Techniek: klepbediening
Ongeveer vier milliseconden, dat is de tijd die er is om de verbrandingskamer van een superbike bij 12.000 toeren te vullen. Volgas moet er dus in heel weinig tijd heel veel gas door alle kleine openingen gesluisd worden. Een kleine excursie in de krachtcentrale van een modern motorfietsblok.
Je bent het waarschijnlijk nog aan het narekenen, of niet…? Je kunt je nauwelijks voorstellen wat er zich tussen luchtfilterkast en verbrandingskamer afspeelt, wanneer de kleppen in bizar tempo door de cilinder dansen en precies op tijd in hun zittingen terugkeren om niet door de aanstormende zuiger geplet te worden. Om ervoor te zorgen dat de dansers dit helse ballet ook in de hoogste toerenregionen onbeschadigd overleven en de openingstijden nauwkeurig gevolgd worden, hebben de constructeurs van moderne motorfietsmotoren alles uit de kast gehaald.
Weliswaar houdt men qua principe vast aan de al decennia lang bewezen bedieningssystemen, maar deze zijn wel tot in het laatste detail geoptimaliseerd.
Om een zo hoog mogelijke vullingsgraad te behalen, moeten de kleppen zo snel mogelijk hun maximale opening (lichthoogte of kleplift) bereiken, om daarna bliksemsnel in hun klepzittingen terug te keren. Helaas stellen de natuurkundewetten hier duidelijke grenzen aan. Door de massatraagheid van kleppen en andere bewegende onderdelen in het kleppenmechanisme (klepveren en bedieningscomponenten) ontstaan enorme massakrachten bij het openen en sluiten. Om deze reden worden de nokken zo gevormd dat in de klepbediening zo laag mogelijke piekversnellingen optreden. Bij alle systemen zijn de nokken in zes secties verdeeld (zie foto pagina 47). De door de nokken bepaalde kleptiming heeft niet alleen invloed op de belasting en levensduur van de onderdelen, maar uiteraard ook op de vermogensafgifte, het verbruik en de emissiewaarden. Als vuistregel geldt: Een korte openingsduur en weinig klepoverlap geeft een breed uitgesmeerd koppel en een laag verbruik.
Een lange openingsduur, veel kleplift en een grote klepoverlap levert een hoog topvermogen op bij een verhoogd benzineverbruik en een minder soepele motorkarakteristiek. Daarbij verdwijnt er door de open verbinding die ontstaat tijdens de lange klepoverlap meer of minder vers mengsel rechtstreeks in de uitlaat, en daarmee dus giftige koolwaterstofverbindingen. In de kleptimingsgrafiek op pagina 48 is goed te zien wat het verschil is tussen straat- en racenokkenassen.
Om ook bij de hoogste toerentallen de juiste kleptiming te behouden, probeert men het klepmechanisme zo stijf mogelijk te construeren. Dat begint bij de aandrijving van de nokkenassen vanaf de krukas. De beste, maar ook duurste methode is de tandwieltrein, zoals die bijvoorbeeld bij sommige Honda V4-modellen is gebruikt. Momenteel worden bijna uitsluitend kettingen in zo kort mogelijke vorm gebruikt. Daarbij wordt bijvoorbeeld een tandwielaangedreven tussenas gebruikt (MV Agusta F3) of juist een korte ketting vanaf de krukas naar een enkele hooggelegen tussenas, die via tandwielen vervolgens beide nokkenassen aandrijft (Suzuki TL1000-modellen en KTM LC8-blokken). Nog een mogelijkheid is de aandrijving van slechts één van de nokkenassen, die vervolgens via tandwielen de andere nokkenas meeneemt, zoals bij de Aprilia RSV4 (foto pagina 46). Het doel is bij alle constructies om de timing zo precies mogelijk te houden en niet door vervorming van onderdelen, zoals het langer worden van de ketting, te verlaten. Daarnaast kan door de overbrenging met tussenassen voor kleinere nokkenastandwielen worden gekozen, wat de kop compacter houdt.
