Klepbediening in de MotoGP
Was het tractiecontrole? Waren het de banden? Was het zijn rijkunst? Of was het gewoon geluk? De geleerden zijn het er nog steeds niet over eens hoe Casey Stoner het afgelopen MotoGP-seizoen volledig naar zijn hand wist te zetten. Maar vast staat wel dat de unieke desmodromische klepbediening van Stoners Ducati een flink steentje heeft bijgedragen. Want de klepbediening is bij de bloedsnelle viertakten het hete hangijzer!Honda en Yamaha deden het afgelopen seizoen nog op de ‘gewone’ manier: een nok duwt de in- en uitlaatkleppen open en een veer duwt ze weer dicht. Maar Yamaha is inmiddels gezwicht voor ‘pneumatische kleppen’, nadat Suzuki en Kawasaki daar afgelopen seizoen een flinke stap voorwaarts mee wisten te zetten. Ook bij de pneumatische kleppen duwt een gewone nokkenas de kleppen open, maar sluiten ze door luchtdruk. Een ‘luchtveer’ neemt dus de taak van de gewone stalen schroefveer over. En Ducati? Die waren uiteindelijk iedereen te snel af met het desmodromische klepsysteem, dat de fabriek uit Bologna inmiddels tot in de puntjes heeft verfijnd. De klep wordt door een nok onder dwang geopend, terwijl een andere nok diezelfde klep ook onder dwang weer dicht duwt. Tijd om deze drie systemen eens even te analyseren.Voorafgaand aan het MotoGP-seizoen 2007 werd er nog volop gespeculeerd over de kansen van de diverse merken. Velen dachten dat Honda en Yamaha met de RC212V en de YZR-M1 in het eerste jaar van de nieuwe 800 cc MotoGP de te kloppen motoren zouden zijn, maar al in de eerste GP bleek de GP7 Ducati van Casey Stoner pijlsnel en de te kloppen machine.Waar ging het mis voor Honda en Yamaha? Honda had voor het begin van de 21 liter verbruiksbeperking een piepkleine racer gebouwd, vooral bedoeld voor racedwerg Pedrosa. Daarmee zadelden ze onder meer Nicky Hayden op met problemen. En Honda vertrouwde op het bewezen goede concept voor wat betreft het blok: de 990 cc RC211V-blokken waren met verbazingwekkend conventionele techniek immers onverslaanbaar. Het blok had een gematigde boring/slag verhouding van rond de 0,57 (Ducati hanteert een extreme 0,47) en een klepbediening met stoterbussen en stalen klepveren. Eigenlijk zaagde Honda gewoon één van de vijf cilinders af van hun 990 en hield de verdere techniek – inclusief het toerentallimiet van 16.500 tpm – onveranderd. Wat dus achteraf een blunder bleek.Yamaha maakte een vergelijkbare misrekening: de mini-M1 had weliswaar wat meer toerentalreserves, maar bezat een min of meer vergelijkbaar conventionele kleppentrein als de Honda. Zonder het extreme talent van Rossi was de M1 vermoedelijk nimmer in de buurt van het podium gekomen. Bovendien was het niet alleen Stoners Ducati die er jankend vandoor ging, maar ook de Kawasaki ZX-RR en vooral de Suzuki GSR-V zaten plotseling en onverwacht vooraan mee te knallen. Dat maakte de miskleun van Honda en Yamaha extra pijnlijk.Suzuki en Kawasaki kozen voor 2007 al voor de pneumatische sluiting van de kleppen, terwijl Ducati natuurlijk zweert bij het desmodromische principe. Beide systemen staan hogere toerentallen toe, omdat de kleppen sneller sluiten dan bij gewone klepveren. En hogere toerentallen zorgen nu eenmaal voor meer motorvermogen. Suzuki en Kawasaki waren al in 2006 met de ontwikkeling van deze nieuwe techniek begonnen. Beide Japanners draaiden in 2007 rond de 18.000 tpm en Ducati haalde zelfs de 19.000 tpm. Daar hadden Honda en Yamaha