Moottoriventtiilien materiaalit: Kestävyyden ymmärtäminen korkeissa lämpötiloissa

Moottoriventtiilien materiaalit: Kestävyyden ymmärtäminen korkeissa lämpötiloissa

Sytytyskammio on yksi rajuimmista ympäristöistä, joihin auton osa voi altistua. Lämpötilat voivat nousta yli 1 400 °C (2 500 °F), mikä aiheuttaa merkittävää termistä ja mekaanista rasitusta ilman ja pakokaasun liikkeestä johtuen ohjattuihin moottoriventtiileihin. Oikean venttiilimateriaalin ja -suunnittelun valinta ei ole ylimääräinen harkintavaihtoehto, vaan keskeinen tekninen ongelma, jolla on suora vaikutus suorituskykyyn, luotettavuuteen ja elinkaareen. Tässä artikkelissa tarkastellaan tärkeimpiä tekijöitä, jotka taksaavat venttiilien kestävyyden tässä rajoitetussa ympäristössä.

Natriumtäytteiset vs. kiinteät varret – Tutkimus jäähdytyksestä ja lujuudesta

Pääasiallinen ongelma, joka on vaivannut pakopelttoja, on suuren määrän hukkaan menetettyä lämpöä, jota peltto saa palamiskaasuista. On olemassa kaksi suosittua ratkaisua, jotka hoitavat tämän eri tavoin.

Standardityypit ovat kiinteät kannat, jotka on valmistettu yhdestä kappaleesta. Ne ovat vahvoja, taloudellisia ja tarjoavat korkean mekaanisen lujuuden, minkä vuoksi niitä voidaan käyttää laajasti eri sovelluksissa, erityisesti imupelteissä, joita jäähdytetään sisään tulevalla ilman ja polttoaineen seoksella.

Kun on kyse kriittisistä ja erittäin raskaiden tehtävien sovelluksista, kuten suorituskykyisistä moottoreista tai turbotahdistetuista moottoreista, joissa pakopellit kokevat jatkuvaa kuumuuden iskua, natriumtäytteiset venttiilit ovat vielä parempia. Nämä venttiilit ovat onttoja ja niissä on osittain metallista natriumia. Natriumin sulamispiste on huomattavan alhainen, ja se on erittäin lämmönjohteinen alkuaine. Kun venttiili on käytössä, natrium muuttuu nestemäiseksi ja liikkuu sisällä männässä, jolloin se tehokkaasti johtaa lämpöä kuumasta venttiilin päästä viileämpään varressa. Ylimääräinen lämpö siirtyy moottorin jäähdytysjärjestelmään venttiilinohjaimen kautta.

Rustiton teräs vs. Inconel: Materiaalivalinnat suorituskykyisiin moottoreihin

Ensimmäinen puolustuslinja venttiiliä vastaan on sen valmistusmateriaali. Kaksi seostetta erottuu suorituskykyisissä moottoreissa, joilla kummallakin on omat etunsa.

Ruostumattomat teräkset, erityisesti korkean nikkelin ja kromin seokset (kuten 21-4N), ovat yleisesti käytettyjä ja monikäyttöisiä materiaaleja. Ne soveltuvat erittäin hyvin korkean lämpötilan lujuuden, erinomaisen hapettumisresistenssin (huurtumisominaisuuksien) sekä kulumisominaisuuksien tasapainottamiseen. Tämä tekee niistä tehokkaan vaihtoehdon sekä imu- että päästöventtiileihin useimmissa suuritehoisissa moottoreissa, tarjoten merkittävän parannuksen vanhoihin hiiliteräksiin verrattuna ilman erityismateriaalien liiallisen kalliin hinnan.

Korkeimman lämpölujuuden saavuttamiseksi Inconel (kromi- ja nikkeli-superseos) on yleisesti käytetty vaihtoehto, kun on valittava parhaat materiaalit haastavimpiin moottoriurheilu- ja pakotepuurillisovelluksiin. Inconel ei menetä yhtä suurta osuutta vetolujuudestaan korkeissa lämpötiloissa kuin ruostumaton teräs. Tämä korkea kuumakutistumisvastus tarkoittaa, että sitä on paljon vähemmän alttiina venymiselle, muodonmuutokselle tai tulpan muodostumiselle äärioikeissa lämpökuormissa. Sen korkeampi hinta ja paino saattavat olla hyväksyttäviä, koska se kestää korkean puristeen tai korkeiden kierrosten aiheuttamat lämpötilat, mikä tekee siitä välttämättömän pahan mahdollisten katastrofaalisten seurausten vuoksi, joita venttiilin rikkoutuminen voi aiheuttaa.

Venttiilin istukan yhteensopivuuden ja kulumisvastuksen varmistaminen

Venttiilin kestävyyttä ei voida määritellä itsenäisesti; venttiilin ja venttiilin istukan välinen vuorovaikutus on ratkaisevan tärkeä. Yhteensopimattomuus aiheuttaa nopean kulumisen ja moottorin vaurioitumisen.

Kovetettuja venttiilinistuksia käytetään nykyaikaisten moottorien sylinterikannessa. Venttiilin materiaalin tulisi myös soveltua nistuksen materiaaliin, jotta saavutetaan tasapaino kulumisvastuksen ja kestävyyden välillä. Venttiili ei saa olla liian kova, koska se aiheuttaa liiallista nistuksen kulumista. Toisaalta liian kova nistus kuluttaa nopeasti venttiiliä.