Technologie door de tijd: Hoe variabele kleptiming werkt

Het hart van de meeste auto’s vandaag de dag, de interne verbrandingsmotor heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt in de loop van zijn eeuw lange geschiedenis.

Deze serie schetst een aantal van de belangrijkste innovaties in de motortechnologie voordat we een blik werpen op alternatieven voor de verbrandingsmotor. Deze week: hoe variabele kleptiming werkt.

Bekijk ook de andere delen in deze serie:

Technologie door de tijd: Brandstofinjectie
Technologie door de tijd: Supercharging
Technologie door de tijd: Turbo-oplading
Technologie door de tijd: Waterstofbrandstofcellen

Doel

Om een verbrandingsmotor vermogen te laten opwekken, moet er lucht in de cilinderkamer komen en moeten er uitlaatgassen uit. Het openen en sluiten van deze in- en uitlaatkanalen wordt geregeld door kleppen, die respectievelijk inlaat- en uitlaatkleppen worden genoemd.

Zonder variabele kleptiming zouden deze inlaat- en uitlaatkleppen op dezelfde manier werken, ongeacht het toerental van de motor (omwentelingen per minuut) of de rijomgeving. Dit is niet ideaal, omdat de bestuurder een ander gedrag van de motor in het toerengebied kan wensen. Bij hoge toerentallen kan de bestuurder bijvoorbeeld meer vermogen wensen, terwijl bij lage toerentallen met een lichtere motorbelasting brandstofbesparing prioriteit heeft.

Een eenvoudige klep- en motordoorsnede.

Variabele kleptiming maakt deze verschillende gedragingen mogelijk door de werking van de inlaat- en uitlaatkleppen bij verschillende motortoerentallen te veranderen. Hierdoor kunnen de motorprestaties worden geoptimaliseerd, terwijl ook het brandstofverbruik en de emissies worden verbeterd.

Geschiedenis

De Alfa Romeo Spider 2000 was de eerste productieauto met variabele kleptiming.

De behoefte aan variabele kleptiming werd al in 1924 onderkend, toen Amerikanen patent aanvroegen op een klep met een variabele openingsduur voor een interne verbrandingsmotor. Alfa Romeo’s Spider 2000 was in 1980 het eerste productievoertuig ter wereld dat met een variabele kleptiming werd uitgerust.

Hoe werkt het?

Autofabrikanten hebben vaak hun eigen naam voor de variabele kleptimingtechnologie. Toyota gebruikt bijvoorbeeld een ‘VVT-I’-systeem (Variable Valve Timing with Intelligence), terwijl Honda, enigszins beroemd, zijn systeem ‘VTEC’ (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) noemt.

Toyota’s Chaser was een van de eerste auto’s die zijn VVT-i versie van de technologie kreeg.

Hoewel deze systemen enkele verschillen in hun implementatie mogen hebben, delen ze allemaal dezelfde onderliggende technologie en engineering principes.

Om de in- en uitlaatkleppen te openen en te sluiten, zijn ze verbonden met een roterende nokkenas die boven de kleppen zit.

De befaamde VTEC-technologie van Honda is terug te vinden in het hele gamma.

De variabele kleptimingtechnologie regelt drie belangrijke kenmerken van de inlaat- en uitlaatkleppen:

• Kleptiming- de punten in de beweging van de zuiger waarop de kleppen openen en sluiten.
• Klepduur – hoe lang de kleppen open blijven.
• Klepslag – hoeveel de kleppen fysiek open gaan (hun openingsopening).

Daartoe geven verschillende sensoren, zoals luchtstroom- en nokkenaspositiesensoren, informatie door aan de ECU (motorbesturingseenheid) van de auto, die vervolgens verschillende mechanismen gebruikt om de bovengenoemde klepkenmerken te regelen. Honda’s VTEC-systeem, bijvoorbeeld, beweegt de nokkenas fysiek om de klep meer slag te geven.

Een zeer elementair overzicht van hoe VTEC werkt.

De toekomst

Huidig vertrouwen variabele kleptimingsystemen op het manipuleren van de nokkenas om indirect de drie hierboven geschetste belangrijke klepkenmerken te veranderen. Dit beperkt op zijn beurt de variabiliteit van de klep. In plaats daarvan kunnen toekomstige variabele kleptimingsystemen directe controle van elke klep mogelijk maken (soms een ‘nokkenloze’ of ‘motor met vrije kleppen’ genoemd), waardoor een oneindige variabiliteit en dus betere motorprestaties mogelijk worden.