duidelijk op gerekend.Toch was de 2007-ontwikkeling van alle merken niet alleen gericht op de prestaties, want van de nieuwe 800 cc blokken mochten gedurende de race immers ook maximaal 21 liter benzine verbruiken.De zoektocht naar meer vermogen volgt doorgaans altijd dezelfde weg: in de verbrandingskamer moet een mengsel van lucht en benzine bij een zo hoog mogelijke verbrandingsdruk worden ontstoken, waarbij deze druk zo efficiënt mogelijk omgezet dient te worden in beweging. Daarbij is dan ook nog belangrijk dat dit allemaal zo snel mogelijk achter elkaar plaats kan vinden: het blok moet dus veel toeren kunnen maken. En dan komen we bij de klepbediening: om dit hele proces heel snel achter elkaar te kunnen laten verlopen en om een soort ideale drukgolven in het in- en uitlaatsysteem te creëren (voor een optimale vulling) blijkt de sleutel te liggen bij de manier waarop je de kleppen snel en ver kunt openen en ook weer snel kunt sluiten, exact op het moment dat de techneuten willen.Om je even een idee te geven waar we het precies over hebben: in 2007 produceerde de Honda V4 tot maximaal 550 ontstekingen per seconde, Kawasaki en Suzuki haalden rond de 600, net als de Yamaha aan het eind van het seizoen. En het Ducati-blok haalde zelfs 85 ontstekingen meer dan de Honda: 635 maal per seconde. Ducati haalde die ruim 20 pk extra dus gewoon uit het toerental.Maar dan komen we dus bij het benzineverbruik: ondanks een hoger toerental en dus meer ontstekingen per seconden, konden Ducati en de twee ‘kleine’ Japanners gewoon met het 21 liter verbruiksmaximum uit de voeten. Waarom? Omdat hun vernieuwende concepten niet alleen meer toeren toestond, maar ook minder wrijvingsverlies en een nog beter uitgekiend openen en sluiten van de kleppen, waardoor de motor dus uiteindelijk gewoon zuiniger bleek te zijn. In de aparte kaderstukken van elk type klepbediening lees je meer over die voordelen van elk afzonderlijk systeem.Ondanks die sterk uiteenlopende technieken die er in de MotoGP’s zijn gebruikt, is het uiteindelijke verschil op de baan natuurlijk toch heel erg klein. Het is dus ook niet zo dat er één of ander systeem bij voorbaat met de eer gaat strijken. De verschillen zijn minimaal en winst en verlies liggen in de MotoGP’s waanzinnig dicht bij elkaar. De MotoGP-racerij is daarmee vooral een gevecht op detailniveau.Dat laatste wordt nog eens benadrukt als je de ‘basis’ van de verschillende machines met elkaar vergelijkt. Het zijn in principe allemaal viercilinders. Alle kleppen van MotoGP-blokken gaan aan de uitlaatkant ongeveer 13 mm en aan de inlaatkant ongeveer 15 mm ver open. Dat zijn – vergeleken met wegmotoren – trouwens gigantische waardes! De 800 cc racers hebben allemaal twee inlaatkleppen met een diameter van tussen de 33 en 36 mm en twee uitlaatkleppen met een diameter van tussen de 26 en 29 mm per cilinder. De klephoek is voor zover wij hebben kunnen vaststellen telkens rond de 18˚; enorm steil dus. Daarmee staan de kleppen bijna rechtop in de cilinderkop.De kleppen zelf zijn van een titaniumlegering (titanium, aluminium en vanadium) en op de enorme belastingen van een MotoGP-blok aangepast. Bij de overgang van de klepsteel naar de klepschotel moeten de uitlaatkleppen een temperatuur van meer dan 700˚C kunnen weerstaan. Klepgeleiders en zittingen zijn gemaakt van een koperlegering, versterkt met het giftige beryllium of aluminiumoxide voor een goede