Materiaal van motorkleppen: inzicht in duurzaamheid bij hoge temperaturen

Materiaal van motorkleppen: inzicht in duurzaamheid bij hoge temperaturen

Een verbrandingskamer is een van de zwaarst belaste omgevingen waarin onderdelen van een auto kunnen worden blootgesteld. De temperaturen kunnen oplopen tot meer dan 1.400 °C (2.500 °F), wat een grote thermische en mechanische belasting oplegt op de door lucht- en uitlaatgassen gestuurde motorventielen. De keuze van het juiste ventielmateriaal en -ontwerp is geen luxekeuze, maar eerder een belangrijk technisch probleem dat directe gevolgen heeft voor prestaties, betrouwbaarheid en levensduur. Dit artikel behandelt de belangrijkste overwegingen die zorgen voor een lange levensduur van de ventielen in deze extreme omgeving.

Natriumgevulde versus massieve steelventielen - Een studie naar koeling en sterkte

Het belangrijkste probleem waarmee een uitlaatklep te maken heeft, is het afvoeren van de grote hoeveelheid warmte die het ontvangt via de verbrandingsgassen. Er zijn twee veelgebruikte ontwerpen die dit op verschillende manieren oplossen.

Standaardtypes zijn solide steelafsluiters die uit één stuk materiaal zijn vervaardigd. Ze zijn sterk, economisch en bieden hoge mechanische weerstand, waardoor ze uitermate geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingen, met name in inlaatkleppen, die worden gekoeld door het binnenkomende lucht-brandstofmengsel.

Wanneer het om kritieke en zware belasting gaat, zoals bij hoogvermogenmotoren of turbocharged motoren waarbij uitlaatkleppen worden blootgesteld aan onophoudelijke hitte, zijn natriumgevulde kleppen nog beter. Deze kleppen zijn hol en gedeeltelijk gevuld met metaalachtig natrium. Het smeltpunt van natrium is opmerkelijk laag en het is een zeer warmtegeleidend element. Wanneer de klep in werking is, smelt het natrium en beweegt het heen en weer binnen de steel, wat effectief de warmte uit het warmer kopgedeelte van de klep naar de koelere steel transporteert. De overtollige warmte wordt via de klepgeleiding afgevoerd naar het koelsysteem van de motor.

RVS versus Inconel: Materiaalkeuzes voor prestatie-motoren

De eerste verdedigingslinie van de klep is het materiaal waaruit deze is vervaardigd. Er zijn twee legeringen die zich onderscheiden in prestatie-ontwerpen, elk met hun eigen voordelen.

RVS-legeringen, met name hoogwaardige nikkel- en chroomlegeringen (zoals 21-4N), worden veel gebruikt en zijn veelzijdig. Ze beschikken over een uitstekend evenwicht tussen hoge temperatuurbestendigheid, uitstekende oxidatiebestendigheid (verkalking) en slijtvastheid. Dit maakt ze tot een krachtige keuze voor inlaat- en uitlaatklep in de meeste krachtige motoren, en biedt een serieuze verbetering ten opzichte van oudere koolstofstaalsoorten, zonder de buitensporige prijs van meer gespecialiseerde materialen.

Om de hoogste mate van hittebestendigheid te bereiken, wordt Inconel (een chroom- en nikkel superlegering) vaak gebruikt wanneer de beste keuzes nodig zijn voor de meest veeleisende race- en geforceerde inlaattoepassingen. Inconel verliest niet zo'n hoog percentage van zijn treksterkte bij hogere temperaturen als roestvrij staal. Deze hoge kruipweerstand betekent dat het veel minder gevoelig is voor uitrekking, vervorming of tulvorming bij extreme thermische belastingen. De extra kosten en het gewicht kunnen worden gecompenseerd door het feit dat het de hoge temperatuur van een motor met hoge boost of hoge toerental kan doorstaan, wat het tot een noodzakelijk kwaad maakt vanwege de potentiële desastreuze gevolgen van klepbreuk wanneer die uiteindelijk optreedt.

Zorgen voor compatibiliteit van de klepzitting en slijtvastheid

De duurzaamheid van een klep kan niet op zichzelf worden bepaald; het gedrag van een klep in combinatie met de klepzitting speelt de belangrijkste rol. Incompatibiliteit is in dit geval de oorzaak van snelle slijtage en motorstoring.

Geharde klepzittingen worden in moderne motoren in het cilinderblok gebruikt. Het klepmateriaal moet ook goed afgestemd zijn op het zitmateriaal om een afweging te maken tussen slijtvastheid en levensduur. De klep mag niet te hard zijn, omdat dit leidt tot excessieve slijtage van de zitting. Aan de andere kant zal een te harde zitting de klep snel doen slijten.