De expansie uitlaat

 
 
 
TECHNIEK VAN TOEN
 
De expansie uitlaat
 
Er is in deze artikelenreeks tot op heden weinig tot geen aandacht geschonken
aan de werking van de uitlaat in het tweetaktproces.
Het wordt dus hoog tijd de basisprincipes uit de doeken te doen.
Als opfrisser eerst nog even de basiswerking van de tweetaktmotor. 
 
 
 
Hoe werkt het?
De ronddraaiende beweging die we zo graag willen om vooruit te komen
wordt keurig geregeld door het kruk/drijfstangmechanisme 
(al eeuwen bekend van pompen en  stoommachines).
Tijdens de opwaartse bewe­ging (slag) van de zuiger wordt een brandbaar mengsel samenge­perst.
Vlak voor het B.D.P (bovenste dode punt) van de zuiger wordt het mengsel
door de bougie ontstoken en ontstaat de aandrijfkracht.
Dit proces ontstaat even veelvuldig als het motortoerental,
dus als we stevig doorrijden (en dat doen we) wel 4500 keer per minuut !
In tegenstelling tot de welbekende viertaktmotor verloopt het gehele ar­beidsproces
(inlaat, compressie, arbeid en uitlaat) in slechts één omwenteling!
­Hoe kan dit? 
De ruimte onder de zuiger (carter) doet géén dienst als oliereservoir maar als spoelpomp,
waardoor de zuiger een “dubbele” werking krijgt.
Hierdoor moet het carter lucht- en gasdicht zijn afgesloten.
Ook de ruimte in het carter moet zo klein mogelijk zijn.
 
Inlaatpoort (figuur 1):
 Deze wordt door de onderkant van de zuiger geopend tijdens het laatste gedeelte van de opwaartse slag ,
er ontstaat namelijk zuiging in het carter door ruimtevergroting.
Hierdoor wordt mengsel uit de carburator naar binnen gezogen
terwijl de bovenzijde  van de zuiger tegelij­kertijd bezig is met de compressieperiode.
Tijdens de arbeids­slag  (figuur 2) wordt de inlaat door de dalende zuiger gesloten;
door ruimteverkleining vanwege de neer­waartse zuigerbeweging zou immers
vers mengsel naar de carburator worden teruggeblazen!
 
Uitlaatpoort (figuur 2):
 Aan het eind van de arbeidsslag opent de zuiger de uitlaatpoort,
door hun restdruk verdwijnen de uitlaatgassen gemakkelijk.
De spoelpoort opent vervolgens net iets later en vers mengsel “spoelt”de cilinder schoon.
In de cilinder is de bovenzijde van de uitlaatpoort
dus altijd iets hoger geplaatst dan de bovenzijde van de spoelpoort.
De spoelpoort wordt door de bovenkant van de zuiger bediend
tijdens de neerwaartse slag en laat het mengsel vlak na het begin van de uitlaatperiode
vanuit het carter in de cilinder stromen.
Dit overstromen lukt overigens aardig omdat het mengsel al is voor gecompri­meerd
door de cartercompressie.
 
Compressieperiode (figuur 3 en 4):
 tijdens de compressieperiode sluiten resp. de spoel- en uitlaat­poort
kort na elkaar zodat compressie wordt opge­bouwd.
­Vervolgens opent de onderkant van de zuiger wederom de inlaatpoort
en zijn we weer terug bij het begin van het proces! 
Uitlaatdilemma
Uit dit principe blijkt dat de werking van de uitlaat van cruciaal belang is
voor de goede werking van de tweetakt motor.
Wat is nu het dilemma?
Enerzijds willen we alle uitlaatgassen snel verwijderen
om via de spoelpoorten zoveel mogelijk vers mengsel in de cilinder te krijgen.
Anderzijds mag er in dit proces geen vers mengsel verloren gaan.
Een ruime uitlaat met weinig  weerstand lijkt dan in eerste instantie prima.
Nadeel hiervan is echter dat veel vers mengsel door het oude gas “meegetrokken” wordt de uitlaat in.
Een standaard uitlaat is altijd een compromis en geeft dus niet het optimale resultaat.
Dit is voor een gewone bromfiets eigenlijk wel prima.
 
Wat gebeurt er eigenlijk tijdens de uitlaatperiode?
Als de zuiger op 2/3 van de arbeidsslag de uitlaatpoort opent  ontsnapt het uitlaatgas met hoge druk
en temperatuur in de uitlaatpijp en comprimeert de daar aanwezige lucht.
Deze drukgolf stroomt naar het uiteinde van de uitlaat waar het gas kan ontsnappen.
Door deze ontsnapping ontstaat een reflecterende onderdrukgolf
die vanaf het uitlaatuiteinde met de geluidssnelheid terugkeert naar de uitlaatpoort.
Denk hierbij aan de cirkelvormige golven(druk) en dalen(onderdruk)
die in het water ontstaan als je een steentje in het water gooit.
Deze zuigimpuls is natuurlijk prima om tijdens de spoelperiode extra vulling te verkrijgen.
Het probleem bij een rechte uitlaat is dat er maar één toerengebied is
waarbij deze zuigimpuls op tijd terug is bij de uitlaatpoort .
Dit moet de periode zijn dat de spoeling nog bezig is.
Hierdoor heeft de motor een beperkt voordeel in trekkracht en vermogen.
Veel beter is een pijp die geleidelijk wijder wordt waardoor op verschillende momenten
steeds kleine onderdrukgolfjes terug lopen naar de uitlaatpoort
en dus ook steeds een andere afstand afleggen.
Hierdoor komen ze ook op verschillende momenten aan bij de uitlaatpoort.
Het zuigeffect wordt minder heftig maar wel uitgesmeerd over een breder toerengebied.
 
 
  
 
 Walter Kaaden
En nu komt een uitvinding uit 1959 van de Oostduitser Walter Caaden in beeld!
Zijn uitvinding  kennen we als de “expansiepijp”.
Hierdoor kan het vermogen tot wel 50% stijgen!
Deze pijp bestaat uit zeven segmenten.
Als eerste de voorbocht (L3),
 vervolgens de diffusor (L4),
 het cilindrisch gedeelte  (L5)
 , de convergerende conus  (L6)
 en de eindpijp (L7).
 
Het eerste gedeelte (L1 t/m L4) is nu duidelijk.
Dit zuigeffect geeft dus een veel beter spoeling
maar je moet natuurlijk niet het kind met het badwater weggooien!
Een te sterke zuiging zal namelijk ook vers mengsel de uitlaat intrekken!
Dit dilemma wordt opgelost door het uitlaatgas weerstand te geven in het tweede gedeelte van de pijp vanaf  L6.
Door de steeds kleiner worden ruimte worden in deze reflector worden
(ook nu weer over een breed toerengebied)
overdrukgolfjes teruggestuurd naar de uitlaatpoort
die door de van rechts naar links nauwer wordende expansiepijp ook nog eens sterker worden!
Het wellicht al ontsnapte verse mengsel wordt door deze golfjes weer teruggedrukt in de cilinder!
 Enerzijds wordt er nu prima gespoeld en anderzijds ontstaat er een zeer gering mengselverlies.
Het lijkt te mooi om waar te zijn…. en dat is ook zo.
Alles hangt namelijk af van een perfecte timing en in welk toerengebied
de maximale werking van dit systeem gewenst is.
Deze timing hangt weer af van de snelheid van de drukgolven
en die hangt weer af van de druk en de temperatuur van de gassen.
Al met al heel veel variabele factoren die op de testbank tot uiting komen.
Natuurlijk zijn de basisafmetingen van de uitlaat via formules te berekenen
maar het echte “fine tunen” is het geheim van de smid!
Hiernaast het verschil tussen een expansie uitlaat en een gewone uitlaat.
Hieronder het proces zoals beschreven. (plaatjes van Arno Koch).
 
    
Fig. 1: Uitlaatgas stroomt in de voorbocht.
 
 
 
 
 
Fig. 2: Door de diffusor ontstaat een zuigimpuls.
 
 
  
 
 
Fig. 3: De zuigimpuls trekt vers mengsel naar binnen.
 
 
 
 
 
 
Fig. 4: Een drukgolf die door de reflector wordt veroorzaakt keert terug naar de uitlaatpoort.
 
 
 
 
 
 
Fig. 5: De drukgolf drukt het reeds ontsnapte inlaatmengsel terug in de cilinder waardoor de grote winst ontstaat!

 

 

 

 

Geert Smid