Материали за клапани на двигателя: Разбиране на издръжливостта при високи температури

Материали за клапани на двигателя: Разбиране на издръжливостта при високи температури

Комбустionната камера е една от най-екстремните среди, в които може да се озове част от автомобил. Температурите могат да достигнат над 1400 °C (2500 °F), което оказва значително топлинно и механично напрежение върху клапаните на двигателя, управлявани от движението на въздуха и изгорелите газове. Изборът на подходящ материал и конструкция за клапаните не е луксозен вариант, а сериозен инженерен проблем, който има пряко влияние върху производителността, надеждността и живота на двигателя. В този документ се разглеждат най-важните аспекти, които гарантират дългия срок на служба на клапаните в тази сурова среда.

Клапани с твърди стебла срещу клапани с натриево пълнение – проучване на охлаждането и якостта

Основният проблем, с който се сблъсква изпускателният клапан, е отвеждането на голямо количество топлина, получено от горивните газове. Съществуват два разпространени дизайна, които решават този проблем по различен начин.

Стандартните типове са клапани с цял стебло, изработени от едно парче материал. Те са здрави, икономични и предлагат висока механична якост, поради което са напълно приложими за широк кръг от употреби, особено при впускни клапани, които се охлаждат от влизащата горивна смес.

Когато условията са критични и екстремни, като при високоефективни двигатели или турбодвигатели, при които изпускателните клапани изпитват непрестанно топлинно облъчване, клапаните, пълни с натрий, са още по-добри. Тези клапани са кухи и частично запълнени с метален натрий. Температурата на топене на натрия е изключително ниска, а самият той е високо топлопроводим елемент. Когато клапанът е в действие, натрият се стопява и се раздвижва в стеблото, което е ефективен проводник на топлината от по-горещата глава на клапана към по-студеното стебло. Излишната топлина се отвежда в системата за охлаждане на двигателя чрез клапанната водачка.

Неръждаема стомана срещу Инконел: Избор на материали за високоефективни двигатели

Първата линия на отбрана за клапана е материала, от който е изработен. Има два сплави, които се отличават при високопроизводителни двигатели, като всеки има свои собствени предимства.

Сплави от неръждаема стомана, особено с високо съдържание на никел и хром (като 21-4N), са широко използвани и универсални. Те много добре комбинират висока якост при високи температури, изключителна устойчивост срещу окисляване (нагаряне) и добра износоустойчивост. Това ги прави отличен избор както за впускни, така и за изпускателни клапани в повечето високопроизводителни двигатели, осигурявайки сериозно подобрение спрямо по-старите въглеродни стомани, без обаче да имат забранително високата цена на още по-специализираните материали.

За постигане на най-високо ниво на устойчивост при високи температури, често се използва Inconel (суперсплав от хром и никел), когато са необходими най-добрите решения за изграждане на най-сложни състезателни и принудително асистирани приложения. Inconel не губи толкова висок процент от своята якост на опън при по-високи температури, колкото неръждаемата стомана. Тази висока устойчивост на пълзене означава, че материала е много по-малко податлив на разтягане, деформация или образуване на формата „лилия“ при екстремни топлинни натоварвания. Допълнителната цена и тегло могат да бъдат компенсирани от факта, че той може да издържи високите температури на двигател с високо налягане или с високи обороти, което го прави необходимо зло поради потенциално катастрофалните последствия от повреда на клапана, когато тя в крайна сметка се случи.

Осигуряване на съвместимост със седлото на клапана и устойчивост на износване

Трайността на един клапан не може да бъде определена самостоятелно; поведението на клапана спрямо седлото му има най-важна роля. Несъвместимостта в този случай е причина за бързо износване и повреда на двигателя.

Закалените седалки на клапаните се използват в съвременните двигатели в главата на цилиндъра. Материалът на клапана също трябва правилно да съвпада с материала на седалката, за да се постигне компромис между устойчивостта на износване и продължителността на живот. Клапанът не бива да е твърде твърд, тъй като това ще доведе до прекомерно износване на седалката. От друга страна, твърде твърда седалка бързо ще износи клапана.