maandag 15 juli 2024

Techniek tweetakt met kleppen: kan dat wel?

In maart plaatste Motor.nl een binnengekomen bericht over een nieuwe tweetaktmotor, waar Suzuki een patent op zou hebben aangevraagd. Al gauw sloeg de twijfel toe, want het motorblok had zowel in- als uitlaatkleppen. Kan dat eigenlijk wel?

Om vast een spoiler te geven: ja, het kan en nee, deze Suzuki is geen tweetakt. Hoe dat zit? Daarvoor gaan we even terug naar de basis van een zuigermotor. Die bestaat uit een buis, waarin een zuiger op en neer gaat. Het volume boven de zuiger wordt dus groter en kleiner. Wordt het groter, dan ontstaat er een onderdruk, waarmee er een lucht/brandstof-mengsel kan worden aangezogen. Bij een viertaktmotor gebeurt dat via een klep bovenin de kop. In de inlaatslag gaat de inlaatklep boven in de kop open, dan gaat de zuiger naar beneden, waardoor hij mengsel aanzuigt. Dan gaat de inlaatklep dicht en volgt de compressieslag, waarna een vonk op het bovenste dode punt (BDP) de verbrandings- of arbeidsslag inluidt. Heeft het hete verbrandingsgas de zuiger naar onderen geduwd, dan gaat de uitlaatklep open en duwt de zuiger op weg naar boven de uitlaatgassen de uitlaat in. Op het bovenste dode punt gaat de uitlaatklep dicht en begint het proces van voor af aan.

Tweetakt

Het tweetaktprincipe is heel anders. Normaal gesproken heeft een tweetakt geen kleppen. En eigenlijk zuigt die het mengsel ook niet echt de cilinder in. Een tweetakt maakt gebruik van hetgeen er onder de zuiger gebeurt. Als die ‘omhoog’ gaat, vergroot hij de ruimte onder de zuiger, de ruimte in het carter waarin de krukas en de drijfstang lopen. Dat carter is bij een tweetakt heel klein gehouden en verzegeld met keerringen, zodat er ook echt onderdruk ontstaat. Bij oudere tweetakten is er een inlaatkanaal of inlaatpoort in de cilinderwand aangebracht. Die wordt een groot deel van de tijd afgesloten door de zuiger. Wanneer de zuiger omhooggaat, komt die inlaatopening vrij. Door de onderdruk wordt het lucht/brandstof-mengsel vanuit de carburateur het carter in gezogen. Op hetzelfde moment vindt boven de zuiger de verbranding plaats. Dan wordt de zuiger naar beneden gedrukt door het hete, expanderende verbrandingsgas. Op weg naar beneden sluit de zuiger de inlaatpoort weer af en wordt er in het carter druk opgebouwd. Vlak voor het onderste dode punt komt de bovenrand van de zuiger (de zuigerbodem) langs de uitlaatpoort. Het uitlaatgas baast dan door de hoge druk vanzelf de uitlaat in. Een fractie later komen ook de zogenaamde spoelpoorten vrij. Dat zijn kanalen die van het carter naar de cilinderwand lopen, tegenover de uitlaatpoort. Het verse mengsel wordt dan door de overdruk de cilinder in geblazen, vanuit het carter, via de spoelpoorten. Het binnenstromende gas blaast het resterende verbrandingsgas daarbij voor zich uit, de uitlaatpoort in. Dan gaat de zuiger omhoog en begint het opnieuw.

Techniek Öhlins Smart EC3: schakelen tussen jouw dempinginstellingen

Reed en power valves

Een nadeel van conventionele tweetakttechniek met inlaatpoortsturing is dat de aanzuiging pas laat begint; als de zuiger bijna in het BDP is. Dat probleem werd opgelost door het inlaatkanaal direct op het carter te zetten, zodat bij het minste zuchtje onderdruk al mengsel wordt aangezogen. Natuurlijk moet je dan wel voorkomen dat het mengsel weer terug wordt geblazen als de zuiger naar beneden komt. Daarvoor hebben dit soort tweetakten een membraanklep in de inlaatpoort. Dat is doorgaans een gebogen staalplaatje, waarover een kunststof flap ligt. Deze flap wordt open gezogen als er onderdruk is en dicht geblazen bij overdruk.

Een andere verbetering aan de spoeling van de tweetakt is de power valve. Dat is een schuif of wals, die de uitlaatpoort gedeeltelijk af kan sluiten, waardoor de timing van de uitlaatpoort en de doorstroomdiameter wordt beïnvloed. Dit zorgt ervoor dat het nuttige trekkrachtgebied een nog groter toerental beslaat. Dit wordt nog steeds gebruikt in de motorcross. Kawasaki noemt het KIPS (Kawasaki Integrated Powervalve System), Yamaha noemt het YPVS. De Bimota V-due had ze trouwens ook…

Voor- en nadeel

De tweetaktmotor heeft elke twee slagen – dus elke omwenteling – een verbrandingsslag, terwijl de viertaktmotor elke vier slagen een verbrandingsslag heeft – dus elke twee omwentelingen. Bovendien is er bij een tweetakt door het ontbreken van kleppen ook geen risico op klepzweving bij hoge toerentallen, zodat een tweetakt gemakkelijker hoge toerentallen aankan. Daarom kan een tweetakt in theorie wel tweemaal zo veel vermogen leveren als een viertakt. Of, nog beter, voor hetzelfde vermogen heb je met een tweetakt een veel lichter, kleiner motorblok nodig. Daarom waren tweetakten in de racerij zo populair en worden ze ook in de motorcross en endurosport nog steeds gemaakt. Maar nadelen zijn er ook. Bijvoorbeeld de emissie van schadelijke stoffen. Omdat de carters van tweetaktmotoren druk moeten kunnen opbouwen, is het carter gesloten. Een gewoon druksmeersysteem is dan niet mogelijk. Daarom wordt speciale tweetaktolie bij de benzine gemengd of apart in de inlaat verneveld. Het slaat dan deels op de lagers, wat bij een tweetakt dan ook altijd kogel- of rollenlagers zijn. Helaas komt er ook altijd een deel van de olienevel met de inlaatlucht in de cilinders terecht, waar het verbrandt, hetgeen rook- en roetvorming geeft. Levensduur is een ander probleem. Omdat de gloeiendhete uitlaatgassen langs de rand van de aluminium zuiger wegstromen, wordt deze zuiger zwaar belast. Bovendien is de smering behoorlijk kritisch, vooral bij het afremmen op de motor kan er een gebrek aan smering ontstaan, met een vastloper tot gevolg. In de motorcross is het normaal een zuiger om de 15 uur te vervangen. Voor straatmotoren is dat niet acceptabel. Aprilia gaf vroeger voor de RS250 een interval van 15.000 km op. Beter, maar voor moderne begrippen nog veel te kort.

Honda

Omdat er bij een tweetakt olie en onverbrand mengsel de uitlaatpoort in wordt geblazen, zijn de emissiewaarden van tweetakten moeilijk binnen de normen te krijgen. Daarom zijn er diverse pogingen gedaan om directe injectiesystemen te ontwikkelen. In dat geval kan er benzine worden geïnjecteerd nadat de uitlaatpoort is gesloten. Dan blijft het in de cilinder en dat scheelt emissies. Een andere poging komt van Honda, dat in 2014 patent aanvroeg voor een nieuw ontwikkelde tweetaktmotor. Hierbij wordt de brandstof in het carter, onder de zuiger ingespoten, wat voor extra koeling van de cilinder zorgt. Een uitlaatpoort heeft hij niet, bovenin de cilinder is een uitlaatklep geplaatst. Doordat die op tijd dicht moet om compressie op te bouwen, zal een deel van het uitlaatgas in de cilinder achterblijven. Als een soort interne uitlaatgasrecirculatie (EGR). Bij een warme motor blijft er relatief veel heet uitlaatgas in de cilinder achter. Ook ontstaat er via een vreemdsoortig hefboommechanisme een zeer lange slag, die een hoge compressieverhouding mogelijk maakt. Samen kan dat voor een spontane ontbranding zorgen, zonder bougievonk dus. Net zoals bij een diesel. Voor de koude start is er wel een bougie aanwezig. Een ander voordeel van interne EGR is dat de eindtemperatuur van de verbranding lager is, omdat uitlaatgas inert is. Dat zal zorgen voor een lagere verbrandingstemperatuur en dat voorkomt het ontstaan van schadelijke stikstofoxiden. Maar een zeer belangrijk voordeel van dit concept is dat het lijkt te kunnen werken op meerdere soorten brandstof, benzine, diesel, koolzaadolie, zonnebloemolie, noem maar op…

