De Knight / Sansoupapes Motor

Inleiding
Dit artikel gaat over de schuivenmotor van Panhard. Eigenlijk vind ik dat een onzinnige naam; de Franse benaming dekt de lading beter (zonder kleppen). Het principe is dat er in de cilinder twee conservenblikjes onafhankelijk van elkaar op- en neergaan, aangestuurd door een excentrisch gelegen as in het carter, om de ademhaling van de motor te verzorgen. Die as heet in het Frans vilebrequin latéral oftewel zijdelingse krukas; ook wel arbre (of axe) des excentriques. Deze as heeft lange en korte drijfstangetjes voor de bussen. In de bussen zitten sleuven voor de aan- en afvoer van gas. Het systeem had zijn voordelen (het door gebrekkige metallurgische kennis kwetsbare kleppenmechaniek (alhoewel Panhard-motoren met kleppen als onverwoestbaar golden) en het lawaai van de in het begin blootliggende kleppen werd vermeden; rendement en koeling was beter) maar ook nadelen (te ingewikkeld voor “gewone” monteurs en een hoog olieverbruik door de smering van drie bussen (1 vaste, 2 bewegende) per cilinder). Na de oorlog 39-45 ging Panhard over op klepbediening, maar eigenwijs als La Doyenne nu eenmaal was , was ook die weer nogal onconventioneel.

Nu het artikel:
De automobielhistorie kent geen lineaire ontwikkeling. In het begin van de twintigste eeuw, wanneer de hoofdkenmerken van de hedendaagse explosiemotor nog niet helemaal vastliggen, zoekt men op allerlei gebied naar verbeteringen voor de vier cycli van Beau de Rochas: inlaat, compressie, explosie en uitlaat.
De Moeder der Merken wilde bij deze vooruitgang niet ontbreken. Tijd dus voor een niet-uitputtende rit door de technische wereld van de schuivenmotor.

Op 18 juli 1905 precies patenteren Charles Yale Knight en Lyman Bernard Kilbourne, twee Amerikanen die in Chicago wonen, hun ééncilinder voor industriële doeleinden (aandrijven van machines) die zó ontworpen is dat hij het kleppenmechaniek niet nodig heeft.
Midden 1906 ontdekt Panhard-Levassor deze motor en men besluit hem te testen. Deze test zal twee jaar duren en zal leiden tot het adopteren van dit motortype in 1908 (en niet in 1911, zoals in een eerder artikel vermeld stond).
Deze motor wordt voor het eerst toegepast in 1909 in een 20 CV model (zie afbeelding 3 en 9).
In 1908 vindt ook het overlijden van René Panhard, oprichter van de firma, plaats.
In zijn plaats komen zoon Hyppolyte en vervolgens zijn neef Paul, die beetje bij beetje de teugels overneemt in de jaren 1940 tot 1967.

Afbeelding 2 Panhard stand in 1910 met groot doorsnedemodel van de SS cilinder

De stoutmoedige SS-techniek stoelt op die van de stoommachines met hun systeem van stoomschuiven, en beangstigt de mensen aanvankelijk. In die tijd kwamen motoren nauwelijks boven de 1000 toeren, en die SS-motor draait op wel 1400 toeren!

Kleppenmechanismen baren nog veel zorg qua onderhoud en smering. Klepgedrag in de cilinderkop hangt af van de kwaliteit van het gebruikte metaal, de spanning van de klepveer, allerlei elementen die men weliswaar beheerst, maar die nog lang niet uitontwikkeld zijn.
Let wel, boven een bepaald kritisch toerental gaan de kleppen zweven en gaat het motorrendement verloren.
Ook Panhard geeft toe behoorlijk wat moeilijkheden te hebben bij het onderhoud van zijn kleppenmotoren.
De keuze voor de schuivenmotor is dus beslist geen modegril, maar meer een besluit dat na rijpe overweging valt richting de superieure technologie.

Afbeelding 3: Limousine P&L 20 CV 1909 type X7 (of X9, met andere transmissie, of X14, met dubbele remmen). Eerste P&L met 4-cilinder SS-motor, leeg gewicht 1900 Kg

Afbeelding 4: Doorsnede eerste P&L viercilinder SS. De halfbolvormige cilinderkop zorgt voor betere vulling en verbranding

De werking van de schuivenmotor
Deze motor neemt van de klassieke motor de cilinders, drijfstangen, zuigers, krukas en carter over, maar in het carter bevindt zich een extra element: een zijdelings liggende krukas (K) die door de hoofdkrukas (E) wordt aangedreven via een ketting (I).(zie afb. 4)
Deze zijdelingse krukas heeft een functie die vergelijkbaar is met de tegenwoordige nokkenas.
Op deze as zijn excentrisch drijfstangetjes (L) gemonteerd die verbonden zijn met een “oortje” onderaan een dunne gietijzeren bus (een bus die men in het Frans tiroir(=schuiflade) of chemise(=huls) noemt). Die bussen – er zijn er twee per cilinder – passen nauw in elkaar en glijden, bediend door de drijfstangetjes, op en neer in de cilinder. De zuiger gaat op en neer in de binnenste bus.
Dus, om nog even op een rijtje te zetten, van buiten naar binnen:
a. het motorblok met de cilinderboringen
b. de eerste bus die in de cilinder op en neer glijdt
c. de tweede bus die onafhankelijk van de eerste bus in deze op en neer gaat
d. de zuiger met drijfstang die in de tweede bus zijn werk doet.

Afbeelding 5: Laterale krukas met drijfstangen, bussen, zuiger en cilinderkop

Wat is nu het nut van die bussen? Zij geven d.m.v. sleuven in hun bovenkant links en rechts (dus twee sleuven per bus) toegang tot hun binnenste. Omdat de bussen door de laterale krukas op en neer worden bewogen, maar met een bepaalde afwijking ten opzichte van elkaar, zullen de sleuven in een vloeiende beweging tegenover elkaar of van elkaar komen te staan, waardoor een doorgang naar het binnenste geopend dan wel gesloten wordt, en dat links of rechts. Met de inlaatsleuven tegenover elkaar,                
de uitlaatsleuven verschoven van
elkaar en een zuiger die naar beneden gaat kan zo gas aangezogen worden in de verbrandingskamer, met beide inlaat- en uitlaatsleuven verschoven en opgaande zuiger volgt compressie. Tijdens de werkslag zijn alle sleuven dicht en bij de uitlaatslag gaan de uitlaatsleuven open.
Op deze manier zijn de vier slagen van de viertaktmotor geregeld.
Vanwege de afwezigheid van kleppen hoeft de verbrandingskamer niet meer een
of andere rare vorm te hebben, maar kan de cilinderkop mooi halfbolvormig uitgevoerd worden, met de bougie in de top.
De kop is voorzien van een cirkelvormige gleuf waarin de bussen zo hoog mogelijk omhoog kunnen schuiven. Verder is hij voorzien van afdichtingspakkingen, twee dunne boven en een dikkere beneden, zodat wanneer de sleuven nog (gedeeltelijk) open staan op een ongewenst moment de doorgang door de koppakking wordt afgesloten (zie fig.6, situatie 3,4).

Afbeelding 6: De vier takten van de SS

De voordelen van de kleploze motor
In tegenstelling tot de klepbediening, die nogal tik-tak is, is de bediening van de bussen veel smeuiiger, zonder plotselinge overgangen. Alle bewegingen zijn geleid, zonder speling. In technische taal heet dit een desmodromische bediening. Door de afwezigheid van het geluid van tikkende kleppen is de motor veel stiller: stationair hoor je hem helemaal niet, en bij vol vermogen hoor je wat gefilterd gekabbel.
Indertijd werd in kleppenmotoren slechts 20 % van de brandstof die tot de carburateur was doorgedrongen gebruikt voor motorvermogen. De bougie zat (bij zijklepmotoren, BT) ver verwijderd van de uiteinden van de verbrandingsruimte. De verbrandingsvoortgang bleef sterk achter bij de compressie en zorgde
voor 35 % onverbrand gas. Waar de
kleppen zaten was was de koeling                                                
moeizaam en werd kool gevormd. In de sleuvenmotor is de ademhaling een stuk beter geregeld door de grotere openingen en wordt turbulentie vermeden. De vulling van de cilinders is perfect, de bougie staat op de juiste plek en wordt optimaal gekoeld. Daardoor kan de compressieverhouding omhoog en krijg je een sterkere motor bij gelijk gewicht, die zuiniger is en minder calorieën verspilt aan koelwater of uitlaat. Het rendement stijgt tot boven de 30 %

De nadelen van de kleploze motor
Er zijn twee nadelen: de smering van de bussen luistert heel nauw, in verband met vreten, en hetzelfde geldt voor het in de hand houden van de uitzetting van de bewegende delen. Deze techniek vereist een zeer nauwkeurige fabricage van de bussen (tot op de micron, zoals Paul Panhard het uitdrukte), eerst in gietijzer en later in regular staal voor minder gewicht en meer nauwkeurigheid. Het is echter een groot geluk dat de aanwezige krachten zich verdelen over een groot contactoppervlak, zodat de oliedeeltjes die tussen de bussen gemangeld worden niet te heet worden en warmteoverdracht makkelijk verloopt. Maar het olieverbruik is vergelijkenderwijs hoog: zo’n liter op de 300 km, en de Panhards met dergelijke motoren verraden zich altijd door de blauwe walm die er achter hangt; vandaar misschien de uitdrukking: de concurrentie uitroken.

Vanaf 1922 wijdt de firma zich nog uitsluitend aan schuivenmotoren, die hun fabriekskenmerk worden.
In 1923 doet de binnenbus van bekleed staal zijn intrede. De binnenkant van de buitenbus krijgt eveneens een bekleding van witmetaal, dankzij een speciaal gepatenteerd procedé. Door de tralies in de sleuven worden ze zelfreinigend. De zuiger is voortaan van aluminium, en de cilinderkop uiteindelijk ook.

Afbeelding 7: Links oude gietijzeren bus, rechts 3 nieuwe Babbittstalen bussen+klein gewichtje. Over gewichtsbesparing en vooruitgang gesproken!

Afbeelding 8: De schuivenmotor wordt getest op de ring van Montlhéry. In juni 1925 vestigt een 20 CV het uurrecord op circuit’s met 185,773 km/h. In maart en september 1926 zet een 35 CV 8-cilinder SS van 6,3 liter (zie hierboven) diverse afstandsrecords neer met meer dan 200 km/h gemiddeld. De recordpogingen tot 1935 voortgezet

Nawoord
De Panhard&Levassor-fabrieken perfectioneren hun materiaal steeds verder, en worden met Voisin en Peugeot al gauw de enige producenten. In 1914 markeert het ontstaan van het 16 CV-type een beslissende periode in de historie van de firma. De P&L wordt als verbindingsvoertuig van het leger gekozen. Vanaf 1922 wijdt de firma zich nog uitsluitend aan schuivenmotoren, die hun fabriekskenmerk worden.
In 1923 doet de binnenbus van bekleed staal zijn intrede. De binnenkant van de buitenbus krijgt eveneens een bekleding van witmetaal, dankzij een speciaal gepatenteerd procedé. Door de tralies in de sleuven worden ze zelfreinigend. De zuiger is voortaan van aluminium, en de cilinderkop uiteindelijk ook. Paul Panhard, immer voorzichtig, beperkt de investeringen in machines, maar diversificeert het gebruik van zijn motoren: motoren met 6, 8 en 12 cilinders voor auto’s, vrachtwagens, autobussen, vliegtuigen; voorzieningen voor gebruik van diesel of houtgas.
Maar het zijn het dure motoren van een gedateerd ontwerp, met een hoog olieverbruik (van een speciale half-dikke soort) en een onderhoudsniveaudat niet voor alle handjes is weggelegd. En dus worden ze uiteindelijk vervangen door exemplaren met kleppen, die inmiddels ook een hele ontwikkeling hebben doorgemaakt. Na 1946 laat Panhard&Levassor de schuivenmotor voor wat hij is en concentreert zich vanaf dat moment op een kleine, zuinige motor: de tweecilinder van de Dyna.

Fig 9  De Panhard typen die een ‘moteur SansSoupapes’ hadden

Jérome Colignon
Vertaling; Bojo Teulings