Nokkenas en Variabele klepbediening:


Op deze pagina worden de volgende onderdelen beschreven:
-Algemeen
-Bovenliggende nokkenas
-Onderliggende nokkenas
-Snelle nokkenassen
-Klepoverlap
-Variabele kleptiming en kleplichthoogte
-Smering

 

Algemeen:
De nokkenas is een belangrijk deel van de motor. De nokkenas zorgt er namelijk voor dat de kleppen worden geopend en gesloten waardoor er lucht in en uit de cilinder kan stromen. De nokkenas draait rond, zodat de nok de klep tegen de veerkracht van de klepveer geopend wordt. De klepveer zorgt ervoor dat de geopende klep gesloten wordt wanneer de nok verder draait.
De nokkenas zit boven of onderin de cilinderkop, of onderin het motorblok geplaatst. De nokkenas wordt aangedreven door de distributieriem- ketting- of tandwielen. Zie meer hier over in het hoofdstuk Distributie.



Bovenliggende nokkenas:
De bovenliggende nokkenas wordt tegenwoordig alleen maar toegepast. De nokkenas is dan in de cilinderkop geplaatst. Het voordeel van motoren met een bovenliggende nokkenas is dat deze hogere toerentallen aankunnen dan motoren met een onderliggende nokkenas.

In de bovenstaande linker afbeelding is te zien dat de klep gesloten is omdat de klepveer de klep dichtdrukt en dat de nokkenas rechtsom draait. In de rechter afbeelding is de nokkenas verdraaid, waardoor de nok de klep naar beneden duwt. De veer wordt nu ingedrukt, waardoor de klep omlaag gedrukt wordt. Op het moment dat de nokkenas verder is verdraaid, zal de klepveer de klep weer omhoog duwen. De klepveer oefent een tegendruk uit van ongeveer 20 kg.

De kleppen van een vierslagmotor worden geopend door 1 of 2 nokkenassen. Bij de uitvoering met 1 nokkenas bedient deze zowel de inlaat- als de uitlaatkleppen. Bij de uitvoering met 2 nokkenassen bedient de ene nokkenas de inlaatklep(pen) en de andere de uitlaatklep(pen). De twee nokkenassen kunnen door de één distributieriem achter elkaar worden aangedreven, maar er zijn ook systemen dat de ene nokkenas de andere aandrijft d.m.v. een aparte riem of ketting (zie de afbeeldingen hieronder)

De onderstaande afbeeldingen zijn slechts voorbeelden van de constructie met de distributieriem. Het principe is hetzelfde met een distributieketting.



De bovenstaande afbeelding is van een motor die uitgevoerd is met een enkele nokkenas. Deze bedient zowel de inlaat- als de uitlaatkleppen. Meestal wordt dit toegepast bij bijvoorbeeld viercilindermotoren met 8 of 12 kleppen (dus met 2 of 3 kleppen per cilinder).



De bovenstaande afbeelding is van een motor
met een dubbele nokkenas, welke aangedreven is door twee distributieriemen. Het nokkenastandwiel (1) wordt met de grote riem direct aangedreven door de krukas. Aan de achterkant van de poelie van tandwiel 1 zit een klein tandwiel, waar de achterste riem overheen loopt. Deze achterste (kleine) riem drijft het nokkenastandwiel (2) aan. De kleine riem heeft een aparte spanrol nodig. Meestal wordt dit toegepast bij viercilindermotoren met 16- of meerdere kleppen. (dus 4 of meerdere kleppen per cilinder)


De bovenstaande afbeelding is van een motor
motor met twee nokkenassen. De nokkenassen worden aangedreven door zowel een riem als een ketting. Nokkenas 1 wordt aangedreven door de distributieriem, welke door de krukas aangedreven wordt. Nokkenas 2 wordt aangedreven d.m.v. de ketting welke door nokkenas 1 aangedreven wordt. Deze ketting zit met een spanner of een verstelmechanisme onder het kleppendeksel gemonteerd. Meestal wordt dit toegepast bij bijv. 4 cilindermotoren met 16- of meerdere kleppen. (4 of meerdere kleppen per cilinder)

 

Onderliggende nokkenas:
Vroeger werden er motoren uitgevoerd met een onderliggende nokkenas. Tegenwoordig worden de motoren van personenauto's alleen maar uitgevoerd met bovenliggende nokkenas. De constructie is met de onderliggende nokkenas is aan het verdwijnen. Het nadeel van deze constructie is dat deze motoren minder hoge toerentallen aan kunnen, doordat er erg veel massa tussen de nokkenas en de klep zit. Bij hoge toerentallen zal er een te grote speling ontstaan en zal de klep niet meer op de juiste tijdstippen openen en sluiten.

De krukas drijft d.m.v. een kleine distributieketting- of riem de onderliggende nokkenas aan (zie onderstaande afbeelding). De nokkenas duwt de klepstoter en de stoterstang recht omhoog. De rechterkant van de tuimelaar wordt omhoog gedrukt. De tuimelaar 'tuimelt' om de tuimelaar as, waardoor de linker kant omlaag gedrukt wordt. Daardoor wordt de klep tegen de kracht van de klepveer omlaag gedrukt. Als de nokkenas verder is verdraait, drukt de klepveer de klep dicht en komt de tuimelaar weer in de beginpositie te staan.


(Afb. van een motor met een onderliggende nokkenas).

 

Snelle nokkenassen:
Wanneer de nok ovaler en langer is, zal de klep langer open blijven staan. Er kan dan meer lucht in de cilinder in stromen. Hiermee wordt vermogenswinst verkregen. Dit principe wordt o.a. gebruikt bij motortuning. Dit noemt men dan 'snelle nokkenassen'. Wanneer het uiteinde scherper is, (meer in een puntvorm) zal de klep weer sneller sluiten. Hij moet ook een beetje bol zijn, omdat anders de klep met een te hoge snelheid weer terug slaat op de zitting, waardoor er harde slijtage ontstaat aan de klepzittingen. Bij het ontwerpen van een motor wordt dit ook zorgvuldig getest, zodat er nokkenassen in geplaatst worden die het meest optimaal zijn voor vermogen, brandstofverbruik en emissiewaarden.



Klepoverlap:
Tijdens de klepoverlap staan de inlaat- en de uitlaatklep tegelijkertijd even open. Aan het einde van de uitlaatslag, wanneer de zuiger bijna in het BDP staat, opent de inlaatklep al voordat de uitlaatklep gesloten is. In deze situatie is de snelheid van de uitlaatgassen die de verbrandingsruimte verlaten zo hoog, dat er al inlaatlucht door de vacuümwerking naar binnen wordt gezogen. Nadat de uitlaatklep gesloten is en de zuiger naar het ODP beweegt, opent de inlaatklep helemaal. De inlaatlucht zal daarmee de verbrandingsruimte vullen.
Het voordeel van klepoverlap is dat de snelheid van de binnenstromende lucht verhoogd wordt bij het openen van de inlaatklep, wat resulteert in een hogere vullingsgraad.

In de onderstaande afbeelding is de situatie te zien waarbij de inlaatklep (links) en de uitlaatklep (rechts) tegelijk geopend zijn.




In het onderstaande diagram zijn de opening en de sluiting van de uitlaat- en de inlaatklep te zien. Omdat de nokkenas roteert, wordt de uitlaatklep geopend en weer gesloten (de blauwe lijnen). In het midden van de grafiek vindt de klepoverlap plaats. Dit is met rood weergeven. De inlaatklep (met groene lijnen weergeven) is hier al een stukje geopend.




De klepoverlap wordt verkregen door de nokvorm. In de onderstaande afbeelding is te zien dat bij de bovenste nokkenas de hoogste nokken 114 graden van elkaar verwijderd zijn. In het midden van de afbeelding vindt de klepoverlap plaats doordat er het einde van de inlaatnok en het begin van de uitlaatnok hoger liggen dan het ronde gedeelte van de nokkenas. Dit is het deel waarbij de inlaat- en uitlaatkleppen tegelijk open staan.
Hoe dichter de nokken naar elkaar toe worden geplaatst, hoe meer overlap er plaatsvindt. Dit is te zien in het verschil tussen de bovenste en de onderste nokkenas, waarbij de nokken in de onderste nokkenas 108 graden van elkaar verwijderd zijn.



Klepoverlap vindt dus altijd plaats en kan niet gewijzigd worden door de vaste nokvorm op de nokkenas. Hoeveel klepoverlap er plaatsvindt wordt door de constructeur van de motor bepaald.

 

Variabele kleptiming en kleplichthoogte:
Het vermogen van de motor is grotendeels afhankelijk van de nokkenas. Als deze nokken heeft die lang en ovaal zijn blijven de kleppen langer open staan. Er kan dus meer lucht in en uit de motor, wat meer vermogen oplevert. Als de nokken korter en puntiger zijn, zal de klep minder ver open gaan en eerder sluiten, waardoor er minder lucht in en uit kan, dus levert het ook minder vermogen. Het voordeel is dat het brandstofverbruik hierdoor wel minder kan worden.

Lage toeren van de motor met lage belasting vereisen:
- Inlaatkleppen laat openen en vroeg sluiten.
- Uitlaatkleppen laat openen en vroeg sluiten.

Hoge toeren van de motor met hoge belastingen vereisen:
- Inlaatkleppen vroeg openen en laat sluiten.
- Uitlaatkleppen vroeg openen en laat sluiten.

Autofabrikanten zoeken altijd een tussenweg. Variabele kleptiming verstelt de nokkenas op de benodigde positie bij het toerental waar de motor op draait. Ook variabele kleplichthoogte is een techniek om d.m.v. het veranderen van de afstand waarmee de klep opent diverse voordelen te verkrijgen.


Bij variabele kleptiming verdraait de nokkenas t.o.v. het verstelbare nokkenastandwiel (zie onderstaande afbeelding). Bij dit systeem kan geregeld worden dat de kleppen eerder of later openen, maar kan niet geregeld worden dat de kleppen langer open blijven staan. Als de klep eerder opent, zal deze ook eerder sluiten, omdat de vorm van de nokkenas hetzelfde blijft. Op de pagina Variabele kleptiming wordt hier meer uitleg over gegeven.





Variabele kleplichthoogte is een techniek die ervoor zorgt dat de lichthoogte van de klep verstelbaar is. Hiermee wordt geregeld hoe ver de klep open gaat. Dat is gunstig voor zowel het brandstofverbruik als het motorvermogen. De onderstaande afbeelding is hier een voorbeeld van. Dit is de Valvetronic van BMW.
Variabele kleplichthoogte wordt alleen maar toegepast op de inlaatnokkenas. Er bestaan meerdere technieken die door verschillende fabrikanten worden toegepast. Op pagina Variabele kleplichthoogte worden de verschillende technieken uitgebreid beschreven.



Smering:
De nokkenas dient gesmeerd te worden, evenals alle andere bewegende componenten in de motor. Via leidingen met gaatjes of sproeiers wordt de nokkenas op de juiste plekken van olie voorzien. De werking van het gehele smeersysteem wordt beschreven op de pagina Smeersysteem.