Een eenvoudige 2-takt motor

Introductie
Voor de meeste model bouwers met beperkte ervaring en matige gereedschappen lijkt het maken van een verbrandingsmotor niet zo eenvoudig en zeker beginners zullen denken dat het voor hen niet haalbaar is. Zaken zoals een moeilijke krukas, kleppen met hun complexe aandrijf mechanismen, een distributie systeem, gietstukken, een carter, een carburateur, geforceerde koel- en smeersystemen, zuigerveren, nauwkeurig slijpwerk, etc. lijkt het exclusieve privilege te zijn voor enkele en zeer ervaren specialisten op dit gebied.
Zelf ben ik een modelbouwer zonder mechanische achtergrond en ook ik beschik slechts over bescheiden mechanische vaardigheden en beperkte gereedschappen. Daarom streef ik altijd naar zo eenvoudig mogelijke ontwerpen, zodat de motortjes te maken zijn met enkel standaard draai- en freeswerk met standaard materialen. Een betrouwbaar en mooi lopend motortje is steeds mijn enige doelstelling anders dan hoge prestaties en/of efficientie.
Nadat ik twee tamelijk ongecompliceerde 4-takt modellen had gemaakt ("Atkinson" en "Otto") vatte ik het plan op om een ontwerp te maken voor een extreem simpele verbrandingsmotor. Ik wist bij voorbaat dat dit een 2-takt zou moeten worden omdat een 2-takt geen bewegende in- en uitlaatkleppen heeft en ook geen distributie systeem zodat daarmee al behoorlijk complex werk geelimineerd zou worden.
Ik maakte de eerste versie van deze 2-takt in 2004 en na vijf jaar (november 2009) heb ik dit ontwerp nog een keer significant verder vereenvoudigd, gebruik makend van mijn ervaringen met mijn latere verbrandingsmotortjes. Ik waag het te zeggen dat het resultaat een erg "strak" en tamelijk goed ogend motortje is geworden dat zeer betrouwbaar en rustig loopt met een eenvoud die nauwelijks of niet kan worden overtroffen volgens mijn bescheiden mening. Het lijkt mij een uitgelezen model voor beginners.

Het principe van een 2-takt motor
Zoals bij iedere verbrandingsmotor zijn er ook hier 4 processtappen: inlaat van het verse gasmengsel uit de carburateur, compressie van dit gasmengsel, de verbranding en het uitlaten van de verbrande gassen.
Bij een 2-takt zijn deze processtappen verdeeld over de beide zijden van de zuiger waardoor de cyclus in twee slagen (takten) kan worden afgewerkt terwijl de 4-takt daar 4 slagen voor nodig heeft. Als de zuiger zich naar boven beweegt wordt het verse gasmengsel onder aan de zuiger opgezogen terwijl het gasmengsel van de vorige cyclus boven de zuiger wordt gecomprimeerd. Als de zuiger weer naar beneden beweegt door de expansie van het ontstoken gasmengsel boven de zuiger (arbeidslag) wordt het verse gasmengsel onder de zuiger samengedrukt in het carter. Op het moment dat de zuiger het uitlaatgat in de cilinderwand bereikt ontsnappen de verbrande gassen naar buiten en ongeveer tegelijkertijd wordt het samengedrukte verse mengsel boven de zuiger geinjecteerd door de inlaatpoort recht tegenover de uitlaatpoort. Het verse gasmengsel spoelt de laatste verbrande gassen uit de cilinder en wordt daarna meteen samengeperst boven de zuiger als die weer naar boven beweegt door het vliegwiel effect. Als de zuiger zijn bovenste positie bereikt wordt dit gecomprimeerde mengsel ontstoken en de cyclus herhaalt zich.
De onderstaand animatie demonstreert dit proces. Deze animatie is nog gebaseerd op het eerste ontwerp van de "Eenvoudige 2-takt" met zes inlaatpoorten in de cilinderwand waarvan er slechts 1 getekend is.

Het is moeilijk om het spoelproces zodanig te maken dat alle verbrande gasresten uit de cilinder worden verdreven zonder dat er vers gasmengsel rechtstreeks en ongebruikt door de uitlaatpoort ontsnapt. Dat lukt ook eigenlijk nooit voor 100%, reden waarom een 2-takt motor altijd minder efficient is dan een 4-takt waarmee het proces beter wordt aangestuurd met aangedreven in- en uitlaatkleppen. Maar het veel simpeler systeem van de 2-takt heeft die erg populair gemaakt voor met name kleine voertuigen zoals brommers en scooters en andere kleine machines.


