Kleppen

Onderwerpen:

Algemeen
Materiaal
Met natrium gevulde kleppen
Klepgeleiders
Verschillende typen klepbediening
Kleppenmechanisme bij Indirecte klepbediening
Kleppenmechanisme bij Directe klepbediening
Klepspeling afstellen
Meerkleppen techniek
Variabele kleptiming en kleplichthoogte

Algemeen:
In elke verbrandingsmotor zitten kleppen. Er zit altijd minimaal één inlaat- en één uitlaatklep. Deze kleppen worden door middel van de Distributie aangedreven door één of meerdere Nokkenassen en zorgen dat er verse lucht in de verbrandingsruimte kan stromen, de lucht vervolgens opgesloten wordt tijdens het comprimeren en vervolgens weer de verbrandingsruimte kan verlaten. De stroming van de in- en uitlaatgassen moet met zo min mogelijk weerstand gaan.
De materialen zijn daarvoor zo goed mogelijk gevormd.
De kleppen zijn in de cilinderkop aangebracht. De inlaatklep is vaak groter dan de uitlaatklep, omdat er zo veel mogelijk mengsel in de cilinder moet komen. De uitlaatklep mag best kleiner zijn, omdat verbrandde uitlaatgassen de cilinder toch wel verlaten na de uitlaatslag, wanneer de zuiger de gassen uit de cilinder duwt.

Als voorbeeld gaan we even uit van het vierslagproces van een benzinemotor. Tijdens de inlaatslag van de motor gaat de inlaatklep open en wordt er bij een indirect ingespoten benzinemotor een lucht- brandstofmengsel, en bij een direct ingespoten benzinemotor alleen verse lucht aangezogen. De lucht wordt aangezogen doordat de zuiger naar beneden beweegt. De lucht die naar binnen stroomt neemt de ruimte in die er vrij komt. Wanneer de zuiger weer naar boven beweegt zal de inlaatklep sluiten. Het mengsel van brandstof en lucht kan nu geen kant op en word samengeperst. Dit wordt de compressieslag genoemd. Daarom is het belangrijk dat de kleppen goed sluiten. Het mengsel wordt ontbrandt doordat de bougie een vonk geeft. De zuiger wordt daardoor met een flinke kracht naar beneden wordt geduwd. Dit wordt de arbeidsslag genoemd.
Bij de uitlaatslag gaat de uitlaatklep open en beweegt de zuiger omhoog. De verbrandde gassen verlaten nu de cilinder en gaan naar de uitlaat. Wanneer de zuiger bovenin is, sluit de uitlaatklep en gaat de inlaatklep open. De zuiger gaat weer omlaag en de inlaatslag volgt. In werkelijkheid gaat de inlaatklep iets eerder open, zodat de in- en uitlaatklep korte tijd tegelijkertijd open staan. Dit wordt “klepoverlap” genoemd. De snelheid van de verbrande gassen die de cilinder langs de uitlaatklep verlaten zorgen voor een onderdruk, waardoor de inlaatlucht extra aangetrokken wordt. Op deze manier kan er meer lucht in de cilinder stromen dan wanneer alleen de inlaatklep zou openen en de zuiger naar beneden zou bewegen. De vullingsgraad wordt zo verbeterd.

Voor een uitgebreidere uitleg over het vierslagproces, zie de pagina “Werking benzinemotor“.

Materiaal:
Kleppen worden zwaar belast. Vooral de uitlaatkleppen, omdat die ontzettend warm worden en weinig gekoeld kunnen worden. De inlaatkleppen worden deels gekoeld door de koude aangezogen lucht die de cilinder in gaat. Langs de uitlaatkleppen stromen de verbrande uitlaatgassen met een temperatuur van maximaal 900 graden Celcius. Daarom zijn uitlaatkleppen ook van een ander materiaal gemaakt dan inlaatkleppen. Inlaatkleppen worden vaak gemaakt van chromonikkelstaal. Uitlaatkleppen worden vaak gemaakt van chroomsiliciumstaal. Om slijtage te beperken door de hoge temperatuursomstandigheden, zijn de buitenranden van de klepschotel (het afdichtvlak) en de klepstelen gepantserd met een laagje hardmetaallegering (stelliet). De kleppen voeren het grootste gedeelte van de warmte af via de klepschotel en de klepsteel. Met natrium gevulde kleppen hebben een nog betere warmte afvoer.

