De nokkenas
Op het gebied van de nokkenas is de laatste decennia een hoop gebeurd. Was ooit de enkele onderliggende nokkenas nog het brein van de motor, tegenwoordig krijgen twee bovenliggende nokkenassen van het motormanagement systeem te horen welke positie ze moeten aannemen voor de optredende belasting. In dit artikel wordt de functie, opbouw en de eigenschappen van de nokkenas besproken. Aan het eind wordt kort ingegaan op ontwikkelingen en moderne toepassingen als variabele nokkenasverstelling.
Functie
De nokkenas is onderdeel van het distributiesysteem. Dit is het geheel van onderdelen dat er voor zorgt dat de kleppen van de cilinders op tijd openen en sluiten. De nokkenas is, zoals de naam doet vermoeden een as, waarop een aantal uitstulpingen (nokken) is aangebracht. Deze as ligt in dezelfde richting als de krukas en draait met de helft van het motortoerental. Dit komt doordat bij een vierslag motor elke cyclus twee omwentelingen van de krukas in beslag neemt en elke klep per cyclus maar één keer open moet gaan. Het is de vorm van de nokken (het nokprofiel) die bepaalt hoe snel de kleppen open en dicht gaan en hoe lang ze open blijven. De positie van de nokkenas, dit is de hoek waarin de nokkenas gedraaid is ten opzichte van de krukas, bepaalt het moment waarop de kleppen openen en sluiten.
Opbouw
De nokkenas bestaat in hoofdzaak uit een as met daarop een aantal nokken die de klepbediening verzorgen. Om te zorgen dat de as zonder slijtage rond kan draaien wordt de as met een aantal glijlagers bevestigd, hiervoor zijn lagertappen in de as geslepen, zodat de as mooi soepel kan draaien met een goede smeerfilm in de glijlagers. Als laatste is er op de nokkenas een bevestigingsmogelijkheid aangebracht voor een tandwiel (bij kettingaandrijving) of riemwiel (bij riemaandrijving), die de aandrijving van de nokkenas moet verzorgen.
Naast deze basisonderdelen kunnen er op de nokkenas nog andere zaken zijn aangebracht, zoals een tandwiel voor de aandrijving van de verdeler (bij oudere motoren) of een excenter voor de brandstofpomp, een nokkenrad of magneetring voor positiebepaling bij nokkenasverstelling.
In onderstaande afbeelding is een onderliggende enkele nokkenas te zien die de aansturing verzorgt voor een 4 cilinder in lijn 16 kleppen motor. Deze nokkenas is gelagerd in 5 glijlagers en drijft ook de verdeler en brandstofpomp aan.
Plaatsing van de kleppen
Bij de vroege verbrandingsmotoren waren de kleppen naast de cilinder geplaatst en gingen ze naar boven open. Dit zijn zogenaamde zijklepmotoren. Ook wel in het engels 'flathead' genoemd aangezien de zilinderkop een vlakke plaat was waar alleen de bougies doorheen staken. Bij deze motoren lag het voor de hand dat de nokkenas onderin het motorblok geplaatst was, zodat deze via de stoters direct de kleppen kon aansturen.
Toen bleek dat de vorm van de verbrandingskamer van de zijklepsmotoren verre van ideaal was en de kopkleppen in trek raakten, werd de tuimelaar geintroduceerd om met behulp van een onderliggende nokkenas de kleppen te bedienen die nu van boven naar beneden geopend werden.
Het grote aantal onderdelen van deze constructie, de massa hiervan en de onderlinge vervorming hebben geleid tot de ontwikkeling van de bovenliggende nokkenas. In eerste instantie werd nog steeds gebruik gemaakt van tuimelaars en waren alleen de stoterstangen, die voor de grootste vervorming zorgden, geëlimineerd.
Later werden de nokkenassen direct boven de inlaat en uitlaatkleppen gelegd, zodat er tussen de nokkenas en de klep alleen nog een stoter te vinden was. Voor motoren met vier kleppen per cilinder is het met deze constructie noodzakelijk een aparte nokkenas toe te passen voor de inlaatkleppen en een voor de uitlaatkleppen, doordat deze niet op één lijn liggen.
Kleppendiagram
Ondanks de vele verschillende nokkenas systemen is het basisprincipe gelijkgebleven. De nokkenas, of eigenlijk het nokprofiel bepaalt wanneer de kleppen openen, met welke snelheid en hoe ver ze geopend worden. Daardoor heeft de nokkenas ook een grote invloed op de vulling van de cilinder. Het is dus belangrijk de goede nokkenas te kiezen voor een bepaalde motor. Om de eigenschappen van een nokkenas aan te geven worden meestal de open en sluithoeken gegeven van de kleppen ten opzichte van het bovenste dode punt. Deze getallen geven op het eerste gezicht weinig inzicht in of de kleppen lang open staan en of de klepoverlap groot is of klein. Een handig instrument om de eigenschappen van een nokkenas duidelijk weer te geven is het kleppendiagram.
In het kleppendiagram worden in twee concentrische cirkels de krukhoeken weergegeven dat de kleppen geopend zijn. Hierbij staat de binnenste cirkel voor de uitlaatklep en de buitenste voor de inlaatklep. De cirkel komt overeen met één omwenteling van de krukas. Nu wordt gewoonlijk het boogdeel ingekleurd vanaf het moment van openen van de klep, tot het moment van sluiten. Voor deze punten wordt ook vaak een rechte lijn vanuit de oorsprong van de cirkel getekend en er wordt bijgeschreven hoe groot de hoek is ten opzichte van het BDP of ODP. Op het stuk in de buurt van het BDP is nu gemakkelijk te zien waar de klepoverlap optreedt, namelijk het deel waar de 2 lijnen naast elkaar lopen. Ook is goed te zien of kleppen vroeg of laat openen, of lang open staan. Aan de onderkant lopen de lijnen welliswaar ook naast elkaar, maar hier zijn de compressieslag en de arbeidsslag weggelaten en treedt er dus geen overlap op. De beste manier om het diagram te lezen is in gedachten te beginnen bij de arbeidsslag en vanaf het BDP met de klok mee te draaien.
In het onderstaande voorbeeld is te zien dat de uitlaatklep 42 graden voor het ODP (I) open gaat. Vervolgens gaat 12 graden voor het BDP (II) de inlaatklep open en 10 graden na BDP de uitlaatklep dicht. Er is dus een klepoverlap van 12+10=22 graden. Tenslotte gaat 40 graden na het ODP de inlaatklep weer dicht. Zoals te zien is geeft het kleppendiagram een heel heldere weergave van de belangrijkste kenmerken van de nokkenas.
Nokkenasverstelling
Door strenger wordende milieu eisen, komt er meer en meer aandacht voor het optimaliseren van het verbrandingsproces van de motor. Een belangrijk onderdeel hiervan is de gaswisseling (uitstromen van uitlaatgas en instromen van lucht(- brandstofmengsel)). Aangezien elke verschillende bedrijfssituatie aparte open- en sluittijdstippen nodig heeft in het ideale geval, zou het mooi zijn wanneer alle kleppen afzonderlijk en onafhankelijk van elkaar zouden kunnen worden aangestuurd. Helaas is een dergelijk systeem nog niet haalbaar voor personenauto's. Een systeem wat al wel enkele jaren met succes wordt toegepast is het verstellen van de nokkenassen. Hierbij blijft de hoek dat de kleppen open zijn gelijk, maar kan het open- en sluittijdstip verschoven worden. Wanneer de nokkenassen onafhankelijk van elkaar versteld kunnen worden, dan kan men zelfs de klepoverlap aanpassen. Dit laatste wordt tegenwoordig meer en meer toegepast doordat hiermee de efficientie van motoren kan worden verbeterd.
Een belangrijke mogelijkheid die variabele kleptiming biedt is het regelen van de hoeveelheid achtergebleven restgas in de cilinder. Wanneer er voor gezorgd wordt dat er een relatief grote hoeveelheid restgas achterblijft in de cilinder, wordt gesproken van interne EGR (uitlaatgasrecirculatie). Vooral bij benzinemotoren heeft dit een positief effect. Dit restgas heeft namelijk een koelend effect, waardoor de maximale temperatuur tijdens de verbranding verlaagd wordt en daarmee de uitstoot van stikstofoxiden (NOx) wordt verminderd. Door de aanwezigheid van dit restgas zal, om toch de benodigde hoeveelheid zuurstof in de cilinder te krijgen voor de verbranding, de gasklep verder geopend moeten worden. Hierdoor nemen de stromingsverliezen in het inlaatsysteem af en daarmee ook de verliezen van de gaswisseling, met als gevolg dat het brandstofverbruik afneemt.
Wanneer het milieu een minder belangrijke rol speelt, zoals bij racemotoren, is het met variabele kleptiming mogelijk om bij elk toerental een optimale vullingsgraad te verkrijgen en daardoor het geleverd vermogen te optimaliseren.
Het is dus mogelijk om grote vermogenswinsten te behalen wanneer een motor met EGR uitgerust wordt geoptimaliseerd voor maximaal vermogen. Nadeel is alleen dat het in dat geval moeilijk wordt om aan de uitstootnormen van de APK keuring te blijven voldoen. Het is dus verstandig om voorzichtig te zijn met het aanpassen van de kleptiming van een motor.