Material för motorventiler: förstå hållbarhet vid höga temperaturer

Material för motorventiler: förstå hållbarhet vid höga temperaturer

Förbränningskammaren är en av de hårdsinta miljöerna som kan utsätta en bilkomponent för. Temperaturerna kan nå upp till mer än 1 400 °C (2 500 °F), vilket lägger en omfattande termisk och mekanisk belastning på motorklaffarna som styr luft- och avgasflödet. Valet av lämpligt klaffmaterial och design är inte en lyx, utan snarare ett stort ingenjörsproblem som direkt påverkar prestanda, tillförlitlighet och livslängd. Denna artikel undersöker de viktigaste aspekterna som garanterar klaffarnas livslängd i denna hårda miljö.

Natriumfyllda kontra solidaxliga klaffar – en studie i kylning och hållfasthet

Det främsta problemet som drabbat en avgasventil är förlusten av den stora mängden värme som den tar emot från förbränningsgaserna. Det finns två populära konstruktioner som löser detta på olika sätt.

Standardtyper är solidstammade ventiler som är tillverkade av ett stycke material. De är starka, ekonomiska och erbjuder hög mekanisk hållfasthet och är därför perfekt lämpade för ett brett användningsområde, särskilt i insugningsventiler, vilka kyls av den inkommande luft-bränsleblandningen.

När det är kritiska och extrema belastningar, till exempel vid högprestandamotorer eller turboförbränningsmotorer där avgasventiler utsätts för oavbruten värmebombarde­ring, är natriumfyllda ventiler ännu bättre. Dessa ventiler är ihåliga och delvis fyllda med metalliskt natrium. Natriums smältpunkt är märkligt låg, och det är ett mycket värmeledande ämne. När ventilen är i drift smälter natriumet och rör sig fram och tillbaka inuti stammen, vilket effektivt leder värmen från den varmare ventilkoppen till den kallare stammen. Överskottsvärmen avges till motors kylsystem via ventilstyrkan.

Rostfritt stål vs. Inconel: Materialval för prestandamotorer

Den första försvarslinjen för ventilen är materialet som den är tillverkad av. Det finns två legeringar som utmärker sig i prestandamotorer, var och en med sina egna fördelar.

Legeringar av rostfritt stål, särskilt legeringar med högt nickel- och krominnehåll (till exempel 21-4N), är ett brett användbart och mångsidigt alternativ. De är mycket bra på att balansera hög temperaturstyrka, utmärkt oxidationståndighet (avskalningsegenskaper) och slitageegenskaper. Detta gör dem till ett starkt val för både insugnings- och avgasventiler i de flesta motorer med hög effekt, och erbjuder en betydande förbättring jämfört med äldre kolstål utan den orimliga prispunkten för mer specialiserade material.

För att uppnå högsta nivå av värmebeständighet används ofta Inconel (en krom- och nickelbaserad superlegering) när de bästa materialvalet krävs för konstruktion av de mest krävande racings- och tvingade induktionsapplikationer. Inconel förlorar inte lika stor procentandel av sin brottgräns vid högre temperaturer som rostfritt stål. Denna höga kryphastighet innebär att materialet är mycket mindre benäget att sträckas, deformeras eller få tulpanform vid extrema termiska belastningar. Den extra kostnaden och vikten kan motverkas av att det klarar de höga temperaturerna i en motor med hög laddtryck eller hög varvtal, vilket gör det till ett nödvändigt ont på grund av de potentiellt katastrofala konsekvenserna vid ventilsprickbildning när den äntligen uppstår.

Säkerställ kompatibilitet mellan ventil och sätesyta samt slitagebeständighet

En vents hållbarhet kan inte definieras ensamt; ventilens samspel med sätesytan spelar den viktigaste rollen. Olikhet i detta fall orsakar snabbt slitage och motorbrott.

Härdade ventilsäten används i moderna motorer i cylinderhuvudet. Ventilmaterial bör också väljas så att det passar samman med sätesmaterialet för att uppnå en balans mellan slitagebeständighet och livslängd. Ventilen bör inte vara alltför hård, eftersom det leder till överdriven nötning av säte. Å andra sidan kommer ett alltför hårt säte snabbt slita ut ventilen.