Introduktie
Als je niet weet wat je nu weer moet gaan maken zijn er diverse mogelijkheden: stil gaan zitten, de tijd doden met een geheel andere hobby of een wat maffe 2-takt motor maken waarvan het ontwerp vol zit met risico's. Ik koos voor het laatste omdat ik het nu eenmaal leuk vind om met de platte fysica te spelen en dat vorm te geven in een werkend model.
Ik stelde mij voor dat het wel grappig zou zijn om een verbrandingsmotortje te maken waarbij de compressie puur gemaakt wordt door de zwaartekracht, dus zonder vliegwiel en krukas. Een gewicht aan de zuiger-as moet dan het verse gasmengsel onder de zuiger samendrukken en de ca 4,5x grotere druk van de ontbranding onder de zuiger moet die weer omhoog drukken tot voorbij een uitlaatgat in de cilinder. Met een een leidingsysteem met twee kogelklepjes en een expansie vaatje tussen de bovenkant van de cilinder en de onderkant ervan wordt het verse gasmengsel uit de carburateur aangezogen en ook weer samengedrukt waarmee op het juiste moment het verbrande gas uit de cilinder wordt gespoeld en de cyclus zich dan herhaalt; feitelijk het bekende 2-takt proces dus.
Ik besefte dat er tenminste drie beren op de weg lagen die het project uiterst risicovol maakten. Het wegjagen van die beren was feitelijk mijn enige uitdaging. Zelfs als het motortje werkelijk ging doen wat ik voor ogen had zou het verder geen enkele praktische betekenis hebben, maar dat geldt eigenlijk ook voor al mijn motortjes. Sommigen zullen mijn opzet begrijpen, anderen zullen wellicht hun wenkbrauwen optrekken bij dit wonderlijk project. Het is als met een mop: ermee lachen of meewarig met het hoofd schudden.

Het Ontwerp
De onderstaande CAD figuren illustreren het ontwerp:


De compressiedruk onder de zuiger ontstaat als de zuiger door het gewicht naar beneden getrokken wordt en wel op het moment dat de onderkant ervan het uitlaatgat in de cilinder afsluit. Deze compressie wordt bepaald door de massa van het gewicht, maar ook door de kinetische energie (1/2mv2) van dit gewicht.
Bij de maximale compressiedruk moet de vonk komen die wordt aangestuurd door een schakelaar die ingedrukt wordt op het moment dat de zuiger zijn onderste positie bereikt. De ca 4,5x hogere ontbrandingsdruk drukt de zuiger weer naar boven tot ruim boven het uitlaatgat in de cilinder. Op het moment dat de zuiger het uitlaatgat opent wordt de cilinder doorgespoeld met het gecomprimeerde vers gasmengsel. Boven de zuiger speelt zich het proces af van aanzuigen en comprimeren van het verse gasmengsel uit de carburateur.
Het proces is geheel druk gestuurd door middel van twee automatisch werkende kogelklepjes zoals ik dat eerder deed bij de "Drukgestuurde 2-takt Sabine", zie de betreffende pagina. De animatie op die pagina demonstreert hoe dat werkt, maar de aansluitingen van het kogelklepsysteem op de cilinder zijn hier wel precies omgekeerd omdat de verbrandingskamer zich onder de zuiger bevindt in plaats van erboven. Het expansie vaatje in dit systeem zorgt ervoor dat de compressiedruk van het verse gasmengsel niet te hoog wordt waardoor de opwaartse beweging van de zuiger te veel zou worden afgeremd.

De "beren op de weg"
Zoals gezegd voorzag ik tenminste drie "beren" die de weg naar succes zouden kunnen versperren:

