Ik houd mijn werkstuk over timingen van een 2-takt cilinder. Je ziet in het dagelijkse leven veel scooters en bromfietsen rond rijden. Maar er is meer 2-takt om je heen! Motorcross, karts, grasmaaiers, kettingzagen, buitenboordmotoren, aggregaten enzovoorts.

Tweetakt motoren worden gebruikt wanneer het vermogen belangrijker is dan het verbruik. Een tweetakt motor is relatief gezien met een viertakt motor een stuk minder zuinig. Je kunt uren praten nog over van alles en nog wat van tweetakt, maar we gaan zo snel mogelijk naar een wiskundig aspect van de tweetakt motor. Ik zal wel enige uitleg nog moeten geven over een tweetakt motor voordat ik daarmee kan beginnen.

Werking tweetakt motor.

Een viertakt heeft een cilinder die compleet dicht is aan de wand. De brandstof wordt vanaf bovenaf toegevoerd d.m.v. kleppen. Ook wordt via andere kleppen dezelfde ontbrande brandstof weggevoerd via de uitlaatkleppen. 
Een tweetakt cilinder heeft geen kleppen, maar poorten. Dat zijn gaten die in de wand van de cilinder, die overlopen in gangen waardoor mengsel ( = brandstof) wordt toegevoerd, en ook verbrand mengsel wordt afgevoerd. De poorten waardoor vers mengsel naar binnen komt heten spoelpoorten. De poort(en) waardoor het verbrande mengsel vervolgens weer naar buiten wordt gestuwd heet een uitlaatpoort. 

Om straks wat dieper in de werking van de 2-takt motor te kunnen duiken, volgt eerst een korte uitleg over de basiswerking van een tweetakt motor. Daardoor zul je straks ook veel beter snappen waarom een tweetakt motor op een bepaalde manier reageert als je iets verandert. 

Onderdelen van een 2-takt motor:

1 ) Cilinder   (oranje gedeelte/lijnen)
2 ) Zuiger	
3 ) Bougie 	
4 ) Krukas	
5 ) Drijfstang	
6 ) Inlaatpoort   	
7 ) Uitlaatpoort
8 ) Spoelpoort 

Krukas + drijfstang

Cilinder van onderkant							Krukas – zuiger - cilinder
5 spoelpoorten							                  in juiste volgorde
2 uitlaatpoorten			   zuiger				
Hieronder vind je stap voor stap uitgelegd hoe de 2-takt motor in theorie werkt, het gaat natuurlijk om het principe. Hierdoor zul je veel beter snappen hoe zo'n motor werkt en dus kun je ook zelf veranderingen gaan aanbrengen, nadat we uitgelegd hebben hoe je iets moet doen uiteraard.

BDP, Bovenste Dode Punt   
Op het B.D.P., is net het samengeperste mengsel ontstoken door de vonk van de bougie en het ‘vuur’ van de ontploffing vult de cilinderkop met een hoge druk en hitte, waardoor de zuiger naar beneden gedrukt wordt. Onder de zuiger is de krukas-ruimte op zijn grootst, waardoor er een vacuüm is en het verse mengsel goed aangezogen wordt door de inlaat (vanuit de carburateur).

Arbeidsslag 
Als de zuiger verder naar beneden geperst is door de uitzettende verbrandings gassen, heeft hij zijn hoogste snelheid bereikt en wordt er optimaal vermogen door gegeven aan de krukas. Onder de zuiger begint de druk op te lopen door de kleiner wordende ruimte, de inlaat wordt afgesloten.

Uitlaatpoort opent 
Zodra de zuiger de open uitlaatpoort bereikt, wordt het hete verbrande mengsel naar buiten geperst door de dan ontstane opening, waardoor de druk in de cilinder sterk daalt. Onder de zuiger daarentegen neemt de druk van het binnengezogen mengsel alleen maar toe.

ODP, Onderste Dode Punt 
De verbrande gassen worden door het verse mengsel uit de spoelpoort, naar buiten geperst door de uitlaatpoort. De cilinder vult zich met het verse benzine / lucht mengsel. Het verse mengsel bevat ook 2-takt olie, die nodig is om de zuiger, cilinder, krukaslagers en drijfstanglagers te smeren.

