuiger-as loopt op en neer door een lagerbus in het onderdeksel waarbij het belangrijk is dat de passing dusdanig nauwkeurig is dat er enerzijds nagenoeg geen luchtlek optreedt en de wrijving anderzijds minimaal is. Het is mijn ervaring dat dit het best te realiseren is door gebruik te maken van standaard asmateriaal voor de zuiger-as dat doorgaans een nauwkeurige diameter heeft en van een bijpassend standaard glijbusje dat in het onderdeksel wordt geperst. Ik paste een lagerbusje toe dat voorzien is van een dunne Teflon coating, maar elk ander gijbusje met een mooie (H6) passing zal ook wel voldoen.
Het goed samenstellen van de onderdelen van de 2-takt unit heeft mij aanvankelijk wel wat moeite gekost omdat de hardlijn van de zuiger met zijn as precies samen moet vallen met de hartlijnen van het boven- en onderdeksel omdat anders de zuiger klem gaat zitten in de cilinder. Aanvankelijk had ik beide cilinderdeksels aan de verticale montageplaat geschroefd maar dit leidde tot overbepalingen van de diverse maatvoeringen. Als de deksels ook maar een honderdste scheef op elkaar stonden of niet centraal ten opzichte van elkaar in het horizontale vlak raakte de zuiger meteen klem in de cilinder. Om dit probleem op te lossen heb ik de diameters van de O-ring groeven ietwat overmaats gemaakt zodat de cilinder in het horizontale vlak enkele tienden van een millimeter speling kreeg. Voorts heb ik de bovenste cilinderplaat niet meer vastgeschroefd aan de montageplaat maar met twee metalen beugeltjes tegen de cilinder geklemd met de cilinder daartussen, zie onderstaande figuur 4.

Figuur 4

Tijdens het stapsgewijs aandraaien van de twee stelschroefjes heb ik de zuiger steeds op en neer bewogen waardoor de hardlijnen van de diverse onderdelen elkaar opzoeken zodat de zuiger soepel op en neer blijft lopen en de lekvrije afdichting tegen de O-ringen tot stand komt.

De carburateur.
De hier toegepaste "Kruidenpot" carburateur is een variant van de universele "Benzinedamp Carburateur" met overigens hetzelfde principe. Deze uitvoering is een sterke vereenvoudiging waarbij ik gebruik maakte van een klein kruidenpotje als benzine reservoir. Aan de bovenzijde wordt het afgesloten door een metalen deksel waarin zich een leiding bevindt voor het inlaten van de buitenlucht en een tweede leiding voor de uitlaat van het gasmengsel uit deze carburateur met daarop de regelaar voor het bijmengen van extra buitenlucht; eenvoudiger kan eigenlijk niet. Deze verticale variant past ook beter in het relatief smalle en hoge ontwerp van deze "Slinger 2-takt".
Als brandstof gebruik ik Coleman Fuel. Het is een extra geraffineerde benzinesoort die nagenoeg reukloos is en minder verschillende koolwaterstof componenten bevat waardoor de samenstelling tijdens het gebruik wat stabieler blijft dan met autobenzine. Deze Coleman Fuel wordt voornamelijk gebruikt als brandstof voor camping toestellen en is daarom bij iedere Camping winkel wel te koop.

De slinger constructie.
De slinger is mechanisch gekoppeld aan de drijfstang van de zuiger via een systeem met een tandwiel en een tandheugel, zie onderstaande figuur 5:

Figuur 5

Aan het bovenste kleinste tandwiel is een strip bevestigd waarvan aan het uiteinde de drijfstang voor de zuiger-as is gemonteerd. Aldus gedraagt zich dit als een soort krukas.
De lengte van deze strip bepaalt vooral het koppel (kracht x arm) dat op het kleine tandwiel uitgeoefend wordt. Aanvankelijk had ik die lengte betrekkelijk kort gemaakt waardoor het 2-takt motortje moeite had om het systeem goed in beweging te krijgen. Ik heb toen de lengte van de strip twee keer zo groot gemaakt en dat bleek een belangrijke verbetering te zijn.
Het kleine tandwiel loopt over een ronde tandheugel die ik maakte van een tandwiel uit hetzelfde setje dat ik in mijn rommeldoos vond; wie wat bewaart die heeft wat. De overbrenging is 1 op 2 die in belangrijke mate de slingerslag bepaalt. Een tamelijk arbitraire keuze die achteraf wel tamelijk geschikt bleek maar wellicht niet geheel optimaal is.
De slinger is bevestigd aan de tandheugel waarvan ik het gedeelte heb verwijderd dat niet aan de aandrijving deelneemt. Dit oogt mijns inziens beter dan een volledig tandwiel; verder heeft dit geen functionele betekenis.

Het krachtenspel tussen de 2-takt unit en de slinger
Het krachtenspel van het hele systeem is behoorlijk complex als je het mij vraagt. Er zijn nogal wat fysische en mechanische parameters die het motorgedrag bepalen zoals:
- De kracht die optreedt tijdens de arbeidsslag van de 2-takt motor. Die wordt in hoge mate bepaald door het moment dat de vonk optreedt in de 2-takt cyclus omdat hiervan de hoogte van de compressie boven de zuiger van het gasmengsel afhangt. Op het moment dat de vonk komt zal de zuiger namelijk niet verder omhoog gaan omdat het gasmengsel op dat moment ontsteekt waardoor de zuiger meteen weer terug naar beneden wordt gedrukt;
- De lengte van de strip op het kleine tandwiel die het koppel bepaalt dat op dit tandwiel wordt uitgeoefend;
- De overbrengverhouding van het kleine tandwiel en de tandheugel die onder andere de slingerslag bepaalt;
- De lengte van de slinger. Die volgt maar gedeeltelijk de bekende slingerformule omdat de slinger mechanisch gekoppeld is aan de 2-takt unit met afremmende compressie drukken, zowel boven als onder de zuiger. Het betreft hier dus geen geheel vrijlopende slinger waarvoor de slingerformule wel geldt;
- Het volume van het expansie vaatje dat de compressiedruk onder de zuiger bepaalt;
- De hoogte van de uiitlaatopening in de cilinder die o.a. bepalend is voor de hoeveelheid vers gasmengsel dat bij iedere slag onder de zuiger wordt aangezogen;
- Het gewicht van de slinger. Die is voornamelijk belangrijk voor de drijvende kracht (inertie) die de motor door de arbeidsloze fasen moet helpen. Bij een te laag gewicht is deze inertie daarvoor onvoldoende, een te zwaar gewicht zal een onvolledige slag van de slinger veroorzaken. Ik heb experimenteel bepaald dat een slingergewicht ca 100 bram de beste resultaten oplevert;
- De instelling van de carburateur die in dit geval behoorlijk kritisch is, ik weet eigenlijk niet waarom.

Het was althans voor mij niet mogelijk om berekeningen los te laten op al deze al dan niet afhankelijke parameters om het optimale systeem te bewerkstelligen. Sommige keuzes waren daarom gevoelsmatig van aard, andere vloeiden voort uit de grote reeks experimenten die ik heb uitgevoerd. Als er ook maar één parameter verkeerd was ingesteld liep het ding helemaal niet of slecht en dan was het op dat moment lastig of niet mogelijk om de gevoeligheden van de andere parameters te onderzoeken.
Een en ander betekent dat het behaalde resultaat mijns inziens wel tot mijn tevredenheid stemt maar vrijwel zeker niet volledig optimaal zal zijn.

Het resultaat.
Anders dan met een snel ronddraaiend vliegwiel was het voorspelbaar dat de motor meteen zou stilvallen als er ook maar één enkel moment is waarbij er een misontsteking van het gasmengsel optreedt. Ik had me daarom voorgenomen tevreden te zijn als deze Slinger 2-takt tenminste een minuut lang continu zou lopen zonder tussentijdse herstart, hoe langer hoe beter natuurlijk. Dat is me uiteindelijk wel gelukt hoewel dit niet altijd het geval is. Maar het is ook wel gebeurd dat de motor 3 minuten continu liep, in een enkel geval zelfs 5 minuten. Alles bij elkaar reden om het project al dan niet voorlopig maar af te sluiten.
Nog wel één restrictie: de motor moet op een of andere manier stevig aan de ondergrond worden bevestigd omdat die anders zodanig op de tafel heen en weer gaat schommelen dat de slingerbeweging te veel wordt verstoord.

Hieronder de video die van deze Slinger 2-takt gemaakt heb in de situatie waarin die nu verkeert:

Tekening pakket
Ik heb van dit model een CAD tekening pakket gemaakt dat beschikbaar is voor iedere geinteresseerde; klik hier voor een aanvraag.