Met natrium gevulde kleppen:
Uitlaatkleppen zijn hol van binnen. De holle ruimte is voor ongeveer 60% opgevuld met natrium. Natrium is een metaal dat vloeibaar wordt bij een hoge temperatuur (vanaf ca. 100 graden Celcius). Bij een draaiende motor gaat de klep vaak op en neer. Het natrium in de klep wordt constant heen-en-weer geslingerd en transporteert daarmee de warmte. Het natrium neemt de warmte op van de klepschotel en geeft het af aan de klepsteel. Met natrium gevulde kleppen kun je ten op zichte van niet-natrium gevulde kleppen een temperatuurdaling krijgen van 80 tot 100 graden.
Inlaatkleppen hebben dit niet nodig, want deze worden al gekoeld door de binnenstromende lucht.

In de afbeelding stelt het grijze oppervlak het materiaal voor en het rode gedeelte de holle ruimte die gevuld is met natrium.

Klepgeleiders:
De kleppen bewegen in de cilinderkop omhoog en omlaag. Er moet een goede afdichting zijn tussen de klep en de cilinderkop, zodat er geen olie vanuit de cilinderkop, langs de klepsteel naar een inlaat- of uitlaatkanaal kan lopen. Er is altijd wel een kleine oliefilm tussen de klep en de klepgeleider aanwezig om te smeren. In de afbeelding is de klepgeleider met oranje weergeven.

Wanneer er blauwe rook uit de uitlaat komt, kan dat een gevolg zijn van defecte klepgeleiders. Het kan zijn dat de klepgeleiders ruimer geworden zijn (zie onderstaande afbeelding) waardoor de klep zelfs speling heeft in de cilinderkop. In deze situatie kan er olie langs de klep het inlaat- of het uitlaatkanaal komen. Aan de bovenkant van de klepgeleider heerst de buitenluchtdruk, of soms zelfs overdruk vanwege een hogere carterdruk. Aan de onderkant van de klepgeleider stromen de gassen naar het uitlaatspruitstuk, wat zorgt voor een vacuümwerking. De lekkage wordt daarmee versterkt, doordat de olie als het ware langs de klepsteel naar beneden wordt gezogen. Wanneer de olie in het uitlaatspruitstuk terecht komt, wordt deze niet verbrand. De olie wordt wel opgewarmd waardoor deze deels verdampt. Het gevolg kan zijn dat er blauwe rook uit de uitlaat komt.

Klepgeleiders kunnen vaak los vervangen worden. Daarvoor moet de cilinderkop gedemonteerd worden en de klep uit de cilinderkop gehaald worden. De klepgeleiders kunnen dan vervangen worden. Niet bij alle cilinderkoppen kunnen de klepgeleiders los vervangen worden. Revisiebedrijven hebben daar vaak een oplossing voor. Vraag voor de mogelijkheden van het vervangen van klepgeleiders bij een goed aangeschreven revisiebedrijf.

Verschillende typen klepbediening:
De kleppen kunnen op verschillende manieren bediend worden. In de onderstaande afbeelding staan vijf verschillende uitvoeringen. Deze verschillende uitvoeringen en de manieren van afstellen worden verderop deze pagina behandeld.

A: Indirecte klepbediening met tuimelaars.
B: Directe klepbediening met rolsleeptuimelaars.
C: Directe klepbediening met hydraulische klepstoters.
D: Directe klepbediening met tuimelaars en meerdere kleppen per cilinder.
E: Directe klepbediening met hydraulische klepstoters en meerdere kleppen per cilinder.

Bij de motoren zónder hydraulische klepstoters (A, B en D) is het noodzakelijk om periodiek de klepspeling te controleren. Meer hierover bij het hoofdstuk “Klepspeling afstellen” op deze pagina. Bij motoren met hydraulische klepstoters is het afstellen van de klepspeling niet nodig en ook niet mogelijk; de hydraulische stoters worden gevuld met olie waardoor de overtollige speling wordt opgeheven.

Kleppenmechanisme bij indirecte klepbediening:
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.

Kleppenmechanisme bij directe klepbediening:
De bovenliggende nokkenas wordt bij personenauto’s tegenwoordig alleen maar toegepast. De nokkenas is dan in de cilinderkop geplaatst. Het voordeel van motoren met een bovenliggende nokkenas is dat ze hogere toerentallen aankunnen dan bij 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.

Op de afbeelding is een schematische weergave van een klep met klepveer te zien. Hier is duidelijk te zien op welk gedeelte de klep op het klepsluitvlak van klepzitting rust. Bovenin zitten de veerschotel (het deel waar de nok van de nokkenas de klep omlaag duwt) met daaronder de klepspie en de klepveer. De klepspie dient als bevestiging van de klep. Om de klep uit de cilinderkop te demonteren moeten de klepspieën gedemonteerd worden. Bij demontage moet de veerschotel tegen de kracht van de klepveer omlaag geduwd worden (daar is speciaal gereedschap voor beschikbaar). De klep zal dan vrij te bewegen zijn. Door de twee klepspieën met een magneet tussen de veerschotel en de klepsteel te verwijderen, kan de klep van onderaf uit de cilinderkop gehaald worden.
Bij montage moet er wel op gelet worden dat de juiste klep weer op de juiste plaats gemonteerd wordt. Deze mogen niet uitgewisseld worden. Wanneer er een nieuwe klep geplaatst wordt, zal deze met speciale schuurpasta ingeschuurd moeten worden. Na het inschuren zal de klep goed afdichten. De nieuwe klep kan vervolgens door de klepsteelgeleider geschoven worden en de klepspieën kunnen weer op hun plaats gelegd worden. Daarna kan de klepveer weer ontspannen worden.

Klepspeling afstellen:
Er moet tussen de nokkenas en de tuimelaar of de bovenzijde van de klep altijd een bepaalde hoeveelheid speling aanwezig zijn. Met deze speling krijgt het materiaal de mogelijkheid om uit te kunnen zetten. De speling mag niet te groot zijn; de klep gaat dan minder ver en minder lang open. Wanneer de speling namelijk te groot is, duurt het langer voordat de nokkenas de klep open drukt en sluit de klep weer eerder. De speling mag ook niet te klein zijn; de klep wordt dan eerder geopend en later gesloten. De klep staat dan elke keer te lang open. De tijd dat de klep dicht zit is dus korter; de kans bestaat dat de klep zijn warmte niet kwijt kan aan de klepzitting van de cilinderkop en daardoor oververhit raakt. De klep kan dan verbranden.

Tegenwoordig worden bijna alle personenauto’s uitgevoerd met hydraulische klepstoters. Echter, er zijn nog fabrikanten waarbij motoren ontwikkeld worden waar de klepspeling van afgesteld moet worden. Bij auto’s uit de jaren ’90 was het toepassen van hydraulische klepstoters ook nog helemaal niet vanzelfsprekend. Er rijden dus nog genoeg voertuigen rond waarbij bij periodiek de klepspeling gecontroleerd en zo nodig afgesteld moet worden. In de fabrieksgegevens is vaak terug te vinden bij welke kilometerstand dit moet gebeuren (vaak elke grote onderhoudsbeurt). Er zijn twee verschillende constructies om de klepspeling af te stellen; door middel van vulplaatjes en door middel van het verstellen van excentrische bouten. Deze worden beiden hieronder beschreven.
Wanneer de kleppen gesteld worden, mag er niet zomaar op een willekeurig punt gestart worden. Er moet goed gelet worden op het punt wanneer de kleppen op “tuimelen” staan. Tuimelen wil zeggen dat de nokkenas de uitlaatkleppen net gesloten heeft en op het punt staat om de inlaatkleppen te openen. Op het moment dat cilinder 1 op tuimelen staat, betekent dat dat deze aan het begin van de inlaatslag staat. De zuiger van cilinder 1 staat dan dus bovenaan. Cilinder 1 en 4 staan qua hoogte altijd op dezelfde plek (net als dat 2 en 3 op dezelfde hoogte staan, zie onderstaande afbeelding). Omdat de ontstekingsvolgorde 1-3-4-2 is (denk aan het arbeidsdiagram), betekent het dat cilinder 4 aan het begin van de arbeidsslag staat. Na cilinder 4 is dus cilinder 2 aan de beurt en daarna cilinder 3.