De karakteristieken van dit eenvoudige 2-takt ontwerp
Om de motor zo simpel mogelijk te maken heb ik de volgende vereenvoudigingen aangebracht in vergelijking met een gebruikelijke 2-takt:

1. Geen carter.
Vrijwel altijd zijn carters gecompliceerde gietstukken met luchtdichte doorvoeren voor de krukas die daardoor erg moeilijk of niet te maken zijn voor amateur modelbouwers. Om zo'n carter te elimineren maakte ik een uitwendige krukas met drijfstang zoals die gebruikelijk zijn bij stoommachines. Daarom was het mogelijk de onderkant van de cilinder af te sluiten met een eenvoudige plaat met daarin een Teflon geleide bus voor de rechte zuigerstang. Dit maakte het tevens mogelijk om een krukas toe te passen met slechts aan één zijde een krukpen waarop de drijfstang eenvoudig te monteren is.
2. Kogelklep.
Een kogelklepje op de uitlaat van de carburateur opent en sluit automatisch op het juiste moment om te voorkomen dat het samengeperste gasmengsel onder de zuiger terug in de carburateur wordt gedrukt. Dit elimineert een aandrijfmechanisme voor zo'n eenrichtings klep en het afstellen daarvan.
3. Expansie vaatje.
Behalve dat een carter de behuizing is voor de krukas heeft die ook de functie om de druk van het samengeperste gasmengsel onder de zuiger niet zo hoog te laten worden dat er een tegenwerkende kracht op de zuiger ontstaat als die tijdens de arbeidslag naar beneden beweegt. Omdat bij dit model het carter ontbreekt heb ik een expansie vaatje aangebracht tussen de cilinder en de carburateur die deze functie overneemt. De gouden tip hiervoor kreeg ik van Martin Alewijn. Experimenteel heb ik vastgesteld dat het volume van dit vaatje ca 12cc moet zijn bij dit ontwerp.
Dit vaatje is niet op de animatie getekend maar wel te zien op de foto's rechts op deze pagina.
4. Geen zuigerveren.
 Zuigerveren zijn moeilijk te maken en soms ook niet gemakkelijk verkrijgbaar. Ervaringen met mijn andere verbrandingsmotortjes hebben mij echter geleerd dat het heel goed mogelijk is om zonder zuigerveren te werken mits de zuiger mooi passend in de cilinder wordt gemaakt met een speling van maximaal 0,03mm. Het lijkt weinig, maar het is goed haalbaar als de diameter van de zuiger eerst zo wordt gemaakt dat die enigszins "hakend" in de cilinder past daarna handmatig in de cilinder wordt gepolijst met een fijne schuurpasta totdat die er soepel in op en neer kan bewegen
5. Benzinedamp Carburateur.
Zoals bij al mijn verbrandingsmotortjes heb ik ook hier de benzinedamp carburateur toegepast in plaats van een klassieke carburateur met venturi en benzine sproeier. In feite is het een eenvoudige voorziening in de benzinetank waarmee de aangezogen lucht door de benzine borrelt of er over heen strijkt en dan 100% moleculaire benzinedamp mengt met de lucht. Deze carburateur is veel eenvoudiger om te maken en presteert geweldig zonder het risico van een beroete bougie en/of het "verzuipen" van de motor. Zie voor de beschrijving en de werking van deze carburateur de betreffende pagina op deze website.
6. Geen geforceerde koeling of smering.
Dit motortje is niet bedoeld om zwaar werk te doen maar voor looptijden van hooguit 15 minuten die doorgaans meer dan voldoende zijn voor een succesvolle demonstratie. De cilindertemperatuur overschrijdt nooit 110 tot 120 graden Celsius zoda een geforceerde koeling niet nodig is. De cilinder en de zuiger zijn gemaakt van perlietisch gietijzer type GG25). Dit materiaal is min of meer zelf smerend door het relatief hoge koolstofgehalte en de thermische uitzetting is erg kleinen in ieder geval gelijk voor de zuiger en de cilinder. Tezamen met het feit dat dit materiaal erg slijtvast is en niet de neiging tot invreten vertoont loopt de zuiger nooit vast in de cilinder ondanks het ontbreken van een geforceerd smeersysteem. Het af en toe doseren van een enkele olie druppel in de cilinder tussen de runs in is voldoende om de oppervlakte van de zuiger en cilinder "in goede conditie te houden".
7. De bougie.