Mazda

Een tweetaktmotor met uitlaatkleppen, dat is dus zonder meer mogelijk. Inlaatkleppen, dat is een andere uitdaging. Het spoelkanaal van het carter naar de cilinderkop zou erg lang worden, de drukopbouw gering en de cilindervulling matig. Maar ook daar is een oplossing voor. Mazda heeft onlangs een tweetaktmotor gepatenteerd, waarbij de inlaatlucht door een compressor naar de cilinderkop wordt gepompt. Op die manier wordt carterspoeling overbodig. Dat heeft voordelen, want dan kun je een normaal wet-sump smeersysteem toepassen en hoeft er geen tweetaktolie in de verbrandingskamer terecht te komen. Met directe hogedruk-injectie kun je benzine vervolgens heel fijn vernevelen voor een volledige verbranding. Omdat de benzine in de cilinder verdampt daalt de temperatuur, waardoor ook het ontstaan van stikstofoxiden wordt tegengegaan. Bovendien kun je de benzine toevoeren als de uitlaatpoort dicht is. Tijdens de ‘poortoverlap’ kan er immers hoogstens schone lucht de uitlaat in. Prima om roet, CO en onverbrande koolwaterstoffen in een katalysator na te verbranden. Als alternatief zou je trouwens ook een elektrische turbo kunnen gebruiken. Die kan al voor het starten draaien, dan heb je van begin af aan een goede vulling.

Suzuki

Zo komen we terug bij de Suzuki. Zij hebben een nieuwe motor ontwikkeld voor de GW250 Inazuma, V-Strom 250 en de GSX250R. Er wordt op de tekening geen systeem voor drukvulling getoond, je mag dus aannemen dat het geen tweetakt is, maar een viertakt. Begeleidende teksten ontbreken, maar er zijn interessante dingen te zien. Het eerste is een verstelunit op de nokkenas, waarmee we kunnen veronderstellen dat het motorblok variabele kleptiming heeft. Dat zou nuttig zijn. Kleine motoren zijn zuiniger dan grote motoren. Om ze voldoende vermogen te laten ontwikkelen, moet je ze veel toeren laten draaien. Dat betekent dat je de nokkenastiming zo moet kiezen dat de motor bij hoge toerentallen een goede cilindervulling heeft. Het nadeel daarvan is dat de motor bij lage toerentallen geen goede cilindervulling heeft. Dus wel topvermogen, maar weinig trekkracht onderin. Wil je dat bereiken, dan moet je een nokkenastiming kiezen, waarbij de motor bij lage toerentallen goed trekt. Maar dat gaat ten koste van het topvermogen. Met variabele kleptiming kun je de timing aan het toerental aanpassen. Zo krijg je een motor die zowel bij lage als hoge toerentallen goed trekt. Zo te zien gaat Suzuki nog een stapje verder. We zien drie nokken en drie tuimelaars. Een gevorkte tuimelaar bedient de uitlaatkleppen. Dan is er een gevorkte tuimelaar die de twee inlaatkleppen bedient. In het midden zit nog een tuimelaar. Die loopt op een derde nok, die een sportievere timing en kleplifthoogte zal hebben. Normaal volgen de inlaatkleppen de timing van de ’tamme’ nok, een timing die bij lage toerentallen goed werkt. Bij hoge toerentallen wordt de tuimelaar van de ‘snelle’ nok met een schuivende pin aan de andere tuimelaar vastgezet, waardoor de inlaatkleppen de sportievere timing en kleplifthoogte krijgen. De pin wordt door oliedruk bediend. Op die manier worden de prestaties van dit motorblok bij alle toerentallen geoptimaliseerd. Mooie techniek. Maar geen tweetakt.

Beeld: Peter Aansorgh

Peter Aansorgh
Peter Aansorgh
In 1993 begon Peter zijn journalistieke loopbaan bij het motormagazine MOTO 73. Ruim tien jaar lang werkte hij bij dit blad als technisch redacteur en schreef er motortesten, algemene verhalen over motorrijden, bedrijfsreportages en technische verhalen. In 2004 besloot Peter voor zichzelf te beginnen en schrijft nu voor diverse auto- en motorbladen

Stay tuned

Schrijf je in voor onze nieuwsbrief en mis nooit het laatste nieuws! Onze nieuwsbrief wordt iedere week op dinsdag (bij veel nieuws) en donderdag verstuurd.


Gerelateerde artikelen