Ducati introduceerde onlangs de Formula 73. Deze retro-classic is een eerbetoon aan de Super Sport 750 Desmo, een van de meest iconische modellen in de geschiedenis van Ducati. De term ‘Desmo’ slaat op de klepbediening, die heel anders is dan wat andere merken gebruiken.
Elke motor heeft kleppen. Die zitten tegenwoordig altijd in de cilinderkop. Ze zorgen ervoor dat de gasstromen de goede kant opgaan tijdens alle werkingsfasen van de viertaktmotor. Dat zijn er vier: de inlaatslag, de compressieslag, de arbeidsslag en de uitlaatslag. Tijdens die uitlaatslag moet de uitlaatklep open, zodat het verbrande gas naar de uitlaat kan ontsnappen. Dan volgt de inlaatslag, waarin de inlaatklep open moet om vers mengsel binnen te laten uit het inlaatkanaal. Dan volgen de compressieslag en de arbeidsslag. Daarbij moeten de kleppen dicht blijven en goed afsluiten, om te zorgen dat de motor compressie kan opbouwen en dat druk van de verbranding vervolgens nuttig gebruikt wordt. Daarvoor moet de verbrandingskamer liefst zo klein mogelijk zijn. De kleppen kunnen daarom niet gewoon 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, in het dak van de verbrandingskamer.
Vormgeving
De kleppen van verbrandingsmotoren hebben een typische vorm. De in- en uitlaatpoorten worden afgesloten door een stalen schotel. Op de schotel zit 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 met een hoge nauwkeurigheid in exact dezelfde hoek is gesneden. Bij revisie wordt de klep zelf met slijppasta op de zitting gedraaid, zodat een exact pasvlak ontstaat. Uiteraard moet de klep dan wel exact op die plek terechtkomen, wanneer deze dichtgaat. Daarom loopt de klepsteel in een klepgeleider. Dat is een nauwkeurig geboorde buis, die in de kop is geplaatst. Op deze klepgeleider zit een rubberafdichting, die voorkomt dat er olie langs de klepsteel in de verbrandingskamer kan lekken.
Bij de meeste motoren worden de kleppen door een schroefveer dichtgetrokken. Deze klepveer is in de cilinderkop 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.
Techniek Hypermilen: zo haal je de meeste kilometers uit een liter benzine
Nokkenas
Om de kleppen te openen, moeten de klepstelen op de een of andere manier tegen de veerdruk worden ingedrukt. Dat doet de nokkenas. Dat is een as met bulten, die de kleppen via een mechanisme op het juiste moment opendrukken. Vroeger gebeurde dit bij de zogenaamde ‘laagliggende’ nokkenassen via een glijbus (de nokvolger) en een lange stoterstang naar de kleppen. Die zaten vroeger vaak nog naast de cilinders in het cilinderblok, zodat ze direct door de stoterstang konden worden bediend. Maar dat betekende 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 decennialang rechtop bovenin de kop gezet. Dat systeem wordt daarom ook ‘Over Head Valve’ of ‘OHV’ genoemd. Bij een OHV 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 kon worden afgesteld. Die klepspeling zorgt dat de klep altijd goed dicht kan, ook als de klepsteel door de hitte uitzet. Zo niet, dan zou de cilinder compressie verliezen en kan de klep zijn warmte niet kwijt, waardoor hij verbrandt.
Klepzweving
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 maximale toerental beperkt. Door de traagheid krijgen de klepveren de inlaatkleppen niet op tijd dichtgetrokken en staan ze nog iets open als de zuiger omhoogkomt. De motor verliest compressie en in het ergste geval raken de kleppen de zuigers, met desastreuze gevolgen. Deze problemen zijn deels op te lossen door de nokkenas eveneens bovenin de kop te plaatsen, dus met een ‘Over Head Camshaft’ of ‘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. Maar de meeste merken kiezen ervoor om boven de uitlaatkleppen een tweede nokkenas te zetten. Het voordeel van dit ‘Double Over Head Camshaft’ of ‘DOHC’ is dat er weinig bewegende delen zijn en dat er dus hoge toerentallen mogelijk zijn.
Desmodromisch
Er is één merk dat het heel lang helemaal anders deed als het om klepbediening gaat: Ducati. Dat ontwikkelde al in de jaren ’50 een ‘desmodromische’ klepbediening om twee van de grootste minpunten van conventionele klepbedieningen tegen te gaan, namelijk aandrijfverliezen en klepzweving. Het desmodromische systeem gebruikt een nok en een tuimelaar om de klep te openen, net als bij een gewone motor. Maar waar een gewone klepbediening de klep met een klepveer sluit, doet Ducati dat met een tweede tuimelaar, die de klep omhoogtrekt. Deze tuimelaar wordt bediend door een speciale nok op de nokkenas. Die heeft dus twee nokken en twee tuimelaars voor elke klep, één voor het openen en één voor het sluiten. Een probleem daarbij is dat de sluittuimelaar altijd wat speling moet hebben, anders zou hij de klep bij het sluiten met kracht tegen de cilinderkop slaan en zou de boel kapotslaan. Hij moet dus ophouden met trekken vlak voor de klep helemaal dicht is. Daarom is er bij de desmodromische klepbediening een hele zwakke klepveer geplaatst, die de klep bij het starten helemaal sluit. Bij hogere toerentallen doen de massatraagheid en de compressie dat.
Het Ducati-systeem heeft twee voordelen: klepzweving is onmogelijk, waardoor je heel hoge toerentallen kunt draaien. Het tweede is dat er geen echte klepveer is, waardoor de bediening veel minder kracht vraagt en er dus veel minder wrijvingsverliezen zijn.
Techniek MV Agusta 5-cilinder motorconcept: geen V, geen lijn
Stellen
Het nadeel van desmodromische klepbediening is dat het stellen van de kleppen iets ingewikkelder is. Normaal hoef je alleen de tuimelaars of de nokvolgers voor het openen van de kleppen te stellen – vaak met vulplaatjes – nu moet je ook die voor het sluiten van de kleppen stellen. De speling van de opentuimelaar meet je zoals gebruikelijk tussen het lage deel van de nok en de tuimelaar. Bij de sluittuimelaar is het anders, daar meet je de speling juist tussen het hoge deel van de sluitnok. De nok mag de klep immers niet helemaal dichttrekken, anders klemt de tuimelaar op de nok en ontstaat er schade. Da’s even anders denken.
Sleeptuimelaars
Hoewel Ducati lang heeft vastgehouden aan de desmodromische klepbediening, is het principe bij de topmodellen inmiddels overboord gezet. Sommige modellen, zoals de Scrambler-serie en de Desert X, hebben nog wel desmodromische klepbediening, de in 2024 geïntroduceerde Panigale V2 en andere, latere modellen niet meer. De kleppen worden nu gesloten door klepveren en geopend via sleeptuimelaars. Daarvoor zorgen twee nokkenassen per cilinder, die worden aangedreven via een morseketting. Het voordeel van sleeptuimelaars boven een conventioneel bucket-shim-systeem is dat er minder wrijvingsverliezen zijn. Bij een bucket-shim-systeem worden de buckets door de draaiende beweging van de nokkenas tegen hun boring in de cilinderkop gedrukt. Dat levert wrijvingsverliezen op. Sleeptuimelaars worden door de draaiing van de nokkenas ook tegen hun scharnierpen getrokken, maar het wrijvingsoppervlak van die pen is kleiner, de beweging ook en de beweging vindt bovendien plaats via een hefboom. De tuimelaars hebben bovendien een harde, gladde DLC-coating (Diamond Like Carbon) voor een lage wrijvingsweerstand en een hoge slijtvastheid. De wrijvingsverliezen zijn daardoor aanmerkelijk lager, terwijl ook de inertie van dit systeem kleiner is. Er zijn dus minder verliezen en meer effectief vermogen. Blijkbaar wegen de voordelen van dit systeem op tegen de voordelen van de desmodromische klepbediening en zijn hoge toerentallen met de huidige materialen net zo goed mogelijk, waardoor het dure desmodromische systeem overbodig is geworden.