De bougie is een eigen maaksel zoals ik die met succes toepas voor al mijn verbrandings motortjes. De isolator is van Teflon die met fijnmetrische draad in de stalen behuizing wordt geschroefd. De hoogspanningselektrode is in een M3 draadeind gesoldeerd dat ook met fijnmetrische draad in de Teflon is geschroefd. Aldus ontstaat een stevige verbinding die tevens luchtdicht is. Teflon is een uitstekende elektrische isolator en weerstaat de temperatuur van de gas ontbranding volledig.
Het is natuurlijk altijd mogelijk om een geschikte ingekochte (kleine) bougie toe te passen en daarvoor de draad in de cilinderkop zo nodig aan te passen.
8. Het vliegwiel.
Het vliegwiel moet een behoorlijk massa hebben om de motor met lage toerentallen te laten lopen. De dynamische energie van een vliegwiel volgens het "fietswiel type" is E=½mw²r² waarbij m de massa is, w de hoeksnelheid is en r de straal van het vliegwiel. Het vliegwiel is van staal gemaakt met een diameter van 110mm en een breedte van 25mm. De massa is dan ongeveer 1,2 kilogram en de dynamische energie ca 3Nm bij 500 omwentelingen per minuut.

9. De motor voet.
De houten voet van de motor heeft een uitholling waarin het circuit voor de vonkontsteking kan worden ondergebracht. Daarvoor gebruikte ik een overbekende schakeling met een bobine van een klassieke auto of motorfiets met een externe accu voeding van 6 volt. Wel wat groot maar gemakkelijk in te bouwen en met een zeer betrouwbare energierijke vonk die nodig is voor 2-takt motoren. Aanvankelijk gebruikte ik een uiterst sympathieke piezo ontsteking zoals ik met succes deed bij de Atkinson en Otto 4-takten en zoals die ook nog op de animatie staat maar de energie van die vonk bleek achteraf toch te marginaal te zijn voor deze 2-takt. Aangezien ik altijd inzet op betrouwbaarheid heb ik toch maar gekozen voor de bobine, die immers toch onzichtbaar kan worden weggewerkt in de houten voet.
Ieder ander circuit dat een goede vonk levert is natuurlijk ook goed, maar de meeste kleine bobines die tegenwoordig voor bromfietsen, scooters, zaagmachines, enz worden toegepast zijn niet geschikt omdat die een andere voedingsspanning nodig hebben die door een generator op het vliegwiel wordt geleverd.

De wijzigingen t.o.v. het eerste ontwerp
Deze nieuwe en verder vereenvoudigde versie is dus een herontwerp van het eerste model dat ik 5 jaar eerder maakte. De belangrijkste wijzigingen zijn:
1. De cilinder is sterk vereenvoudigd door het aanbrengen van een simpel omloop systeem als vervanging van de 6 inlaatpoorten in de cilinderwand. Het maken van deze 6 cilinderpoorten met afstoppingen werd door velen toch wel als "chirugenwerk" beschouwd. Het was in feite de directe en belangrijkste aanleiding voor het herontwerpen.
2. De cilindersteun is nu een massief blok waardoor de cilinder volkomen stijf op de montageplaat staat.
3. De zuigerveren zoals die toch nog in de eerste versie werden toegepast zijn nu weggelaten, hetgeen de prestatie van de motor niet negatief beinvloedt als de speling van de zuiger in de cilinder niet groter is dan 0,03mm.
4. Het vliegwiel heeft een kleinere diameter waardoor die nu net boven de montageplaat blijft en de sleuf in de plaat kan vervallen. Om de massa traagheid ongeveer gelijk te houden heb ik het vliegwiel wel wat breder gemaakt.
5. De originele benzineschuim carburateur met de twee onafhankelijke luchtregelaars is vervangen door de laatste versie van de Benzinedamp Carburateur met de de meest eenvoudige regelkraan en een korte instroomleiding op de tank die boven het benzine nivo blijft waardoor de afstelling en regeling van de motor snelheid gemakkelijker en minder gevoelig is geworden.
6. In de kogelklep is nu een gewone stalen fietskogel toegepast in plaats van de neopreen kogel die moeilijker te verkrijgen is. Mits de verticale vrije slag ervan niet groter wordt gemaakt dan 0,5mm werkt dat net zo goed. Deze kogelklep vormt een geheel met het (horizontale) expansie vaatje.