warmteafvoer. Bijkomend voordeeltje van deze bijzondere klepzittingen is hun stabiliteit. Dat maakt ze geschikt voor de enorme belasting van juist pneumatische kleppenbediening. Bij dit bedieningssysteem sluiten de kleppen keihard en raken kleppen en zittingen elkaar altijd op hetzelfde plekje. De andere klepsystemen zorgen voor een licht draaiende klep, zodat klep en zetel ten opzichte van elkaar steeds iets verdraaid worden.De enorme maximum toerentallen vereisen, net als de gigantische toerentalverschillen tijdens het rap terugschakelen, een feilloze bediening van de kleppentrein en heel stijf geconstrueerde onderdelen. Bij wegmotoren torderen de krukas en de nokkenassen en levert ook de nokkenasketting ‘speling’ op door te gaan slaan, te resoneren of te gaan vreten op de pennetjes van elke afzonderlijke schakel. En dat kan men in een MotoGP-racer dus niet gebruiken als de kleppen tijdens de compressieslag maar enkele tienden van een millimeter de ruimte hebben om de razendsnel naderende zuiger te ontvluchten, zodat een fataal contact wordt vermeden.Daarom wordt de kleppentrein van GP-blokken in principe altijd aangedreven door rechtvertande tandwielen, die vaak wel weer interessant zijn gepositioneerd, zodat er kleine nokkenastandwielen mogelijk zijn. Dat is weer goed voor de massatraagheid van de kleppentrein en de compacte afmetingen van het blok.Zoals gezegd hebben Yamaha en Honda aan het begin van 2007 de aansluiting volledig gemist met hun conservatieve kijk op de MotoGP-blokken. En pogingen om tijdens de tweede helft van het seizoen de aansluiting weer te vinden eindigden vaak in kapotte blokken. Yamaha zou de laatste races zelfs met vier verschillende cilinderkoppen hebben geëxperimenteerd, om in het seizoen 2008 uiteindelijk toch voor pneumatisch bediende kleppen te kiezen. Ook al ontkende Yamaha ontwikkelingschef Masao Furusawa in Valencia nog dat ze dit niet van plan waren. Zelfs Honda lijkt overstag en voor pneumatische kleppen te kiezen. Geruchten dat Honda wellicht voor een desmodromische besturing zou gaan kiezen, lijken ons niet gegrond. Dan is het veel waarschijnlijker dat zij in 2008 voor variabele kleppenbesturing gaan kiezen, iets waar ook Yamaha over nadenkt. De mogelijkheden tot een dynamische veranderingen van de distributietijden via variabele nokkenassen, het aanpassen van de kleplift of het in- en uitschakelen van nokken lijken interessante nieuwe mogelijkheden in de speurtocht naar een supersterk, maar toch zuinig motorblok.En hoewel we het hier steeds over MotoGP-machines hebben, is dat toch ook een wens van elke motorrijder op de gewone weg. Zeker nu bij wegmotoren milieu en verbruik steeds belangrijkere items worden, kan de MotoGP meer dan ooit als een soort kraamkamer van nieuwe technieken voor gewone wegmotoren gezien worden![[[kasten pneumatik erste doppelseite]]PNEUMATISCHE KLEPPENEen pneumatische klepbesturing opent de kleppen (1) niet pneumatisch, maar sluit deze door lucht- of gasveren (2) in plaats van door conventionele metalen schroefveren. Kawasaki, Suzuki en nu ook Yamaha lijken allemaal slepers (3) tussen nokkenas (4) en klep (1) te gebruiken. Voordeel hiervan is dat de klepsteel niet zijdelings word belast door de nok, terwijl toch ongeveer 25% oscillerende massa wordt bespaard ten opzichte van stoterbussen gespaard. Daardoor zijn weer heftigere klepacceleraties (zie diagram) mogelijk, wat resulteert in zeer efficiënte klepopeningen.De