Techniek: cilinder – drijfstang – zuiger

Pas als de zuigers met een verbrandingsdruk van zo’n 100 bar op hun donder krijgen, maken we serieus meters. Wat bij de rijder een dikke grijns op zijn gezicht tovert, is voor zuigers en drijfstangen echter pure geseling.

Het is dat hele korte, magische moment waarop het gecomprimeerde mengsel van lucht en benzine door de bougie in brand wordt gestoken. Het moment waarop tevens onze hartstocht werd ontstoken. We denken terug aan de eerste keer dat we onze brommer of motor startten, het knetteren of ronken toen we onze eerste gemotoriseerde meters aflegden en de rijwind in ons gezicht voelden. Wat een gevoel was dat, een simpele draai aan het gashendel en daar ging je!

Dat wat we tegenwoordig als iets vanzelfsprekends afdoen, is bij nadere beschouwing eigenlijk een pure hel, zeker bij een hoogvermogende sportmotor. Waarom? Omdat het samengeperste mengsel alleen al door de compressiedruk tot zo’n 500 graden wordt verhit, waarna de ontstekingsvonk een vlamfront met een temperatuur van meer dan 2.000° Celsius veroorzaakt. Daarbij moeten de verbrandingskamer, het mengsel zelf en het ontstekingstijdstip zo worden gekozen en gevormd dat het uiterst brandbare mengsel niet explodeert, maar gecontroleerd verbrandt. Er is in een verbrandingsmotor zeer zeker geen sprake van ontploffingen – als alles goed gaat tenminste!

In een optimaal verlopende vollastsituatie wordt de aluminium zuiger tot meer dan 300°Celsius verhit, hitte die hij via het hemd en de zuigerveren aan de gekoelde cilinderwand afgeeft. Daarnaast wordt de zuiger aan de onderkant door een straal motorolie gekoeld en tijdens de inlaatslag door het verse mengsel.

Een ongecontroleerde explosie van het benzine-luchtmengsel – detonatie genoemd – kan door de extreme hitte en de korte, maar zeer hoge piekdrukken het motorblok in enkele seconden verwoesten. Die situatie treedt op als de motor ‘pingelt’, wanneer het mengsel (deels) spontaan ontbrandt. Dat gebeurt als de benzine niet klopvast genoeg is (een te laag octaangetal heeft), het ontstekingstijdstip te vroeg is gekozen of als de compressie te hoog is. Het gevolg kan zijn dat het midden van de zuigerbodem smelt of dat juist de randen kapot worden geslagen, omdat detonatie vaak aan de rand van de verbrandingskamer optreedt, onder druk van het voortsnellende vlamfront vanuit het midden.

Je wilt echter een zo hoog mogelijke compressie kunnen toepassen, omdat dat een hoger rendement en dus meer vermogen en een lager verbruik oplevert. Daarom wordt tegenwoordig bij veel motoren een klopsensor (kloppen is een ander woord voor pingelen of detoneren) toegepast. Deze controleert de verbranding en de computer past indien nodig de ontsteking en de injectie aan.

Om het vlamfront een zo kort mogelijke weg af te laten leggen, zit de bougie bij voorkeur in het midden, wat bij een vierklepskop eenvoudig is. Bij grote één- en tweecilinders met hun enorme zuigers en dientengevolge lange vlamfrontwegen worden vaak twee bougies per cilinder gebruikt, om ervoor te zorgen dat het mengsel ook in de minst gunstige zone volledig verbrandt. Als dat niet gebeurt, verdwijnen de onverbrande koolwaterstoffen ongebruikt in de uitlaat. Dat kost niet alleen vermogen, het levert ook vuiler uitlaatgas op. Deze mengselresten verstoppen zich bij voorkeur in de spleet tussen de bovenste zuigerrand en de cilinder, boven de zuigerveren, wat de reden is dat die ruimte zo klein mogelijk moet zijn.

Zo klein mogelijk is ook de zogenaamde squish-zone in de cilinderkop. Langs de omtrek van de zuiger heeft de cilinderkop randen die slechts een zeer nauwe spleet over laten wanneer de zuiger in de bovenste stand staat. Deze truc zorgt ervoor dat het mengsel in het bovenste dode punt met geweld naar het midden van de verbrandingskamer wordt geperst en daar volledig verbrandt. In de racerij maken tuners die spleet zo krap dat bij maximaal toerental een licht contact tussen zuiger en kop optreedt. Niet goed voor de levensduur, wel voor het vermogen. Bij vollast werkt de hoge gasdruk bovendien als een soort demper – bij gas afsluiten echter niet!

Raceblokken met een zeer stijve kruk-drijfstang-zuigerconstructie kunnen daardoor werken met een squish-spleet van statisch gemeten 0,2 tot 0,3 millimeter. In serieproductie kun je dat soort krappe waarden alleen hanteren als de zuiger en cilinderkop door nauwkeurige CNC-freesmachines exact worden nabewerkt.

