Techniek: hoge toerentallen
Een echte 15.000 toeren was bij sommige 600’s van vijftien jaar geleden al mogelijk, maar dan was de fut er wel al zo’n beetje uit. De 1.000 cc metende Honda Fireblade met de drie R-en haalt dat nu ook, en de Panigale V4R zit bij dat toerental zelfs nog niet eens op zijn topvermogen. We werpen een nadere blik op de diverse motorblokonderdelen die bij zulke toerentallen aan een enorme mechanische en thermische belasting bloot worden gesteld.
Hockenheim, het lange circuit. We komen uit de snelle eerste rechterbocht na start/finish met al het geweld waartoe een moderne 1000 op racebanden in staat is. We zitten zit op een Ducati Panigale V4R of een Honda Fireblade triple-R. Vlak voor het midden van de bocht hebben we het gas open gedraaid en accelereren nu met flinke hellingshoek hard richting de volgende krappe rechterbocht. Laat remmen en dan op de Ducati terugschakelen naar de tweede versnelling, op de Honda zelfs naar z’n één, en over een lichte hobbel insturen naar de binnenkant van de bocht. Meteen weer gas erop, maar zoveel mogelijk rechts blijven en dan de machine onder lichte acceleratie snel omgooien naar links. Dan gaat het volgas richting de binnenzijde van de beginnende parabolische linkerbocht, vervolgens laten we de motor naar buiten lopen tot op de curbstones en sturen dan in de alsmaar wijder uitlopende bocht weer naar links. We trekken maximaal door in de versnellingen, van twee naar drie naar…
Laten we op dit specifieke moment eens nagaan wat er hier allemaal op hoge snelheid gebeurt. Niet alleen de motor plus rijder, die op dit concrete moment met 38,5 graden hellingshoek en 252 km/uur voortdenderen, maar ook de krukas die ongeveer 15.000 toeren draait. Rekenkundig 15.040 toeren in het Honda-blok, terwijl de Panigale door zijn kortere gearing al een versnelling hoger zit, in z’n vijf, en daar 14.920 toeren draait. Laten we dus zeggen dat ze allebei 15.000 toeren draaien, oftewel 250 omwentelingen per seconde, en laten we eens op ons inwerken wat er bij dit toerental in en met de motoren gebeurt.
Laten we bovenaan beginnen. Per seconde worden er door de vier bougies in totaal 500 vonken geproduceerd. Die ontsteken het benzine-lucht-mengsel, dat tijdens de verbranding sterk uitzet en daarmee de druk op de zuigers geeft waarmee ze omlaag worden geduwd. Dankzij het kruk-drijfstangmechanisme wordt dit in een heen-en-weer-gaande beweging van de zuigers en een draaiende beweging van de krukas omgezet.
Het benzine-lucht-mengsel wordt dankzij de luchthapper in de neus op deze hoge snelheid met enige overdruk aangevoerd en verder door gebruikmaking van alle mogelijke resonantie-effecten en drukverschillen in zo groot mogelijke hoeveelheden in de verbrandingskamer gezogen. Die uiteindelijke vullingsgraad ligt ver boven dat wat de omlaagbewegende zuiger aan onderdruk realiseert. Volgens opgave van Ducati stroomt het gasmengsel op de nauwste plek in het inlaatkanaal vlak voor de inlaatkleppen met een snelheid van meer dan 150 m/s oftewel 540 km/uur. En er is een goede reden voor deze haast, wat duidelijk wordt als je de kleptijden weet. De inlaatkleppen van de Ducati staan 247 krukasgraden open, die van de Honda 248 graden (oftewel 69% van een volledige krukasomwenteling). Bij 15.000 toeren komt dat overeen met een tijdsduur van 0,002744 seconden bij de Ducati en 0,002756 seconden bij de Honda. Iets meer dan 27 tienduizendsten van een seconde dus, of anders gezegd nog geen drieduizendste seconde. Strikt gezien zullen beide blokken die drieduizendste wel halen, aangezien de kleptiming wordt opgegeven bij een millimeter kleplift. Op het nominale openingstijdstip staat de klep dus al een millimeter open, op het nominale sluitingstijdstip nog een millimeter.
Hoe dan ook: de tijd die het mengsel heeft om in de verbrandingskamer te stromen is extreem kort. Elke tienduizendste seconde en elke vierkante millimeter doorlatend klepoppervlak is kostbaar. Het is zaak om de kleppen zo snel en zo ver mogelijk te openen, ze zo lang mogelijk open te houden en ze dan zo laat mogelijk weer te sluiten. Dit wordt bereikt met nokvormen die juist niet scherp zijn. Dat soort nokken zijn juist vrij stomp van vorm, bijna rechthoekig. De klep wordt heel snel ingedrukt, staat dan lang open en sluit vervolgens weer heel snel. Je kunt je amper voorstellen wat voor enorme versnelling de kleppen daarbij ondergaan. Gemiddeld is het 11.317 m/s2 bij de Honda, de klepveerloze Ducati-V4 komt dankzij z’n desmodromische klepbediening zelfs op 14.339 m/s2. De Ducati heeft dan ook een enorme inlaatkleplift van 13,5 millimeter, de Honda een nog steeds stevige 10,5 millimeter.
Met ‘gemiddeld’ doelen we op de klepbewegingsfase die begint en eindigt bij stilstand. Bij het ShiftCam-blok van de S1000RR is de maximale klepversnelling volgens ingewijden bijna 40.000 m/s2; aangezien de openingshoek maar twee graden korter is dan bij het Honda-blok en de kleplift maar een honderdste millimeter groter, zal de klepversnelling bij de Fireblade waarschijnlijk soortgelijke waarden bereiken, en zullen de waarden bij de Ducati nog hoger liggen. Om hier een beetje een beeld bij te krijgen: 40.000 m/s2 betekent dat een object dat een seconde lang zo’n versnelling ondergaat, een snelheid haalt van 40.000 meter per seconde – da’s 144.000 km/uu! Zou dat object vervolgens een seconde lang doorvliegen met die snelheid, dan zou het 40 kilometer hebben afgelegd!
Deze mechanische belasting wordt extra zwaar door de helse temperaturen in de verbrandingskamer. Na het ontsteken van het mengsel neemt de temperatuur daarvan kortstondig toe tot zo’n 3.000°C; de uitlaatkleppen worden in dat permanente inferno van langsstromende hete gassen 800 graden heet! Alleen op het moment dat ze dicht staan, kunnen ze kortstondig ook via de klepzittingen hun warmte aan de cilinderkop afgeven, in plaats van alleen via de klepgeleiders. Tijdens de inlaatfase worden ze gelukkig ook nog eventjes door relatief koel binnenstromend mengsel gekoeld. Waarna de temperatuur in de verbrandingskamer tijdens de compressieslag alweer toeneemt, nog voordat er überhaupt verbranding plaatsvindt.
De zuigers van de Honda met hun slag van 48,5 millimeter hebben bij 15.000 toeren een gemiddelde snelheid van 24,25 meter per seconde, die van de Ducati door een 0,1 millimeter kortere slag 24,20 m/s – wederom gemiddeld over de hele slag. De maximale zuigersnelheid is iets meer dan 38 m/s. Anders gezegd: op deze slag van net geen vijf centimeter accelereren de zuigers naar een maximale snelheid van 137 km/uur en worden vervolgens weer tot stilstand afgeremd. Dat is nog veel heftiger dan een frontale botsing van een auto tegen een betonnen muur! Bij maximale zuigerversnellingen van 59.711 m/s2 (Ducati) of 59.834 m/s2 (Honda) komt dat overeen met een zuigergewicht van 1.461 kilo bij de Ducati en 1.486 kilo bij de Honda! Een verschil van 25 kilo, terwijl de slag van de Honda maar 0,1 millimeter langer is en de zuigers inclusief pistonpen en zuigerveren maar 3,6 gram zwaarder zijn dan die van de Panigale; die hebben slechts één compressieveer in plaats van de gebruikelijke twee. Puur door de massakrachten van het versnellen en afremmen van de zuiger verbuigt de pistonpen twee honderdste millimeter, een waarde die bij de maximale verbrandingsdruk vlak na het bovenste dode punt (BDP) bijna wordt verdubbeld. De door Ducati geleverde grafieken laten goed de drastische druktoename zien.
