Puma top-fuel dragracer

Ian King behaalde onlangs zijn negende Europese dragrace-titel; de Brit behoort qua eindtijden en topsnelheid tot de vijf snelste dragracers ter wereld. Bijzonder daarbij is dat zijn Puma in Nederland is gebouwd door Marius van der Zijden en Gerard Willemse. We mochten een kijkje nemen in Van der Zijdens werkplaats, toen de Puma voor groot onderhoud uit elkaar ging.

Toen de Puma in 2011 in Hongarije debuteerde – en meteen won – hadden de bouwers twee prestaties op de kwart mijl voor ogen: een run in de vijf seconden en een topsnelheid na ruim 400 meter van 240 mph (386 km/uur). Dat eerste doel haalde het team voor het eerst in 2013 en dit jaar werd ook de tweede doelstelling gehaald, toen de Puma met een topsnelheid van 242 mph (391 km/uur) door de finish knalde…
Wat hiervoor nodig is leert een sensor van NTCE, waarmee de Puma als enige dragbike ter wereld is uitgerust. Die sensor meet het koppel bij het achterwiel en het rekenprogramma in de datarecorder geeft daarbij het vermogen weer: meer dan 1.500 pk aan de krukas! Bovendien moet dat enorme vermogen ook nog eens gecontroleerd op het asfalt terechtkomen. Zonder traction-control, want dat is in de dragrace verboden. Maar wel volgas, want een toprijder zit binnen één seconde na de start op 100 km/uur.
Marius van der Zijden: “In principe is de motor op maximaal vermogen afgesteld. Je haalt er vermogen uit via het brandstofsysteem, de ontsteking en de koppeling op plaatsen waar dit nodig is.” Daartoe dient een voorgeprogrammeerde timer (Command Module). Die gaat lopen zodra de rijder bij volgas een microschakelaar bekrachtigd. De timer bepaalt het brandstofsysteem, de ontstekingscurve, de koppeling en het overschakelen van de eerste naar de tweede versnelling.
Als brandstof voor deze explosieve acceleratie wordt in Top Fuel dragracers 85 a 90% Nitromethaan gebruikt, dat is gemengd met methanol. Probleem van deze brandstof is dat het al kan ontploffen als het comprimeert, daarom wordt de motor altijd opgestart met een losse spuit benzine, direct via de gasklep.
Voor dat starten is vanwege de zware oliepomp, brandstofpomp en compressor wel een grote externe startmotor nodig, die van een viercilinder diesel stamt. De mechanische brandstofpomp (reglementair verplicht) levert met het ronddraaien van de krukas meteen nitro-brandstof, maar dat vloeit in de opstartfase in eerste instantie via een driewegkraan terug naar de brandstoftank.
“Pas als de motor warm genoeg is – en dat voel ik met de hand op het blok – druk ik een knop in waarmee een brandstofklep om gaat en de nitro-brandstof niet meer teruggaat naar de tank, maar in de cilinders komt. De explosieve brandstof is ook de reden dat de rijder na de finish de motor afzet door de brandstoftoevoer af te sluiten, in plaats van de ontsteking uit te schakelen. Bij een warme motor de ontsteking uitzetten kan het volledig opblazen van het blok tot gevolg hebben…”
Om zeker te zijn dat er daarna geen nitro-restanten in het blok achterblijven, draait het team na de run alle bougies eruit en start vervolgens de motor met het gas vol open en de brandstofkraan dicht flink door.

De verhouding nitromethaan en methanol is afhankelijk van de tegenstand en het weer. “Met warm weer zit er minder zuurstof in de lucht. Dat kun je compenseren door de schroefcompressor met een andere overbrenging harder te laten draaien en zo dus meer lucht in de cilinders te pompen. Maar effectiever is een hoger nitropercentage. Nitromethaan is namelijk zuurstofhoudend, maar daarmee stijgen ook de temperaturen en de belasting van het motorblok.”
Thermokoppels in elke uitlaatpijp direct na de cilinder registreren de balans tussen de vier cilinders en geven een goede indicatie van de conditie van de zuigers, voeringen en kleppen. “In de uitlaat ontstaan door de naverbranding temperaturen rond de 1.800 F (ca 980 graden Celcius). We gebruiken daarom uitlaatkleppen van Nimonic, die deze temperatuur aankunnen.
Een andere oplossing om de motorafstelling te veranderen is het monteren van verstuivers met een andere nozzle, maar meest bepalend is echter de instelling van de BDK, een klep die de brandstofdruk regelt. Deze ligt rond de 20 bar. “Door de veerdruk op die BDK-klep te verhogen voer je de brandstofdruk op. De grens opzoeken met een krappe brandstofafstelling is riskant en vaak zinloos. Je kunt juist behoorlijk rijk gaan zonder dat het vermogen zakt. Met een deel nitromethaan op drie delen lucht is het mengsel wat dat betreft tamelijk vergevingsgezind. Maar de brandstof-toevoer met wel in orde zijn, want volgas slokt deze 1.580 cc viercilinder bijna 50 liter per minuut. Ofte wel 800 cc per seconde. Er gaat dus iedere seconde een colafles brandstof de motor in! De Waterman tandwielpomp voor de brandstof kan dat makkelijk aan; er gaat ook nog eens ongeveer 25 liter per minuut retour naar de brandstoftank.”
Via acht verstuivers komt de brandstof in de vier verbrandingskamers. Een negende verstuiver bevindt zich net voor de blowerinlaat om deze nat te houden en de inlaatlucht te koelen. “Op de eerste set van vier injectors loopt de motor stationair. De tweede set komt er bij wanneer de rijder gas geeft en een klep opent.” Even voor de duidelijkheid: de tijdspanne tussen stationair en volgas is 0,15 seconde…
Door het hoge octaangetal ontvlamt nitro traag. Er is een grote voorontsteking van vijftig tot zestig graden bij volgas nodig, anders is de zuiger alweer op de terugweg voordat het mengsel is ontbrand. Een high-tech MSD (multi spark discharge) magneet wekt de vonk op en door de werking met een magneet is de vonk krachtiger naarmate het motortoerental stijgt. Van der Zijden: “We gebruiken een MSD-magneet van een achtcilinder, die voor de autodragrace is ontwikkeld. Het aantal motorfietsen is namelijk te klein voor de productie van een speciaal viercilindermodel, dus wij leggen vier stroomkabels aan massa via vier eenvoudige bougies. De rest gaat naar de twee bougies per cilinder. Daarmee zijn we trouwens bij de Top Fuels redelijk uniek.”
De voorontsteking gaat uit van een bepaald statisch punt voor het leveren van het maximale motorvermogen bij volgas. Door het ontstekingstijdstip middels een geprogrammeerde curve met maximaal dertig graden te verlaten daalt het motorvermogen op punten waar de achterband zijn grip verliest. Met de zeer speciale software kan binnen de run van zes seconden het ontstekingstijdstip dertig keer veranderen.
“Dat is voor ons een heel belangrijk middel. De Puma is één van de meest geavanceerde dragracemachines ter wereld. Wij werken bijvoorbeeld als enige ter wereld in onze klasse met de geavanceerde Graphic Editor, die is aan te sluiten op de ’retard onstekingsbox.’ Met die Graphic Editor kunnen we twaalf verschillende ontstekingscurves voorprogrammeren en indien gewenst op het allerlaatste moment veranderen.
Andere teams doen dat met voorgeprogrammeerde chips en timers. Zij hebben slechts zes mogelijkheden om tijdens een run de ontsteking aan te passen. Ook onze datalogging is indrukwekkend; dat gebeurt met een resolutie van 100 samples per seconde via 35 verschillende kanalen.

Net als het brandstofsysteem en de ontsteking stuurt die timer – het brein van de machine – ook de koppeling. De Puma heeft een droge centrifugaal koppeling met drie gevoerde en twee stalen platen, die bij stationair toerental vrij lopen. Wanneer het toerental stijgt, dan gaan door de centrifugaal krachten eerst de zes primaire armen in het koppelingshuis naar buiten. Elke arm wordt daarbij meer of minder door een veer tegen gehouden en heeft een contragewicht. Door verschillende veerdruk en contragewichten te kiezen, gaan steeds meer armen bij het stijgen van het toerental naar buiten en wordt de manier van aangrijpen beïnvloed. Met alle zes primaire armen naar buiten zijn de koppelingsplaten echter nog steeds niet geheel opgesloten, er is dan nog koppelingsslip. Deze primaire armen bepalen alleen het stationaire toerental en bij welk toerental de motorfiets vertrekt.
Vervolgens komen negen secundaire armen – die door een druklager op de primaire as zitten opgesloten – in werking. Op een ingestelde tijd geeft de timer dit druklager hydraulisch vrij, zodat de negen secundaire armen door de centrifugaalkracht het druklager terugdrukken en de koppelingsplaten op hun beurt extra vast op elkaar drukken. Deze secundaire armen hebben verschillende lengtes en dus ook verschillende aangrijppunten. Daarmee hebben ze allemaal een ander effect op de grip van de koppeling.
Van der Zijden: “Eerst werken de zes primaire armen: daarmee zweep je het toerental vanaf de start van 3.000 toeren op tot ongeveer 8.000 toeren. Met de veerspanningen en de gewichten bepaal je hoe hoog het toerental is waarmee je gaat vertrekken. Dan zorgen de negen secundaire armen dat de koppeling volgens een bepaald ingesteld traject volledig aan gaat grijpen. Vervolgens kun je de grip van de achterband met de brandstof en ontsteking zoals eerder beschreven beïnvloeden.”
Maar zelfs dan zijn de instelmogelijkheden van de koppeling nog niet afdoende, dus op de Puma is het hydraulische druklager op zijn beurt aangesloten op een regelventiel met zes verschillende kleppen, die elk apart elektropneumatisch worden aangestuurd. Dit maakt het mogelijk om bij elke klep te bepalen wanneer die open gaat en hoe lang en hoeveel doorstroming elke klep gaat geven. Van der Zijden: “Dragracen is dus een soort spel zonder grenzen waar je nooit klaar mee bent, zoveel verschillende factoren en instellingen zijn er.”
De slag van het koppelings-druklager bepaalt dus tijdens een run hoeveel vermogen er op welk moment naar het achterwiel wordt gestuurd. Tijdens de run kan rijder Ian King op het dashboard uitlezen waar het koppelingslager zich bevindt. “Het ideale plaatje daarbij is natuurlijk als de koppeling precies is opgesloten zodra het koppelingslager aan het eind van zijn 15 millimeter slag is.”
Na de koppeling volgt de versnellingsbak en de Puma is uitgerust met een planetaire tweebak, die door het team is veranderd. Van der Zijden: “Andere Top Fuel-bakken hebben luchtdruk nodig om van één naar twee te kunnen schakelen. Als er dan tijdens een run een luchtleiding klapt, schakelt de motor dus weer terug naar zijn eerste versnelling, met alle risico’s en motorschade van dien. Bij onze bak is dat nu andersom: die staat dus in de basis in twee en met luchtdruk wordt de eerste versnelling ingeschakeld. De “burn-out” om de achterband op te warmen gebeurt in twee en vlak voor de start zet de rijder de bak vervolgens handmatig met een knop in de eerste versnelling. Als het starttoerental is bereikt gaat de al vaker genoemde timer in werking. Die zorgt er namelijk ook voor dat de bak na een bepaalde tijd overschakelt naar twee. Die tijd wordt vooraf ingesteld door het team en is vooral een kwestie van ervaring. Het zou logischer zijn om over te schakelen bij een bepaald motortoerental, maar dat mag reglementair niet. Het hele schakelproces is indien nodig trouwens te overrulen door de rijder, middels een schakelknop op het stuur.”
Via een hele dikke 630 ketting (met een pendiameter van 1/4“, oftewel 6,35 mm) gaat het vermogen naar een brede slick-achterband. Die heeft de opmerkelijk lage bandenspanning van ongeveer 0,5 bar. Daardoor heb je ‘in stage’ bij de kerstboom van de start lekker veel contactvlak en dus veel grip. De wangen van de band zijn dan slap en ingezakt. Op het moment dat het toerental van het achterwiel echter stijgt, groeit de achterband zo’n tien tot vijftien centimeter in diameter. Dat zorgt dus voor minder rolweerstand en ‘het groeien’ van de band werkt als het ware als een extra versnelling. Van der Zijden: “Alweer een aspect waar je als team mee kunt spelen. Hoever je de band bij de start in laat zakken, kun je bijvoorbeeld weer regelen met de stand van de wheelybar.”

Remmen is minstens zo spannend als optrekken, want bijna alle Europese dragracebanen hebben maar een korte uitloopzone. Daarom is het zaak om meteen over de finish in de ankers te gaan. Als eerste in Europa maakte Ian King gebruik van een kleine remparachute, die via een druk op de knop wordt gelanceerd. Van der Zijden: “Met de chute voelt het of er aan de motorfiets getrokken wordt. Naast remwerking komt het ook de stabiliteit ten goede, want hij zit ter hoogte van de achteras vast en zit dus mooi in de hartlijn van de motorfiets.” Daarnaast zijn er drie forse schijfremmen aanwezig om de 450 kg motor plus rijder te stoppen. De door Hyperpro afgestelde voorvork is extreem progressief en heeft maar 7,5 cm veerweg, terwijl het frame achter star is. Daardoor, en door de ultralange wielbasis van 259 cm, is er nauwelijks een duikneiging bij het remmen, zodat de achterrem dus ook erg belangrijk is en een forse zeszuiger-klauw heeft. Van der Zijden: “De stalen remschijven worden erg geplaagd als er vanaf bijna 400 km/uur afgeremd wordt. De schijven krijgen nauwelijks rijwindkoeling en zien dus al snel blauw. Dat is een punt van aandacht. We zouden eventueel carbon-schijven kunnen gebruiken, maar moeten eerst warm worden voordat ze gaan vertragen en daar hebben we de tijd niet voor omdat de uitloopstroken in Europa te krap zijn.” Omdat een koppelingshendel ontbreekt zitten beide remhendels gewoon aan het stuur, waarbij de Puma met het rechterhendel gewoon voor remt. Veel andere dragracers kiezen ervoor om de voorrem links te monteren, omdat dat makkelijker is bij de burn-out.
Na elke run van een seconde of vijf is er veel werk aan de winkel voor het team, bijvoorbeeld om de motorolie te verversen. Van der Zijden: “Niet alleen omdat de olie verdund met brandstof, maar ook als een belangrijke controle voor de conditie van de motor. Ons zelfgebouwde viercilinder-blok krijgt zijn smering via een dry-sump smeersysteem met doodgewone Gulf 20W50 multigrade-olie. We vangen de olie uit het carter, uit de voorraadtank en uit de opvangtank van de carterontluchting apart op. Eerst tappen we het carter af. Dan zie je aan de verkleurde olie of er iets is met een drijfstang of zuiger. Door de noodzakelijke grote zuigerspeling en de brandstof die langs de veren loopt, tappen we ongeveer een halve liter meer af dan je hebt gevuld. Tap je extra veel af, dan is de olie dus te veel verdund door brandstof en er iets mis. Verder zien we motorslijtage ook aan de carterpandruk die we meten, maar natuurlijk ook in de carterontluchting-opvangtank die in de wheeliebar zit. Als de motor na een run terug komt, dan kijk ik altijd meteen of die catchtank nog droog is. Dan weet ik meteen hoe het ervoor staat.”
Behalve verse olie gaan er voor elke run ook acht nieuwe bougies in. De koppeling gaat na elke wedstrijddag uit elkaar om schoon te maken en de gevoerde platen op te schuren. Een heel sterk punt van de Puma is ondanks de geavanceerde techniek namelijk de betrouwbaarheid. Zo reed Ian King dit hele seizoen met dezelfde cilinderkop, zuigers en kleppen. Van der Zijden: “Klepspeling volstaat na elke raceweekend. Dat de inlaatkleppen dankzij de koele nitromethaan die erlangs stroomt lang meegaan, is ook niet bijzonder. Maar ook de Kibblewhite Nimonic uitlaatkleppen blijken opvallend goed bestand tegen de hoge temperaturen.”
Dat laatste onderstreept ook hoe grondig de bouwers hun huiswerk hebben gedaan, ook bij het gehele eigen ontwerp van de cilinderkop en de totale opbouw van de Puma. De aluminium body en het chroommolybdeem-stalen frame zijn op aanwijzigingen van het team bij Engelse specialisten geproduceerd, de rest is hier in Nederland gebouwd. En de Puma stata ook tegenwoordig nog heel vaak in Soest voor onderhoud en finetuning. Om met negenvoudig Europees dragrace kampioen Ian King te spreken: “The Puma dragbike has a Dutch passport.”