Bij een gecontroleerde verbranding breidt het vlamfront zich na de ontsteking aanvankelijk uit met een gematigde snelheid van 20 à 30 meter per seconde, maar versnelt dan tot liefst 200 meter per seconde. Daarbij wordt een werkdruk van 100 bar bereikt. Op het oppervlak van een 80mm-zuiger (5027 mm²) zoals die van de BMW S1000RR resulteert dat in een piekgewicht van meer dan vijf ton dat kortstondig op zuiger, zuigerpen en drijfstang drukt. De hoogste werkdruk wordt zo’n beetje 15 graden na het bovenste dode punt bereikt.

Bij de enorme gasdrukkrachten komen dan nog de massakrachten waaraan de zuigers en drijfstangen bij meer dan 12.000 toeren zijn overgeleverd. De zuiger moet vanaf een snelheid van zo’n 110 km/uur – die hij ongeveer halverwege zijn slag bereikt – in iets meer dan een duizendste seconde afremmen tot nul, om vervolgens even snel weer te accelereren naar 110 km/uur. De 250 gram lichte BMW-zuiger bereikt daarbij een dynamische massakracht van ongeveer 6.300 newton, oftewel ruim 600 kilo, dus 2.400 keer zijn eigen gewicht. Dat is een heel goede reden om zuigers zo licht mogelijk te maken. Vooral omdat de oscillerende massa’s niet alleen energie verspillen, maar ook nog trillingen produceren.

De zuigers: niet rond en niet cilindrisch

Om bestand te zijn tegen de extreme drukken en temperaturen bij vollast, zijn zuigers van hoogvermogende motoren tegenwoordig uitgevoerd als zogenaamde slipperzuigers. Vroeger werden zuigers met een volledig hemd gebruikt, maar die zijn onnodig zwaar. Bij de veel plattere en lichtere slipperzuigers wordt de constructie door het gebruik van optimaal geplaatste verstevigingsribben zo stabiel mogelijk gemaakt, terwijl aan de nauwelijks belaste zijkanten geen hemd meer zit. De zuigerpen valt hierbij ook korter en dus lichter en stijver uit.

Ook al ziet een zuiger er op het eerste gezicht rond en cilindrisch uit, hij is dat niet. De vorm wordt bepaald door de hoge, maar uiteenlopende thermische en mechanische belastingen en de zuiger heeft daarom een licht elliptische en conische vorm. De gekoelde cilinders daarentegen worden door honen perfect rond en cilindrisch gefabriceerd. Ter vermindering van de wrijving zijn de aluminium cilinderwanden voorzien van een laagje siliciumcarbide-nikkellegering van slechts enkele honderdsten van een millimeter. Gietijzeren cilinderbussen vind je tegenwoordig alleen nog bij heel goedkoop gemaakte motorfietsmotoren.

De zuigerspeling tussen zuiger en cilinder bedraagt bij vloeistofgekoelde motoren 0,05 tot 0,08 millimeter. De koelvloeistof stroomt alleen rond het bovenste deel van de cilinderwand (ongeveer een derde), dus alleen het stuk waar de echt hoge temperaturen optreden. Daardoor worden de warmteverliezen aan de cilinderwand gereduceerd tot het noodzakelijke minimum. Die warmte wil je immers zoveel mogelijk in bewegingsenergie omzetten en niet afvoeren naar het koelsysteem.

Voor de afdichting van zuiger en cilinder is met name in het lagere toerenbereik de constructie van de zuigerveren bepalend. Straatmotoren worden vrijwel zonder uitzondering uitgerust met drie zuigerveren: twee compressieveren en een olieschraapveer. Vroeger werden zuigerveren van kwetsbaar gietijzer gemaakt, tegenwoordig worden meestal twee heel dunne (0,75 mm) stalen ringen gebruikt met een zo klein mogelijke voorspanning. Vaak zijn ze ook voorzien van een speciale coating. Het kleine contactvlak van de dunne, scherp geslepen ringen zorgt voor een hoge vlaktedruk en zo een goede afdichting, zodat de verbrandingsgassen niet als zogenaamde ‘blow-by’ in het carter terecht komen. Bij vollast zorgt de gasdruk zelf mede voor de afdichting, doordat deze in de zuigerveergroeven van de zuiger achter de zuigerveer kan komen en zo de zuigerveer aandrukt.

In de onderste zuigerveergroef zit de olieschraapveer, of beter gezegd de olieschraapveren. De ‘olieschraapveer’ is samengesteld uit twee circa 0,4 mm dunne stalen zuigerveren met daartussen een golfvormige veerring. De olieschraapveer veegt de overtollige olie van de cilinderwand, waarna die via de zuigerveergroef en kleine boringen in de zuiger terugvloeit in het carter.