Beer no. 1: De compressie en de zuigerslag.
Er is een zekere minimale compressie nodig om het gasmengsel betrouwbaar te ontsteken en/of waarbij er voldoende expansiedruk ontstaat van het ontstoken gasmengsel . Hoe groot die minimale compressie moet zijn wist ik eigenlijk niet precies zodat het zomaar kon zijn dat voor die druk een erg zwaar gewicht nodig zou zijn. Het werkzame zuiger oppervlak aan de onderkant is bij dit ontwerp ca 2 vierkante centimeter zodat statisch gezien een gewicht van ca 4 kilogram nodig is om bv. 2 Bar compressiedruk te maken en dat zou eigenlijk onacceptabel groot zijn in mijn beleving. Nu is het wel zo dat de snelheid waarmee het gewicht naar beneden valt kwadratisch meedoet aan het opwekken van de kracht op de zuiger en dat bleek een niet te verwaarlozen factor te zijn. In feite ontstak het gasmengsel altijd, ook bij lage drukken die ontstaan als ik de vonk al kort na het afsluiten van het uitlaatgat in de cilinder liet komen. Maar ik merkte wel dat de opwaartse slag van de zuiger dan duidelijk kleiner was dan wanneer ik de zuiger verder liet zakken door de vonk wat later in te stellen en er dus een hogere compressie en expansie ontstond. Deze opwaartse slag moet namelijk een zekere minimale waarde hebben om boven de zuiger voldoende vers gasmengsel aan te zuigen die de cilinder moet doorspoelen. Deze hoeveelheid (PxV) moet tenminste gelijk zijn (of eigenlijk wat groter) dan het volume van de verbrandingskamer onder de zuiger en dit is dus naast het maken van voldoende compressie een tweede belangrijke voorwaarde voor het proces.
Ik heb talloze proeven gedaan met diverse gewichten, al dan niet gecombineerd met trek- en/of drukveren. Ik stelde vast dat het toevoegen van trek- en/of drukveren het systeem niet alleen erg complex maakte, maar ook dat dit geen moment iets bijdroeg aan de oplossing van de puzzel. De motor toonde alleen tekenen van leven met enkel een gewicht aan de zuiger en dat is ook wel verklaarbaar. Veren oefenen immers steeds in dezelfde richting een kracht uit op de zuiger die evenredig toeneemt met de uitrekking, resp. indrukking ervan. Een straffere veer zal wel de compressie verhogen maar tegelijkertijd ook de opwaartse slag van de zuiger verminderen waardoor er minder of zelfs te weinig vers gasmengsel wordt aangezogen uit de carburateur. Deze strijdigheid is veel minder aanwezig met alleen een gewicht aan de zuiger omdat het gewicht in beide tegengestelde richtingen kinetische energie meekrijgt: in de neerwaartse beweging door de zwaartekracht en in de opwaartse beweging door de gasexplosie onder de zuiger waardoor die als het ware als een kogel uit de loop van een geweer naar boven wordt geschoten. Een extreem zwaar gewicht zal ook een te kleine slag opwaarts maken en met een extreem licht gewicht zal de compressie en daarmee de expansie te klein worden. Er is dus een zeker optimum voor de massa van het gewicht waarbij er maximaal effect is voor enerzijds de compressie en anderzijds de grootte van de opwaartse slag.
Het was natuurlijk de vraag of met dit optimale gewicht de motor ook daadwerkelijk zou willen lopen, maar het geluk was met de domme. Ik draaide steeds stapsgewijs wat af van een oorspronkelijk overmatig gewicht totdat de motor tekenen van leven kreeg. In die situatie kon ik wat andere gevoeligheden onderzoeken en wegwerken dan wel verminderen. Daarna draaide ik het gewicht nog zo veel af tot de motor bleef lopen, althans voor enige tijd.
Beer nr. 1 bestond dus wel maar in feite kon ik die aldus verjagen.

Beer no. 2: Het opstarten.
Anders dan bij een motor met vliegwiel is het hier niet mogelijk om de motor met bv. een handboormachine op te starten. Het was dus de vraag of de motor wel zou willen opstarten met het handmatig optillen en laten vallen van het gewicht. Ook hier was het geluk met de domme: een enkele keer optillen en laten vallen van het gewicht is doorgaans voldoende om de motor op te starten als de carburateur tenminste goed staat afgesteld. Over deze beer kan ik dus kort zijn: hij was niet aanwezig.

Beer no. 3: Stilvallen na een ontsteek misser.
Er is hier geen vliegwiel effect waarmee de motor door een dood moment heen geholpen kan worden na een gemiste ontsteking van het gasmengsel. In zo'n geval zal deze motor dus meteen stil vallen en niet vanzelf doorstarten. Een serieus risico omdat dit hoge eisen stelt aan de betrouwbaarheid van de ontsteking hetgeen nu niet bepaald de sterkste eigenschap is van een 2-takt motoren die nogal eens een takt willen overslaan.
Deze beer blijkt inderdaad nadrukkelijk aanwezig te zijn en ik heb nog geen kans gezien om hem definitief te verjagen. Wel om hem zodanig in slaap te sussen dat de motor een aanvaardbare tijd blijft lopen, waarmee ik in het beste geval ca 2 minuten bedoel, althans voorlopig. Het missen van een ontsteking kan meerdere oorzaken hebben zoals een te zwakke vonk, een te late of een te vroege vonk, een te rijk of te arm gasmengsel of een onvoldoende doorspoeling van de cylinder met een onzuiver gasmengsel als gevolg. Het is eigenlijk al een klein wondertje dat deze 2-takt het regelmatig presteert om het zo lang vol te houden zonder een enkele ontsteek misser te maken. Dit ging overigens niet zonder slag of stoot:

- Ik heb besloten om voor het vonk maken voorlopig het systeem toe te passen met de klassieke motorfiets bobine die ik in de houten voet van de motor heb ingebouwd. Zo'n bobine geeft een behoorlijk vette vonk en ik weet dat die nodig is om te voorkomen dat een 2-takt motor gemakkelijk missers maakt. De schakelaar die de vonk aanstuurt wordt aangestoten door een stift die centraal aan het gewicht is bevestigd en die in hoogte verstelbaar is. Met die stift kan ik dus het moment instellen waarbij de de vonk komt en feitelijk dus ook de compressie waarbij dat gebeurt. Deze instelling is tamelijk gevoelig, maar met aanvaardbare marge.

- Het bleek dat het volume van de verbrandingskamer een belangrijke rol speelde. Niet zo verwonderlijk omdat dit mede bepalend is voor het spoelproces en derhalve voor de zuiverheid van de gasvulling in de cilinder. Gelukkig had ik dit volume blijkbaar te groot gemaakt zodat ik die simpel in stapjes kon verkleinen door steeds iets van de onderkant van de glazen cilinder af te zagen. Na iedere verkleining constateerde ik een verbetering in het loopgedrag. Ik stopte met afzagen toen ik het gevoel had ik het optimale volume bereikt had, hoewel ik daar niet helemaal zeker van ben omdat ik niet terecht wilde komen in de situatie: "teveel afgezaagd en toch nog te kort".


- Opmerkelijk is de gevoeligheid van de motor voor de instelling van de carburateur; anders gezegd de mengverhouding lucht/benzinedamp. De marge is hier erg klein, maar het juiste instelpunt voor de regelaar van de extra menglucht is met enige zorgvuldigheid wel te vinden. Ik moet nog eens goed nagaan hoe dat komt en of daar nog iets aan te verbeteren valt.

- De instelling van de kogelklepjes is geen probleem; die is gelijk aan die welke ik toepaste voor de "Drukgestuurde 2-takt motor".


De verbeterde MK2 versie
Ik heb nog geprobeerd om het ontsteekcircuit met de motorfiets bobine te vervangen door het veel kleinere miniatuur "Blokker" circuit maar zoals ik al vreesde was dit net een brug te ver. De vonk energie van dit mini circuit blijkt marginaal of eigenlijk onvoldoende te zijn om deze 2-takt er betrouwbaar mee aan de praat te houden. De motor liep er wel op maar hij viel veel vaker en eerder stil dan met de vettere vonk van de motorfiets bobine ondanks verwoede pogingen om het toch voor elkaar te krijgen. Zoals gezegd is een enkele ontsteekmisser meteen fataal omdat er geen vliegwiel effect is die deze motor door zo'n dood punt heen helpt.
Toch hebben deze experimenten mijn nog wat opgeleverd want in deze meer kritische omstandigheden kwam ik er achter dat de compressie toch nog wat verhoogd moest worden om de motor echt betrouwbaar te laten lopen. Omdat deze compressie verhoging alleen gemaakt kan worden met een zwaarder gewicht was ik wel bang dat daardoor ook de opwaartse slag van de zuiger kleiner zou worden met minder aanzuiging van het verse gasmengsel als gevlog. En dat nu bleek niet het geval te zijn: door de betere verbranding en daarmee een grotere expansie van het gasmengsel werd de opwaartse zuigerslag zeker niet kleiner, eerder groter. Uiteindelijk heb ik de massa van het gewicht kunnen verhogen van ca 150 gram naar ca 350 gram. Fors groter dus, maar daarmee loopt de motor nu wel vele malen beter.
Een tweede wijziging betreft de O-ring die de glazen cilinder luchtdicht moet afsluiten van de buitenlucht. Die heb ik nu in de cilinderkop gelegd in plaats van om de glazen cilinder; zie de doorsnee tekening boven aan de pagina. De 6mm hoge drukring die de O-ring om de cilinder moest klemmen kon daardoor vervallen zodat nu in de verbrandingskamer gekeken kan worden waardoor de verbranding van het gasmengsel ook zichtbaar is geworden. Eigenlijk alleen een optische verbetering, maar ik vond het wel jammer dat de verbranding daarvoor niet zichtbaar was omdat die werd afgeschermd door de 6mm hoge drukring. De glazen cilinder wordt nu tegen de O-ring geklemd met de kunststof drukring boven op de cilinder.
Tezamen met nog wat kleine wijzigingen aan de bougie en de instroomleiding op de carburateur ontstond zodoende de verbeterde MK2 versie waarvan ik denk dat die redelijk optimaal geworden is qua concept en proces.

Onderstaande foto toont deze finale MK2 versie en op de video daaronder vertoont dit merkwaardig ding zijn kunstjes:

 

Video:


Resultaten en conclusie
Alles bij elkaar was het een kwestie van veel "trial and error", maar wel met enige systematiek en met redelijk verstand voor zover mij dat gegeven is. Vermoedelijk heb ik niet het ultieme optimum bereikt omdat de gevoeligheden een wat complexe onderlinge samenhang vertonen en omdat sommige effecten moeilijk terug te draaien waren zoals het afdraaien van het gewicht en het afzagen van de glazen cilinder.
Ik heb met stomme verbazing staat kijken toen het ding ging stuiteren met een tempo van ca 5 slagen per seconde oftewel ca 300 keer per minuut. Behoorlijk sneller dus dan de ca 1 keer per seconde die ik had verwacht, zoals bv. een heimachine dat doet.
Ik ben dus voorlopig best tevreden met het resultaat omdat de motor met een mooi regelmatig tempo loopt en veel langer dan ik ooit voor mogelijk had gehouden. Het feit dat ik het ding meestal na 1 a 2 minuten opnieuw moet opstarten is dus een relatief beperkt euvel in mijn beleving omdat ik er eerlijk gezegd van uit was gegaan dat hij op zijn best nooit meer dan enkele slagen achter elkaar zou kunnen maken.

Tekenpakket
Ik heb van deze motor een CAD tekening pakket gemaakt dat beschikbaar is voor iedere geinteresserrde; klik hier voor een aanvraag daarvan.
Wel een waarschuwing: de motor is weliswaar relatief eenvoudig te maken (mits men beschikt over het goede glas voor de cilinder en het grafiet voor de zuiger) maar een reeks van wat verborgen en aan elkaar gerelateerde gevoeligheden maakt het afstellen ervan wel tot een behoorlijke uitdaging. Het is als met een hondenliefhebber: het zal een tijdje duren voordat de baas de hond kent en omgekeerd. Maar met voldoende volharding en vastberaden
heid kunnen ze dikke vrienden worden.

Praktisch nut ??
Ik krijg nog al wat suggesties om met een of meerdere magneten aan het gewicht stroom op te wekken door die in een spoel op en neer te laten bewegen. Afgezien van het feit dat ik nooit uit ben op praktische toepassingen denk ik dat het vermogen van dit kleine model nauwelijks genoeg zal zijn om er een enkel LED lampje ermee te laten opflikkeren en dat lijkt mij weinig spectaculair en daarom niet de moeite waard. De vraag of een industriele uitvoering volgens dit ontwerp interessant zou zijn voor het opwekken van stroom of andere vorm van energie laat ik graag over aan professionele ontwikkelaars op dit gebied, maar ik betwijfel dat wel een beetje omdat ik denk dat een normale 2-takt motor met vliegwiel efficienter is en dit soort generators zijn dan ook volop te koop.

Tenslotte
Verreweg de meeste 2-takt (model) motoren hebben de eigenschap dat ze zo nu en dan een misslag maken, vaak vanwege een minder optimale cilindervulling. Omdat hier een vliegwiel ontbreekt die het proces door zo'n dood punt heen helpt zal de motor dan onherroepelijk stil vallen. Het valt mij eigenlijk nog mee dat het ding nog 1 a 2 minuten continu blijft stuiteren, mits alles optimaal staat ingesteld. Het is dus onvermijdelijk om deze motor regelmatig wakker te schudden door het gewicht weer even op te tillen en te laten vallen. Het is als bij dat hondje dat zo af en toe met een rukje aan de riem tot de orde moet worden geroepen; het is niet anders en ik vind het niet erg.

Alternatief voor de glazen cilinder.
In het (aannemelijke) 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. De metalen cilinder moet dan wel aan de bovenkant voorzien worden van een vlak plaatje met daarin een tubelure om de aansluiting naar het kogelklep systeem te maken.
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.