Japanse sportmotoren worden momenteel uitsluitend met stoterbussen uitgerust, ofwel cilindrische bussen als nokvolgers. Deze zijn robuust, betrouwbaar en relatief goedkoop in de productie en hebben zich in tientallen jaren wel bewezen. Ook omdat op deze manier geen enkele dwarskracht op de klepsteel werkt, wat de levensduur en de afdichting ten goede komt. De dwarskrachten worden volledig opgenomen door de stoterbus, die in een nauwkeurig bewerkte boring in de aluminium cilinderkop loopt.
BMW en KTM kiezen voor klepslepers, die zijn voorzien van een wrijvingsarme DLC-coating (Diamond-Like Carbon, ofwel een diamantachtige koolstofverbinding). Dit systeem heeft een lagere oscillerende massa dan een constructie met stoterbussen en geen pompverliezen. Een klein nadeel is dat door de boogbeweging van de sleper een kleine dwarskracht op de klepsteel overblijft, wat een verhoogde slijtage van de klepgeleider geeft.
Bij beide systemen spelen de klepveren een belangrijke rol. Deze zorgen ervoor dat de kleppen en de bijbehorende componenten exact de nokvorm volgen. Met name in de sluitfase van de kleppen mogen de nokvolgers niet van de nok loskomen (het zogeheten zweven van de kleppen). Dat zou namelijk kunnen betekenen dat de uitlaatkleppen te laat sluiten en door de omhoog bewegende zuiger worden vernield. Of dat er resonantie optreedt, waarbij de onderdelen niet meer gecontroleerd werken, maar in een verwoestende eigenfrequentie over de nok stuiteren.
In tegenstelling tot vroeger, toen huis-, tuin- en keukentuners de klepveren door vulringen simpelweg iets meer voorspanning gaven, zijn de klepveren qua veerkracht vandaag de dag tot op de laatste tienden van millimeters doorberekend en door middel van traploos progressieve windingen aan de nokvorm aangepast. Afhankelijk van het maximale toerental en de klepmassa’s zijn ze ofwel enkelvoudig (zoals bij de Kawasaki Z1000, maximaal toerental 11.000) ofwel dubbel (zoals bij de BMW S1000RR, maximumtoerental circa 14.000) uitgevoerd. In alle gevallen geldt de regel: zo hard als nodig, zo zacht als mogelijk. Te harde klepveren geven onnodig extra slijtage en verhogen de wrijvingsverliezen in de motor.
Een technisch kunstwerkje dat zonder klepveren werkt vinden we bij Ducati: de desmodromische klepbediening, waarbij een aparte sluitnok de kleppen terugtrekt. Het is ongelooflijk complex geconstrueerd, maar door het dwangmatige openen en sluiten van de kleppen kan er een zeer extreme kleptiming worden toegepast zonder het risico van zwevende kleppen. Ook loopt het mechanisme lichter doordat geen zware veren hoeven te worden ingedrukt.
Om de bewegende massa te verminderen, worden in hoogvermogende blokken vaak titanium kleppen toegepast. Deze zijn bij gelijke afmetingen ongeveer 43 procent lichter dan stalen kleppen (dichtheid staal 7,85 g/cm3, titanium 4,50 g/cm3). Zowel kleppen als stoterbussen moeten voor een gelijkmatig slijtagebeeld draaien in hun zitting. Dit wordt bereikt door de roterende werking van de klep(schroef)veren bij het in- en uitveren en het gebruik van niet-klemmende klepspietjes in de veerschotel.
Om de ongelijke uitzetting door temperatuurstijging op te vangen, is er tussen klep en de grondcirkel van de nok de benodigde klepspeling. Als deze te krap is, sluiten de kleppen op bedrijfstemperatuur niet meer. Bovendien kunnen de tot liefst 800°C hete uitlaatkleppen hun warmte dan niet meer aan de klepzitting afgeven, waardoor ze snel verbranden. Als de klepspeling te groot is, tikt de klepaandrijving luidruchtig en slijten ook alle onderdelen harder. Dit mede doordat de kleppen de laatste vloeiende stukjes van de schuine kanten van de nokken niet meer volgen, zodat ze hard worden geopend en ook hard weer in hun zitting slaan.
Uit het samenspel van kleptiming en de gasstroom in het inlaattraject volgt een meer of minder goede vullingsgraad en daarmee meer of minder pk’s. In de aflevering over het inlaattraject (MotoPlus nummer 21/2013) hebben we de effecten van stromingsoptimalisatie van luchtinlaten en inlaatkanalen al besproken. In het gedeelte na de gasklep is er in vergelijking met het luchtfilterhuis echter sprake van acuut ruimtegebrek. Het traject eindigt in het geval van de sterkste productiemotor van dit moment, de S1000RR, immers bij vier keer twee inlaatkleppen van slechts 33,5 millimeter.
Echter – en daarin ligt het geheim van snelle en goed rijdbare racemotoren – groter betekent niet per se sneller. Het is de gassnelheid die samen met qua stroming geoptimaliseerde kanalen, klepzittingen en verbrandingskamers de vullingsgraad bepaalt. Als voorbeeld uit de praktijk hebben we foto’s van de fabrieksblokken van de vroegere Kawasaki ZX-7R superbike. Die onderschrijven dat het niet gaat om grote kanalen, maar om slanke, goed gevormde kanalen. Bij die blokken werden door Kurt Stückle zowel de in- als de uitlaatkanalen in de kop door oplassen fors verkleind en daarna met de hand nabewerkt. Let wel: het gaat hier om het laatste stukje van het kanaal, dus een plaatselijke vernauwing die ter plekke een verhoging van de stroomsnelheid tot gevolg heeft, zoals in een venturi.
Deze ervaren tuner bespaart zich hierbij de moeite van het ooit populaire spiegelglad polijsten van de oppervlakken. Een zekere oppervlakteruwheid heeft bij vele succesvolle tuners de voorkeur, omdat die de gasstroom beter doet ‘lossen’.
In het verkleinen van de standaardkanalen ziet Kurt Stückle zelfs bij de huidige 1000’s een manier om het koppelverloop te verbeteren. Als bewijs voor de efficiëntie van slanke, gelijkmatig vernauwende kanalen kun je kijken naar de bijgaande metingen van gassnelheden in het inlaatkanaal (zie grafiek links). Een zo gelijkmatig mogelijke, snelle gasstroom bevordert de vulling van de cilinder met name in het middentoerenbereik en daarmee ook de rijdbaarheid van de vaak bijna overgemotoriseerde superbikes. Bepalend in de zoektocht naar koppel en vermogen is bovendien het gebied rondom de klepzittingen. De twee parallel openende inlaatkleppen zitten elkaar in feite in de weg en verminderen de rekenkundig vrije doorgang (kleplift x klepzittingomtrek) behoorlijk. Ook de geringe luchtspleet tussen de klepschotel en de cilinderwand beperkt de doorgang voor het instromende verse mengsel. Des te meer reden om het gebied van klepzitting naar verbrandingskamer zoveel mogelijk vrij te maken, zodat al bij een kleine klepopening een zo storingsvrij mogelijke stroming wordt gerealiseerd.
Om deze veranderingen te kunnen meten, wordt een zogenaamde flowbank gebruikt. Dat is een testopstelling waarbij door onderdruk het aanzuigen van vers mengsel in de verbandingskamer wordt gesimuleerd, en dat bij verschillende lichthoogtes van de kleppen. Een goed voorbeeld van een geoptimaliseerde vorm van deze cruciale zone is de CNC-gefreesde verbrandingskamer van de BMW S1000RR, waarbij juist deze details ertoe bijdragen dat de Duitse viercilinder qua vermogen momenteel de maatstaf vormt.
