Herontwerp van deze Atkinson; januari 2010
Ik heb een herontwerp gemaakt van deze motor met een geheel nieuw CAD tekening pakket en wel om twee redenen:
1. Ik had nogal veel wijzigingen aangebracht t.o.v. de originele tekeningen, met name om het motorgedrag wat te "temmen". Dat heb ik hieronder wel zo goed mogelijk beschreven maar ik bleef daar toch veel vragen over krijgen. Voorts bevatte deze tekeningen alleen Nederlandse tekst zodat mijn Engelstalige vrienden daar veel moeite mee hadden. Ik heb het nieuwe tekeningpakket nu met CAD gemaakt en er ook Engekse tekst aan toegevoegd. De CAD tekeningen zijn ook veel beter leesbaar o.a. omdat er driedimensionale aanzichten op staan.
2. De oude versie van deze Atkinson loopt wel goed en betrouwbaar maar het gedrag is toch nog behoorlijk onstuimig naar mijn smaakk. Dit ligt gedeeltelijk aan de abrupte omkeerbewegingen van het typische drijfstangsysteem maar vermoedelijk ook aan het systeem met de twee klep tuimelaars met de erg lange stoters. Ik heb nu een bovenliggende nokken-as gemaakt die zonder tuimelaars de kleppen bedient en die wordt aangedreven door een tandriem die de vliegwiel-as en deze nokken as met elkaar verbindt over twee tandwielen met gelijk aantal tanden. Dit systeem paste ik eerder en met succes toe op mijn Otto motor.
3. De klassieke carburateur is vervangen door de "Benzinedamp Carburateur" die ik bij al mijn verbrandingsmotoren toepas.
Voorts zijn er nog wat andere wijzigingen die echter meer cosmetisch van aard zijn, zoals de uitlaatdemper en de houten voet.
Hieronder Blad 1 van het tekening pakket.
Ik moet zelf mijn oude Atkinson nog ombouwen volgens dit herontwerp, maar daar moet ik de tijd nog voor vrijmaken. Vandaar dat ik hier nog geen life video kan laten zien maar wel die van de oude versie en een animatie op de video van het herontwerp; zie rechts boven op deze pagina.
Maar Petr heeft deze versie al wel gemaakt:
http://s191.photobucket.com/albums/z173/RaceSoft/Atkinson%20engine/--------------------------------------------------------------------------
Beschrijving van de oude versie
Het idee
In de eerste drie jaar van mijn modelbouwleven heb ik hoofdzakelijk Stirling motortjes en Vlamhappers gebouwd. Ik vond dat ik toe was aan iets anders en vatte het idee op om een kleine viertakt verbrandings motor te gaan bouwen. Ik had geen enkele ervaring op dit gebied, maar dat heeft mij juist gestimuleerd om het eens te proberen.
Ik heb lang en veel moeten zoeken naar een geschikt ontwerp. Voor zover ik iets tegenkwam vond ik het te groot en/of te complex, terwijl ik er altijd op uit ben om een stukje unieke techniek te maken dat er vooral "klein maar fijn" moet uitzien en dat in een redelijke tijd te maken is.
Uiteindelijk vond ik wat ik zocht op de website van Kees Goverde uit Roosendaal. Een website die echt de moeite waard is om eens te bezoeken voor modelbouwers van dit soort verbrandingsmotoren.
Mijn oog viel daarbij op de Atkinson viertakt verbrandingsmotor, die als unieke eigenschap heeft dat de vier slagen van de zuiger gemaakt worden met slechts één omwenteling van de krukas. Fascinerend om te zien hoe dit tot stand komt d.m.v. een slim stangenstelsel; zie voor een bijzonder fraaie animatie de website www.keveney.com/Engines.html. Een bij uitstek geschikt en fraai model, dat niet al te moeilijk is om te maken in 80 á 100 netto manuren.
Het venijn bleek echter in de staart te zitten: het onderkennen en daarna optimaal afstellen van alle parameters heeft mij nog een veelvoud van deze bouwtijd gekost. Niet dat ik dat erg vond, want het oplossen van problemen is voor mij altijd een extra uitdaging en het heeft bovendien het voordeel dat je daarmee de geheimen van de machine goed leert kennen.
De bouw tot aan de eerste omwentelingen
Ik ben dus uitgegaan van het model volgens de tekeningen van Kees Goverde. Eén typische wijziging heb ik bij voorbaat aangebracht. Het betreft het mechanisme voor het maken van de bougievonk. Daarvoor heb ik een piezo element gebruikt dat ik gesloopt heb uit een (Tefal)aansteker voor gastoestellen. Een duwstang die tegen een nokschijf op de krukas loopt neemt hier de rol over van de hand waarmee normaal de gasaansteker bediend wordt. Een compact systeem zonder accu, bobine, condensator en onderbreekcontact. Het levert een prima vonk op, waarvan het tijdstip binnen de viertaktcyclus kan worden gekozen door het verdraaien van de nokschijf op de centrale nokkenas. Voor een dergelijke piezo-ontsteking trof ik hier en daar wel wat gerede twijfel aan bij sommige modelbouwers van dit soort viertaktmotoren. Ik heb de gok toch maar gewaagd en uiteindelijk bleek het uitstekend te voldoen, althans in dit geval.Voor het daadwerkelijk bouwen had ik ca 80 netto manuren nodig, geleid door het goede en complete tekeningpakket en de uitvoerige beschrijvingen op de website van Kees Goverde. Ik was toen dus klaar om de eerste startpogingen te ondernemen. Maar het duurde meer dan een week voordat de eerste ontploffing zich in de cilinder voordeed! Dat had echter meer te maken met mijn onbekendheid met deze materie dan met de kwaliteit van het ontwerp. Ik moest de parameters nog ontdekken die van belang zijn om de motor in beweging te krijgen. Vervolgens is het dan ook nog zaak om al die parameters dicht in de buurt van hun individueel optimum te krijgen. Een beetje het verhaal van de kip en het ei, want als er ook maar één parameter verkeerd staat komt er geen beweging in de motor en is het dus ook niet mogelijk om de gevoeligheid van de andere parameters te onderkennen, laat staan om die optimaal af te stellen. Maar met wat ondersteuning van Kees Goverde lukte het me eindelijk om de eerste omwentelingen te realiseren. Ook heb ik dankbaar gebruik gemaakt van enkele tips van Martin Alewijn, die onlangs een reeks artikelen heeft geschreven in het NVM maandblad "De Modelbouwer" over zijn rijke ervaringen met viertakt motoren.
Maar met deze eerste omwentelingen waren mijn doelstellingen echter nog verre van bereikt. De motor liep steeds niet veel langer dan 5 á 10 tellen terwijl het hele systeem daarbij ernstig in onbalans geraakte. Zo erg dat ik de motor aan de werkbank moest vastklemmen om te voorkomen dat hij eraf vloog. Erger was nog dat daardoor dusdanig grote krachten uitgeoefend werden op het gehele stangenstelsel dat er op diverse draaipunten spelingen werden ingeslagen. Verschillende bevestigingen trilden voortdurend los of braken zelfs af en ik had de grootste moeite om het vliegwiel op zijn plaats te houden. Ik stond werkelijk verbaasd over zoveel geweld van een dergelijk klein motortje!
Mijn doelstelling was echter een motor te realiseren die iedere keer 100% betrouwbaar opstart met enkele handmatige zetten aan het vliegwiel, rustig loopt met een relatief laag toerental en dit gewoon blijft doen "met mijn handen op de rug". Ik was niet uit op een groot vermogen maar wel op een fraai ogend model dat vriendelijk staat te snorren en dat geen geheimen meer voor mij heeft. Ik voel mijzelf graag de baas over de motor i.pl.v. andersom.Het "temmen" van de motor
Na deze eerste en gewelddadige omwentelingen ging ik dus een traject in van speurwerk en aanpassingen met vallen en opstaan, dit alles met het oogmerk om de machine te temmen. Dit heeft mij echter een veelvoud aan uren gekost ten opzichte van het primaire bouwen! Maar de uitdaging was groot en het heeft mij veel kennis opgeleverd, die mij nu in staat stelt de motor iedere keer opnieuw en vlot op te starten en betrouwbaar vriendelijk te laten lopen.Mijn eerste opgave was om het dynamische gedrag van de motor drastisch te verbeteren. Ik zag daarvoor in eerste instantie twee mogelijkheden:
1. Het mechanisch uitbalanceren
Enkele deskundigen op het gebied van verbrandingsmotoren hadden mij inmiddels al gewaarschuwd dat het uitbalanceren van een één cilinder verbrandingsmotor eigenlijk niet, of maar zeer ten dele, mogelijk was. Desondanks heb ik toch enkele pogingen ondernomen, o.a. door het aanbrengen van verstelbare contragewichten in het vliegwiel. Maar het is me niet gelukt om op die manier merkbare verbeteringen tot stand te brengen.
2. Het verlagen van het toerental.
Verlagen van het toerental gebeurt doorgaans door het knijpen van de luchtinlaat van de carburateur en daarmee de cilndervulling. Dat lukte in eerste instantie niet omdat bij dat knijpen de motor instabiel werd en meestal stil viel. Begrijpelijk omdat de kinetische energie in het vliegwiel recht evenredig afneemt met het toerental. Omdat het vliegwiel bovendien van aluminium was en ook nog aan de kleine kant kon de motor daarmee niet door de arbeidsloze slagen van de viertact cyclus geholpen worden. Ik heb dus een aanzienlijk groter vliegwiel gemaakt. Omdat mij zwaarder materiaal ontbrak voor deze afmetingen heb ik het weer van aluminium gemaakt. Maar de kinetische energie van een vliegwiel stijgt kwadratisch met de diameter, zodat het mij toch lukte om met dit groter vliegwiel de motor beter aan de praat te houden bij lagere toerentallen.
Maar tevreden was ik nog allesbehalve: Het opstarten was nog steeds niet betrouwbaar en ik moest een tamelijk rijk mengsel toepassen om de motor continu te laten draaien. Dat had onvolledige verbranding tot gevolg en daarmee snelle roetvorming op de bougie. Verder bleef het toerental toch nog relatief hoog waardoor het dynamisch gedrag van deze motor door nogal veel asymmetrie in het stangenstelsel onacceptabel bleef, naar mijn oordeel althans.
Het ontwerp van de motor was gebaseerd op een zelf aanzuigend systeem voor het verbrandingsmengsel. De inlaatklep was daarom alleen afgeveerd en werd zodoende niet positief en ook niet instelbaar aangestuurd, zoals dat wel het geval was voor de uitlaatklep met behulp van een klepstoter. De veerspanning voor de inlaatklep is in zo'n geval tamelijk kritisch: een te straffe veer verhindert het openen van de klep, met een te slappe veer sluit de klep niet goed of gaat zweven. Dit bracht mij ertoe om nog een derde mogelijkheid voor het "temmen" aan te pakken.
3. Het aanbrengen van een extra systeem met nokrol, klepstoter en tuimelaar voor de inlaatklep.
Ik kon hiervoor een kopie maken van het systeem waarmee de uitlaatklep bediend wordt. Er was daarvoor gelukkig nog juist genoeg ruimte overgebleven in de constructie. Deze aanpassing heeft veel bijgedragen aan het bereiken van mijn doelstelling. Met het variëren van de inlaattijd en het moment van openen en sluiten van de inlaatklep t.o.v. de bewegingen van de uitlaatklep werd het mogelijk een instelling te realiseren waarbij de motor 100% betrouwbaar opstart met enkele handmatige zetten aan het vliegwiel. Verder werd het gedrag van de motor nog aanzienlijk stabieler bij lage toerentallen en kon ik met een armer mengsel volstaan, waardoor de roetvorming op de bougie ook nog behoorlijk verminderde.
Overige globale aanpassingen
Bovengenoemde wijzigingen hebben weliswaar geleid tot een betrouwbare en goed lopende viertakt motor maar deze Atkinson blijft toch een ietwat onstuimig gedrag vertonen. Vermoedelijk dragen asymmetriën in het (overigens fascinerende) stangenstelsel bij tot een moeilijk tembaar krachtenspel op het gehele systeem.
Om die reden heb ik een aantal draaipunten fors moeten verzwaren en/of van kogellagers moeten voorzien. Deze maatregelen hebben het dynamisch gedrag verder verbeterd tot een meer dan acceptabel niveau en hebben ook hinderlijke bijgeluiden tot een minimum beperkt.Voor zowel de cilinder als de zuiger heb ik perlytisch gietijzer toegepast. Ik ben erg gecharmeerd van deze combinatie omdat dit materiaal nauwelijks uitzet, waardoor de zuiger zuiver passend kan worden gemaakt zonder dat die gaat vastlopen bij temperatuurverhoging. Ik heb één zuigerveer toegepast, hoewel ik gemerkt heb dat de motor ook goed loopt zonder die zuigerveer! De eerlijkheid gebied mij te zeggen dat ik het cilindergat bij voorbaat heb laten honen door een bevriende relatie, waarmee niet gezegd is dat dit absoluut noodzakelijk is voor een goed resultaat. Voorts is perlytisch gietijzer enigszins zelfsmerend door het hoge koolstofgehalte, waardoor het ook niet nodig om olie toe te voegen aan de benzine.
Een laatste aanpassing betreft de carburateur. Ik heb daarin een stukje van een heel dunne injectienaald aangebracht tussen de opening van de regelnaald voor de benzine en het centrum van de venturi in de gasschuif. Ik heb gemerkt dat dit het regelen van het toerental wat minder kritisch maakte en dat ook de roetvorming weer wat minder werd. Vermoedelijk zorgt de dunne naald voor kleinere benzine druppeltjes, die beter vernevelen in de luchtstroom. Ook heb ik nog twee rubber O-ringen aangebracht in de carburateur om valse lekken van benzine en/of lucht uit te sluiten.
Over het functioneren van de carburateur bleef ik uiteindelijk toch wat ongelukkig. Toen ik daarmee dezelfde ervaringen opdeed bij mijn later gemaakte Otto motor besloot ik een caburateur te ontwerpen en te maken die aanzienlijk beter presteerde; zie de pagina over deze unieke "Benzineschuim Carburateur"Het resultaat
Uiteindelijk heb ik bereikt wat mij voor ogen stond:1. Betrouwbaar opstarten na 1 tot maximaal 3 handmatige zetten aan het vliegwiel;
2. Het terug kunnen regelen naar een relatief laag toerental van ca 300 omw./minuut ;
3. Rustig lopen met dit lage toerental, waardoor de machine op nu zijn plaats blijft en het stangenstelsel niet overbelast wordt;
4. Continu lopen "met mijn handen op de rug". Wel met tamelijk fors, maar niet onplezierig geluid;
5. Een zeer eenvoudig, compact en goed werkend ontstekingsmechanisme met een piezo-kristal;
6. Best fraaie machine, want het oog wil immers ook wat.Er zijn wel enkele beperkingen:
1. Omdat er geen geforceerde koeling is laat ik de motor niet veel langer lopen dan 5 á 15 minuten, hetgeen ik overigens geen bezwaar vind.
De cilindertemperatuur valt eigenlijk reuze mee: ca 110ºC. De motor zal dus vermoedelijk wel langer kunnen lopen zonder geforceerde koeling. Voor het geforceerd koelen met lucht zou ik bovendien de cilinder geheel moeten ommantelen om de lucht goed langs de cilinderwand te laten stromen. Ik denk dat dit afbreuk doet aan het uiterlijk van de machine. En als ik moet kiezen tussen een lange looptijd en het huidige uiterlijk kies ik voorlopig voor het laatste.
2. Het toerental van de motor kan weliswaar opgevoerd worden tot ca 800 omwentelingen per minuut of zelfs meer, maar het dynamisch gedrag wordt dan dusdanig beroerd dat de machine tamelijk ruig over de tafel gaat raggen en dat ik ga vrezen voor uiteindelijke schade aan het stangenstelsel. De motor hoeft voor mij geen hoog toerental te hebben. Ik zie liever een rustig en vriendelijk pruttelend motortje. Ik hoef er immers geen koe mee uit de sloot te trekken en verder is het natuurlijk een kwestie van smaak.
Enkele technische specificaties
Globale afmetingen: lxbxh= 350x200x250mm;
Cilinder: boring 24mm, lengte 61mm, perlytisch gietijzer;
Zuiger: diameter 24mm, lengte 28mm, perlytisch gietijzer;
Zuigerslagen: inlaat ca 26mm, compressie ca 21mm, arbeid ca 29mm, uitlaat ca 34mm
De verschillen in zuigerslagen zijn typisch voor de Atkinson motor.
Vliegwiel: diameter 155m, breedte 20mm, aluminium of (bij voorkeur) staal;
Toerental: regelbaar tussen ca 300 en 800 omwentelingen per minuut;
Brandstof: autobenzine Euro 95 of 98.
Piezo element: niet te klein kristal kiezen; b.v. uit (Tefal) aansteker voor gastoestellen.Tekeningpakket
Omdat ik geen eigenaar ben van het originele tekeningpakket voel ik mij niet gerechtigd dit vrij beschikbaar te stellen via mijn website. Ik moet hiervoor verwijzen naar de heer Kees Goverde die o.a. benaderd kan worden via zijn website.
Van de wijziging die ik heb aangebracht heb ik slechts enkele werkschetsen die voor derden eigenlijk niet bruikbaar zijn. Maar voor een enigzins geroutineerde modelbouwer zullen bovenstaande beschrijvingen wellicht voldoende zijn. Overigens ben ik altijd bereid tot nadere informatie hierover.
Voor de goede orde: de motor volgens de originele tekeningen loopt natuurlijk ook. De wijzigingen die ik heb aangebracht hadden enkel tot doel het motorgedrag danig te temmen, hetgeen overigens wel aardig gelukt is naar mijn bescheiden oordeel.Publicatie
Over deze motor is een artikel verschenen in het NVM Maandblad "De Modelbouwers" 2006 nr 7.
Video van het herontwerp
Mooie replica gemaakt door TJ Willis:
