Materiály ventilů motoru: Porozumění odolnosti za vysokých teplot

Materiály ventilů motoru: Porozumění odolnosti za vysokých teplot

Spalovací prostor patří k nejnáročnějším prostředím, jaká mohou působit na automobilové součástky. Teploty zde mohou dosáhnout více než 1 400 °C (2 500 °F), což znamená vysoké tepelné i mechanické namáhání ventilů motoru řízených přívodem vzduchu a odvodem spalin. Volba vhodného materiálu a konstrukce ventilu není záležitostí luxusu, ale klíčovým technickým problémem, který má přímý vliv na výkon, spolehlivost a životnost. Tento článek rozebírá nejdůležitější faktory zajišťující dlouhou životnost ventilů v tomto extrémním prostředí.

Ventily s dutou náplní sodíku vs. plné tyče – studie chlazení a pevnosti

Hlavním problémem, který postihuje výfukový ventil, je ztráta velkého množství tepla, které přijímá z důvodu spalin. Existují dva oblíbené návrhy, které tento problém řeší různými způsoby.

Standardní typy jsou ventily s plnou násadbou, které jsou vyrobeny z jednoho kusu materiálu. Jsou pevné, ekonomické a nabízejí vysokou mechanickou pevnost, a jsou proto perfektně vhodné pro širokou škálu použití, zejména u sacích ventilů, které jsou chlazeny přicházející směsí vzduchu a paliva.

Když je provoz kritický a náročný, například u vysokovýkonných motorů nebo motorů s turbodmychadlem, kde výfukové ventily podléhají neustálému tepelnému zatížení, jsou ještě lepší ventily plněné sodíkem. Tyto ventily jsou duté a částečně vyplněné kovovým sodíkem. Teplota tání sodíku je pozoruhodně nízká a jedná se o vysoce tepelně vodivý prvek. Během chodu ventilu se sodík roztaví a pohybuje se uvnitř nátrubku, čímž efektivně přenáší teplo z teplejší hlavy ventilu do chladnějšího nátrubku. Přebytečné teplo je odváděno do chladicí soustavy motoru přes kuželovou stopku ventilu.

Nerezová ocel vs. Inconel: Volba materiálů pro výkonné motory

První linie ochrany ventilu je materiál, ze kterého je vyroben. Existují dvě slitiny, které se uplatňují ve výkonných motorech, a každá má své vlastní výhody.

Slitiny nerezové oceli, zejména slitiny s vysokým obsahem niklu a chromu (např. 21-4N), jsou široce používané a univerzální materiály. Velmi dobře vyvažují vysokou pevnost za tepla, vynikající odolnost proti oxidaci (odškupování) a vlastnosti odolnosti proti opotřebení. To je činí výkloňnou volbou pro sací i výfukové ventily ve většině motorů s vysokým výkonem a představují významné zlepšení oproti starším uhlíkovým ocelím, aniž by měly nepřiměřeně vysokou cenu specializovanějších materiálů.

Pro dosažení nejvyšší tepelné pevnosti se běžně používá Inconel (superslitina na bázi chromu a niklu), když jsou potřeba nejlepší možnosti pro výrobu náročných závodních aplikací a motorů s přeplňováním. Inconel ztrácí při vyšších teplotách nižší procento své mez pevnosti v tahu ve srovnání s nerezovou ocelí. Tato vysoká odolnost proti creepu znamená, že materiál je mnohem méně náchylný k protažení, deformaci či tvarování do tvaru tulipánu při extrémním tepelném zatížení. Jeho vyšší cena a hmotnost mohou být kompenzovány schopností přežít vysoké teploty u motorů s vysokým nabitím nebo vysokými otáčkami, což ho činí nutným zlem kvůli potenciálně katastrofálním následkům poruchy ventilu, když k ní nakonec dojde.

Zajištění kompatibility sedla ventilu a odolnosti proti opotřebení

Trvanlivost ventilu nelze definovat izolovaně; chování ventilu v kontaktu se sedlem hraje rozhodující roli. Právě tato nekompatibilita je v tomto případě příčinou rychlého opotřebení a poškození motoru.

Kaleněné ná sedlové plochy se používají v moderních motorech v hlavě válců. Materiál ventilu by měl být také vhodně sladěn s materiálem sedla, aby byla dosažena rovnováha mezi odolností proti opotřebení a životností. Ventil by neměl být příliš tvrdý, protože by to vedlo k nadměrnému opotřebení sedla. Na druhou stranu příliš tvrdé sedlo by rychle opotřebovalo ventil.