Terwijl de wereld zich afvraagt of de verbrandingsmotor nog toekomst heeft, gooit Honda de knuppel in het hoenderhok door met een compleet nieuw motorconcept te komen: een driecilinder V-motor met elektrische turbo. Daar moeten we even over nadenken…
Honda staat erom bekend dat het nogal eens outside the box denkt. Zo had Honda veertig jaar geleden al een V3-tweetaktmotor in de NS400R en presenteerde de NR750 met ovale zuigers en acht kleppen per cilinder. Honda liet haar 500cc-racemachines als big-bang-motoren lopen. Je kunt dus van Honda altijd wat verrassends verwachten. Nu komt Big Red met een concept van een 75° V3. Dat werpt wat hoofdbrekens op, met name als het gaat om ontstekingsintervallen en balansproblemen. Vooral als je het vergelijkt met een driecilinder lijnmotor.
Techniek tweetakt met kleppen: kan dat wel?
Ontsteking
Het lijkt logisch om de ontstekingsintervallen van een motor evenredig te verdelen. Elke cilinder van een viertakt vonkt eens in de twee omwentelingen, dus elke 720 graden. Als je twee cilinders hebt, kun je die dus elke 360 graden laten ontsteken. Een driecilinder kun je elke 240 graden laten ploffen, een viercilinder elke 180 graden. Toch kiest een fabrikant het ontstekingsinterval vaak juist niet regelmatig. Enerzijds omdat een ongelijk ontstekingsinterval een motor een ander karakter en geluid geeft, maar vaak ook omdat een andere volgorde of een ander interval een betere balans geeft in een motorblok. Neem bijvoorbeeld een tweecilinder lijnmotor. Om een ontstekingsinterval van 360° te bereiken, moeten de twee zuigers tegelijkertijd op en neer gaan. Bij zo’n paralleltwin komen de zuigers dus tegelijkertijd in het bovenste dode punt en tegelijkertijd in het onderste dode punt. Dat geeft elke keer een klap omhoog en omlaag. Het is dan handiger om de zuigers tegen elkaar in te laten bewegen. Als de ene klap omhoog geeft, geeft de andere een klap omlaag en dat heft elkaar op, althans in verticale richting. Om dat te bereiken, moeten de kruktappen 180° ten opzichte van elkaar verdraaid staan. Maar dat heeft gevolgen voor het ontstekingsinterval, want de ene zuiger loopt nu 180° achter de andere aan. Je krijgt dus een onregelmatig ontstekingsinterval van 180° en 540°.
Met verticale balans ben je er nog niet. Dat kun je goed zien als je een eencilinder bekijkt. Die heeft maar één zuiger, er is dus geen tweede die er tegenin kan bewegen. Om de onbalans tegen te gaan, is er een contragewicht op de krukas geplaatst, in de vorm van dikke krukwangen. Dat contragewicht ‘slaat’ dus tegen de beweging van de zuiger in en zorgt zo dat de klappen minder groot worden. Maar op deze manier kun je niet de hele onbalans opheffen. Want omdat de krukas draait, ‘slaat’ het contragewicht niet alleen omhoog en omlaag, maar ook haaks erop, dwars op de bewegingsrichting van de zuiger. Hoe meer contragewicht er op de krukas zit, hoe meer haakse onbalans je terugkrijgt.
Balansas
Ook dit probleem is op te lossen. Je kunt een balansas gebruiken. Dat is een as, waarop een gewicht is geplaatst, een paar centimeter uit het hart van de as. Dat gewicht zorgt dus ook voor een onbalans. Maar door de as tegengesteld aan de krukas te laten draaien, werkt die onbalans precies tegen de andere onbalans in. Zo kunnen ze elkaar opheffen. Dan kun je 50% van de onbalans van het zuiger/drijfstanggewicht met een contragewicht op de krukas opheffen, de andere 50% door de balansas. Samen is dat 100%. Ook in dwarsrichting, want als het contragewicht bij een rechtopstaande eencilinder naar voren slaat, dan slaat het gewicht van de balansas naar achteren. De resultante is nul. Balansassen maken zo de weg vrij voor interessante motorconcepten. Je kunt de kruktappen in alle standen verdraaien of de cilinders in vreemde hoeken van elkaar zetten, als je voor elke cilinder een balansgewicht op een balansas plaatst, dat de onbalans van die individuele cilinder opheft.