 

CAD samenstelling van het herontwerp

Tenslotte

-Zowel de diameter als de slag van de zuiger is 24mm waardoor de werkzame cilinderinhoud ca 12cc is. De koude compressie is 4 a 5 ato.

-De motor loopt op gewone auto benzine en de snelheid kan geregeld worden tussen ca 300 en 1500 omwentelingen per minuut. In plaats van gewone autobenzine kan met ook Coleman Fuel gebruiken waarop de motor nog iets prettiger reageert en die nauwelijks of niet stinkt. Deze Coleman Fuel wordt gebruikt als brandstof voor camping kooktoestellen en is bij iedere winkel voor camping artikelen te koop.

- De motor kan opgestart worden met een losse snaar om de poelie op de krukas en een soortgelijke poelie in de kop van en handboormachine. Maar als alles goed is afgesteld kan de motor eenvoudig worden opgestart met een zet aan het vliegwiel zoals op de video te zien is. Tijdens het opstarten de drieweg regelkraan zodanig afstellen dat de motor hoorbaar overneemt. Rondom die instelling is de snelheid goed regelbaar. De instelling met verse benzine zal in het algemeen zo zijn dat er veel extra lucht is en erg weinig gasmengsel uit de tank. Men neigt vaak naar het omgekeerde maar dat is absoluut verkeerd omdat er dan snel een te rijk mengsel ontstaat waarmee de motor zeker niet op zal starten.
Met een halfvolle tank zal de motor 15 minuten lopen of langer.

- De motor op de foto's aan de rechterkant van deze pagina en op de video wijkt iets af van de tekening omdat ik bij het ombouwen van mijn exemplaar enkele bestaande onderdelen heb hergebruikt zoals het grotere maar ook minder brede vliegwiel.

Aanvraag tekeningen
Klik hier voor het aanvragen van het tekening pakket

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Aanwijzingen in geval van opstart problemen

1. Controleer of het vrije loopgedrag van de motor en de compressie ongeveer overeenkomen met hetgeen te zien is op de demo's aan het eind van de video van deze motor.
2. De vonk voor een 2-takt moet behoorlijk energie rijk zijn. Gebruik geen (kleine) bobines van moderne scooters, brommers, kettingzagen, etc, maar een bobine van een klassieke auto of motorfiets die bedoeld is om rechtstreeks op een accu van 6 of 12 volt te worden aangesloten. De kleine (scooter) bobines worden doorgaans gevoed met een generator op de krukas met meestal nog een of andere electronische schakeling daartussen. Ze worden dan zeer heet als ze worden aangesloten op een gelijkspanning van 6 of 12 volt waarbij ze nauwelijks een vonk produceren of in het geheel niet.
3. De vonk moet precies komen op het moment dat de zuiger in zijn hoogste postie is aangekomen waarbij de maximale compressie optreedt (Top Dead Centre; TDC). Een kleine afwijking van +/- 5 graden is nog wel toelaatbaar.
4. Als de zuiger in zijn achterste positie staat (Bottom Dead Centre; BDC) moet het uitlaatgat in de cilinder geheel open zijn. De bovenkant van de zuiger moet dan dus ongeveer gelijk liggen met de onderkant van het uitlaatgat.
5. Belangrijk is dat het kogelklepje goed werkt; veelal moet hier de oorzaak van een opstartprobleem gezocht worden. De kogel moet goed afsluiten op zijn conische zitting en mag niet gaan zweven of stuiteren waardoor die niet op tijd terugvalt op zijn zitting. De zitting moet daarom mooi glad gemaakt zijn en de vrije slag van de kogel mag niet groter zijn dan ca 0,5mm. Dit alles zal het geval zijn als de klep gemaakt is volgens de tekening. Het kan echter voorkomen dat de zitting vervuild is om een of andere reden. Zorg dus dat het klepje inwendig goed schoon is en blijft.
Men kan de goede werking van het klepje het best als volgt testen:

Verleng het luchtinlaat stuk op de carburateur tank, bv. met een dun en kort rubberen slangetje zodat dit in de benzine steekt nadat de inlaat weer op de tank geschroefd wordt. Laat de motor met een behoorlijk toerental ronddraaien met de handboormachine. De instromende lucht zal nu duidelijk zichtbaar door de benzine borrelen. Dit zal vrijwel altijd het geval zijn tenzij de kogel op zijn zitting zou blijven. De kans daarop is wel klein tenzij de stift boven de kogel te lang is gemaakt of de kogel geplakt zit aan de zitting door een of andere vervuiling. In dit geval de lengte van de stift en dus de vrije slag van de kogel controleren en/of de zitting en kogel goed schoon maken.
Wat meer voorkomt is dat er tijdens het ronddraaien wat benzine uit de carburateur door het lucht inlaatstuk op de tank terug naar buiten wordt gedrukt . In dat geval sluit de kogel dus niet goed af of valt te laat terug op zijn zitting waardoor er wat aangezogen gasmengsel onder de motorcilinder weer wordt terug gedrukt in de tank. De tijdelijke overdruk die daardoor in de tank ontstaat drukt dan dus wat benzine door het inlaatstuk naar buiten. Als dit verschijnsel optreedt moet de klepzitting worden gecontroleerd op onregelmatigheden of vervuiling. Het kan ook zijn dat de vrije slag van de kogel te groot is in welk geval de stift boven de kogel zodanig verlengt moet worden dat de vrije slag van de kogel ca 0,5mm wordt.
Na deze test het rubberen slangetje voor de verlenging van het inlaatstuk weer verwijderen.
6. Alle (schroef) aansluitingen in het brandstofsysteem moeten luchtdicht worden gemaakt bv. met Teflon tape of een weinig sanitair kit zoals ik meestal doe.
Dit afdichten kan zo natuurlijk niet gedaan worden in de Teflon glijbus waar de zuiger drijfstang in op en neer gaat. De passing daar moet vrij goed zijn maar ook weer niet zo dat de motor erg zwaar gaat lopen. Daar kan nog wel eens een probleem zitten zodat het goed is om die afdichting te controleren als de motor hardnekkig blijft weigeren. Zet daartoe niet al te hoge persluchtdruk aan de onderkant van de zuiger, bv. via de kogelklep met de zuiger over het uitlaatgat van de cilinder en druppel wat olie over de drijfstang ter plekke van de Teflon glijbus. Een klein lek zal dan meestal wel te zien zijn maar als de olie flink wordt weggeblazen moet een nieuwe Teflon bus worden gemaakt met een betere passing.
7. Gebruik normale maar verse auto benzine of liever nog Coleman Fuel (zie de pagina voor deze Benzinedamp Carburateur). Zet eerst de inlaat van de extra bijmeng lucht op de uitlaat van de benzinetank helemaal open. Laat de motor ronddraaien met de handboormachine en draai dan deze inlaat van de extra lucht zeer geleidelijk dicht totdat je de motor hoort aanslaan. Rondom deze instelling zal de motor doorgaans vlot opstarten en kan de rotatiesnelheid geregeld worden door zowel wat meer als wat minder extra lucht toe te laten.

De inwendige diameter van de lucht inlaat pijp op de tank van de carburateur moet 4mm zijn in plaats van 3mm zoals dat was opgetekend bij een vorige versie van het tekening pakket. Met 4mm presteert de carburateur wat beter. Ik heb dit enige tijd geleden al aangepast op het tekening pakket maar het kan natuurlijk zijn dat je een eerdere versie hebt hiervan.

8. Zo af en toe een druppeltje olie op de zuiger laten vallen dor het uitlaatgat in de cilinder. Niet echt nodig om vastlopen te voorkomen maar wel om de oppervlakken van zuiger en cilinder "in goede conditie" te houden. Doe dit vooral als de motor voor langere tijd wordt opgeslagen.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++









 

Deze motor gemaakt door leerlingen
WICO campus Belgie
(zie ca 1,5 min na start filmpje)

Een zeer blije Giocomo !

Replica gemaakt door
Stijn Vande Velde: