Tweecilinders

Wanneer je kijkt naar het motornieuws voor 2018, is het opvallend om te zien dat vooral de tweecilinder lijnmotor aan populariteit wint. KTM heeft een nieuwe LC8 met 790cc, Norton komt met een tweecilinder, Yamaha vervangt de eencilinder Ténéré door een tweecilinder en ook de V-Strom 250, de Kawasaki Ninja 400, zelfs de nieuwe Enfields 650… het zijn allemaal tweecilinder lijnmotoren. 

Ten opzichte van een eencilinder zijn die twins uiteraard duurder om te maken, want het blok moet twee boringen hebben, je hebt tweemaal zoveel zuigers, drijfstangen en kruktappen nodig en er gaan doorgaans geen vier, maar acht kleppen in. Maar dat is natuurlijk nog maar de helft van wat je voor een viercilinder lijnmotor nodig hebt en dat verklaart waarom de tweecilinder aanzien wordt als de gulden middenweg. Er zijn overigens nog andere voordelen. Zo bouwt een tweecilinder half zo breed als een viercilinder en ook het gewicht is lager. En hij loopt veel soepeler dan een eencilinder. Je hebt immers tweemaal zoveel verbrandingsklappen en die klappen zijn - bij dezelfde totale cilinderinhoud - kleiner. Een tweecilinder trekt daardoor vooral soepeler van onderuit.  Een ander voordeel is dat er hogere toerentallen mogelijk zijn. Het maximum toerental is namelijk voornamelijk afhankelijk van de maximaal mogelijke, gemiddelde zuigersnelheid, waarde die rond de 24 m/s ligt. De cilinderinhoud over twee cilinders verdelen betekent een kleinere boring en een kleinere slag. Een kleinere slag betekent dat je meer toeren kunt draaien voordat die kritische zuigersnelheid wordt bereikt. En meer toeren betekent meer vermogen… Soms is het allemaal niet zo moeilijk. 

180° twin

Hoe soepel een tweecilindermotor draait, hangt voor een groot deel af van de manier waarop de krukas is gemaakt. Daar zijn meerdere mogelijkheden voor. Eén daarvan is dat de kruktappen 180° ten opzichte van elkaar verdraaid staan. De kruktappen staan dan dus recht tegenover elkaar, waardoor de zuigers om beurten omhoog of omlaag bewegen, tegen elkaar in dus. Een dergelijke constructie geeft een onregelmatige ontstekingsvolgorde. Aangezien elke cilinder elke twee omwentelingen vonkt – dus elke 720°–  en de ene een halve slag na de andere vonkt (180°), ontstaat er een afwisselend vonkinterval van 180°-540°-180°-540° enz. Het zal je niet verbazen dat zo’n motor een ‘180° Twin’ wordt genoemd.

De stand van de krukas heeft overigens ook gevolgen voor de onbalans van de motor. De onbalanskrachten, die beide zuigers veroorzaken, werken tegen elkaar in en heffen elkaar dus min of meer op. In theorie zou je dus geen contragewichten op de krukas en geen balansassen nodig hebben. Er is echter nog een ander effect. Doordat de cilinders naast elkaar zitten, veroorzaakt de onbalans van elke zuiger een hefboomwerking ten opzichte van het hart van de motor. Die krachten geven dus steeds een draaiend moment dwars op de draairichting van de krukas, waardoor de motor gaat wiebelen. Daarom hebben dit soort motoren vaak toch een primaire balansas. Verder is het zo dat de secundaire onbalans – dat is de onbalans die ontstaat doordat de drijfstangen bij het draaien van de krukas scheef en weer recht gaan staan – nog steeds in gelijke richting werken. Ze zorgen dus nog steeds voor onbalans.

Paralleltwin

Vaak wordt een tweecilinder lijnmotor een paralleltwin genoemd, omdat de cilinders parallel aan elkaar staan. Puristen zijn het hier niet mee eens. Volgens hen is een twin pas de naam ‘paralleltwin’ waardig als de kruktappen parallel staan. Dan bewegen de zuigers tegelijkertijd omhoog en omlaag. Dat geeft natuurlijk wel een balansprobleem, want de primaire onbalanskrachten werken dan in dezelfde richting, eigenlijk alsof het een grote eencilinder is. En dus is er een krukas met veel contragewichten èn een balansas nodig, hoewel er ook andere oplossingen mogelijk zijn. BMW gebruikte op de F800 bijvoorbeeld een extra kruktap met een naar beneden gerichte, korte drijfstang, die een aan een hefboom verbonden gewicht bedient. Dit zorgt voor een primaire en secundaire onbalans die tegengesteld is aan die van de zuigers. 

