-------------------------------------------------------------------
Verbeterde uitvoering (Maart 2011).
Vooral omdat het oorspronkelijk ontwerp last had van ernstige vervuiling door roestaanslag in de cilinder heb ik in maart 2011 het ontwerp gewijzigd. De belangrijkste wijzigingen zijn:
- Cilinder van roestvrij staal i.pl.v. perlietisch gietijzer;
- Zuiger en interne schuif van grafiet i.pl.v. perlietisch gietijzer;
- Diameter cilinderboring, zuiger en schuif vergroot van 18mm naar 22mm.
- Een wat verder vereenvoudigde mechanische constructie.
Het wegblijven van roestvorming samen met de zelfsmerende eigenschappen van het grafiet zorgen er nu voor dat de motor betrouwbaar blijft lopen zonder noemenswaardig onderhoud. Door het vergroten van de cilinderinhoud is het vermogen wat groter geworden hetgeen ook bijdraagt aan een minder kritisch gedrag.
Het aantal onderdelen is wat verminderd en sommigen zijn eenduidiger geworden zoals de mee-nemer van de schuif en de aanslag waar de zuiger tegen aan loopt. Het volstaat nu om die aanslag (eenmalig) op de de juiste plaats op de stoter vast te zetten met een minimale speling tussen deze aanslag en de zuiger als die in zijn achterste positie staat.
Het CAD tekeningpakket is conform deze wijzigingen aangepast per 17 maart 2011 en is beschikbaar voor iedere geinteresseerde; klik hier voor een aanvraag.
-------------------------------------------------------------------
Het
idee
Het principe van een vlamhapper is feitelijk uiterst
simpel ( zie de pagina:
principewerking van de vlamhapper ). De constructie van de uitwendige schuif
die de opening in de cilinder cyclisch moet vrijgeven en weer afsluiten is echter
naar verhouding tamelijk complex. Maar vooral het afstellen ervan is mij erg kritisch
gebleken. Kleine afwijkingen leiden daarbij gemakkelijk tot een slecht of niet
lopende motor.
Dit
bracht mij op het idee om de cilinderopening niet uitwendig maar inwendig af te
sluiten en wel met een tweede zuiger die met een kleine slag het gat in de cilinder
vrijgeeft, respectievelijk sluit. Deze constructie maakt het tevens mogelijk om
deze inwendige schuif rechtstreeks door de werkzuiger te laten aandrijven op een
uiterst simpele manier.
Het
principe
Als de werkzuiger in de meest rechtse positie is aangekomen heeft die de inwendige
schuif over het cilindergat geduwd via het stotertje dat in de cilinderwand op
en neer kan bewegen. Op dat moment is het hete gas dus in de cilinder opgesloten
en begint af te koelen. Daardoor ontstaat er een onderdruk in de cilinder, waardoor
de werkzuiger naar links wordt gedrukt door de buitenlucht (witte pijlen in de
animatie). Dit levert in feite de arbeid voor de motor op. Deze onderdruk werkt
ook op in de inwendige schuif, waardoor die in de rechter positie blijft staan,
zodat het gat in de cilinder afgesloten blijft. Als de werkzuiger naar links beweegt
wordt het gas weer samengedrukt. Vanaf het moment dat de druk in de cilinder weer
gelijk wordt aan die van de buitenlucht wordt de schuif automatisch open gedrukt
als de zuiger zich verder naar links beweegt door het vliegwieleffect. Als je
goed oplet is dit effect op de animatie te zien. De schuif werkt zodoende tevens
als overdruk ventiel, waardoor er nooit overdruk in de cilinder kan ontstaan, die de motor
zou afremmen. Een klein nokje op de werkzuiger drukt de schuif even daarna mechanisch
verder open naar de meest linkse positie. Daardoor wordt de opening in de cilinder
geheel vrijgegeven, zodat de hete vlamgassen weer vrij baan krijgen om naar binnen
gezogen te worden als de werkzuiger zich weer naar rechts beweegt door het viegwiel
effect. Als de werkzuiger weer rechts is aangekomen herhaalt de cyclus zich.
