Υλικά Βαλβίδων Κινητήρα: Κατανόηση της Ανθεκτικότητας σε Συνθήκες Υψηλής Θερμότητας

Υλικά Βαλβίδων Κινητήρα: Κατανόηση της Ανθεκτικότητας σε Συνθήκες Υψηλής Θερμότητας

Η θάλαμος καύσης αποτελεί ένα από τα πιο δύσκολα περιβάλλοντα που μπορεί να υποβληθεί ένα αυτοκινητιστικό εξάρτημα. Οι θερμοκρασίες μπορούν να φτάσουν πάνω από 1.400 °C (2.500 °F), ασκώντας έντονη θερμική και μηχανική τάση στις βαλβίδες του κινητήρα που ελέγχονται από την κίνηση του αέρα και των καυσαερίων. Η επιλογή του κατάλληλου υλικού και σχεδιασμού της βαλβίδας δεν είναι πολυτέλεια, αλλά ένα σημαντικό μηχανικό πρόβλημα που μπορεί να επηρεάσει άμεσα την απόδοση, την αξιοπιστία και τον κύκλο ζωής. Αυτή η εργασία εξετάζει τους σημαντικότερους παράγοντες που εγγυώνται τη διάρκεια ζωής των βαλβίδων σε αυτό το δύσκολο περιβάλλον.

Βαλβίδες με Κοίλο Άξονα Με Πλήρωση Νατρίου έναντι Στερεού Άξονα - Μια Μελέτη στην Ψύξη και την Αντοχή

Το κύριο πρόβλημα που αντιμετωπίζει μια βαλβίδα εξαγωγής είναι η απώλεια της μεγάλης ποσότητας θερμότητας που δέχεται λόγω των καυσαερίων. Υπάρχουν δύο δημοφιλείς σχεδιασμοί που το αντιμετωπίζουν διαφορετικά.

Οι τυποποιημένοι τύποι είναι βαλβίδες με στερεό κορμό, οι οποίες κατασκευάζονται από ενιαίο υλικό. Είναι ανθεκτικές, οικονομικές και προσφέρουν υψηλή μηχανική αντοχή και γι' αυτό είναι ιδανικές για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, ειδικά στις βαλβίδες εισαγωγής, οι οποίες ψύχονται από το εισερχόμενο μείγμα αέρα-καυσίμου.

Όταν η κατάσταση είναι κρίσιμη και υπερβαρέως φορτίου, όπως σε κινητήρες υψηλών επιδόσεων ή τούρμπο κινητήρες όπου οι εξατμίσεις υφίστανται αδιάκοπη θερμική καταπόνηση, οι βαλβίδες γεμιστές με νάτριο είναι ακόμη καλύτερες. Αυτές οι βαλβίδες είναι κοίλες και γεμίζουν εν μέρει με μεταλλικό νάτριο. Το σημείο τήξης του νατρίου είναι εκπληκτικά χαμηλό και είναι ένα στοιχείο που διαθέτει υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Όταν η βαλβίδα λειτουργεί, το νάτριο υγροποιείται και κινείται μέσα στον κορμό, μεταφέροντας αποτελεσματικά τη θερμότητα από το ζεστότερο κεφάλι της βαλβίδας στον ψυχρότερο κορμό. Η περίσσεια θερμότητας αποβάλλεται στο σύστημα ψύξης του κινητήρα μέσω του οδηγού της βαλβίδας.

Ανοξείδωτο Χάλυβας vs. Inconel: Επιλογές Υλικών για Κινητήρες Υψηλών Επιδόσεων

Η πρώτη γραμμή άμυνας για τη βαλβίδα είναι το υλικό από το οποίο κατασκευάζεται. Υπάρχουν δύο κράματα που ξεχωρίζουν στους κινητήρες υψηλών επιδόσεων, τα οποία έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα.

Τα κράματα ανοξείδωτου χάλυβα, ειδικά τα κράματα υψηλής περιεκτικότητας σε νικέλιο και χρώμιο (όπως το 21-4N), είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα και ευέλικτα. Είναι πολύ καλά στην εξισορρόπηση της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες, της εξαιρετικής αντοχής στην οξείδωση (σχηματισμός αποθέσεων) και των ιδιοτήτων φθοράς. Αυτό τα καθιστά μια ισχυρή επιλογή για βαλβίδα εισαγωγής καθώς και εξαγωγής στους περισσότερους κινητήρες υψηλής απόδοσης, προσφέροντας μια σοβαρή βελτίωση σε σχέση με τους παλαιότερους χάλυβες άνθρακα χωρίς την απαγορευτική τιμή των πιο εξειδικευμένων υλικών.

Για να επιτευχθεί το υψηλότερο επίπεδο αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες, το Inconel (ένας υπερκράματος χρωμίου και νικελίου) χρησιμοποιείται συχνά όταν απαιτούνται οι καλύτερες επιλογές για την κατασκευή των πιο δύσκολων εφαρμογών αγώνων και υποχρεωτικής εισαγωγής. Το Inconel δεν χάνει τόσο μεγάλο ποσοστό της εφελκυστικής του αντοχής σε υψηλότερες θερμοκρασίες όσο ο ανοξείδωτος χάλυβας. Αυτός ο υψηλός ρυθμός ιώσεως σημαίνει ότι είναι πολύ λιγότερο ευάλωτο σε επιμήκυνση, παραμόρφωση ή «λυχνία» υπό ακραία θερμικά φορτία. Το επιπλέον κόστος και βάρος του μπορεί να αντισταθμιστεί από το γεγονός ότι μπορεί να αντέξει την υψηλή θερμοκρασία ενός κινητήρα με υψηλή πίεση ή υψηλές στροφές, γι’ αυτό και αποτελεί μια αναγκαία κακία λόγω των ενδεχόμενα καταστροφικών συνεπειών της βλάβης της βαλβίδας όταν αυτή τελικά συμβεί.

Εξασφάλιση συμβατότητας έδρας βαλβίδας και αντοχής στη φθορά

Η αντοχή μιας βαλβίδας δεν μπορεί να οριστεί μόνη της· η συμπεριφορά της βαλβίδας με την έδρα της παίζει τον πιο σημαντικό ρόλο. Η ασυμβατότητα, σε αυτή την περίπτωση, αποτελεί την αιτία γρήγορης φθοράς και βλάβης του κινητήρα.

Σε σύγχρονους κινητήρες, σκληρυμένα καθίσματα βαλβίδων χρησιμοποιούνται στο κεφαλάι του κυλίνδρου. Το υλικό της βαλβίδας πρέπει επίσης να ταιριάζει σωστά με το υλικό του καθίσματος για να δημιουργηθεί ένας συμβιβασμός μεταξύ αντοχής στη φθορά και διάρκειας ζωής. Η βαλβίδα δεν πρέπει να είναι πολύ σκληρή, διότι θα προκαλέσει υπερβολική φθορά του καθίσματος. Από την άλλη πλευρά, ένα πολύ σκληρό κάθισμα θα φθείρει γρήγορα τη βαλβίδα.