Techniek tweecilinders
KTM heeft hun V2-motorblok van de 1390 Superduke niet alleen van meer cilinderinhoud voorzien, maar ook van een nokkenas met omschakel-techniek. In het vorige nummer was de eerste test al te lezen, dit keer duiken we dieper in deze KTM Cam Shift. Die naam is een subtiele verwijzing naar BMW’s Shift Cam, waarmee de Duitsers enkele jaren geleden al een identieke concept introduceerden. Het idee is dat er twee nokprofielen op de inlaatnokkenas zitten, waartussen wordt gewisseld afhankelijk van de belasting en het toerental.
Lees dit hele artikel inclusief de foto’s in ons digimagazine
Nokverschuiving en verschuifnok – ongeveer zo laten zich de benamingen ‘Cam Shift’ van KTM en ‘Shift Cam’ van BMW vertalen in het Nederlands. De eerste term beschrijft het proces, de tweede noemt het onderdeel bij naam, die dit proces mogelijk maakt. In beide gevallen gaat het om de toepassing van verschillende nokprofielen op de nokkenas van een viertaktmotor. Dit nokprofiel is voor een groot deel verantwoordelijk voor het karakter van een motorblok: een laag en breed nokprofiel zorgt dat er bij lage en midden-toerentallen lekker veel trekkracht wordt geproduceerd, terwijl een hoge, spitse nok juist bij hoge toerentallen voor een goede cilindervulling en daarmee een hoog topvermogen zorgt. Het ideaal zou dus een combinatie van deze twee zijn, en dat is precies wat er met deze techniek nagestreefd wordt. Maar Helfried Sorger en Michael Viertlmayr van de KTM ontwikkelingsafdeling maken ons meteen duidelijk dat de toepassing van de schakelnoktechniek anno 2024 ook bij het rendement en de uitlaatgaskwaliteit een steeds belangrijkere rol spelen. De verschillende nokprofielen dragen namelijk ook bij tot minimalisatie van benzineverbruik en de uitstoot van schadelijke stoffen.
Bij de 1250- en 1300cc-boxermotoren van BMW wordt er strikt genomen zelfs met drie verschillende inlaatnokprofielen gewerkt. Bij hele lage toerentallen wordt één van de twee inlaatkleppen namelijk nog maar nauwelijks geopend, om een wervelende parallelstroming te verkrijgen die het grootste deel van de door de andere klep binnenstromende mengsel nog beter ‘door elkaar roert’. Zo wordt het relatief arme benzine-lucht-mengsel goed gemixed en naar de voor een optimale verbranding gunstigste plek in de verbrandingskamer gedirigeerd.
Er is slechts een korte blik op de kengetallen van de nieuwe 1.349 cc KTM V-twin – met zijn maximum vermogen van 190 pk bij 10.000 tpm en maximum koppel van 145 Nm bij 8.000 tpm – nodig, om te begrijpen, dat de ene tweecilinder de andere niet is: de Oostenrijkse V-twin heeft duidelijk een andere karakteristiek dan de Beierse boxer. Die laatste levert in zijn nieuwste uitvoering met 1.300 cc cilinderinhoud 145 pk bij 7.750 tpm en 149 Nm bij 6.500 tpm.
De nokprofielen van de KTM zijn dus behoorlijk anders, maar de ‘hardware’ van de schakelnoktechniek, dus de elektromagnetisch gestuurde actuatoren en de schuifstukken vertonen toch heel veel overeenkomsten met de BMW-oplossing. Al is daarmee echter slechts een klein deel van het totale ontwikkelingswerk beschreven. Bij de KTM V-twin, die met duidelijk hogere toerentallen werkt, horen bijvoorbeeld twee enorme gaskleppen met een doorlaat van 60 mm, en ook een relatief korte slag van de krukas (71 mm). Deze waarde is identiek met die van de 1.290-voorganger, de extra 48 cc worden uit een twee millimeter grotere boring gehaald. Ook de klepdiameters zijn met 42 en 34 mm voor in- en uitlaatkleppen gelijk gebleven. En tot onze grote verbazing zijn ze – in tegenstelling wat je zou verwachten – zelfs kleiner dan de kleppen van de nieuwe bij de BMW-boxer! Dat is dus andermaal een teken dat het bij de moderne motorconstructies vooral aankomt op de juiste afstemming van het geheel, en niet om met alle belangrijke parameters het extreme op te zoeken.
Zoals bij moderne motoren bijna normaal, is de KTM-compressie met 13,2 op 1 natuurlijk imposant hoog. Dat levert een hogere efficiëntie op, maar heeft als nadeel een sterkere mechanische belasting van zuiger, pistonpen, drijfstang en krukas, met de bijbehorende lagers. Niet te vergeten is daarbij ook benzine met een hoger octaangetal nodig, want op een gegeven moment kun je deze behoefte niet meer volledig compenseren met een geoptimaliseerde vorm van de verbrandingskamer en de mapping van ontsteking en injectie.
