Матеріали клапанів двигуна: розуміння довговічності в умовах високих температур

Матеріали клапанів двигуна: розуміння довговічності в умовах високих температур

Камера згоряння є одним із найбільш агресивних середовищ, у яких можуть перебувати автозапчастини. Температура може сягати понад 1 400 °C (2 500 °F), що створює значне теплове й механічне навантаження на клапани двигуна, які керують рухом повітря та вихлопних газів. Вибір відповідного матеріалу та конструкції клапанів — це не розкіш, а важлива інженерна задача, яка безпосередньо впливає на продуктивність, надійність і термін служби двигуна. У цьому документі розглянуто найважливіші аспекти, що гарантують довговічність клапанів у таких складних умовах.

Натрієві порожнисті стрижні клапанів проти суцільних — дослідження охолодження та міцності

Основна проблема, що виникає з випускним клапаном, — це втрата великої кількості тепла, яке він отримує від газів згоряння. Існують дві поширені конструкції, які по-різному вирішують цю проблему.

Стандартні типи — це цільні клапани зі стрижнем, виготовлені з однієї деталі. Вони міцні, економні та забезпечують високу механічну міцність, завдяки чому ідеально підходять для широкого спектру застосувань, особливо для впускних клапанів, які охолоджуються вхідною сумішшю повітря з паливом.

Коли йдеться про критичні та екстремальні умови експлуатації, наприклад, у високопродуктивних двигунах або двигунах із турбонаддувом, де випускні клапани піддаються постійному тепловому навантаженню, ще кращими є клапани з натрієвим заповненням. Ці клапани є порожнистими та частково заповнені металевим натрієм. Температура плавлення натрію дуже низька, і цей елемент має високу теплопровідність. Під час роботи клапана натрій розплавляється і переміщується всередині стрижня, ефективно передаючи тепло від більш гарячої головки клапана до холоднішого стрижня. Надлишкове тепло виводиться в систему охолодження двигуна через направляючу втулку клапана.

Нержавіюча сталь проти інконелю: вибір матеріалів для високопродуктивних двигунів

Першим бар'єром для клапана є матеріал, з якого він виготовлений. У високопродуктивних двигунах виділяють два сплави, кожен з яких має свої переваги.

Сплави нержавіючої сталі, особливо високонікелеві та хромисті сплави (наприклад, 21-4N), є широко поширеними та універсальними. Вони добре поєднують міцність при високих температурах, виняткову стійкість до окиснення (утворення оксидної плівки) та властивості зносостійкості. Це робить їх потужним вибором для впускних і випускних клапанів у більшості двигунів з високою потужністю, забезпечуючи суттєве покращення порівняно зі старими вуглецевими сталями, не маючи при цьому надмірно високої ціни спеціалізованих матеріалів.

Для досягнення найвищого рівня міцності при високих температурах, Inconel (сплав хрому та нікелю) зазвичай використовується, коли потрібні найкращі матеріали для виготовлення найскладніших гоночних двигунів і систем примусового нагнітання. Inconel не втрачає такої високої частки своєї міцності на розтяг при високих температурах, як нержавіюча сталь. Ця висока стійкість до повзучості означає, що матеріал значно менше схильний до розтягування, деформації чи утворення форми «тюльпан» за екстремальних теплових навантажень. Його підвищена ціна та вага можуть компенсуватися тим, що він здатен витримувати високі температури двигунів із сильним наддувом або високими обертами, саме тому його використання є необхідним злом через потенційно катастрофічні наслідки, які може спричинити руйнування клапана, коли воно врешті-решт відбувається.

Забезпечення сумісності сідла клапана та зносостійкості

Тривкість клапана не можна визначити окремо; поведінка клапана у поєднанні з його сідлом відіграє найважливішу роль. У цьому випадку несумісність є причиною швидкого зносу та поломки двигуна.

У сучасних двигунах у головці блоку циліндрів використовуються загартовані сідла клапанів. Матеріал клапана також має бути правильно підібраний до матеріалу сідла, щоб забезпечити компроміс між зносостійкістю та терміном служби. Клапан не повинен бути занадто твердим, оскільки це призведе до надмірного зносу сідла. З іншого боку, сідло, яке є надто твердим, швидко зношує клапан.