Voordelen
Dit ontwerp heeft een aantal
belangrijke voordelen t.o.v. de gangbare constructie met de uitwendige schuif:
1.Het tamelijk precaire mechanisme om een uitwendige schuif te bedienen met nokrol,
tuimelaar, meenemer en aandrukveer vervalt geheel en daarmee ook het kritisch
afstellen van de nokschijf, de veerdruk op de nokrol en de schuif en de timing;
2.De afdichting
van de inwendige schuif is eenvoudig een kwestie van een goede passing maken in
de cilinder. Die is dan eenduidig en kan niet meer varieren omdat er verder niets
aan in te stellen is;
3. Er kan nooit een remmende overdruk in de cilinder
ontstaan omdat de schuif bij de geringste overdruk het gat in de cilinder automatisch
vrijgeeft. Het ontstaan van een tijdelijke overdruk bij de vlamhapper met uitwendige
schuif is een van de oorzaken van het moeilijk afstellen van die uitwendige schuif;
4. De wrijving van de inwendige schuif is aanzienlijk minder dan het complete
systeem voor een uitwendige schuif, waarbij meestal ook nog enige veerdruk overwonnen
moet worden;
5. De inwendige schuif wordt minder warm dan de uitwendige schuif,
die rechtstreeks door de vlam wordt aangestraald, evenals de aandrukveer;
6. De instelling van de parameters om de motor goed te laten lopen zijn impliciet,
d.w.z. dat er helemaal niets meer valt in te stellen, waardoor er ook niets meer
kan verlopen. De motor is zodoende 100% betrouwbaar geworden onder alle omstandigheden;
7. Vanwege de symmetrie draait de motor evengoed rechtsom als linksom. Niet echt
een voordeel misschien, maar toch;
8. Het ontwerp is uitermate simpel en robuust
met een minimum aan onderdelen die stuk voor stuk eenvoudig te maken zijn. Een
aardig model voor een niet al te ervaren modelbouwer; anders gezegd: "een
kind doet de was".
Motor
prestaties
- Het motortje start
100% betrouwbaar op ca 1 minuut nadat de brander is aangestoken. In die
eerste minuut condenseert er wat water van de vlamgassen tegen de koude cilinder,
waardoor de motor even niet wil lopen. Deze condens verdwijnt in die eerste minuut
waarbij het vliegwiel enkele malen moet worden rondgedraaid.
- Deze vlamhapper
heeft geen voorkeur voor draairichting. Dit is een direct gevolg van het feit
dat de nokschijf voor de schuif, die in de classieke uitvoering asymetrie vertoont
in het bewegingsdiagram, hier ontbreekt.
- Goed afgesteld bedraagt de omwentelingssnelheid
200 tot 500 toeren per minuut als alles in goede conditie is.
Tenslotte
Door de extreme eenvoud oogt deze vlamhapper wellicht niet zo spectaculair
voor een argeloze toeschouwer. Maar ik veronderstel dat dit unieke ontwerp zeker
gewaardeerd zal worden door menig collega in het kleine wereldje van vlamhapper
bouwers.
Publicatie
Over
deze vlamhapper is een artikel verschenen in het NVM Maandblad "De Modelbouwer" 2007/ nr.2
Probleem
analyse & oplossingen
Ik
ben een paar keer benaderd door modelbouwers die dit motortje in eerste instantie
toch niet (of niet goed) aan de praat kregen of hielden. Soms zit er een funest
foutje in een klein hoekje. Hieronder een soort standaard checklist om een of
meer van die foutjes op te sporen en die te elimineren. Volg deze checklist systematisch
in de aangegeven volgorde. De opgegeven waardes zijn gerelateerd aan mijn exemplaar
dat zeer goed loopt met (max) 500 toeren per minuut:
1.
Het motortje moet licht lopen
Men moet zich realiseren dat het vermogen
van vlamhappers relatief laag is. De dynamische onderdruk die in de cilinder ontstaat
tijdens het afkoelen van de ingezogen vlamgassen bedraagt slechts enkele tienden
van een atmosfeer. Dit betekent dat de mechanische wrijvingen zo laag mogelijk
moeten worden gemaakt. Daar komt nog bij dat bij een 1-cilinder de motor arbeidsloos
is tijdens de aanzuigslag zodat gedurende die slag het motortje aan de gang gehouden
moet worden door de opgeslagen energie in het vliegwiel.
Testen
met koude motor, zonder vlam en absoluut géén olie tussen
zuiger en cilinderwand:
- Geef
het vliegwiel een ferme zet met de hand;
- Het geheel losgekoppelde vliegwiel
moet dan 1,5 tot 2 minuten blijven doorlopen;
- Met alléén de
zuiger eraan gekoppeld moet het vliegwiel minstens 15 seconden doorlopen;
- Met de zuiger, de schuif en de stoter eraan gekoppeld moet het vliegwiel 8 á 10seconden doorlopen.
Zie ook het laatste gedeelte van de video rechts bovenaan de pagina met de demo beelden.
Als
dit sterk afwijkt in negatieve zin is er dus ergens te veel wrijving. Mogelijke
oorzaken zijn:
- Vervuild oppervlak van de zuiger, de schuif en cilinderboring. Zo'n vervuiling kan bv. optreden als het motortje
tevoren op spiritus gelopen heeft en daarna is afgekoeld.
Maak de zuiger, de schuif en het inwendige
van de cilinder dan goed schoon met een pluisvrij doekje met een beetje oplosmiddel
zoals terpentine of, bij voorkeur, WD40. Wrijf het goed na met een droog doekje
en doe de looptest opnieuw.
- De passing van de zuiger en/of de schuif is
te nauw. Polijst de zuiger en/of de schuif met zeer fijn polijst linnen.
- De stoter
wringt. De mee-nemer van de schuif moet ietwat vrije speling hebben in de sleuf van het asje dat in de schuif is geschroefd.
2.
De afdichting van de zuiger en de schuif
De zuiger moet enerzijds
licht in de cilinder lopen, maar anderzijds daarin ook bijna luchtdicht afsluiten
en dat zonder olie.
Het
boring in de cilinder moet daarom zuiver cilindrisch en glad zijn. De diameterverschillen
over de lengte van het gat mogen niet meer zijn dan ca 0,02mm. Dit is tamelijk
eenvoudig te bereiken door het cilindergat handmatig en met ruim olie op te ruimen
met een verstelbare ruimer waarbij met een zelfde ruimer instelling de cilinder
enkele omgedraaid wordt totdat de ruimer er vlot doorheen gaat.. De ruimer daarna
steeds een fractie groter instellen en deze behandelingen herhalen totdat er nauwelijks
nog diameterverschillen meetbaar zijn. Deze methode doet weinig onder voor honen,
hoewel dat wellicht de beste methode is als men tenminste de beschikking
heeft over hoon gereedschap.
De speling van de zuiger en de schuif in de cilinder boring mag niet meer zijn dan ca 0,03mm. Daarom
eerst het cilindergat maken zoals boven beschreven en dan de zuiger en schuif
ook mooi cilindrisch en glad draaien totdat die zuiver in de cilinder passen.
Controleer
de goede afdichting van de zuiger en van de schuif in de cilinder als volgt met
koude motor en zonder vlam:
- Zet de zuiger in de meest rechtse positie;
- Druk ook de schuif in de meest rechtse positie waarbij de cilinderopening wordt
afgesloten;
- Beweeg de zuiger langzaam naar links door aan het vliegwiel
te draaien. Door de overdruk die dan meteen in de cilinder ontstaat wordt
de schuif ook meteen iets naar links geduwd en wel zover dat het cilindergat net vrijkomt,
hetgeen te zien is aan een een klein spleetje rechts van de schuif. Als de zuiger
verder naar links wordt bewogen beweegt de schuif niet meer (zolang de nok op de zuiger de schuif niet raakt) omdat er dan geen overdruk
meer kan worden gemaakt als gevolg van de kleine opening in het vlamgat.
- Als de
schuif in het geheel niet naar links wordt gedrukt is er dus geen overdruk gemaakt.
Er is dan een te groot lek langs de zuiger en de cilinderwand en/of langs de schuif
en de cilinderwand. Er is dan maar één remedie: een nieuwe zuiger
en/of schuif maken met goede passing in de cilinder.
3.
De materialen voor cilinder, zuiger en schuif
Aanvankelijk gebruikte ik perlietisch gietijzer (GG25) voor zowel de cilinder als de zuiger en de schuif. Dat werkte wel goed, maar het gietijzer is echter roestgevoelig vooral met de hete en vochtige vlamgassen die voortdurend naar binnen worden gezogen. Deze roest zorgde samen met vlamgas residuen voortdurend voor vervuiling waardoor er regelmatig te grote wrijvingen ontstonden zodat de cilinder, zuiger en schuif regelmatig moesten worden gereinigd. Recent (maart 2011) heb ik de cilinder van roestvrij staal gemaakt en de zuiger en schuif van grafiet zoals sommige modelbouwers ook deden met kennelijk succes. Er treedt geen roestvorming meer op en grafiet heeft goede zelfsmerende eigenschappen. Smeren met olie is namelijk uit den boze omdat de olie verbrand en dan resten achter laat die fatale wrijvingen opleveren.
Ik sluit niet uit dat een roestvrije stalen zuiger en schuif
in een roestvrij stalen cilinder vergelijkbare resultaten oplevert, maar grafiet heeft m.i. toch de voorkeur vanwege de zelfsmerende eigenschappen.
De zuiger
en de schuif dus nooit smeren met welke dunne olie dan ook!
Dit werkt echt averechts en is ook absoluut niet nodig.
4. De afstelling van de stoter
-
De aanslag aan de achterzijde moet zodanig op de stoter worden vastgezet dat in de uiterst rechtse positie van de zuiger er slechts enkele tienden van een millimeter speling blijft tussen deze aanslag en de zuiger. Als alles gemaakt is volgens de tekeningen zal dat de schuif dan het vlamgat geheel afdekken met een overlap van ca 1mm.
- Als de zuiger langzaam in zijn uiterste linker positie wordt gedraaid zal de schuif het vlamgat vrijwel geheel openen op ca 1mm na; als de motor loopt zal de schuif echter zover doorschieten dat het vlamgat geheel geopend wordt.
5.
De vlam afstelling
De
vamhapper kan aléén goed lopen als er er uitsluitend hete vlamgassen
naar binnen worden gezogen. Daar zijn alle vlamhappers uiterst gevoelig
voor !
Er moet
dus voorkomen worden dat behalve vlamgassen ook nog valse en koude buitenlucht
mee naar binnen wordt gezogen. Neem
daarom de volgende maatregelen:
- De vlam moet het cilindergat behoorlijk
ver overlappen; zie onderstaande schets.
- Ietwat merkwaardig maar erg belangrijk
is dat het hart van de vlam 5 á 6mm links staat t.o.v. het hart
van het cilindergat. Zeer waarschijnlijk is dit het gevolg van het feit dat de
vlamgassen onder een zekere hoek naar binnen worden gezogen.
- Een wapperende
vlam veroorzaakt ook aanzuigen van valse buitenlucht. Enige tocht kan heel snel
leiden tot slecht lopen of stoppen van de motor.
De
effecten van de positie van de vlam t.o.v. het gat in de cilinder zijn dramatisch
groot. Daarom heb ik een hele reeks experimenten gedaan om de optimale positie
in dit geval te bepalen. Onderstaande schets geeft daarvan de resultaten.
Opmerkelijk is dus ook dat de lont tegen het metaal
van de cilinder moet liggen (maat "0") en duidelijk ca 5mm links ligt
t.o.v. het gat in de cilinder. De vlam wordt hierdoor goed in de cilinder gezogen
en kennelijk zonder bijmenging van valse koude buitenlucht. Deze positie van de
vlam maakt de motor uiterst betrouwbaar met een maximale snelheid van 400 tot
500 omwentelingen per minuut.
De spiritusbrander moet dus in horizontale en
verticale richting zodanig worden opgesteld dat deze situatie ontstaat. Het kan zijn dat met een draaiende motor de positie van de lont nog wat verder geoptimaliserd kan worden door de lont met een pincet wat heen en weer te bewegen voor het vlamgat.
6.
Water condens
Als de lont wordt aangestoken zal er gedurende de eerste minuut wat condenswater tegen en in de koude cilinder ontstaan. Het is aan te bevelen om gedurende die tijd de motor stil te laten staan met de zuiger en de schuif in hun achterste positie. Door het opwarmen van de cilinder zal dan dit condenswater verdwijnen.
7.
De brandstof
De motor prestatie en de betrouwbaarheid bij het
opstarten kan behoorlijk worden verbeterd door het gebruik van pure alcohol (ethanol)
in plaats van spiritus. Ethanol heeft een grotere verbrandingswarmte en vervuilt
ook veel minder dan spiritus dat naast ethanol ook ca 10% water, 2% methanol en
een blauwe kleurstof bevat. Alcohol 96 tot 98% (gedenatureerde alcohol) is bij de drogist te verkrijgen danwel
te bestellen; ca 12 Euro per liter.
!!
Nooit 100% methanol gebruiken; het is gevaarlijk giftig !!
8.
Onderhoud
Ondanks het feit dat de cilinder nu van roestvrij staal is gemaakt en de zuiger en schuif van grafiet kan het toch nog wel voorkomen dat de oppervlakken ervan op den duur wat vervuilen. In dat geval de zuiger en schuif uitnemen en alles met een pluisvrij doekje, eventueel gedrenkt in wat oplosmiddel zoals WD40, schoonmaken en daarna alles nawrijven met een droog doekje.. Geen moeilijk karwei omdat
de zuiger en schuif zeer eenvoudig te demonteren en weer te monteren zijn.
Het lijkt een hele waslijst, maar het is allemaal heel goed haalbaar.
Als men hieraan voldoet loopt het motortje als een tierelier!