Driecilinders
Driecilindermotoren hebben meestal een gelijkmatig ontstekingsinterval, dus is er elke 240° een arbeidsslag. Dat betekent dat de kruktappen 120° ten opzichte van elkaar zijn verdraaid. Er is dus ook nooit een punt waar de beweging van de ene zuiger die van een andere zuiger opheft. Er zijn immers nooit twee zuigers gelijk in de tegenovergestelde dode punten. Dat zou ook niet goed zijn, want dan zou de derde cilinder juist onbalans veroorzaken. Toch is een driecilinder perfect in balans. Dat zie je als je de grafiek van de onbalans van elke cilinder in een grafiek tekent: de onbalans volgt een sinus waarbij de fases elk 120° van elkaar verschillen. Je ziet dan dat voor elke hoek van de krukas geldt, dat de onbalans van één zuiger even groot en tegengesteld is aan de onbalans van twee andere zuigers samen. Het geheel is dus altijd in balans. Toch hebben zowel de Triumph driecilinders als de CP3 driecilinder van Yamaha een balansas. Het waarom daarvan wordt duidelijk als we niet van de zijkant, maar vanaf de voorkant – dus dwars op de krukas – naar het blok kijken. Dan zien we dat de middelste cilinder in het hart van het blok zit, maar de andere twee zitten op relatief grote afstand van het hart. Wanneer de onbalans ‘omhoog’ van cilinder 1 wordt gecompenseerd door de onbalanskrachten ‘omlaag’ van cilinders 2 en 3, werkt de onbalans van cilinder 2 netjes in het hart van het blok. Cilinders 1 en 3 leveren door hun afstand of ‘arm’ tot het hart samen een draaiend koppel, dat het blok laat wiebelen. Vandaar dat een driecilinder toch twee tegengesteld gerichte balansgewichten nodig heeft, een voor en een achter het blok.
Honda V3
Honda maakt nu een driecilindermotor, waarbij er twee cilinders in lijn staan en één onder een hoek van 75° met de andere twee. Honda is nog karig met informatie, maar het lijkt erop dat de achterste, enkele cilinder ‘in het midden’ zit, dus de drijfstang van de achterste cilinder zit dan op de middelste kruktap. Wil je daarbij een gelijkmatig ontstekingsinterval van 240° hebben, dan moeten de kruktappen van cilinders één en twee 195° uit elkaar staan, cilinders twee en drie 45° uit elkaar en cilinders één en drie 120° uit elkaar. Dat de balans bij die constructie ver te zoeken is, mag duidelijk zijn: die is alleen te herstellen door voor elke individuele cilinder een balansgewicht op een balansas te zetten, dat 50% van de onbalans van het zuiger/drijfstanggewicht van die cilinder voor zijn rekening neemt. Maar het is niet gezegd dat de ontstekingsintervallen gelijk zijn. Honda kan ons weer verrassen, dan ziet alles er weer anders uit.
Techniek Kawasaki Ninja 7 Hybrid: het verhaal dat de persmap niet vertelde
Drukvulling
De nieuwe Honda V3 heeft nog een andere interessante noviteit: er zit een elektrische supercharger op. Een supercharger gebruik je net als een turbo om lucht onder druk de motor in te blazen. Op die manier kun je veel meer lucht in de cilinder krijgen dan wanneer de zuiger dat zelf moet aanzuigen. Meer lucht betekent meer zuurstof om benzine mee te verbranden. Meer benzine verbranden geeft meer warmte en dus meer druk. Je wint er dus behoorlijk vermogen mee. Motorfietsen met turbo zijn er meer geweest, maar niet met een elektrische. Een elektrische supercharger doet in principe hetzelfde: het compressorgedeelte daarvan is namelijk vergelijkbaar met die van een conventionele turbo: een schoepenwiel draait heel hard en slingert zo lucht naar buiten toe, waar het door een soort slakkenhuisconstructie naar de cilinder wordt geleid. Bij een uitlaatgasturbo wordt het schoepenwiel aangedreven door een gelijksoortig schoepenwiel, dat op gang wordt geblazen door de uitlaatgassen, die uit de cilinder stromen. Bij Honda is dat deel vervangen door een elektromotor.
Downspeeden
Een elektrische turbo lost een aantal nadelen van een conventionele uitlaatgasturbo op. Een uitlaatgasturbo wordt aangedreven door uitlaatgas en komt dus pas goed op toeren als er veel uitlaatgas wordt gemaakt. Met andere woorden, bij een redelijk grote gasstand en hogere toerentallen. Voor motorfietsen is dat niet handig, want dat betekent dat de motor onderin niet goed trekt en het vermogen er pas later tamelijk bruusk inkomt. Ook is de gasreactie veel te traag, omdat de turbo eerst op gang moet komen als je gas geeft. Dat heet ‘turbo-lag’. Dat nadeel heeft een elektrische turbo niet. Die is bijna direct op toeren, wat een goede gasreactie garandeert. Ook kan een elektrische turbo al vanaf stationair toerental veel lucht verpompen en zo zorgen dat de motor ook van onderuit goed trekt. Dat laatste vinden autofabrikanten vooral interessant omdat ze op die manier beter kunnen downsizen. Kleine motoren hebben namelijk minder wrijvings- en pompverliezen dan grote, maar niet genoeg koppel en vermogen. Met een uitlaatgasturbo kun je dat vermogen opkrikken, maar met een elektrische turbo kun je ook dat koppel bij lage toeren sterk verbeteren. Dat heeft nog een groot voordeel: als je veel koppel bij lage toerentallen kunt genereren, dan kun je de hoogste versnellingen langer maken. Je rijdt dan bij kruissnelheid met lagere toerentallen en ook dat ‘downspeeden’ spaart weer brandstof. Daar lijkt het Honda in eerste instantie om te doen, want de technologie is bedoeld voor motoren met ‘larger displacement’. Downsizen lijkt dus niet de gekozen richting.
