Verzameld en bewerkt door Arno Koch
De tweetact motor is op het eerste gezicht een eenvoudig systeem, maar inwendig spelen zich
ingewikkelde thermodynamisch processen af. Hierbij spelen zoveel facturen een rol, dat het
berekenen van een uitlaat nooit meer kan zijn dan een intelligente gok. De definitieve, optimale
afmetingen zullen in de praktijk door experimenten bepaald moeten worden.
t het eerste ontwerp zal de uiteindelijke uitlaat in de praktijk
proefondervindelijk verder ontwikkeld moeten worden.
1. Hoe expansieuitlaten werken.
Ik ga er van uit, dat iedereen de basisprincipes van de tweetact kent. Als je ook al weet hoe
expansieuitlaten werken, sla dan dit deel over en ga naar het gevorderden stuk.
De uitlaat is van groot belang voor de werking van de tweetact motor. De 2-takt steunt op druk
veranderingen in het uitlaatsysteem om lucht door de cilinder te zuigen – eerst de uitlaatgassen
uit de cilinder te zuigen en het verse mengsel erin, en dan een fractie later al het ontsnapte
brandstofmengsel terug te persen door de uitlaatpoort, net voor dat de zuiger deze sluit.
Een goed ontworpen expansieuitlaat geeft bij een tweetact minstens 50% vermogenswinst ten
opzichte van een gewone rechte pijp. Wat je aan de rest van de motor ook doet, de uitlaat maakt
of breekt het geheel en deze kan gebruikt worden om de karakteristiek van de motor tot in hoge
mate af te stemmen op het doel.
Er zijn een paar basisprincipes:
1.1. Golven en reflecties
Voordat we het pulsatieeffect bespreken, zullen we eerst nagaan wat hieronder verstaan wordt.
Iedereen heeft weleens een steen in het water gegooid. Om de plaats waar de steen in het water
is gekomen onstaan dan cirkels die steeds wijder worden, bekijken we een aantal van deze
cirkels in doorsnede, dan zien we een aantal golven. De golftoppen noemen we positief, de dalen
negatief.
Ook in de lucht bestaan dergelijke golven al kunnen we ze niet zien; de bekendste zijn
geluidsgolven. Dit zijn luchtverdichtingen en verdunningen, waarbij de verdichtingen (hogere
druk) positief zijn en de verdunningen (lagere druk) negatief.
We kunnen ons dit het beste als volgt voorstellen: hang een lange slappe veer aan een aantal
draadjes vrij op en tik nu een uiteinde in lengterichting aan. Een aantal windingen zal hierdoor
samengedrukt worden om direct daarna uit elkaar te veren, Hierdoor worden ernaast gelegen
windingen samengedrukt ook weer gevolgd door een ontspanning, enz. we zien dus verdichting
gevolgd door verdunning zich door de veer voortplanten.
Het afwisselend positief en negatief worden noemen we pulsatie-effect. De snelheid waarmee de
golven zich voortplanten noemen we de loopsnelheid: voor de golven in het uitlaatsysteem waar
het ons tenslotte om gaat is dit de geluidssnelheid.
Geluidsgolven zijn dus gewoon drukgolven, die door zich door de lucht voortplanten. De
voortplantingssnelheid is afhankelijke van de dichtheid en de temperatuur van het medium.(het
materiaal waar ze doorheen bewegen)
Nu hebben hebben deze golven nog een andere eigenschap; ze kunnen terugkaatsen. Dit is
afhankelijk van het medium waar de golven tegen aan botsen. Golven, die door een buis lopen
worden aan het uiteinde in dezelfde golfvorm teruggekaatst. Als het einde van de buis gesloten
is, is er een positieve terugkaatsing. Als het uiteinde van de buis open is, krijg je een negatieve
terugkaatsting en wordt de waarde van de drukgolf omgekeerd teruggekaatst. Iedere keer als de
pijp versmalt, wordt een deel van de golf als positief teruggekaatst en iedere keer als deze wijder
wordt een deel van de golf negatief terugekaatst.
Een voorbeeld ( kan je overslaan als je het al snapt):
Stel dat we een holle buis hebben en aan een kant maken we een 0,35 Bar (positieve) drukgolf
(pop!). Laten we zeggen dat de golf kort is, zo’n 2,25 mm lengte… Op kamertemperatuur zal de
golf door de buis lopen met een snelheid van ongeveer 335 m/s.