Een groot voordeel van een paralleltwin is, dat de ontstekingsvolgorde regelmatig is. Je kunt immers netjes elke 360° een cilinder laten vonken. Toch werd er vroeger in de cross soms voor gekozen om de cilinders samen te laten vonken, een dubbele klap die elke 720° plaats vindt. Een ‘Big Bang’ dus. De grote klap zorgt even voor een grotere belasting van de achterband, die daardoor eerder wat zal doorslippen. Na het hervinden van de grip zal de band echter gedurende langere periode zijn grip behouden. Het netto resultaat van die ‘big bang’ is dat de motor in het losse zand toch beter te controleren is dan bij een 360° interval.

Twin met verzette kruktappen

Tussen de 180°-twin en de paralleltwin is nog een tussenweg: een tweecilinder waarvan de kruktappen 90° ten opzichte van elkaar verdraaid zijn. Dat principe past Honda bijvoorbeeld toe in de NC750 serie. Zo’n krukas heeft een aantal opmerkelijke effecten. Allereerst de primaire onbalans: omdat de zuigers 90° in fase verschillen, ijlt ook de primaire onbalans na. Dat betekent dat ze elkaars onbalans op sommige momenten versterken, terwijl ze elkaar in andere momenten afzwakken. Die onbalanskrachten kunnen dus het beste gebalanceerd worden door ze als twee afzonderlijke eencilinders te zien. Er moet dus een primaire balansas komen, waarvan de gewichten ook 90° ten opzichte van elkaar verschoven zijn. Het wordt echter pas echt interessant als je naar de secundaire onbalans kijkt. Omdat die bij elke cilinder tweemaal per krukasomwenteling van richting verandert en de fases van de twee cilinders nu 90° verschoven zijn, heffen ze elkaar op. Dan de ontstekingsvolgorde: met 90° verzette kruktappen krijgt een paralleltwin hetzelfde ontstekingsinterval als een 90° V-twin, dus beurtelings 270° en 450°. De motor klinkt daardoor ook als een V-twin en dat wordt door veel mensen als prettig ervaren. Vanwege het vonkinterval wordt zo’n motor meestal een twin met 270° krukas genoemd.

V-Twins en Boxers.

Bij tweecilinder lijnmotoren werken de onbalanskrachten in dezelfde richting, maar er zijn meer mogelijkheden om tweecilindermotoren te ontwerpen. Een populaire manier is om ze in een hoek van 90° op elkaar te zetten. Dan staan de onbalanskrachten van de twee zuigers ook haaks op elkaar. Je hebt dan dus geen primaire balansas meer nodig, want je kunt nu het gewicht van elke zuiger voor 100% compenseren met het contragewicht op de krukas. Is de eerste, verticale zuiger halverwege zijn slag, dan geeft het contragewicht wel een grote onbalans in horizontale richting. Maar de tweede zuiger geeft op dat moment ook een onbalans, precies even groot en in tegenovergestelde richting. Die onbalanskrachten heffen elkaar dan op, en dat gebeurt in alle standen van de krukas. Dat geldt natuurlijk niet voor de secundaire onbalans. De fases daarvan zijn net als bij een paralleltwin met 270° krukas 90° verschoven, maar ze werken niet in dezelfde richting en heffen elkaar niet op. Dat kan alleen als de blokhoek 180° is. Is dat het geval, dan heb je het over een boxermotor. Daarbij bewegen de zuigers lijnrecht tegen elkaar in en worden dus zowel de primaire als de secundaire balanskrachten perfect geneutraliseerd, zodat je geen enkele balansas nodig hebt.

Welke hoek kiezen?

Vaak kiezen constructeurs van V-twin motoren vanwege de gewenste compacte bouw voor een constructie waarbij de blokhoek van de V-motor minder is dan 90°. De Honda Transalp had bijvoorbeeld een blokhoek van 52°, de Aprilia RSV Mille een blokhoek van 60°. De onbalans is dan te herstellen door de drijfstangen niet meer samen op één kruktap te zetten, maar ze elk een eigen kruktap te geven en die ten opzichte van elkaar te verzetten. De benodigde verzethoek β is daarbij: β=180°-2.α, waarbij α de blokhoek is. Voor de Transalp motor geldt dus dat de kruktappen 180°- 2 x 52° = 76° uit elkaar staan. Voor een 90° V-twin geldt 180°- 2 x 90°= 0°, maar dat wisten we al… Pas je geen verzette kruktappen toe, dan zijn er balansassen nodig om de primaire onbalans te herstellen. Harley-Davidson gebruikt bijvoorbeeld al jaren een 45°V-twin. Daarvan waren versies met en zonder balansas. De versies zonder balansas werden met rubberen silent blocks in het frame zijn bevestigd. Bij de types waarbij het blok star in het frame is gemonteerd werden twee balansassen toegepast. Je merkt het: constructeurs doen er wel degelijk alles aan om het de rijder zo aangenaam mogelijk te maken!