Techniek: injectie en motormanagement

Steeds meer sensoren en elektronische hulpsystemen grijpen in wanneer een motor in de problemen dreigt te komen. We laten zien hoe en wanneer de elektronica de rijder kan helpen – om niet alleen veiliger, maar ook sneller te worden.

Als we terugkijken, dan is het nog geen vijftien jaar geleden dat bijvoorbeeld de brute Yamaha YZF-R1 het volledig zonder elektronische hulpmiddelen moest doen. Het vette motorvermogen, de giftige remmen en de woeste acceleratie moesten geheel door de rijder worden geregeld. Alleen met een gevoelige gashand, fijne motoriek in de remvingers en een zeer sensibel zitvlak was de R1 bij voluit gaan te beheersen, waarbij aldus het kaf van het koren werd gescheiden. Lieden met een grove motoriek vlogen in hoge bogen – in goed Nederlands: dikke high-siders – door de lucht, gingen bij een te lompe greep in het remhendel onder hellingshoek op hun snufferd of hingen bij power-wheelies als een hulpeloze vlag aan het stuur.
Met de integratie van talloze sensoren en parameters proberen constructeurs nu de rijtoestand van de motor zo volledig mogelijk te registreren, om dan met geniale computerprogramma’s de aansturing zo te beïnvloeden dat de rijder sneller en/of veiliger onderweg is. Met de omschakeling van carburateurs op injectiesystemen vanaf het eind van de jaren 90 ontstond tevens de mogelijkheid om de vermogensafgifte van hoogvermogende motoren glad te strijken en bruikbaarder te maken. Met de zogenaamde dubbele gaskleppen (die in 2000 op de Suzuki GSX-R750 verschenen) werd al een eerste stap gezet naar ride-by-wire.

Bij het systeem met de dubbele gaskleppen bedient de rijder met een conventionele gaskabel de primaire gasklep; de daarboven geplaatste secundaire gaskleppen worden door een elektrische servomotor geopend en gesloten. Die servomotor wordt aangestuurd door een computer die op basis van een kenveld (met daarin parameters als gashendelstand/motorbelasting, toerental en ingeschakelde versnelling) de optimale vermogensafgifte met de secundaire gasklep vrijgeeft. Zo werd bijvoorbeeld de 161 pk sterke GSX-R1000 van 2001 niet alleen de sterkste, maar ook de best doseerbare, best gemanierde superbike van zijn tijd. Dit systeem is zeer lang (en nog) met succes toegepast.
Yamaha ging daarna een stap verder en liet op de YZF-R6 van 2006 de primaire gaskleppen door een servomotor aansturen; het tijdperk van volledige ride-by-wire was begonnen. Aanvankelijk nog met een mechanische veiligheidsconstructie, waarbij de gaskleppen met een gaskabel in elk geval gesloten konden worden. Bij de huidige motoren wordt echter volledig vertrouwd op een elektronisch gashendel, dat de commando’s van de rijder louter omzet in een elektronisch signaal voor de boordcomputer, die dan de opening van de gaskleppen bepaalt. Samen met de computergestuurde ontsteking wordt zo niet alleen het motorvermogen, maar ook de reactie op lastwisselingen, het verbruik en de samenstelling van het uitlaatgas beïnvloed. Vervolgens kwamen de eerste tractiecontrole-systemen, die voor een gelimiteerde bandslip zorgden. Was het aanvankelijk vooral een veiligheidssysteem voor het rijden op natte, gladde wegen met wisselende asfaltkwaliteit, al snel werden dankzij de ontwikkelingen in de racerij de systemen meer en meer een middel om iedereen bij het accelereren onder hellingshoek nog sneller te maken.

De huidige stand van zaken: door het kunnen registreren van de hellingshoek van de motor kan een mate van slip worden berekend waarbij je de motor enigszins dwars driftend de bocht uit kunt accelereren. Een balanceerkunststukje dat enkele jaren geleden was voorbehouden aan een select groepje hooggetalenteerde rijders. Hoe kan dat? Met de waarden die razendsnel worden berekend uit een hele verzameling parameters. Om te beginnen worden de toerentallen van voor- en achterwiel gemeten met de sensoren die ook al voor het ABS werden gebruikt. Aangezien de wieltoerentallen echter variëren met de hellingshoek (in bochten rij je op een kleinere banddiameter), moeten de contouren van voor- en achterband in de berekening worden meegenomen. Met een drie-assige gyroscoop, in feite een soort driedimensionale waterpas, registreert het systeem de hellingshoek van de motor en laat een dusdanige hoeveelheid bandslip toe dat de motor maximaal accelereert en daarbij nog stabiel op zijn lijn blijft. Bij een felle rijstijl, waarbij de rijder in de bocht veel gas geeft, drukt de dynamische aslast – die varieert onder invloed van gewichtsverplaatsing door acceleratie én door de hellingshoek – de achterband in veranderende mate tegen het asfalt. De veranderende wieldruk voor en achter door ofwel acceleratie, ofwel remmen, ofwel grote hellingshoeken is te meten door sensoren die de invering van voorvork en achterschokdemper meten. Bij de nieuwste ‘semi-actieve’ veersystemen (beter gezegd adaptieve dempingssystemen) zijn die sensoren sowieso voorhanden en deze kunnen daardoor de tractiecontrole en het motormanagement weer ondersteunen. Om de motor onder deze omstandigheden stabieler te maken, grijpt nu ook nog het semi-actieve veersysteem in. Het verhoogt de ingaande demping, met als gevolg dat de motor minder inzakt en dat de geometrie behouden blijft. Een belangrijk pluspunt als je volgas de bocht uit knalt en graag op je lijn wilt blijven.

Om dit alles te realiseren, moet de vermogensafgifte van het blok zeer nauwkeurig en snel kunnen worden geregeld. Wanneer de computer constateert dat het achterwiel teveel doordraait, moet de aandrijfkracht op het achterwiel in fracties van een seconde worden gereduceerd. Bij rechtuit rijden is tien procent slip toelaatbaar, onder grote helingshoeken in bochten wordt de slip tot ongeveer vier procent gelimiteerd. Daarbij heeft de rijder de keus uit verschillende rijmodi. In de race-modus krijg je de meest agressieve afstelling die veel slip toelaat; de regenmodus geeft de meest milde, meest tamme afstelling. In die regenmodus wordt meestal ook het topvermogen en het maximale koppel flink verminderd. Al dit terugschroeven van het vermogen wordt door de volgende maatregelen gedaan. De eerste trap (heel subtiel): de voorontsteking wordt verminderd. Tweede trap: de gaskleppen worden vertraagd geopend of geheel gesloten. Derde trap (ingrijpend): de ontsteking en/of injectie wordt op één of meerdere cilinders uitgeschakeld. Om een vloeiende overgang te geven, wordt er meestal een combinatie van de drie mogelijkheden gemaakt.
Het veranderen van het ontstekingstijdstip en het sluiten van de gaskleppen heeft echter slechts een relatief vertraagd ingrijpen tot gevolg. Bij een plotseling uitbreken moet er daarom vaak met pijlsnel uitschakelen van de ontsteking worden ingegrepen. Heel lastig wordt het wanneer het achterwiel op een extreem glibberige ondergrond al zo sterk doordraait, dat de roterende massa van het achterwiel niet meer snel genoeg kan worden gestopt en een val van paard en ruiter onvermijdelijk wordt. In deze situatie zit de volgende uitbreiding van het systeem er alweer aan te komen, waarbij de remmen worden ingeschakeld om het wieltoerental te verminderen. Dit is bij auto’s allang een veel toegepaste techniek voor stabiliteitssystemen. Niet zo gek, aangezien het ABS doorgaans al verbonden is met het motormanagement en het dus meer een kwestie is van de juiste software om het wieltoerental met remdruk aan te passen.
Zodra het achterwiel tijdens de volgas acceleratie weer grip krijgt, dan kan het vermogen weer omhoog. In deze fase kan de rijder volgas geven zonder gevaar van crashen, want nu luistert het motormanagement alleen nog maar naar de tractiecontrole, die niet meer dan het maximaal over te brengen vermogen vrijgeeft. Vanaf een bepaalde hellingshoek laat de computer dan weer het maximale vermogen toe. Als onze elektronische waterpas tenminste geen wheelie constateert. Zodra het voorwiel voorbij een bepaalde hellingshoek omhoogkomt, gaan de gaskleppen weer terug, wordt de ontsteking verlaat of worden er cilinders uitgeschakeld. Waardoor ook de acceleratie vanzelf richting het natuurkundig maximaal haalbare gaat, zonder dat de rijder zich hoeft te bekommeren om de juiste balans tussen gashendelstand en acceleratie.

Tijdens acceleratie heb je bij veel supersportmotoren al het gemak en de snelheid van een quickshifter. Als deze goed is uitgevoerd, zijn de overgangen tussen de versnellingen bijna naadloos. Daarbij kan je het gas vol open houden en hoef je ook de koppeling niet te bedienen. De truc is dat bij het bedienen van het schakelpedaal heel even het vermogen van de motor wordt onderbroken door het uitschakelen van de ontsteking. Deze 50 tot 100 milliseconden zijn genoeg om de tandwielen van de versnellingsbak te ontlasten en in de volgende versnelling te schuiven – als er tenminste niet toevallig net twee klauwen tegen elkaar botsen, in plaats van in elkaar te grijpen. Daarvoor wordt bij de meer geraffineerde systemen een tussenvonk gegeven, zodat er een superkorte toerentalwijziging plaatsvindt.
BMW, dat bij de eerdere modellen met quickshifters nog zeker niet het meest soepele systeem had, heeft de zaak inmiddels een stuk beter voor elkaar en gaat nu zelfs nog een stap verder door ook het terugschakelen zonder koppeling mogelijk te maken. De sensor op het schakelpedaal zorgt ervoor dat het blok bij terugschakelen automatisch een klein stootje tussengas geeft, wat wederom de bak ontlast en schakelen mogelijk maakt. Met de geheel elektronisch gestuurde gaskleppen wordt ook de zogenaamde back-torque limiter (remkoppelbegrenzer) op de koppeling langzamerhand overbodig. Het verminderen van de remwerking van het blok wordt nu in toenemende mate gedaan door het motormanagement. Afhankelijk van toerental en ingeschakelde versnelling worden de gaskleppen ietsje geopend en wordt de remwerking van het blok verminderd tot precies de gewenste mate. Daarmee wordt het blokkeren en stuiteren van het achterwiel volledig voorkomen. Omdat het geheel programmeerbaar is, werkt dit in potentie veel beter en consistenter dan een doorslippende koppeling, die door hitte en slijtage zich gedurende een race vaak anders gaat gedragen. Dit was zeker in de beginperiode van de MotoGP-viertakten een serieus probleem tegen het einde van de race. Of je de trend van steeds meer elektronische regelingen en ontelbare sensoren en boordcomputers nou goed vindt of niet, deze ontwikkeling zal zich bij een groot deel van de moderne motoren in rap tempo doorzetten. In de autowereld stikt het al van de automatische snufjes en daarvan zullen sommige ook naar de motorwereld doorsijpelen. Wegdekscanners en afstandscontrole bijvoorbeeld, maar wat te denken van een hellingshoekwaarschuwing – er gaat nog wat op ons af komen. Alleen automatisch inparkeren waarschijnlijk niet….