artikel

Oog voor techniek: Knappe kleppen

Techniek Premium 3295

Op het jongste Wiener Motoren Symposium toonde het Duitse Rheinmetall Automotive een slim mechanisch systeem dat de inlaatkleppen gesloten kan houden, maximaal kan openen of alles ertussenin. De Britse motorontwikkelaar Cosworth gebruikt het systeem om betaalbare Chinese benzinemotoren net zo zuinig te maken als dure diesels met hun emissierompslomp. Hoe doet Cosworth dat? Hoe werkt dat volvariabele klepbedieningssysteem? En lijkt dat niet een beetje (veel) op Valvetronic van BMW?

Zuinige motoren voor China

Volledig variabele sturing van de lichthoogte van de inlaatkleppen biedt grote voordelen op ottomotoren. Belangrijk voordeel: het kan de gasklep overbodig maken en daarmee pompverliezen bij lage belasting reduceren.  Dat doet BMW al jaren met zijn Valvetronic-systeem. In 2011 toonde Kolbenschmidt-Pierburg een eigen systeem onder de naam Univalve. Inmiddels is dat systeem productierijp en heet nu UpValve, terwijl Kolbenschmidt-Pierburg inmiddels Rheinmetall Automotive heet.

Samen met het Hua-Chuang Automobile Information Technical Information Center (Haitec) en de China Engine Corporation (CEC) werkt het Britse Cosworth aan een benzinemotor voor de Chinese markt die het verbruik van een dieselmotor moet evenaren. De partners concentreren zich op de optimalisatie van de olie- en koelvloeistofkringloop én op het minimaliseren van pompverliezen. Voor dat laatste kozen ze UpValve.

Eindeloze mogelijkheden

Beide inlaatkleppen gesloten houden voor cilinderuitschakeling? Check! Traploos van een kleine klepopening bij lage belasting tot de volle kleplift? Check! Maar iedere klep heeft zijn eigen nok op de regelas, dus één klep dicht, of minder ver open dan de ander voor meer swirl, bij lage belasting en toerental en allebei maximaal open bij hoger toerental en vol gas? Alweer check!

Verschil met Valvetronic

Leuk, zo’n volvariabel klepliftsysteem, maar het BMW-Valvetronic-systeem kennen we toch al jaren. Is dat niet vergelijkbaar? Klopt, weten ze bij Rheinmetall, maar dit systeem biedt wel wat voordeeltjes.

Kijk maar eens naar de regelas. Dat is een binnenexcentrische as. De diameter van de nokken is kleiner dan die van de as. Zo’n as kun je door de lagers schuiven. Opgeschroefde lagerkappen zijn dus niet nodig, wel zo makkelijk bij de montage. Daarnaast zijn alle draaiende delen naaldgelagerd, dus blijft de wrijving beperkt. En de hele constructie is buitengewoon stijf, een voorwaarde voor nauwkeurige klepbediening. Verder maakt hefboom H een kiepbeweging wat de massakrachten beperkt. Zo kan het systeem toerentallen tot 8.000 rpm aan. Ten slotte was voor Cosworth van groot belang dat de inlaatnokkenas maar een klein stukje naar buiten hoeft. Een UpValve-cilinderkop is dus nauwelijks afwijkend van een reguliere cilinderkop.

Hoe werkt UpValve?

Hoe maakt UpValve de kleplift traploos variabel? Antwoord in één zin: door verplaatsing van het draaipunt van de hefboom (H). Nog niet helemaal duidelijk?

Okee, dan nu de uitgebreide uitleg: Tussen de nokkenas (N) en de roltuimelaar (R) is een hefboom (H) geplaatst. De positie van hefboom H wordt bepaald door de rolnokvolger (RN) die tegen nokkenas N aan ligt en door de regelasrolvolger (RS) die tegen de geleider (K) en de regelas (S) ligt. Roltuimelaar R krijgt hulp van een veer (niet getekend, maar zie foto’s) om hefboom H netjes tegen K en S aangedrukt te houden. Let op de vorm van het werkoppervlak (A). Aan de rechterzijde wordt dat gevormd door een cirkelsegment om het hart van regelasrolvolger RS. Dat hart is het draaipunt waaromheen nokkenas N hefboom H laat scharnieren.

In de tekeningetjes (a) en (c) is de excenter op regelas S weggedraaid van regelasrolvolger RS. Daardoor komt roltuimelaar R alleen in aanraking met dat cirkelsegment op werkoppervlak A. Het gevolg: de stand van nokkenas N heeft geen invloed op de afstand tussen RS en R. Dus komt roltuimelaar R niet in beweging en blijft de inlaatklep, die R bedient, dicht.

In tekening (d) wordt regelas S verdraaid. RS verplaatst zich over het oppervlak van geleider K in de richting van nokkenas N. Daarmee verplaatst het draaipunt waaromheen hefboom H scharniert zich richting nokkenas N. Daardoor is de stand van hefboom H nu meer rechtop en komt het linkerdeel van werkoppervlak A in aanraking met roltuimelaar R. Tekeningen (b) en (e) geven de situatie weer van maximale lift.

En de uitlaatkleppen?

Een borstelloze actuator met wormwiel (A) verdraait de regelas. Die wordt aangestuurd door de VCU, de Valve Control Unit. Dankzij een hall sensor (H)en een magneetje (S) kent die de positie van de regelas. De motor-ECU communiceert de gewenste kleplift via de CAN-bus naar de VCU. Bij de Chinese Cosworth-toepassing is dit geheel in de cilinderkop geïntegreerd. Maar deze tekening laat zien dat deze inlaatklepbediening ook in een versterkt kleppendeksel geïntegreerd zou kunnen worden.

Overigens ziet Rheinmetall niet alleen mogelijkheden voor dit systeem op de inlaatzijde. “Er is een groeiende belangstelling voor variabele klepliftsystemen op de uitlaatkleppen. Die kunnen helpen bij het verminderen van restgas, bij cilinderuitschakelsystemen en bij slimme drukvullingsystemen.”

Reageer op dit artikel