De korte zuigerhemden zorgen voor weinig wrijving bij een goede geleiding en mits goed geconstrueerd geven ze een stille motorloop. Daarbij krijgen de smalle zuigerhemden het één en ander te verduren, aangezien de zuiger door de schuine stand van de drijfstang met grote kracht tegen de cilinderwand wordt gedrukt. Deze kracht ligt rond de 15 à 25 procent van de werkdruk, reden waarom niet alleen racezuigers vaak van een grafietcoating zijn voorzien. Deze zijdelingse kracht wordt leibaankracht genoemd en is afhankelijk van de werkdruk in de cilinder en de verhouding tussen slag en drijfstanglengte. Hoe korter de drijfstang, hoe groter de leibaankracht, omdat de drijfstang dan schuiner komt te staan bij het ronddraaien van de krukas. Afhankelijk van toepassing en de daarbij behorende doelstelling wordt de optimale drijfstanglengte gekozen. Lange drijfstangen geven een kleinere leibaankracht en mooiere motorloop, maar zijn zwaarder en maken het blok hoger.

Nemen we als voorbeeld weer de BMW S1000RR (als hoogstvermogende superbike) dan volgt uit een slag van 49,7 mm en een drijfstanglengte van 103 mm een verhouding van 0,48. Bij het blok van de Kawasaki Z1000 (slag 56 mm, drijfstanglengte 106,2 mm) bedraagt de verhouding 0,52, terwijl bij automotoren de waarde vaak rond de 0,3 zit. Bij automotoren is de drijfstang in verhouding tot de (nota bene vaak lange) slag dus beduidend langer en dus zwaarder, maar de toerentallen zijn dan ook aanzienlijk lager.

Om de leibaankracht te verminderen, wordt het drijfstanglager in de zuiger vaak uit het midden geplaatst, naar de kant van de draairichting van de krukas (desaxatie). Daardoor wordt bij de arbeidsslag de schuinstand van de drijfstang en daarmee de zijdelingse krachtcomponent verminderd. Bij de Kawasaki Z1000 is dit verzet 0,5 millimeter.

De drijfstangen: de bewegingstransformatoren

De drijfstang maakt van de heen-en-weergaande beweging van de zuiger een draaibeweging van de krukas. Hij is qua dynamiek verdeeld in twee secties die echter geleidelijk in elkaar overlopen. Ten eerste een stuk roterende massa, gegroepeerd rond het big-end waarmee hij op de krukas zit. Ten tweede de oscillerende massa, bestaande uit de schacht en het bovenste drijfstangoog of small-end. Om gewicht te sparen in het oscillerende deel, kan bijvoorbeeld het bovenste drijfstangoog trapeziumvormig worden bewerkt. In het oog zelf worden bij de overgrote meerderheid van de motorblokken in massaproductie geen aparte lagerschaaltjes gebruikt. Drijfstang en pistonpen lopen dan staal op staal. Volgens de leer van de machinebouw geldt dit als één van de slechtste combinaties, maar de constructie heeft inmiddels bewezen ook bij hoge kilometrages verrassend goed te kunnen voldoen, in elk geval bij motoren met een kleine inhoud per cilinder.

Bij drijfstangen kun je het beste gewicht sparen door titanium te gebruiken in plaats van staal. Weliswaar is de sterkte ietsje minder, waardoor je iets meer materiaal moet gebruiken, maar dan nog kun je een gewichtsbesparing van ongeveer 40 procent halen.

De vorm van de drijfstang kan afhankelijk van materiaal, blokgeometrie en de filosofie van de fabrikant verschillen. Wel hebben bijna alle gesmede drijfstangen qua schacht de ‘dubbele-T’-vorm. Alleen bij oudere tweetakt-raceblokken werden veelal scherpe gladde drijfstangen gebruikt. Bij gefreesde titanium drijfstangen wordt een smal H-profiel gebruikt, maar die vorm heeft in serieproductie geen navolging gevonden.

Cruciaal voor drijfstangen is de metaallegering en het fabricageproces, aangezien deze onderdelen voortdurend aan een wisselende druk/trekbelasting zijn blootgesteld. Bij hoogvermogende blokken worden de drijfstangen in mallen gesmeed uit veredeld staal. Daarbij blijft de vezelstructuur van het materiaal intact, wat de gevoeligheid voor breuk aanzienlijk vermindert.

Het big-end moet aan de kruktap kunnen worden bevestigd en is dus deelbaar uitgevoerd en voorzien van twee glijlagerschalen. Om de big-end-lagerkap te monteren worden twee sterke rekbouten gebruikt. In de meeste gevallen worden de lagerkappen samen met de drijfstang na het smeden nabewerkt en voorzien van paspennen of pasbussen om een perfecte passing te realiseren. Soms wordt een speciale andere methode gebruikt, zoals onder andere door BMW. Dan wordt het big-end na smeden en bewerken met geweld door een brosse breuk gesplitst, wat een perfecte passing op de breukvlakken oplevert. Pasbussen zijn dan overbodig.

Drijfstangen en zuigers worden gewogen en met merktekens in gewichtsklassen ingedeeld. Zo kan in de productie voor een zo goed mogelijke combinatie van onderdelen worden gezorgd en daarmee een optimale balancering, wat voor een trillingsarme motorloop zorgt.