pneumatische klepveren laten het blok als het ware ook lichter lopen, waardoor benzine gespaard wordt en de vermogensverliezen door wrijving worden verminderd. Bovendien worden hogere toerentallen mogelijk omdat de kleppen door de lagere oscillerende massa tijdens het zeer snelle sluiten de nokvorm betrouwbaar blijven volgen. Het progressieve karakter van de lucht- of gasveer ondersteunt dit nog eens. Als het toerental verder omhoog gaat, kan het systeem hier makkelijk op aangepast worden door het verhogen van de systeemdruk.Alle merken hebben gekozen voor gasveren die werken op stikstof uit een reservoir (5) met een druk tussen de 150 en 250 bar. Via een reduceerventiel (6) wordt een begindruk van 9 à 14 bar ingesteld. Als de klep wordt ingeduwd, loopt de druk op tot maximaal 30 bar. De onvermijdelijke drukverliezen tussen zuiger (7) en cilinder (8) – in principe opgebouwd als een fietspomp – worden door het in het reservoir meegevoerde gas meteen gecorrigeerd.Er zitten wel wat nadelen aan dit systeem, want als de druk wegvalt, zakken de kleppen naar beneden in de verbrandingskamer en komen ze de omhoog bewegende zuigers tegen, met ernstige motorschade als gevolg. Een ander behoorlijk nadeel vormt het feit dat de pneumatisch bediende kleppen niet verdraaien ten opzichte van de zitting, zoals bij conventionele systemen. Door dat draaien worden de hoge temperaturen en piekbelastingen verdeeld over de hele klepschotel en zitting en is een betere afdichting gegarandeerd. Dat voordeel missen de pneumatische kleppen dus: daarbij blijven de kleppen altijd in de inbouwpositie staan, waardoor een hoge fabricageprecisie en uitermate slijtvaste en exotische materialen nodig zijn.“Pneumatische klepveren maakten het mogelijk onze doelen te bereiken en bieden bovendien nog veel ontwikkelingspotentieel.”Ichiro Yoda, Kawasaki-racedirecteurMede vanwege de pneumatische klepbediening liep de Suzuki, hier met John Hopkins in het zadel, het hele seizoen als een raket.[[[kasten desmodomik, zweite doppelseite]]DESMODROMISCHE KLEPPENBEDIENINGNet als in al hun wegmotoren gebruikt Ducati ook bij het D16-blok de desmodromische klepbesturing. Het systeem werd bedacht door Ducati’s legendarische constructeur Fabio Taglioni en inmiddels heeft het merk uit Bologna qua know-how en ervaring een voorsprong van ruim 50 jaar op de concurrentie.Mede daardoor kijkt Ducati ook met zelfvertrouwen uit naar het seizoen 2008. Hun GP8 zou op de rollenbank al meer dan 20.000 tpm draaien en afgelopen seizoen had Casey Stoner met zijn maximum van 19.000 tpm al dik 1.000 tpm meer tot zijn beschikking dan de rijders van andere merken.De desmodromische klepbesturing dwingt de kleppen (1) niet alleen mechanisch tot openen, maar ook tot sluiten. Daarbij overdraagt een kleine sleper (2) de vorm van de openingsnok (3) naar de klep (1), terwijl een L-vormige tuimelaar (4) de sluitnok (5) volgt en de klep weer naar boven toe dicht duwt. Andere dan gewenste bewegingen van de klep zijn dus niet mogelijk. Het zweven van de klep (als de klep door het hoge toerental de nok niet meer kan volgen) kan in principe dus niet meer voorkomen. Dankzij deze bewegingsstabiliteit kan een desmodromische motor hogere toerentallen draaien. Bovendien kunnen het openen en sluiten van de kleppen heftiger geschieden, dus met grotere klepacceleraties. De timing wordt daardoor wezenlijk effectiever, net als de curve voor de klepopening (zie diagram). Door dit systeem kan Ducati de klepoverlap bij de wissel tussen uitlaatslag en inlaatslag gunstiger maken, zonder mechanisch gevaar. Daaruit ontstaat een betere vullingsgraad, wat resulteert in een effectievere verbranding bij een lager spoelverlies (lees: lager benzineverbruik).Door de twee bedieningsnokken met elk hun eigen sleper c.q. tuimelaar zal de bewegende massa in totaal vermoedelijk niet veel minder zijn dan van een conventioneel systeem. Daardoor zal het desmodromische systeem bij hogere toeren vermoedelijk niet veel minder wrijvingsverliezen hebben, maar in het middengebied draait het blok absoluut met minder weerstand. Er hoeven immers geen klepveren ingeduwd te worden, wat kracht kost. Minder verlies in het middengebied betekent óf een beter acceleratievermogen óf minder brandstofverbruik bij een vergelijkbaar vermogen. Bovendien draaien de kleppen mooi rond op hun zitting voor een gelijkmatige belasting en goede afdichting. Maar het desmosysteem heeft echter ook één nadeel: de belasting en dus de slijtage van de sluitnokken en de sluittuimelaars is enorm, zeker onder extreme raceomstandigheden.“De desmodromische klepbediening werkt in het middengebied met minder verliezen, staat hogere toerentallen toe en kan de kleppen extremer laten bewegen. Dat spaart benzine en levert extra vermogen.”Claudio Domenicali, directeur Ducati Corse Mede dankzij de desmodromische kleppen was Casey Stoner met zijn Ducati D16 GP7 niet te kloppen.De nokkenas van het D16 MotoGP-blok opent de kleppen ongelofelijk ver en kent zeer extreme profielen.KLEPVERENHonda en Yamaha bedienden de kleppen in het eerste jaar van het 800 cc reglement net zoals dat op de meeste wegmotoren gebeurt. De klep wordt open geduwd via een nokkenas (2) en stoterbus (3) en weer gesloten via een metalen schroefveer (4). Op deze tekening zien we een doorsnede van een standaard cilinderkop. Beide merken maakten gebruik van hun decennia lange ervaring met deze klepbediening en namen de nadelen van dit concept op de koop toe.Het grote probleem is namelijk dat klepveren maar tot 18.000 tpm betrouwbaar werken. En zelfs voor dit toerental moet al alle kennis en ervaring worden aangewend om de bewegende massa zo laag mogelijk te houden. Ook moet de veer klep precies te kunnen sluiten en moet de resonantie in de veer binnen de perken blijven.Daarbij zit men nu al tegen de grens wat er met de huidige materialen mogelijk is. Vooral de stoterbussen verhogen de bewegende massa met meer dan 25%, maar in ruil daarvoor ondersteunt dit principe de klepsteel en worden dwars werkende krachten geëlimineerd. Het probleem van de klepveren ontstaat op het moment dat de klep maximaal is geopend en weer moet sluiten. De beweging van de klep moet dan binnen enkele duizendsten van een seconde omgekeerd worden. Zeker bij het gebruik van zeer scherpe nokkenassen (zoals in de racerij) moet een extreem harde veer worden gekozen, zodat de veer de klep ook bij hoge toerentallen tegen de nok aan kan blijven drukken. Vanwege de beperkingen van het sluiten met een klepveer ontstaan hoge spoelverliezen, dus een hoog brandstofverbruik. Ook kost het tegen de veerdruk in openen van de kleppen kracht en dat levert dus veel inwendige wrijving op. Dit telt vooral in het middengebied, als er ondanks een lage vermogensafgifte toch tegen de maximale weerstand opgebokst moet worden. Maar voordat je nu gaat twijfelen aan je eigen wegmotor: je moet alles in verhouding zien. We hebben het hier over het summum van de racerij: op standaard wegmotoren blijken klepveren meer dan uitstekend te voldoen!