Als de ander kant van de buis afgesloten is met een vlakke dop, zal de golf deze raken en
terugkeren als een 0,35 Bar reflectiegolf, die ook 2,25 mm lang is. (pop!) Nu gaan we dat nog een
keer doen, maar aan het uiteinde halen we de vlakke dop weg en plaatsen we een conisch
eindstuk van 100 mm lengte. Dit nieuwe eindstuk loopt in een punt uit.
Weer laten we een 2,25 mm lange druk puls los in de buis (plop!). Deze loopt door de pijp en
raakt het begin van de conus…terwijl de pijp steeds kleiner wordt, wordt een langere maar
zwakkere + golf terug de pijp in gekaatst.. De terugkaatsing begint zodra de (plop!) het conische
deel raakt, waarbij de oorspronkelijke drukgolf nog verder de pijp in loopt, terwijl een gedeeltelijke
reflectie al terug aan het gaan is. Tegen de tijd dat onze (plop!) bij de punt van de conus is, loopt
er een 100 mm lange golf terug naar het begin van de pijp. ( dat is de halve lengte van onze
terugkerende golf)
Terug aan het begin van de buis, waar alles begonnen is, worden we begroet door een zwakke
ploooooooooooooop golf van ongeveer 200 mm lengte. Deze heeft alle energie van de
oorspronkelijke golf,maar deze is nu gespreid over de 200 mm lengte en is dus lager van
amplitude (druk).
De les is dus: We kunnen de amplitude (sterkte) van de teruggekaatste golf uitwisselen voor
tijdsduur; sterke en korte reflectie, of zwakkere, maar langer durende reflectie. Dit is het grote
compromis bij het ontwerpen van expansie uitlaten.
Terug naar de uitlaat
Een expansie uitlaat bestaat uit een paar basis elementen. De (voor-) bocht, die een kleine hoek
van zo’n 1,7° (3,4° tophoek) heeft, de diffusor (expansiedeel) met een hoek van zo’n 7° (14°
tophoek), het middenstuk met een gelijkblijvende diameter, de reflector (convergerende deel) die
ca. 12° (24° tophoek), de tailpijp en het dempergedeelte.
Dit is een nogal ruwe omschrijving, omdat uitlaatspecificaties afhankelijk van de gewenste
toepassing nogal kunnen verschillen.
1.2. De uitlaatcyclus
De uitlaat opent ca. 85° na het BDP. Op dat moment schiet een hogedrukgolf de voorbocht in.
Deze drukgolf loopt door de hoge druk en tempertuur in de uitlaatpijp met een gemiddelde
snelheid van zo’n 500 m/s
De drukgolf loopt door de pijp tot deze bij de diffusor komt, het eerste grote expansie gedeelte
van het uitlaatsysteem. Een gedeelte van de golfenergie wordt in negatieve vorm weer naar de
uitlaatpoort teruggekaatst, terwijl het grootste deel van de oorspronkelijke golf verder de pijp in
gaat.
De negatief gereflecteerde golf bereikt de uitlaatpoort, juist op tijd om een grote hoeveelheid vers
mengsel uit de spoelpoorten in de cilinder te zuigen. In feite kan deze zo veel mengsel trekken,
dat dit niet alleen de cilinder vult, maar het verse mengsel ook nog door de uitlaatpoort de
uitlaatpijp in trekt.( Al lijkt dit op het eerste gezicht verlies)
De oorspronkelijke golf is inmiddels in energie verminderd, maar loopt nog steeds verder de
uitlaat in. Deze bereikt de reflector (convergerende) conus en begint dan als een + golf terug te
lopen naar de uitlaatpoort. De reflectorhoek is meestal 2x zo groot als de diffusorhoek en geeft zo
een behoorlijk sterke, maar korte puls. Dit wordt wel de vulpuls genoemd, omdat juist als de
zuiger de uitlaatpoort gat sluiten en hierbij overtollig vers mengsel buitensluit, de vulpuls arriveert
en een flink deel hiervan terug de cilinder in perst.
Met een beetje geluk blijft de vulpuls aan totdat de uitlaatpoort gesloten is. Hierdoor krijgen we
veel meer mengsel in de cilinder, dan de motor uit zich zelf zou kunnen hebben verpompt. Het
uitlaatsysteem van een tweetact werkt hierbij als een turbo-compressor vanaf de uitlaatkant en dit
maakt het mogelijk, dat deze motoren zoveel vermogen geven.
1.3 Golf timing
Nu we weten hoe de uitlaat werkt, kunnen we wat exacter worden in wanneer al dit gezuig en
gepers plaats vindt.
Helaas komen nadat de uitlaatpoort opent de vacuum- en perspulsen bij de uitlaatpoort aan op
vaste tijdstippen. Dit betekent dat de timing bij bepaalde toerentallen goed en bij andere
toerentallen helemaal verkeerd is. Hierdoor wordt het nerveuze alles of niets karakter
veroorzaakt, dat velen van een tweetact motor kennen en verwachten.
Timing van de pulsen
De diffusor wekt een vacuumpuls op, die helpt om het mensel uit de spoelpoorten te zuigen.
Wanneer deze golf precies moet arriveren, hangt af van wat we er mee willen doen. Als de zuiger
naar beneden gaat, perst deze het verse mengsel uit het carter door de spoelpoorten omhoog.
Echter, na het ODP wil de omhooggaande zuiger een deel van het mengsel weer terug de
spoelpoorten inzuigen.
Het mengsel blijft alleen nog door zijn massatraagheid nog de cilinder instromen..., behalve dan
dat deze een handje geholpen kan worden als de vacuumpuls op tijd bij de uitlaatpoort aankomt.
De vacuumpuls kan een waarde bereiken van –0,5 Bar en kan hiermee het verse mengsel vanuit
het carter de cilinder in zuigen.
Een minder aggresieve diffusorconus zal een zwakkere maar langer durende vacuumpulsgeven,
die over een breder toerenbereik zal blijven werken. Bij lagere toerentallen arriveert de
vacuumpuls veel eerder dan het ODP en de hoeveelheid mengsel, dat via de spoelpoorten de
cilinder instroomt, zal minder zijn. Als het toerental nog lager is, zal er helemaal geen vacuum in
het ODP beschikbaar zijn. Als de uitlaatpijp in fase komt, is de vacuumpuls precies op tijd om het
brandstofmengsel voor en na het ODP aan te zuigen en helpen de cilinder te overvullen.
Als het toerental te veel toeneemt, zal de puls niet voor het ODP arriveren en als het toerental
hoog genoeg is, zullen de spoelpoorten al sluiten voordat het vacuum uitgewerkt is, waardoor
een deel van de puls verspild wordt.
In het ideale geval zal het verse mengsel de cilinder vullen en zelfs, als de cilinder helemaal
gevuld is, de uitlaat in stromen.
De vulpuls moet zo getimed worden, dat deze net aankomt voordat de uitlaatpoort sluit. Bij lagere
toerentallen komt deze puls te vroeg, voordat de cilinder helemaal gevuld is. Als het toerental nog
lager is, kunnen niet alleen de uitlaatgassen de cilinder ingeperst worden, maar kan ook het
verse mengsel weerhouden worden de spoelpoorten uit te stromen.
Als het toerental stijgt en de uitlaatpijp in fase met de motor komt, is de vulpuls precies op tijd om
het uit de cilinder ontstnapte verse mengsel terug te persen voordat de zuiger de uitlaatpoort sluit
en het vermogen stijgt gigantisch. Als het toerental verder toeneemt, sluit de zuiger de
uitlaatpoort voordat de de vulpuls er is en het turbocompressor effect is weg. Op dat moment valt
het vermogen scherp af.
De staande golf
In de uitlaatpijp kaatst de oorspronkelijke puls tegen de reflectorconus en loopt weer terug naar
de uitlaatpoort. Maar wat gebeurt er als deze weer in het diffusorgedeelte terugkomt? Voor een
puls, die weer terug de pijp inloopt, is de diffusor een vermindering in pijpdiameter….en zal dus
een deel van deze golf als een + golf teruggekaatst worden de pijp weer in. Deze golf komt weer
tegen de reflectorconus en gaat weer terug naar de uitlaatpoort, enzovoorts, enzovoorts. Het
resultaat is een serie van in sterkte verminderende golven, resonerend in het centrum van de
uitlaat. Dit heet de staande golf
De staande golf wordt iedere cyclus gevoed door een verse uitlaatpuls. Bij een bepaald toerental
is de staande golf synchroon met de uitlaatpuls van de motor en versterkt deze. Dit kan leiden tot
een nog hogere “super†piek in het motorkoppel. Bij andere toerentallen, het meest merkbaar
voordat de powerband begint, is de staande golf uit fase met de motor en kan hiermee een een
enorme dip in koppel veroorzaken. Dit vaak het geval bij het “pre-powerband gatâ€, waar motoren
zonder uitlaatsturing last van hebben. Wijziging van de lengte van het middendeel van de uitlaat
beinvloed de staande golf en kan daamee gebruikt worden om pieken en dalen in de powerband
weg te regelen.