Over de nokkenassen en hun profielen moeten we vermelden dat we het kleppendiagram, dat is te zien op pagina 80-81 zelf hebben opgemeten, en de absolute waardes voor kleplichthoogte en krukasgraden dus niet 100% nauwkeurig zullen zijn en zijn afgerond. Wel zijn de waardes precies genoeg om te laten zien dat er grote verschillen bestaan tussen de KTM en de BMW.
Bij het nokprofiel dat zorgt voor het koppel bij lage toerentallen gaat KTM voor een 51° grotere openingshoek en circa 5,5 mm meer kleplichthoogte dan de ‘hoofdklep’ van de BMW. En bij de ‘vermogensnokken’ blijven de inlaatkleppen van de KTM V2 ongeveer 13° langer open en hebben ze ook nog 0,8 mm meer lift dan die van de BMW-motor. Bij de uitlaatkleppen zijn deze verhoudingen identiek.
De slepers van de inlaatkleppen zijn bij de 1390-KTM ten opzichte van de 1290-motor van de Super Duke drie gram lichter geworden zijn. Bij de uitlaatkleppen veranderden ze niet. Als je de bijbehorende foto bekijkt, zie je de reden voor die gewichtsafname: het blijkt een welkom neveneffect van de schakelnoktechniek: om in een korte verschuif-afstand voldoende ruimte voor beide nokprofielen te scheppen, werden de nokken zo smal mogelijk gemaakt en zijn ook de slepers dienovereenkomstig in de breedte gereduceerd. Bij de uitlaatnokkenassen met een vast profiel was dit niet nodig. En daaruit kunnen we opmaken dat de gewichtsbesparing vanwege het maximum toerental alleen niet nodig was. Een DLC-coating van de slepers behoort in de moderne motorbouw inmiddels tot de standaard.
In vergelijking met zijn voorganger zijn de klepstelen van de 1390 ook korter: 100 ipv 103 mm. Deze schijnbaar onbetekenende maatregel laat zien dat de schakelnoktechniek toch een geheel nieuwe constructie van de cilinderkop nodig maakte. Weliswaar bleven de in- en uitlaatkanalen en de klephoek gelijk, in de hoogte moest er binnenin toch meer ruimte voor de nieuwe ‘schakeltechniek’ geschapen worden, zonder de buitenmaten van de motor echt te vergroten. In het kleppendiagram kun je aan de kleplichthoogte ook zien dat het omschakelproces van de ene naar de andere nok precies binnen de basiscirkel moet gebeuren, als de kleppen dus niet bediend worden en een fractie van een seconde hun ‘klepspeling’ hebben. Hier wijkt de KTM ook af van de tweede BMW-schakelnokmotor, de lijnviercilinder van de S1000RR. Bij deze verlopen de curven van de kleplichthoogte van de beide inlaatnokken tot 7 mm kleplichthoogte identiek en het omschakelproces wordt voltooid bij reeds geopende kleppen. De reden daarvoor is dat die viercilinder van BMW omschakelt bij circa 9.000 tpm, terwijl de KTM V-twin omschakelt bij circa 6.500 tpm. Bij de tweecilinder is er dus gewoon meer tijd voor dit proces en kan het dus afgerond worden terwijl de kleppen nog helemaal gesloten zijn. Waarbij het ‘circa’ bij het toerental niets te maken heeft met het exacte toerental, maar omdat het omschakelen van de ene naar de andere nok bij volle acceleratie of juist bij hard afremmen op de motor gewoon enige tijd kost, en er dan ook al wel een paar honderd toeren verschil kan zijn met het moment waarop de omschakeling werd ingezet.
En hierbij is een terugblik op het bezoek aan zuigerfabrikant Elko König in MotoPlus 24/2023 op zijn plek. Daarin werd immers beschreven in het Oostenrijkse Rankweil zuigers voor moderne motorfietsblokken worden geproduceerd. In de loop der jaren zijn de zuigerveren immers steeds smaller geworden, wat tot een hogere vlaktedruk bij gelijke ringspanning – en daarmee dus tot een betere afdichting tegen de cilinderwand – heeft geleid. Maar je kunt dit ook omdraaien: een gelijkblijvende afdichting bij minder ringspanning. Oftewel: de zuigerveren drukken minder hard tegen de cilinderwand en dit reduceert de inwendige wrijving van de motor substantieel. Het precieze ‘steken’ van de smalle zuigerveer-groeven in een zuiger is productietechnisch echter een grote uitdaging. Bij navraag noemden de techneuten bij König een ringgroef van slechts 0,8 mm hoogte als smalste in een door hun geproduceerde zuiger. En KTM was volgens Elko König het merk dat deze techniek van racemotoren gebruikte op zuigers voor normale straatmotoren, en zo komen we dus weer bij de nieuwe 1390-V2: want in dit model zitten deze genoemde zuigers dus.
Ondanks dat de boring met 2 mm vergroot werd en ook de belasting door het gestegen vermogen is toegenomen, weegt deze nieuwe zuiger inclusief pistonpen, borgveertjes en zuigerveren slechts 20 gram meer dan de zuiger van de 1290-motor. En de groeven voor de zuigerveren zijn inderdaad slechts 0,8 mm smal!
De onderkant van de zuiger is eigenlijk spannender dan de bovenkant. Bovenop de zuiger zie je enkel de normale uitsparingen voor de kleppen, met ertussen, waar de zuiger het heetst wordt, een lichte verdikking zodat de zuiger daar niet doorsmelt. Aan de onderkant van de zuiger zien we echter een complex geribde naaf, die in veel bewerkingsstappen op maximale stabiliteit bij een zo laag mogelijk gewicht is getrimd. De dwars op de pistonpen staande verstevigingsribben zijn aan de onderkant afgefreesd en de ontstane gaten zijn in minstens twee bewerkingsstappen uitgefreesd. De boringen van de pistonpen zijn ook niet gewoon cilindrisch maar hoogovaal of trompetvormig om doorbuiging hiervan in het bovenste en onderste dode punt bij volle belasting te compenseren.
Tijdens ons bezoek aan de KTM-fabriek kregen we ook even een ‘sneak-peak’ in het nieuwe R&D van KTM, waar tegenwoordig de testbanken een hoofdrol spelen. Zoals de akoestiektestbank in een volledig geluids-geïsoleerde ruimte. De isolatie maakt het makkelijker om geluidsbronnen van een ‘rijdende’ motorfiets op te speuren en te isoleren. Bekender zijn natuurlijk de pure rollenbanken, waarop dan niet alleen de koppel- en vermogenscurven bij vollast bepaald worden, maar ook de deellastcurven en/of de reactie op het gasgeven. En uitzonderlijk is een nieuw type testbank waar een motorfiets opgezet wordt, voorzien van een ‘rijrobot’. Dit metaalskelet rijdt computergestuurd en hoeft niet elke paar uur af te stappen voor een bak koffie of een plaspauze. Ze voeren er continue testen met een bepaald belastingprofiel mee uit tot wel 150 uur achtereen. De robot rijdt daarbij volautomatisch: hij geeft gas, remt, koppelt, schakelt en accelereert. Soms rijdt hij rustig als in het stadsverkeer, een volgend moment hard alsof hij op een circuit bezig is en zo worden er tienduizenden kilometers afgelegd. Met een groot aantal sensoren worden per datalogger krachten, drukken en temperaturen geregistreerd en op een vooraf vastgesteld kilometrage omgerekend. Voor de wegmodellen hanteert men daarbij een kilometrage van tenminste 100.000 km. Redt een nieuwe ontwikkeling zo’n duurloop niet zonder defecten, dan weten de ontwikkelingstechnici dat er nog werk aan de winkel is en er wat verbeterd moet worden.
Zo blijft er tot slot nog één prangende vraag rond de nieuwe KTM 1390 over: waarom doet KTM zoveel moeite met een relatief omslachtig te produceren en dus duur V-twin-motorblok V2? Ze hebben immers ook een prima tweecilinder-lijnmotor in huis, die we in de 790, 890 en in de toekomst ook in de 950-modellen aantreffen. Die daarbij ook nog eens in de massa gemaakt wordt en we inmiddels ook in modellen van Husqvarna en CFMoto aantreffen. Maar die vraag stellen is hem ook beantwoorden: KTM heeft inmiddels een lange V-twin-historie die zelfs teruggaat naar 1992, toen ze een eerste V2 tentoonstelden op hun IFMA-stand in Keulen. Later kwamen daar de ruige V2-rallymotoren bij voor de Dakar, gevolgd door de eerste 950 Adventure productiemotor in 2003. Die historie koesteren ze en bovendien zien ze er ook functionele voordelen in. De V2 levert namelijk een bijzonder compacte en prima uitgebalanceerde krachtbron op, die zijn trekkracht over een breed toerenbereik levert. Dat laatste vind men bij KTM van groot belang: de hypernaked-concurrenten van de 1390 Super Duke zijn vrijwel altijd afgeleid van supersportmotoren en die hebben over het algemeen veel minder punch bij lage toerentallen. Juist op dat gebied is de KTM spekkoper, zeker nu met de truc met de wisselende inlaat-nokprofielen ook is doorgedrongen tot hun beresterke 1.349 cc V-twin-motorblok.