Spoelpoort sluit 
Nu is de zuiger, door de vliegwiel werking van de krukas (krukas heeft nog roterende snelheid), weer omhoog aan het komen en sluit de spoelpoort. De laatste restjes verbrand mengsel worden nu in de uitlaat geperst met een beetje vers mengsel. (dmv van de drukgolf die de uitlaat creëert en zo het verse mengsel terug de cilinder induwt)

Compressie slag 
De uitlaatpoort is nu ook gesloten en het verse mengsel wordt samengeperst door de opgaande zuiger. Onder de zuiger wordt weer een soort vacuüm gezogen waardoor er dus mengsel automatisch wordt aangezogen via de inlaat die het op zijn beurt weer door krijgt van de carburateur.

De zuiger gaat nog helemaal door naar boven en vlak voordat de zuiger weer naar beneden wil gaan, geeft de bougie een vonkje. De zuiger wordt nu dus weer met een kracht naar beneden geduwt door de ontbranding van het samengeperste verse mengsel. En het hele proces begint weer van voor af aan.

Poorten zijn zeer precies aangebracht in de cilinder! Een millimeter verschil kan een wereld van verschil uitmaken. 

We nemen in dit werkstuk mijn cilinder van mijn brommer als voorbeeld. 

Je ziet dus de cilinder met poorten erin maar je kunt hier verder weinig mee. Het zegt nog niet veel zo op het eerste gezicht over de karakteristieken van je cilinder. 
Je moet dan een 'poortmap' maken. Dat is een 2D tekening van je cilinder. Dit doe je door middel van een papiertje op maat te knippen en hem zo in je cilinder te rollen, dat je met een potlood over de cilinder wand heen krast dat je contouren krijgt van de poorten. Dit is hetzelfde idee als je een muntje onder een stuk papier legt en er vervolgens over heen krast met een potlood.

Mijn poortmap van mijn cilinder:

Je haalt vervolgens het blaadje eruit en tekent op de achterkant de doorgedrukte lijnen over. 
Vervolgens zet je alle maten erbij in millimeters. Sommige maten zijn minder belangrijk dan anderen maar als je toch aan het meten bent kun je beter alles neerzetten. Belangrijke getallen zijn in mijn geval de '23,5' en de '31,5'. Dat is de afstand tot de bovenkant van de cilinder en later zal blijken waarom die zo belangrijk zijn. 
Nu heb je dus een poortmap. Het verreist wel enige precisie met tekenen en meten. 

Maar nog steeds zeggen die getallen nog niet veel. Het gaat namelijk om verhoudingen waar met meer maten rekening moet worden gehouden zoals de lengte van je drijfstang, de slag enz.

De slag is de lengte die de zuiger omhoog en omlaag gaat. Je zuiger gaat immers op en neer met elke keer dezelfde afstand. Met de slag en met de diameter van je cilinder kan je berekenen wat de inhoud is. Hetgeen waar men dus altijd over praat in de praktijk (50cc motor, 70cc enz.). 

De cilinder en zuiger hebben dus nagenoeg dezelfde diameter. Je kunt die meten met een digitale schuifmaat of je kunt het gegeven opzoeken op Internet. Bij mijn type brommerblok is de diameter altijd 40,3mm van de cilinder. 
De slag kun je ook meten met behulp van je schuifmaat maar het beste is om die ook op te zoeken bijvoorbeeld op Internet. Voor mijn type brommerblok is de slag altijd 39,2 mm.
Je kunt met behulp van de diameter (boring) van je cilinder, en je slag de cilinderinhoud berekenen.

Inhoud Cilinder = G * h
G = Grondoppervlak	 = π * r²	 = π  * (40,3 / 2) ²
H = hoogte 		 = slag	 = 39,2mm

Inhoud cilinder =  π * (40,3/2)² * 39,2 = 50001,84 mm² = 50,00184 cm³ = 50cc
Het gaat hier dus om een 50cc cilinder, wat het maximum toegestane cilinderinhoud is in Nederland van een bromfiets.

