Change to English

Introductie
Ik maak mijn modellen uitsluitend volgens eigen ontwerp en dus nooit volgens bestaande tekeningen of concepten. Het is nu eenmaal mijn eeuwig streven om motortjes te maken met een of meer unieke kenmerken, maar wel hoofdzakelijk uitgaande van bestaande principes; geen spectaculaire uitvindingen dus. Het is een soort beroepsdeformatie van een ontwikkelaar om alles anders te willen doen, of dit nu nodig is of niet. Feitelijk is het meer "spelen" met de platte fysica dat vermoedelijk een uitvloeisel is van mijn werkzame leven als proces ontwikkelaar op het gebied van gasuitwisselingen, vacuum techniek en doseer systemen.
Een ander kenmerk is altijd dat mijn ontwerpen mechanisch gezien zo eenvoudig mogelijk moet zijn, al is het alleen maar omdat ik het model anders zelf niet kan maken met mijn tamelijk beperkte mechanische vaardigheden en gereedschappen.
Het gaat mij ook nooit om praktisch nut, hoge prestaties en/of efficiencies; dat laat ik graag over aan industriele ontwerpers die daarvoor over de kennis en de ervaring beschikken met de technische middelen en die daar ook beroepshalve voor betaald worden.
Het nadeel van mijn werkwijze is wel dat het steeds moeilijker wordt om iedere keer weer een nieuw idee te krijgen en dat om te zetten in een werkend model. Dit levert allengs meer min of meer bizarre modellen op die ik zelf wel grappig vind, maar die anderen wellicht slechts met enige verwondering gade zullen slaan.
Dit project is een typisch voorbeeld van zo'n bizar ondernemen. Het is een 2-takt motor met slechts 1 zuiger in een glazen cilinder waarbij het proces zich afwisselend afspeelt aan beide zijden van de zuiger die zich op een gemeenschappelijke as bevindt.

Concept 1: Vrij lopende zuiger

Er bestaan wel concepten mt een vrijlopende zuiger hoewel ik niet goed weet hoe die precies in elkaar steken. Ik heb daar overigens niet of nauwelijks industriele toepassingen van gevonden zodat ik vermoed dat ze niet zo succesvol zijn.
Als dit ontwerp gaat werken is het voorlopig dan ook niet meer dan een aardige grap zonder enig nut, hoewel het wel denkbaar is om er bv. een pompje meer aan te drijven of er wat elektrische energie mee op te wekken middels een magneet die zich in een spoel op en neer beweegt. Maar zoals gezegd is dat nooit mijn opzet, zodat het wel zal blijven bij een uniek model waarbij ook de verbranding van het gasmengsel weer zichtbaar zal zijn aan weerszijden van de zuiger door de glazen cilinder. Het is maar wat je leuk vindt.
Onderstaande CAD figuren illustreren het ontwerp.

Figuur 1

Figuur 2

Figuur 3

 

Het proces van de gasuitwisseling
Ik heb gekozen voor het 2-takt proces omdat ik denk dat dit met een 4-takt proces eigenlijk niet mogelijk is omdat daarbij gedurende 3/4 van de tijd geen arbeid wordt opgewekt. Dit nog los van het feit dat de constructie dan op zijn minst vele malen complexer zou zijn als gevolg van een kleppensysteem en met een 1 op 2 distributie.
De glazen cilinder heeft twee ingeslepen uitlaatpoorten waarlangs de uitlaatgassen ontsnappen en die het mogelijk maken om de ruimte onder de zuiger weer door te spoelen met vers gasmengsel uit de carburateur, zie figuur 3. De zuiger as heeft twee insnoeringen die als schuifklep dienen. Op het juiste moment wordt daarmee afwisselend de ene dan wel de andere zijde van de cilinder doorgespoeld met het verse gasmengsel uit de carburateur dat daarna wordt gecomprimeerd en ontstoken als de zuiger zich weer in tegengestelde richting terug beweegt. Omdat de zuiger cyclisch door de gasexpansie heen en weer gedrukt wordt bestaat er eigenlijk geen dood moment in het proces zodat een vliegwiel hier kan vervallen.
Het probleem bij dit ontwerp is wel dat de zuiger zelf dit verse gasmengsel niet kan aanzuigen omdat het proces zich steeds aan dezelfde kant van de zuiger afspeelt en dan kan de gasverbranding en het aanzuigen natuurlijk niet tegelijk plaatsvinden. Voor dit voorlopig ontwerp heb ik een aquarium pompje tussen de carburateur en de inlaat van de cilinder aangebracht die met een constante lage druk het verse gasmengsel uit de carburateur aanvoert met voldoende debiet, zie figuur 1. Ik heb dit al uitgeprobeerd op twee van mijn 2-takt motortjes en dat werkt op zichzelf prima. Mocht alles goed werken is het in principe altijd nog mogelijk om een pompje te maken dat mechanisch door de motor zelf wordt aangedreven. Dit wordt dus mogelijk een vervolg op het projekt; eerst maar eens kijken hoe alles uitpakt met het aquarium pompje.

De vonk ontsteking
Hier heb ik iets bijzonders moeten bedenken omdat afwisselend de ene en dan de andere bougie hoogspanning moet krijgen op de juiste momenten; een soort van vonkverdeler dus. Ik heb daarvoor de volgende oplossing bedacht die eigenlijk erg simpel blijkt te zijn:
Ik pas hier wederom het circuit van de "Blokker" gasaansteker toe dat ik echter in dit geval helemaal niet aanpas en gewoon constant bedrijf met de 1,5 volt penlite batterij zoals dat normaal ook gebeurt met deze gasaansteker. Het flexibele hoogspanningskabeltje is verbonden met de vonkverdeler zoals getekend in bovenstaande figuren. Deze vonkverdeler is mechanisch gekoppeld aan de zuigeras en verplaatst zich dus samen met de zuiger van links naar rechts waarbij de veertjes op de uiteinden daarvan telkens een van de bougies raakt op het moment dat de vonk daar moet komen. De contacten op de bougies zijn enigszins verdraaibaar zodat het moment van de vonk daar fijn mee kan worden geregeld. Als de verdeler zich weer van de bougie verwijdert zal de vonk automatisch doven als de afstand groter wordt dan ca 6 mm en dit is ruim voordat de zuiger de uitlaatpoort bereikt zodat het verse gasmengsel dat daarna door de cilinder stroomt niet ontstoken zal worden. Op deze manier vervalt dus tevens de noodzaak voor twee micro switches of reed schakelaars met de constructies om die te bedienen.

Het motorgedrag
De gasontsteking aan de ene kant van de zuiger zorgt dus in feite voor de compressie aan de andere zijde en omgekeerd. Volgens het huidig ontwerp wordt de slag van de zuiger begrensd door stootrubbertjes aan de buitenkant van de zuiger as. De begrenzing zal ook mede worden bepaald door de opgewekte compressie die de zuigerbeweging zal afremmen. Ook de timing van de vonk zal van invloed zijn omdat de zuiger meteen zal omkeren zodra het gasmengsel wordt ontstoken.
Alles bij elkaar is het moeilijk voorspelbaar wat het gedrag en de bewegingssnelheid van de zuiger gaat worden, met name omdat er behalve de zuiger met zijn as er nauwelijks sprake is van massatraagheid van enige betekenis en er nog ook geen dempend veersysteem voorzien is in dit voorlopige ontwerp. Ik hou wel van dit soort onzekerheden omdat die de spanning erin houdt en ook omdat dit interessante ervaringen kan opleveren bij het aanlopen van dit merkwaardig tuigje.

Ik heb al wel een video gemaakt met het CAD materiaal:

 

 

Ik heb een testopstelling gemaakt waarbij ik dit gedeelte van de motor met de messing bodemplaat in een losse machineklem kan vastklemmen op de werkbank.

Provisorisch de carburateur via het aquaruim pompje aangesloten en ook het Blokker circuit op de vonkdistributeur. Toen ik de zuiger-as handmatig naar links of naar rechts drukte of trok onstonden er meteen de fel blauwe gasexplosies aan weerszijden van de zuiger. In principe werkte het dus zoals voorzien, maar wat ik verwacht had gebeurde ook: op het moment dat een van de uitlaatpoorten geopend wordt valt de expansie druk meteen weg zodat de zuiger onvoldoende ver doorgedrukt wordt om de compressie aan de andere zijde van de zuiger te maken. Om dit probleem op te lossen heb ik de massa van de zuiger-as danig vergroot door aan de uiteinden ervan behoorlijk zware gewichten aan te brengen in plaats van de messing knoppen zoals die op bovenstaande foto nog te zien zijn. Ook heb ik de lengte van de zuiger nog in een paar stappen verkleind waardoor de zuiger-as wat meer tijd krijgt om in een versnelde beweging te komen als gevolg van de massatraagheid van de gewichten. De zuiger-as combinatie wordt zodoende als een kogel uit een geweerloop geschoten maar dan wel afwisselend in tegenovergestelde richtingen. Op een gegeven moment maakte de motor een aantal slagen en toen schrok ik me een ongeluk van het extreem onstuimig gedrag: het geheel inclusief de toch vrij zware machineklem trilde zowat compleet van de werkbank af; spannend om te zien, maar niet bepaald de bedoeling natuurlijk !!
Na een zeer uitgebreide reeks experimenten moet ik helaas conkluderen dat het concept geen levensvatbaarheid heeft.
Hier wreekten zich drie aan elkaar gerelateerde feiten:
1. De expansiedruk op de zuiger die aan de andere kant daarvan ook de compressie moet opleveren valt meteen weg als de zuiger de uitlaatpoort opent. Om de zuiger toch voldoende te laten doorlopen moet daarom een behoorlijk grote massa worden toegevoegd aan de zuiger-as.
2. De verzwaarde zuiger/massa combinatie wordt afwisselend en in tegenovergestelde richtingen gekatapulteerd waardoor een onaanvaardbaar ontstuimig motorgedrag ontstaat.
3. Als er ook maar 1 ontsteekmisser ontstaat valt de motor onherroepelijk stil omdat er geen element is dat de motor over zo'n dood moment heen helpt.

Korter gezegd: hier ontbreekt het effect van een vliegwiel waarbij de slag van de zuiger mechanisch opgedrongen wordt en dat het proces over een dood moment heen helpt door massatraagheid van het roterende vliegwiel.

Ik had het kunnen weten, maar ik was verleid en misleid door het succes van de "Stuiter 2-takt" die ook geen vliegwiel heeft. Maar die maakt een enkelvoudige slag waarbij nauwelijks druk wordt opgebouwd aan de andere kant van de zuiger en waarbij de zwaartekracht op het gewicht inwerkt hetgeen hier niet het geval is. Overigens valt die ook wel een enkele keer stil als er een misontsteking plaatsvindt maar dat vind ik minder erg.

Ik wilde het ding in de gallerij "mislukkingen" zetten maar ik heb mij toch bedacht. Waarom niet alsnog een vliegwiel toepassen en de overige elementen van het ontwerp handhaven zoals het "duale" 2-takt proces dat links en rechts van de zuiger mooi zichtbaar is door de glazen cilinder heen en het vonkdistributie systeem met het niet aangepaste circuit van de Blokker aansteker ?

Concept 2: De "Duale 2-takt"
Bij dit concept heb ik nu dus een vliegwiel toegevoegd aan het ontwerp en daarbij de rest van het vrije zuiger concept vrijwel ongemoeid gelaten. Omdat de zuiger nu niet meer vrij loopt heb ik de motor omgedoopt in "Duale 2-takt" met de bedoeling aan te geven dat het 2-takt proces zich (nog steeds) aan beide zijden van eenzelfde zuiger afspeelt.
Onderstaande foto's illustreren dit concept:

 

Er trad wel een probleem op met het vonksysteem: met het vrijlopend Blokker circuit ontstaat er al een vonk nog voordat de veertjes de contacten op de bougies raken en wel als de de veertjes tot op 4 a 5 mm genaderd zijn. De vonken komen zodoende net iets te vroeg waardoor er soms terugslag ontstond. Dit is niet te vermijden op deze manier omdat het natuurlijk niet mogelijk is om de vonk precies op de uiterste posities van de zuiger te laten komen (en liefst nog iets later) en nooit daarvoor. Ik had dit verschijnsel eigenlijk wel verwacht maar ik hoopte dat de ontsteek vertraging dit probleem automatisch zou oplossen, maar deze keer was het geluk niet met de domme.
Ik had bovendien de indruk dat de energie van het niet aangepaste Blokker circuit feitelijk wat te laag is om het gasmengsel steeds betrouwbaar te ontsteken.
Ik heb daarom toch maar weer het aangepaste circuit gebruikt dat door een reed contact wordt aangestuurd dat geschakeld wordt door twee magneten in het vliegwiel. Dit aangepast circuit heeft ook het voordeel dat de vonk een stuk forser is door de grotere condensator en de grotere spanning daarop door het weghalen van een zener diode.

De motor loopt nu keurig met een tempo van 600 tot 1000 toeren per minuut en ik heb daarvan de onderstaande video gemaakt:

 

 

Mogelijk vervolg
Het gasmengsel uit de carburateur wordt nog met enige overdruk aangeleverd door middel van een aquarium pompje. Dat werkt wel mooi, maar het is eigenlijk wat oneigenlijk en geforceerd. Het zou mooier zijn om een pompje toe te voegen aan het ontwerp dat mechanisch door de zuiger-as wordt aangedreven aan de overkant van de vliegwielzijde. Hoewel het niet zo eenvoudig is om zo'n pompje met voldoende opbrengst te maken ga ik daar wellicht toch ooit nog een poging toe wagen.

 

Tekening pakket
Ik heb van deze "Duale 2-takt" een CAD tekeningpakket gemaakt dat beschikbaar is voor iedere geinteresseerde; klik hier voor een aanvraag daarvoor.