Een expansieuitlaat is een soort uitlaatgas-compressor. Hoe meer warmte
en energie je er in stopt, hoe meer je er voor terug krijgt ( in de vorm van
sterkere pulsen)
2. Uitlaat onderdelen
2.1. Aansluitflens
De flens moet zorgen voor een goede dichting tussen cilinder en pijp. Het belang van een goede
lekvrije verbinding wordt gauw over het hoofd gezien, ondanks dat anders druk- en temperatuurverlies
optreedt.
2.2. Voorbocht
Normaal gesproken is de eerste 150-200 mm van de pijp recht of met een flauwe hoek om de
uitlaatgasstroom te stabiliseren en om turbulentie te verminderen tot een enigszins laminaire
stroom. Dit stabiliseert de dichtheid en snelheid, wat een efficienter gebruik van de geluidsgolven
geeft. De kleine hoek van de voorbocht is om minder gasweerstand te krijgen.
Verder helpt de voorbocht mee om door middel van de massatraagheid van de gassen de cilinder
te helpen legen. De kleine hoek van de voorbocht heeft geen invloed op de rol van de
diffusorconus
Belangrijk is de overgang tussen voorbocht en conus. Te scherpe hoeken of obstakels kunnen
verstoringen in de pulsen en gasstroom veroorzaken, waardoor het vermogen sterk terugloopt.
2.3. Diffusor
Net zoals bij een megafoon geeft de diffusorconus een bovenstroomse drukverlaging door het
sturen van een geluidsgolf in de richting van de bron van de druk. Nadat de gasstroming is
gestabiliseerd in de voorbocht, bereikt deze het expanderende gedeelte van de eerste diffusor en
de druk zakt. Deze drukverlaging geeft een geluidsgolf in de richting van de uitlaatpoort, waar de
druk ook lager wordt. Iedere verandering in conushoek geeft een eigen geluidsgolf.
De diffusor in de afbeelding laat twee verschillende conushoeken zien. De verandering van hoek
van de eerste naar de tweede conus bepaalt de amplitude(grootte) van de geluidsgolf met de
bijbehorende druk. Deze hoeken bepalen ook de tijdsduur van de geluidsgolf. Meer
drukverandering gaat altijd ten koste van een kortere periode. De diffusor kan voldoende
negatieve druk geven om mengsel uit de spoelpoorten te trekken omdat deze een lagere druk
kan geven dan de atmosfeer.
Het carter staat onder druk en heeft in het eerste deel van de spoelperiode geen hulp nodig van
de negatieve puls. Voor het ODP komt de eerste negatieve golf aan, terwijl de tweede net na het
ODP aankomt. Omdat het sinusgolven zijn, komt amplitude van de piek uit het midden van het
pijpstuk.
De piek van de tweede zuigpuls, op ca. 72-75% van de spoelpoortopeningsperiode, is het meest
effectief om het brandstofmengsel helemaal vanuit de carborateur aan te kunnen zuigen. Bij
sommige motoren hebben de pulsen zo’n kracht (0,5-0,55 Bar absoluut) dat ze meer mengsel
door de carborateur aanzuigen dan de zuiger zelf zou kunnen verplaatsen. Maar niet al het
mengsel dat het carter ingezogen wordt door de zuigpuls haalt de cilinder bij de eerste haal,
omdat de zuiger de spoelpoorten afsluit. Dat is het carter boost vuleffect
Er zijn grenzen hoe steil je de conussen kan maken, vooral bij de diffusor. Een te steile diffusorhoek
kan de uitlaatpuls tot stilstand brengen, als deze niet in staat is de snel wijder wordende
wand van de pijp te volgen.
Om toch een grote diameter en om de pijp naar de steile hoek te leiden is het toepassen van van
een serie van in hoek toenemende conussen. In feite zijn 2-, meestal 3-traps diffusorconussen
normaal.
Een diffusor met 7°/12°, 70%/30 % is wat korter dan een diffusor met een rechte 8° diffusor, als
beide de zelfde diameter verhouding hebben. Dit lengteverschil kan toegevoegd worden aan de
voorbocht of aan het middenstuk. In beide gevallen is het effect, dat het vermogen beneden het
piekvermogen toeneemt. Hierbij heeft vergroten van het volume het meeste effect.
Lengte toevoegen aan de voorbocht geeft een grotere vermindering van het maximum vermogen,
maar geeft ook een merkbare vergroting van het koppel bij lagere toerentallen. Deze effecten
neigen er toe de keuze van diffusor conussen te wijzigen; omdat een korte, steile diffusorconus
ruimte geeft voor een langere voorbocht of extra kamervolume, welke beide de smallere
powerband van dergelijke diffusors verminderen.
De inhoud van de diffusor is een maat voor de hoeveelheid vacuum dat je kan (wilt) opwekken.
Als je van vorm V1 naar V2 gaat, spreid je niet alleen de energie van de de vacuumpuls, maar
verleg je ook eens het zwaartepunt van deze puls en zal ook de resonatie op een ander toerental
liggen.
Met een slankere voorconus verplaatst het vermogen zich naar het midden-gebied en het max.
koppel gaat iets omlaag. Het vermogen komt rustiger in. Het steiler maken van de voorconus
heeft een groter maximum vermogen tot gevolg en het maximum koppel verplaatst naar hogere
regionen. Op het maximum toerental hebben dergelijke veranderingen, mit de kubieke inhoud
gelijk blijft, nagenoeg geen invloed.
Verder geeft een slanke pijp meer overrev, omdat deze minder kritisch is wat betreft de staande
golf.
2.4. Het middenstuk
Het middenstuk dient om de diverse drukgolven, die in de pijp lopen, op elkaar af te stemmen.
Het is zinvol om voor tests het middenstuk verstelbaar te maken en dan met milimeters tegelijk
op de testbank metingen te doen.
Op een gegeven moment komt dan de afstelling van de pijp volledig tot zijn recht door het
onstaan van de de staande golf. Het vermogen stijgt aanzienlijk en de motor gaat er thermisch
ook op vooruit. Een stijging van het vermogen van 4% over het gehele gebied is zeker geen
uitzondering.
Het is makkelijk werken om het middenstuk in de uitlaat verschuifbaar te maken en dan op de
testbank de uitlaat steeds een beetje korter of langer te maken. Je zult dan ook zien dat het
vermogen bij een bepaalde maat enorm stijgt t.o.v. de vorige metingen. Dan heb je voor deze
conushoeken de ideale lengte gevonden en kun je een goede uitlaat maken voor onder de motor
scooter enz.
Wijziging van het middenstuk brengt nagenoeg geen temperatuursverschillen in de pijp, totdat de
juiste lengte wordt gevonden, dan volgt onmiddellijk een lagere uitlaatgastemperatuur en hogere
verbrandingstemperatuur.
Opvallend is, dat het verkorten of verlengen van de pijp nagenoeg geen invloed heeft op het
maximale toerental. Pas als de preciese afstemming bereikt is, kan dit een paar honderd toeren
uitmaken, waarbij het niet vaststaat hoe korter de pijp, des te minder de motor toeren maakt.
Las het het instelbare middenstuk pas definitief vast als je de optimale lengte hebt gevonden.
Maximale diameter middenstuk
Op jacht naar vermogen, hebben tuners uitlaten gemaakt met steeds grotere diffusors. In de
70-er jaren was het gebruikelijk dat de oppervlakteverhouding tussen de voorbocht en het
middenstuk in het gebied van 6-7:1 lag.
Als de voorbocht 40mm was, dan was het middenstuk zo’n 100 mm. Toen tuners ontdekten dat
een sterker vacuum van de uitlaat samen met grotere cartervolumes meer vermogen gaf,
vergrootten ze deze verhouding tot 10:1 en deze verhouding groeit nog steeds. Dat betekent dat
een 40 mm voorbocht nu uitkomt in een dik middenstuk van meer dan 125 mm in diameter.
Het uitgangsprincipe is dat hoe dikker de uitlaat hoe meer vermogen deze maakt in de
powerband. Grote diffusorhoeken geven veel vermogen, maar over een kleiner toerengebied,
boven en beneden dit toerental is de motor futloos.
Kleinere diffusorhoeken geven minder vermogen, maar over een breder toerengebied.De
hamvraag is om de uitlaat het meeste vermogen te geven over het toerengebied dat je nodig
hebt.
