Klepdicht!

Tijdens de inlaatslag zorgt de naar beneden bewegende zuiger dat de cilinder zich vult met mengsel. Hierbij staat de inlaatklep open zodat het vers mengsel via het het inlaatkanaal kan binnenstromen. Dan volgen de compressieslag en de arbeidsslag. Daarbij moeten zowel de in- als de uitlaatklep(pen) dicht blijven en goed afsluiten, om te zorgen dat de motor compressie kan opbouwen en dat de druk van de verbranding vervolgens nuttig gebruikt wordt. Ten slotte volgt de uitlaatslag waarbij de uitlaatklep zich opent om het verbrande mengsel naar de uitlaat te voeren. Weet wel dat de kleppen niet zomaar ergens in het in- of uitlaatkanaal zitten, want dan moet er ook in een stuk in- of uitlaatkanaal druk worden opgebouwd. De kleppen moeten helemaal aan het uiteinde van de kanalen zitten, als het ware in het ‘dak’ van de verbrandingskamer. 

Vormgeving

De plaats van de klep bepaalt de vorm. Een klep heeft een schotel met daarop een lange steel, waarmee de schotel ‘op afstand’ wordt bediend. De schotel heeft een klein schuin kantje op de rand. Waar de klepschotel de kop raakt - de zitting - zit eveneens een schuin kantje, dat in exact dezelfde hoek is gesneden met een hoge nauwkeurigheid. Bij een revisie wordt de klep zelfs met slijppasta op de zitting rondgedraaid zodat een perfect pasvlak ontstaat. Uiteraard moet de klep dan wel exact op die plek terecht komen, wanneer deze dicht gaat. Daarom loopt de klepsteel in een nauwkeurig geboorde schacht die in de cilinderkop is geplaatst. Op deze zogenaamde ‘klepgeleider’ zit een rubber afdichting, die voorkomt dat er olie langs de klepsteel in de verbrandingskamer terecht komt.

Bij de meeste motoren worden de kleppen door een schroefveer dichtgetrokken. Deze klepveer is in de kop over de klepsteel geplaatst. Op de veer zit een schotel met een conisch (schuin) gat. Daarin zitten twee spietjes met een ribbel aan de binnenkant. De ribbel valt in een groef op de top van de klepsteel. Door de veerkracht en de schuine vorm worden de spietjes vast tegen de klepsteel geduwd, de ribbels tillen de klepsteel omhoog zodat de klep wordt dichtgetrokken.

Nokkenas

Om de kleppen te openen, moeten de klepstelen op de één of andere manier tegen de veerdruk in worden bewogen. Dat is de taak van de nokkenas. Dat is een as met uitstulpingen die de kleppen rechtstreeks of via een mechanisme op het juiste moment open drukken. Vroeger gebeurde dit bij de zogenaamde ‘laagliggende’ nokkenassen via een glijbus (de nokvolger) en een lange stoterstang naar de kleppen. Die zaten vaak naast de cilinders in het cilinderblok, zodat ze direct door de stoterstang konden worden bediend. Dat betekende echter wel dat er van de klep nog een lang kanaal door de kop van en naar de verbrandingskamer liep. Dat maakte het moeilijk om een goede compressie te bereiken, het was ook slecht voor het verbrandingsverloop en het betekende tevens dat er bij de uitlaatslag veel restgas achterbleef. Daarom worden de kleppen al decennia lang rechtop bovenin de kop gezet. Daarvoor moest de beweging van de stoterstangen wel worden omgedraaid en verplaatst. Dat gebeurde met een soort wip, die op de kop was gemonteerd. Deze wip, de “tuimelaar”, had vaak een schroef met contramoer boven de stoterstang, zodat de klepspeling exact kon worden afgesteld. Die klepspeling zorgt dat de klep altijd goed dicht kan, ook als de klepsteel door de hitte uitzet. Zoniet zou de cilinder compressie verliezen en kan de klep zijn warmte niet kwijt, waardoor ze verbrandt.