Het toerenspektakel wordt bij de Honda-viercilinder bij 15.000 toeren beëindigd door de begrenzer, de Ducati zit dan nog niet eens aan zijn maximumvermogen: dat bereikt hij bij 15.250 toeren, waarna hij nog doorgaat tot liefst 16.000! Laten we het rondje Hockenheim weer even oppakken waar we gebleven waren. Op de Fireblade schakelen we nu door naar de vierde versnelling. Op de Panigale, die al naar vijf gaat, hebben we vervolgens de keuze: laten we hem tot het rempunt voor de hairpin, bij een snelheid van meer dan 270 km/uur, in z’n vijf staan en gaan we het toerenbereik tot 16.000 gebruiken om een keer op- en terugschakelen uit te sparen? Of schakelen we op naar zes en pakken we het stijgende deel van de vermogenskromme bij het hogere koppel van 13.600 toeren? Dat voelt misschien fijner aan. Aangezien we van de Panigale V4 geen gedetailleerde uitdraai van een datalogger hebben en we ook niet beschikken over een eigen vermogensmeting, kunnen we niet met zekerheid zeggen wat de betere strategie is. Aangezien het laatste stuk voor het rempunt echter rechtopstaand wordt afgelegd, neemt de effectieve omtrek van de achterband toe en wordt de totale gearing langer. Dus laten we de Ducati in z’n vijf staan.
Door het opschakelen naar de vierde versnelling is het toerental van het Honda-blok gedaald naar zo’n 13.000; het geleverde koppel ligt daar op 111 Nm. De primaire overbrenging met een verhouding van 1 : 1,63 verlaagt het toerental van de koppeling naar 7.975 toeren per minuut, waarmee het koppel aan de primaire versnellingsbakas rekenkundig komt op 181 Nm. Daarvan neemt de wrijving in de tandwieloverbrenging 2% weg, waardoor er 177 Nm overblijft. Het tandwielpaar van de vierde versnelling verlaagt het toerental en verhoogt het koppel vervolgens met een factor 1,478, wederom minus 2%. Dat geeft 5.396 toeren en 256 Nm aan de uitgaande as van de versnellingsbak (dus het voorkettingwiel). Door de secundaire kettingoverbrenging met een reductie van 2,5 daalt het toerental verder naar 2.158 tpm en het koppel neemt toe tot 640 Nm. Daar gaat 1,6% vanaf door de wrijving in de ketting, waardoor er circa 630 Nm aan het achterwiel (of beter gezegd de achteras) wordt geleverd.
De Ducati heeft vanwege zijn achteruitdraaiende krukas een extra tussenas nodig, waardoor hij bij de krachtsoverbrenging van krukas naar koppeling niet 2%, maar 4% verliest (de overbrengingsverhouding naar de tussenas is overigens verwerkt in de totale primaire overbrengingsverhouding van 1 : 1,8). Aan de uitgaande versnellingsbakas is het koppel 238 Nm, aan de achteras 656 Nm.
De twee motoren hebben dezelfde achterbandmaat, dus dezelfde omrekenfactor naar de aandrijfkracht in het contactvlak met het wegdek. Op de laatste meters accelereert de Ducati dus theoretisch iets sneller dan de Honda; in feite simpelweg omdat hij op dat moment meer vermogen levert. De Honda haalt voor het remmen een gemeten snelheid van 272 km/uur; de Ducati zal op dat punt niet zo heel veel harder gaan, aangezien bij die snelheid zoveel meters worden gemaakt dat je slechts zeer kort van een acceleratievoordeel gebruik kunt maken. De trekkrachtgrafieken hebben overigens vanaf circa 265 km/uur een afwijking. De reden hebben we al genoemd: door het oprichten van de motoren wordt de effectieve bandstraal groter en de gearing dus langer.
De Fireblade en de Panigale V4R hebben nog een overeenkomst: vanaf het rempunt tot aan de binnenkant van de hairpin worden ze met alles wat de remmen en banden aan kunnen afgeremd tot 43 km/uur. Dat geeft een enorme belasting op de remmen en het rijwielgedeelte. Maar dat is een ander verhaal.
