Materialer for motorventiler: Forstå holdbarhet under høye temperaturforhold

Materialer for motorventiler: Forstå holdbarhet under høye temperaturforhold

En forbrenningskammer er ett av de hardeste miljøene som kan påvirke en bilkomponent. Temperaturen kan stige til over 1 400 °C (2 500 °F), noe som utsetter ventilene i motoren for betydelig termisk og mekanisk belastning, styrt av luft- og eksosstrøm. Valg av riktig ventilmateriale og -design er ikke et luksusvalg, men snarere et viktig ingeniørproblem som direkte påvirker ytelse, pålitelighet og levetid. Denne artikkelen undersøker de viktigste faktorene som sikrer ventilenes levetid i dette harde miljøet.

Sodafylte kontra faste stilkventiler – en studie i avkjøling og styrke

Det største problemet for en eksosventil er tapet av den store varmemengden den mottar fra forbrenningsgassene. Det finnes to populære design som løser dette på forskjellige måter.

Standardtyper er faste stempelventiler som er laget av én del materiale. De er sterke, økonomiske og tilbyr høy mekanisk styrke, og er dermed perfekt egnet for et bredt spekter av bruksområder, spesielt i inntaksventiler, som blir kjølt av den innkommende luft-brennstoffblandingen.

Når det er kritisk og ekstrem belastning, som i høytytende motorer eller turboladede motorer der eksosventiler utsettes for konstant varme påvirkning, er natriumfylte ventiler enda bedre. Disse ventilene er hule og delvis fylt med metallisk natrium. Smeltepunktet til natrium er bemerkelsesverdig lavt, og det er et svært varmeledende element. Når ventilen er i bruk, smelter natriumet og skvulper inni stempelet, noe som effektivt leder varmen fra den varmere hodet på ventilen til det kjøligere stempel. Den overskytende varmen avledes til motors kjølesystem via ventilstyringen.

Rustfritt stål vs. Inconel: Materialevalg for ytelsesmotorer

Første forsvarslinje for ventilen er materialet den er laget av. Det finnes to legeringer som skiller seg ut i ytelsesmotorer, hver med sine egne fordeler.

Legeringer av rustfritt stål, spesielt med høyt innhold av nikkel og krom (som 21-4N), er myebrukt og allsidig. De er svært gode til å balansere høy temperaturstyrke, fremragende oksidasjonsmotstand (avskalling) og slitasjeegenskaper. Dette gjør dem til et kraftig valg for både inntak og eksosventil i de fleste motorer med høy ytelse, og gir en betydelig forbedring i forhold til eldre karbonstål uten den uoverkommelige prisen for mer spesialiserte materialer.

For å oppnå høyest mulig varmestyrke, brukes ofte Inconel (en krom- og nikkelbasert superlegering) når de beste materialene er nødvendige for konstruksjon av de mest krevende racings- og tvingede induksjonsapplikasjonene. Inconel mister ikke like stor prosent av sin strekkfasthet ved høye temperaturer som rustfritt stål. Denne høye krypraten betyr at materialet er mye mindre utsatt for strekking, deformering eller 'tulip'-dannelse under ekstreme termiske belastninger. Den ekstra kostnaden og vekten kan veies opp mot dets evne til å tåle høye temperaturer i motorer med høy turboopplading eller høy omdreiningstall, noe som gjør det til en nødvendig onde på grunn av de potensielt katastrofale konsekvensene ved ventilsprengning når den først inntreffer.

Sikring av kompatibilitet mellom ventilsete og slitestyrke

En vents levetid kan ikke defineres alene; samspillet mellom ventilen og ventilsætet spiller den viktigste rollen. Ukompatibilitet fører i dette tilfellet til rask slitasje og motorskade.

Herdede ventilsæder anvendes i moderne motorer i sylinderhodet. Ventilmaterialen bør også være riktig tilpasset sædematerialet for å oppnå en balanse mellom slitasjemotstand og levetid. Ventilen bør ikke være for hard, da det vil føre til overmessen slitasje på setet. På den andre siden vil et for hardt sete raskt slite ut ventilen.