De drijfstang is de stang die verbonden is met je zuiger en je krukas. De op-en-neergaande beweging van de zuiger wordt via de drijfstang doorgegeven aan de krukas die er een roterende beweging van maakt. De drijfstang gaat elke keer 39,2mm op en neer bij mijn cilinder.
Dat komt omdat de drijfstang op 39,2 / 2 = 19,6mm afstand van het middelpunt van de krukas is vast gemaakt. Als de drijfstang in de onderste positie is, en hij moet naar zijn bovenste positie, dan heeft de krukas 180graden gedraaid en is de drijfstang 2 * 19,6 = 39,2 mm omhoog gegaan, dat is dus je slag. Het punt waar de drijfstang is vastgemaakt op de krukas ging dus 39,2mm omhoog. Maar het punt waarop de drijfstang is vastgemaakt aan de zuiger, daar gaat hij uiteraard ook 39,2mm omhoog en dus je zuiger ook. 

De drijfstang is 85mm lang, dat is een gegeven. 

Nu ga je aan de hand van je poortmap een tweede tekening maken waar je weer nieuwe waardes uit kunt halen die wel iets zeggen over het karakter van de tweetakt motor.

Op het vel teken je met een passer een rondje met dezelfde grootte als je slag. Over deze cirkel beweegt dus de drijfstang op je krukas. Het is de draaicirkel van je drijfstang op de krukas. Je moet deze dus 39,2mm maken, dus stel je je passer in op 19,6mm en teken je de cirkel. 

Nu teken je vervolgens de drijfstang schematisch, dit doen we in uiterste stand naar boven toe ( Bovenste Dode Punt = B.D.P.)

Daar bovenop teken je haaks een rechte lijn. Dat stelt de bovenkant/rand van je cilinder voor. 

(TDC is Engels, Top Dead Centre. Is hetzelfde als BDP, Bovenste Dode Punt)

Nu maak je weer een horizontale lijn iets onder je bovenste horizontale lijn, de ruimte hiertussen moet je slag zijn. De twee horizontale lijnen stellen je cilinder als het ware voor. Je kunt voor het mooie ook de werkelijke cilinderoppervlak tekenen. Je moet dan de omtrek van de cilinder berekenen.
Omtrek Cilinder =     2 * π * r     =     2 * π * (40,3 / 2)    =     126,6 mm

Nu gaan we de poorten erin tekenen,
pak de hoogte van je uitlaatpoort (bij het voorbeeld hier 16 mm).
Teken links van de verticale lijn op 16mm hoogte een horizontale lijn.

Aan de rechterkant doen we hetzelfde maar dan met de maat van je spoelpoort (voorbeeld = 9mm). Deze lijn teken je op 9mm hoogte.

We hoeven maar één uitlaat- en spoelpoort te tekenen want de rest ligt respectievelijk op dezelfde hoogte.

Nu gaan we je drijfstang erbij tekenen. Trek van de uitlaatpoortlijn een lijn van dezelfde lengte als je drijfstang (85mm in dit geval) naar de cirkel onderaan. (laat hem links kruizen met de cirkel)

Doe vervolgens met je spoelpoort hetzelfde maar laat hem aan de rechterkant kruizen.
De rode lijn stelt dus je drijfstang voor van 85mm. Je kunt hem dus maar op één manier tekenen want het uiteinde moet op de cirkel liggen.

Als je zuiger helemaal in het Onderste Dode Punt is, dan is je uitlaatpoort open. Je zuiger bedekt immers niet de uitlaatpoort. De zuiger gaat weer verder draaien totdat hij op het Bovenste Dode Punt is. De krukas heeft dan 180 graden gedraaid als de zuiger van ODP naar BDP gaat. In ODP weten we dat de uitlaatpoort open staat. Wanneer de zuiger op zijn weg naar boven gaat komt de zuiger langs de uitlaatpoort. Die wordt steeds meer en meer bedekt, totdat hij volledig is bedekt door de zuiger: de uitlaatpoort is gesloten. Precies die stand van krukas en zuiger, vergeleken met het ODP is belangrijk. Je krukas heeft een X aantal graden gedraaid totdat de zuiger op het precieze punt is gekomen van sluiting van de uitlaatpoort. We willen dus weten hoeveel graden de krukas moet draaien vanuit ODP tot sluitingstand van de uitlaatpoort. Deze waarde noemen we de uitlaatpoorttiming uitgedrukt in graden.
We meten die hoek met de geodriehoek en zien dat deze in het voorbeeld 84 graden is.

Ditzelfde verhaal doen we met de spoelpoort, we krijgen dan de spoelpoorttiming ook uitgedrukt in graden. We meten ook die hoek en zien dat die 62 graden is. 

Het klopt al dat de spoelpoorttiming-waarde lager is dan de uitlaatpoorttiming. Spoelpoort ligt immers lager dan de uitlaatpoort, dus de krukas hoeft minder graden te draaien voordat deze compleet gesloten is.

Maar aangezien de zuiger twee keer langs een poort komt in een omwenteling moet je de uitkomsten  × 2 doen.

84 * 2 = 168 graden = Uitlaatpoortiming
62 * 2 = 124 graden = Spoelpoorttiming

Nu we de timingen hebben kunnen we de blowdown gaan uitrekenen.
de formule daarvoor is als volgt :

( uitlaatpoorttiming / 2 ) - ( spoelpoorttiming / 2 )

( 168 / 2 ) - ( 124 / 2 ) = 22

Blowdown is 22 van deze cilinder. Dit getal zal (bijna) altijd tussen de 15 en 35 liggen.
Blowdown zegt iets over de karakter van je cilinder. Hoe hoger dit getal, hoe piekeriger je vermogen is van je cilinder. En hoe lager dit getal, hoe minder piekerig je vermogen dus is en heb je meer koppel over een breder toeren gebied. 
Je hebt dus cilinders die niet veel toeren maken = laagtoerig. Die hebben een lage blowdown waarde, en geven hun vermogen dus af bij lagere toeren. En je hebt ook cilinders die hun vermogen afgeven bij hoge toeren. 
Weinig toeren per seconde betekent dat een bepaald vermogen over een X-aantal toeren verdeeld, een relatief lang durend koppel geven.
Veel toeren per seconde betekent dat een bepaald vermogen over een X-aantal toeren verdeeld, veel vermogen en koppel geeft over een korte tijdsperiode. Bij een piekerige cilinder wordt dus pas bij veel toeren veel vermogen en koppel afgegeven (race, cross). Bij lagere toeren lopen de cilinders dus niet heel goed. 
En je hebt ook toerbrommers, die niet veel toeren kunnen maken maar wel lekker doortrekken met lagere toeren.

Dit getal geeft dus de karakter aan van je cilinder.

We kunnen dus ook iets terug rekenen. Ik heb nu een redelijk lage blowdown (22), maar ik wil een dus een wat hogere blowdown hebben omdat ik meer vermogen wil hebben bij veel toeren. Ik stel mijn waarde bijvoorbeeld op laten we zeggen: 30.

168 / 2 = 84 (uitlaatpoorttimings-waarde)
124 / 2 = 62 (spoelpoorttimings-waarde)
84 – 62 = 22 (huidige blowdown waarde). Ik wil dus naar 30, dus heb ik drie mogelijkheden.

-Ik verlaag de spoelpoorttimings-waarde.
-Ik verhoog de uitlaatpoorttimings-waarde.
-Een combinatie daarvan.

Ik ga de spoelpoorttimings-waarde aanpassen zodat ik op blowdown waarde 30 uitkomt, dus moet ik van 62 naar 54. Immers 84 – 54 = 30. 
Dus teken ik in mijn tekening in plaats van een hoek van 62 graden, een hoek van 54 graden. Wanneer ik dat zou doen, en vervolgens weer die 85mm (rode) drijfstanglengte weer schuin omhoog tekenen, dat zou betekenen dat mijn spoelpoort op ongeveer 2 mm lager zou komen te liggen. Je kunt een poort wel uitvijlen, maar dus niet 2mm omlaag brengen (je kunt immers geen materiaal erbij vijlen). 

Dus de optie spoelpoorttiming aanpassen werkt praktisch niet aangezien je poort dan 2mm lager moet komen en je niet materiaal er bij kunt ‘vijlen’.

Een combinatie van beide waardes, zou ook niet kunnen omdat je dan alsnog je spoelpoorttiming moet aanpassen.
Het komt er dus op neer dat je alleen zo de uitlaattiming kunt veranderen.

De huidige waardes van de uitlaatpoorttiming zijn 84 – 62 = 22. Dus wordt het 92, want 92 – 62 = 30. Wanneer je een uitlaatpoorttiming van 92 graden zou doen in plaats van de oude 84 graden, kom je een ander punt op de cirkel uit in de tekening. Vanaf dat punt teken je weer de 85mm (rode) drijfstanglengte en je komt uit dat je uitlaatpoort +- 2mm hoger zou moeten komen te liggen. 
Dit is echter in de praktijk wél mogelijk! Je kunt de uitlaatpoort aan de bovenkant iets uitvijlen zodat de timingen van je complete cilinder verandert, door alleen simpel de uitlaatpoort(en) +- 2mm omhoog te vijlen.

Er is ook een formule om dit allemaal precies te berekenen. Alleen het voordeel van uittekenen is dat je dingen kan terug rekenen en zo het vervolgens weer terug kan uittekenen met nieuwe waardes. Én je snapt wat je aan het doen bent, waar het dus om gaat …de werking van tweetakt dus.

D=(180-cos^-1((T^2+R^2-L^2)/(2*R*T)))*2 

T=R + L - E 

R	is de slag gedeeld door 2 in mm. 
L   	is de drijfstang lengte van hart tot hart in mm. . 
E 	is Afstand van de toprand van de poort tot aan de cilinder toprand in mm. (hangt dus af of je een spoelpoort- of uitlaattiming wilt berekenen) 
D	is de spoelpoortiming / uitlaattiming (hangt er vanaf welke timing je wilt uitrekenen)
T	Is een waarde die geen naam heeft maar die je nodig hebt voor de formule.

Dus in mijn geval is het:

R is 39,2 / 2 = 19,6 mm
L is 85 mm
E is 23,5 mm. We gaan namelijk nu uitrekenen wat de uitlaattiming is. We bekijken de poortmap daarvoor en zien deze waarde:

T gaan we nu berekenen:
T = 19,6 + 85 – 23,5 = 81,1 

D=(180-cos^-1((T^2+R^2-L^2)/(2*R*T)))*2 

D=(180-cos^-1(((81,1^2)+(19,6^2)-(85^2))/(2 *19,6 * 81,1 ))) *2 = 170,4865171 graden

170,4865 / 2 = (ongeveer) 85 graden. Dat komt dus redelijk overheen met de 84 graden die ik eerder al had verkregen door middel van uittekenen en meten.

Je kunt dit ook doen met de spoelpoorttiming:
Alle waardes zijn gelijk, behalve E. De afstand van de spoelpoort(en) tot toprand cilinder is volgens mijn poortmap: 31,5 mm.

T=R + L - E 

T= 19,6  + 85 – 31,5 =  73,1

D=(180-cos^-1((T^2+R^2-L^2)/(2*R*T)))*2 

D=(180-cos^-1(((73,1^2)+(19,6^2) - (85^2)) / (2*19,6*85)))*2  = 126,5961851

126,5961 / 2 = (ongeveer) 63,2 graden.

Ook dat komt redelijk overeen met mijn eerder gemeten/uitgetekende 62 graden spoelpoorttiming.

Samen met deze ‘blowdown’ formule:
( uitlaatpoorttiming / 2 ) - ( spoelpoorttiming / 2 )

Kun je dus je blowdown berekenen. In werkelijkheid is het dus preciezer om met de formule te werken. Maar je hebt vervolgens toch de tekeningen en metingen nodig om terug te kunnen rekenen hoeveel mm je je poorten moet aanpassen (vijlen).

Dit hele proces wordt ook wel 2-takt tuning genoemd. Bij tuning denkt men in de volksmond gelijk aan opvoeren. Maar tuning betekent letterlijk ‘afstelling’. In principe is dat een betere benaming aangezien je de poorten op elkaar afstelt, je kunt niet zomaar iets vijlen in de poorten. Het wordt uiteraard vaak wel met de bedoeling gedaan om iets op te voeren maar dit hoeft in principe dus niet.

Timingen 
van een tweetakt cilinder