“Tot en met 2007 gebruikte Honda in de racerij technieken die erg dicht bij de wegmotoren lagen. In 2008 gaan wij echter ook de voordelen van pneumatische kleppen benutten.”Chris Herring, Honda Sport directeurNicky Hayden moest vechten om bij te blijven op zijn Honda met conventionele klepbediening.MERK KLEPBEDIENING 2007 KLEPBEDIENING 2008Ducati vier desmodromisch bediende kleppen per cilinder, opening via nokkenas en slepers, sluiting via tuimelaars, maximaal toerental ongeveer 19.000 tpm vier desmodromisch bediende kleppen per cilinder, opening via nokkenas en slepers, sluiting via tuimelaars, maximaal toerental ongeveer 20.000 tpmHonda vier kleppen per cilinder met klepveren, opening via nokkenas en stoterbussen, sluiting via schroefveren, maximaal toerental ongeveer 16.500 tpm vier pneumatische kleppen per cilinder, opening via nokkenas en slepers, sluiting via pneumatische gasveer, maximaal toerental ongeveer 19.000 tpm, eventueel variabele kleptimingKawasaki vier pneumatische kleppen per cilinder, opening via nokkenas en slepers, sluiting via pneumatische gasveer, maximaal toerental ongeveer 18.000 tpm vier kleppen per cilinder, opening via nokkenas en slepers, sluiting via pneumatische gasveer, maximaal toerental ongeveer 19.000 tpm, eventueel variabele kleptimingSuzuki vier pneumatische kleppen per cilinder, opening via nokkenas en slepers, sluiting via pneumatische gasveer, maximaal toerental ongeveer 18.000 tpm vier pneumatische kleppen per cilinder, opening via nokkenas en slepers, sluiting via pneumatische gasveer, maximaal toerental ongeveer 19.000 tpm, eventueel variabele kleptimingYamaha vier kleppen per cilinder met klepveren, opening via nokkenas en stoterbussen, sluiting via schroefveer (later via pneumatische gasveer), maximaal toerental einde seizoen 2007 ongeveer 17.500 tpm vier pneumatische kleppen per cilinder, opening via nokkenas en slepers, sluiting via pneumatische gasveer, maximaal toerental ongeveer 19.000 tpm, eventueel variabele kleptiming[[text bei Grafik]]VERGELIJKINGDeze klep-openingscurves laten zien hoe de uitlaatkleppen (links) en de inlaatkleppen (rechts) gedurende twee omwentelingen van de krukas openen en sluiten. Een ideaal verloop zou twee aan elkaar grenzende rechthoeken tonen, maar het openen en sluiten van de kleppen kost hoe dan ook tijd, dus tussen het dicht zijn en de maximale opening ontstaat een schuine op- of aflopende lijn.De oranje curve staat voor een conventionele kleppentrein, bijvoorbeeld van de Honda. De ingesloten vlaktes zijn het kleinst. Er is een ongunstige overgang tussen uitlaatakt en inlaattakt, ondanks de vrij grote overlap. Door die grote overlap zijn er dus hoge spoelverliezen en dat is ongunstig voor het verbruik.De pneumatisch ondersteunde kleppentrein á la Suzuki (blauw) kan vanwege de lagere oscillerende massa harder openen en sluiten, waardoor de vlaktes groter worden, de overschakeling verbeterd en zodoende overlap en verbruik optimaliseert.De desmodromische klepbediening van de Ducati (rood) doet daar dankzij de dwangmatigheid van de klepbesturing nog een schepje boven op en realiseert met een kleine overlap (weinig brandstof-verlies) een uitstekende overgang tussen de uit- en inlaat en zorgt voor de beste vullingsgraad van de motor.