(D)OHC

Het nadeel van een onderliggende nokkenas is, dat er veel bewegende onderdelen tussen de nokkenas en de klep zitten. Alle contactvlakken en scharnierpunten leveren wrijvingsverliezen op. Bovendien moet het gewicht van die onderdelen elke keer weer worden versneld en vertraagd. Dat kost energie, terwijl de traagheid van al die delen het maximum toerental beperkt. Dat probleem is op te lossen door de nokkenas eveneens bovenin de kop te plaatsen, men spreekt dan van een OverHead Camshaft (OHC). Daarvoor zijn meerdere manieren. Een veelgebruikte oplossing is om de nokkenas in het midden van de kop te zetten en de kleppen ook weer via tuimelaars te bedienen. Honda heeft nog een ander ‘unicam’-systeem, waarbij ze een nokkenas direct boven de inlaatkleppen zet. De nokvolgers zijn dan als emmertjes of ‘buckets’ ondersteboven op de klepveren gezet. Ze glijden in boringen in de kop. Tussen de nokvolgers en de klepstelen zijn klepstelplaatjes geplaatst. De uitlaatkleppen worden bij dit systeem nog wel bediend via tuimelaars. De meeste merken kiezen er echter voor om boven de uitlaatkleppen een tweede nokkenas te zetten. Het voordeel van dit ‘Double OverHead Camshaft’-systeem (DOHC) is dat er weinig bewegende delen zijn en dat er dus hoge toerentallen mogelijk zijn.

Sleeptuimelaars

Het nadeel van een DOHC-systeem met buckets is dat de buckets door de draaiende as tegen de boring worden gedrukt, wat dan weer wrijvingsverliezen geeft. Sommige fabrikanten lossen dit op door geen nokvolgers te gebruiken, maar scharnierende ‘slepers’ tussen de klepsteel en de nokkenas te plaatsen. Dat doet BMW onder meer met de nieuwe F850. De klepstelplaatjes zitten nu in het uiteinde van de slepers. Het voordeel is dat er minder gewicht is. Net als bij het systeem met nokvolgers is het echter veel werk om kleppen te stellen, omdat de nokkenassen hiervoor gedemonteerd moeten worden. Andere fabrikanten gebruiken daarom toch een systeem met tuimelaars, die zijn voorzien van stelschroefjes. Tegenwoordig worden er vaak rollen op die tuimelaars gezet. Die rollen over de nokkenas en dat geeft weer minder wrijvingsverliezen dan glijdende tuimelaars. Verder worden er in de autotechniek ook wel tuimelaars gebruikt die aan één kant op een hydraulisch zuigertje rusten. Zo kan de klepspeling automatisch worden gesteld. In de motorfietstechniek is dat onderhoudsarme regelsysteem helaas zeldzaam. Harley-Davidson is een van de weinige fabrikanten die het gebruikt, verder gebruikt Honda het op enkele modellen.

Desmodromisch

Er is één merk dat het helemaal anders doet als het om klepbediening gaat: Ducati. Het Italiaanse merk gebruikt een ‘desmodromische’ klepbediening om twee van de grootste minpunten van conventionele klepbedieningen tegen te gaan. Dat zijn aandrijfverliezen en klepzweving. Bij conventionele klepbediening zorgen de klepveren dat de kleppen sluiten. Gebeurt dat niet snel genoeg, dan blijven ze te lang open staan. Ze blijven ‘zweven’. Wil je hoge toerentallen draaien, dan zul je dus sterke klepveren moeten gebruiken. Dat betekent echter dat het meer kracht en wrijvingsverliezen kost om ze te openen. Ducati lost dit op door een bovenliggende nokkenas te gebruiken met twee nokken en twee tuimelaars voor elke klep: één om de klep te openen en één om de klep te sluiten. Omdat de sluit-tuimelaar de klep nooit helemaal dicht kan trekken is er een hele zwakke klepveer geplaatst, die de klep bij het starten sluit. Bij hogere toerentallen doen de massatraagheid en de compressie dat.