In de onderstaande afbeelding staat de zuiger van cilinder 1 in het BPD. De nokken staan naar onderen gericht; de inlaatkleppen zijn net gesloten en de uitlaatkleppen staan op het punt om open te gaan. Op dat moment kunnen de kleppen van cilinder 4 gesteld worden; de nokken zijn daar namelijk omhoog gericht.

De klepspeling wordt gemeten met een zogenaamd “voelermaatje“. Op het voelermaatje zitten diverse maten met metalen strips, met elk een waarde van 0,05mm dikker dan de ander. Door een aantal strips tussen de nokkenas en de klep te schuiven, kan gecontroleerd worden hoeveel speling er aanwezig is. De desbetreffende strip mag er niet te makkelijk doorheen worden geschoven; de klepspeling is dan groter dan de waarde van de strip. Wanneer de strip er niet tussen past of heel erg zwaar gaat en klem loopt, dan is de strip te dik. Er mag weerstand voelbaar zijn wanneer de strip er tussen bewogen wordt.

Klepspeling afstellen door middel van vulplaatjes:
De dikte van het vulplaatje, ook wel “shim” genoemd, bepaalt in dit geval de klepspeling. In de onderstaande afbeelding is het vulplaatje met rood aangegeven. Door het vulplaatje te vervangen door een dikker exemplaar, zal de klepspeling minder worden. Er is dan namelijk minder ruimte tussen de nokkenas en het vulplaatje. Onder de afbeelding wordt uitgelegd hoe de klepspeling afgesteld moet worden. Om de kleppen af te stellen moet de nok van de desbetreffende klep omhoog gericht staan, zoals in de onderstaande afbeelding te zien is. Wanneer de nok verdraaid is worden er foutieve metingen gedaan. Bij het kleppen stellen van een viercilinder motor dienen de volgende handelingen aangehouden te worden:

Cilinder 1 op tuimelen = Kleppen van cilinder 4 stellen.
Cilinder 2 op tuimelen = Kleppen van cilinder 3 stellen.
Cilinder 3 op tuimelen = Kleppen van cilinder 2 stellen.
Cilinder 4 op tuimelen = Kleppen van cilinder 1 stellen.

De fabriekswaarde van de bovenstaande klepspeling kan bijvoorbeeld 0,35mm zijn. Er moet dus een ruimte van 0,35mm tussen het vulplaatje en de nokkenas aanwezig zijn, wanneer de nok omhoog gericht staat. Met het voelermaatje kan de ruimte tussen de twee delen gemeten worden. Gaat de strip van 0,35mm er heel makkelijk doorheen zonder weerstand te voelen, betekent dat de afstand tussen de klep en de nokkenas groter is dan 0,35mm. De klepspeling is in dat geval te groot. Wanneer er een strip van het voelermaatje van 0,45mm er bijna niet tussen past omdat er heel veel kracht gezet moet worden om deze er tussen te duwen, is deze strip te dik. De werkelijke speling ligt dan tussen de 0,35 en 0,45mm. Er kan voor de zekerheid nog een strip van 0,40mm er tussen geschoven worden. Loopt deze aan, maar is deze wel heen en weer te bewegen (er mag weerstand voelbaar zijn) dan weet je het zeker; de klepspeling is 0,40mm in plaats van de voorgeschreven 0,35mm.

Omdat de klepspeling te groot is, dient er een dikker vulplaatje gemonteerd te worden. Vaak staan de maten op de vulplaatjes. Lees in dat geval de waarde van het vulplaatje af dat te dun is. Dat is bijvoorbeeld 2,75mm.
De klepspeling is te groot; het vulplaatje moet 0,05mm dikker zijn dan degene die gemonteerd zit, namelijk die van 2,75mm. Op het moment dat er een vulplaatje van (2,75 + 0,05) = 2,80mm gemonteerd wordt, is de klepspeling correct. Monteer in dat geval het vulplaatje van 2,80mm, verdraai de krukas twee rotaties zodat de juiste kleppen weer op tuimelen staan en controleer de klepspeling opnieuw.

Vaak is er speciaal demontagegereedschap om de vulplaatjes gemakkelijk te kunnen vervangen. Een voorbeeld hiervan is te zien in de afbeelding.

Klepspeling afstellen door middel van verstelbare excentrieken:
Een veelvuldig toegepast systeem is het verstelbare excentriek. De verstelschroef kan pas verdraaid worden als de borgmoer een kwartslag los is gedraaid. Wanneer de verstelschroef vervolgens verdraaid wordt, zal de ruimte tussen de klepsteel en de tuimelaar direct groter of kleiner worden. Door vervolgens de borgmoer vast te draaien, is de verstelschroef weer vergrendeld.

Ook hier moeten uiteraard eerst de kleppen van de juiste cilinder op tuimelen staan! Door met het voelermaatje met de goede dikte (dus dezelfde waarde als de fabriekswaarde) tussen de klepsteel en de tuimelaar te voelen, kan worden bepaald of de klepspeling te groot, te klein of correct is. Door de verstelschroef te verdraaien en het voelermaatje er constant tussendoor te bewegen, kan de juiste stand van de verstelschroef gevonden worden waarbij de klepspeling correct is. Draai dan de borgmoer vast en controleer vervolgens of de speling nog steeds hetzelfde is. Er bestaat een grote kans dat de verstelschroef een klein beetje verdraaid is bij het aandraaien van de borgmoer, tenzij er speciaal gereedschap wordt gebruikt dat wordt voorgeschreven door de fabrikant.

Meerkleppen techniek:
Elke vierslag motor heeft minimaal 1 inlaatklep en 1 uitlaatklep. Krachtigere en zuinigere motoren hebben vaak 2 inlaatkleppen en 2 uitlaatkleppen. Sommige types hebben 2 inlaatkleppen en 1 uitlaatklep, of 3 inlaatkleppen en 1 uitlaatklep.
Er zijn twee belangrijke voordelen met het gebruik van meerdere kleppen, namelijk:

De kleppen zullen een wat kleinere diameter hebben, wat leidt tot een lagere massa (minder gewicht) per klep. Dit heeft als grootste voordeel dat de kleppen niet gaan zweven bij een hoog motortoerental. Zwevende kleppen houden in dat als de motor een hoog toerental draait (bijv. 5000rpm) de kleppen zo snel open en dicht gaan, dat de klepveren geen tijd meer hebben om de klep dicht te drukken. De klep sluit dus niet volledig op de klepzitting. Dit kan als gevolg hebben dat de zuiger de klep raakt, of dat de klep oververhit raakt omdat deze geen warmte meer af kan geven op de klepzitting. Door de meerdere kleppen zijn de kleppen lichter en hebben de klepveren genoeg tijd om de klep te sluiten.
Door de lagere massa per klep kunnen de kleppen sneller gesloten worden. Dit maakt het mogelijk dat er variabele kleptiming wordt toegepast, waarbij de stand van de nokkenas verdraait wordt bij een bepaald motortoerental of belasting.

Variabele kleptiming en kleplichthoogte:
Moderne motoren maken vaak gebruik van variabele kleptiming. Sommige motorfabrikanten passen ook variabele kleplichthoogte toe (o.a. BMW). Deze hoofdstukken staan apart beschreven op de pagina’s: