Nokkenas - Snelle nokkenassen

Het karakter van een verbrandingsmotor wordt voor het grootste deel bepaald door de nokkenassen. In dit artikel wordt verder ingegaan op de nokkenas. Stap voor stap wordt uitgelegd hoe de vorm van een nokkenas het koppel en vermogen van een motor beïnvloed. Dit naar aanleiding van het feit dat Squadra Tuning naast chiptuning nu ook gemodificeerde nokkenassen aanbiedt. Natuurlijk in combinatie met een speciaal ingeregelde chip. Alleen dan haal je 100% rendement uit de verbeterde ademhaling van de motor.

Lucht (ademhaling) van de motor

Het gaat dus met name om ademhaling van de motor. Alleen door meer lucht in de motor aan te zuigen wordt het vermogen verhoogd. Meer lucht betekent dat er meer brandstof kan worden ingespoten. Dit lucht/brandstof mengsel wordt op het meest gunstigste moment ontstoken en zo ontstaat een hoeveelheid energie in de vorm van een gecontroleerde verbranding (explosie) die z’n kracht uitoefent op de zuiger.

Lucht dosering

De nokkenas bepaald in hoofdzaak hoeveel lucht er in de motor wordt toegelaten. Het verbrandingsproces bestaat uit 4 fases oftewel het 4-takt proces.

Het aanzuigen van de lucht (intake)
Het comprimeren van de lucht (Compression)
Het ontsteken van het lucht/brandstofmengsel, de arbeidsslag (Power)
Het uitstoten van het verbrande mengsel (Exhaust)

In fase 1 en 4 worden de kleppen bediend door de nokkenas. Voor degene die niet weten hoe een nokkenas eruit ziet zal ik het even kort uitleggen. De nokkenas is een stang met bobbels. De stang is de as en de bobbels zijn de nokken. Vandaar nokkenas.

Snelle nokkenassen

De nok bepaald als het ware precies wanneer een klep opent, hoelang die open staat, hoe ver die open staat en wanneer die sluit. Tevens bepaald de nok hoe de klep opengaat en sluit. Dat wil zeggen opent hij langzaam of snel.

Toe or nose: de teen of neus is in feite de nok. Het De vorm van de nok bepaald dus alles.
Flank: de flank bepaald hoe de klep opent.
Lift: de lifthoogte bepaald hoe ver de klep open gaat. De lift is een heel belangrijke grootheid en bepaald een groot gedeelte van het karakter.
Timing points: Oftewel de openingstijden. Deze tijden worden altijd uitgedrukt in graden van de krukas. Realiseer je dat de krukas twee maal zo snel draait dan de nokkenas. Niet te ver over nadenken want dat werkt erg verwarrend.
Base circle: de basis cirkel. Dit is de dikte van de as. Over deze omtrek is de klep geheel gesloten en in deze stand geldt de zogenaamde klepspeling: de speling tussen de nokkenas en de klepstoter. Dit is een afstelgegeven vanuit de fabriek.
Clearence ramps: Hier is nauwelijks een goede Nederlands term voor te bedenken. Maar het is het stukje omtrek van de nokkenas die iets dikker is dan de basiscirkel. Deze verdikking is gemaakt om de krachten op de kleppentrein te verminderen. Zowel tijdens het openen als het sluiten van de kleppen.
Heel: de hiel van de nokkenas. Het gedeelte waar eigenlijk helemaal niets gebeurd. De klep is dan gesloten en het verbrandingsproces vindt dan grotendeels plaats. Toch is deze periode heel belangrijk. Met name voor de uitlaatklep. Gedurende deze periode heeft de uitlaatklep de tijd om af te koelen. Tijdens de uitstoot van de verbrandingsgassen wordt de uitlaatklep sterk opgewarmd. Er stromen tenslotte gloeiend hete (> 900 graden) uitlaatgassen langs. De klep heeft op dat moment goed beschouwd geen contact met de rest van de motor en kan z’n warmte dus niet afstaan. Deze warmte moet hij dus afstaan tijdens de gesloten fase. De inlaatklep heeft daar niet zo’n last van omdat daar koele inlaatlucht langs binnen stroomt.

Naast al deze gegevens zijn er nog een aantal afgeleide grootheden

Intake lobe/exhaust lobe: De openingstijd van de inlaat en uitlaatklep. Deze worden in feite bepaald door de “Timing points”. De periode van de “Clearance ramps” wordt hierin niet meegenomen.
Overlap: De overlap van de in- en uitlaatklep. Tijdens het verbrandingsproces is er een periode waarin de in- en uitlaatklep tegelijkertijd open staan. Dit wordt de klepoverlap genoemd. Deze overlap is zeer bepalend voor de uiteindelijke prestaties.
Lobe separation angle: De nokhoek. Deze hoek geeft de hoek weer tussen de centre lijnen van de in- en uitlaatnok en hebben dus een relatie met de overlap. Niet altijd want een nok hoeft niet symmetrisch te zijn. Doorgaans is dat wel zo.

Het nu komende verhaal is lastig. We beginnen daarom het verhaal op het moment dat de verbranding net is geweest en de zuiger op z’n weg terug is naar beneden (ODP), de zogenaamde arbeidsslag. De uitlaatgassen zijn dan flink in beweging omdat ze net ontstoken en verbrand zijn en de explosie z’n kracht op de zuiger aan het uitoefenen is. Even voor ODP gaat de uitlaatklep al open zodat er al een verbrandingsgas stroom door de klepopening in beweging komt. Hierbij wordt de uitlaatstroom geholpen door de stromingen van andere cilinders die een soort vacuüm laten ontstaan (hierbij wordt gelijk het voordeel van een spaghetti spruitstuk onder de aandacht gebracht). De zuiger passeert het ODP en gaat nu de verbrande gassen zelf echt door de uitlaatklep naar buiten duwen, de uitlaatslag. De gas snelheid neemt flink toe. Even voordat de zuiger in BDP is aangekomen gaat de inlaatklep al open. De snelheid die de uitlaatgassen hebben vormen opnieuw een soort van vacuüm trekkende kracht voor de inlaatlucht die door de inlaatklep naar binnen wordt getrokken. Deze lucht komt dus al voordat de zuiger in BDP iets op gang. Nu zitten we in de klepoverlap periode. Nogmaals, de snelheid van de uitlaatgassen wordt gebruikt om de inlaatlucht naar binnen te trekken. Tijdens de overlap zal er zelfs iets inlaatlucht direct mee de uitlaat worden meegezogen.

Dit moet natuurlijk tot een minimum beperkt blijven want deze inlaatlucht is het lucht/brandstofmengsel. Dat is ook de reden waarom de overlap bij moderne emissiearme motoren vrijwel 0 is. Maar terug naar het inlaat mengsel. Dit mengsel is dus al in beweging, nog voordat de zuiger BDP heeft bereikt. Nadat de zuiger z’n BDP voorbij is gaat hij zelf echt zuigen aan de inlaatklep opening en zuigt het lucht/brandstof mengsel naar binnen en bereikt zo opnieuw een hoge snelheid. Lucht is zwaar en wil daarom niet afgeremd worden. Nadat de zuiger in ODP is aangekomen is het lucht/brandstofmengsel nog steeds in beweging. Zelfs nadat de zuiger z’n ODP voorbij is wordt er nog steeds mengel toegelaten omdat er snelheid in de stroming zit. De kunst is om precies op het moment dat de mengsel stroom door de inlaatklep tot stilstand komt de klep te sluiten. Dan spreekt men van een zo goed mogelijke vulling van de cilinder.

Logisch is dat dit gehele proces sterk afhankelijk is van de snelheid van de zuiger en kleppen oftewel het toerental van de motor. Zo kan men zich voorstellen dat de vulling van de cilinder afhankelijk is van het toerental. De volgende stap is te begrijpen dat de vulling dus een direct verband heeft met de hoeveelheid energie (= kracht) die uiteindelijk uit het verbrandingsproces ontstaat. Kortom, de motor koppelkromme. Uit de laatste stap is te begrijpen dat hoe vaker men deze kracht per tijdseenheid kan uitoefenen hoe meer vermogen de motor ontwikkeld. Het motorvermogen.

In het hele voorgaande verhaal hebben we een grootheid nog niet behandeld. De lifthoogte van de nok. Dit geeft eenvoudigweg aan hoe ver de klep wordt opengedrukt. Hoe verder de klep open gaat hoe groter het doorlatende oppervlak van het inlaattraject wordt, dus hoe meer mengsel er toegelaten wordt. Dat is mooi zou men denken. Een grote lift is dus altijd beter. Helaas niet, want hoe groter de lift hoe lager de gas snelheid van het instromende mengsel zal zijn dus hoe minder men gebruik kan maken van de massatraagheid van het mengsel. Doorgaans wordt veel lift gebruikt om veel topvermogen te maken en genoegen te nemen met wat minder koppel op lagere toeren. Daarbij moet men ook rekening houden met de lift van de klep in het BDP moment. De klep mag de zuiger natuurlijk niet raken. Een hoge lift betekent ook een zwaardere mechanische belasting voor de kleppentrein. Tenslotte moet men rekening houden met de maximale indrukking van de klepveer.

Kortom, het motorkoppel en het moment (toerental) waarbij het maximale motorkoppel wordt ontwikkeld heeft alles te maken met de openingstijden van de in- en uitlaatkleppen en de kleplift. Met het ontwerpen van een nokvorm moet de fabrikant dus met een groot aantal aspecten rekening houden. Een nokkenas is daarom altijd een grote compromis tussen het motorkoppel, motorvermogen, stationair loop, brandstofverbruik, emissie eisen en levensduur van de motor.

Het totaal begrijpen van een nokkenas vorm en de invloeden van alle grootheden is zeer complex. Alles heeft overal invloed op en een perfecte nokkenas bestaat eigenlijk niet. Fabrikanten maken gebruik van verstelbare in- en uitlaat nokkenassen om zo veel mogelijk compromissen te omzeilen. Ook zijn er fabrikanten die gebruik maken van verschillende nok profielen. Zij kunnen tijdens het draaien van de motor van nokprofiel wisselen. Maar over niet al te lange tijd zal een nokkenas verleden tijd zijn. Men is al druk bezig met een klep bediening mechanisme waarbij geen gebruik meer wordt gemaakt van een nokkenas, maar van een combinatie van pneumatiek/hydrauliek en uiteraard elektronica. Hierdoor zijn alle grootheden onafhankelijk van elkaar te beïnvloeden. Dat is ook het moment waarop de gasklep in de benzinemotor komt te vervallen.

Onderwerp gerelateerde artikelen

Kosten reparatie en onderhoud auto: De kosten van bijvoorbeeld het vervangen van een distributieriem, waterpomp, remblokken, remschijven of een koppakking zal per auto verschillen. De reden daarbij is dat het aantal werkuren per type auto zal verschillen. Dit heeft met name te maken hoe toegankelijk het te vervangen onderdeel is en hoeveel er Lees hier meer over kosten reparatie en onderhoud auto.

Kleppen cilinderkop auto vervangen: Nadat u geconstateerd heeft dat er een probleem is met een of meerdere kleppen, bijvoorbeeld doordat u geen of een te lage compressie gemeten hebt (ook mogelijk koppakking probleem) Kunt u overgaan tot het demonteren van de cilinderkop en het verwijderen van de nokkenas(sen) vervolgens kunnen de kleppen verwijderd Lees hier meer over kleppen cilinderkop vervangen.

Tikkende kleppen: Wat zijn inlaat en uitlaat kleppen? De naam zegt het al via de Inlaatkleppen komt er brandstof de cilinders binnen en via de uitlaatkleppen verlaten de uitlaatgassen de cilinders weer, De aansturing van de kleppen gebeurd via de nokkenas of nokkenassen afhankelijk van het aantal kleppen per cilinder (meest voorkomend zijn de 8 of 16 klepper) deze Lees hier meer over tikkende kleppen.

Verbranding motor: De automotoren van tegenwoordig lopen op benzine, elektriciteit, diesel of gas (LPG). De meest gebruikte brandstof op dit moment is benzine, maar er worden steeds meer auto’s met een dieselmotor verkocht. In andere landen, zoals Frankrijk en Italië is het marktaandeel diesels vele malen groter dan in Nederland. Daar heeft 80% van alle verkochte Lees hier meer over verbranding motor.

Hydraulische-klepstoters: De in en uitlaatkleppen van de motor kunnen Buiten hydraulische klepstoters ook op andere manieren via de nokkenas worden aangestuurd. Mede afhankelijk van de positie van de nokkenas is de overbrenging voor het openen en sluiten van de kleppen anders. Zo kennen we de laagliggende en bovenliggende nokkenas Lees hier meer over hydraulische klepstoters.