Variklio vožtuvų medžiagos: ilgaamžiškumo supratimas aukštos temperatūros sąlygomis
Degimo kamera yra viena iš žiauriausių aplinkų, kurioje gali būti veikiamos automobilio detalės. Temperatūra gali pasiekti daugiau nei 1 400 °C (2 500 °F), dėl ko vožtuvai, reguliuojantys oro ir išmetamųjų dujų judėjimą, patiria didelę šiluminę ir mechaninę apkrovą. Tinkamos vožtuvo medžiagos ir konstrukcijos pasirinkimas nėra prabangos reikalas, o svarbi inžinerinė problema, tiesiogiai turinti įtakos našumui, patikimumui ir eksploatavimo trukmei. Šiame straipsnyje nagrinėjami svarbiausi aspektai, užtikrinantys vožtuvų ilgaamžiškumą šiose sunkiose sąlygose.
Natriju pripildyti arba vientisi vožtuvų kotai – tyrimas apie aušinimą ir stiprumą
Pagrindinė problema, kurią patiria išmetimo vožtuvas, yra didelės šilumos, kurią jis gauna dėl degimo dujų, netekimas. Yra dvi populiarios konstrukcijos, kurios šią problemą sprendžia skirtingai.
Standartiniai tipai yra vientisos kotovo vožtuvai, gaminami iš vieno gabalo medžiagos. Jie yra stiprūs, ekonomiški, suteikia aukštą mechaninę stiprybę ir todėl puikiai tinka įvairioms panaudojimo sritims, ypač įsiurbimo vožtuvams, kurie atvėsinami ateinančia oro-kuro mišiniu.
Kai sąlygos yra kritinės ir ekstremalios, pavyzdžiui, aukštos našumo varikliuose arba turbina varomuose varikliuose, kurių išmetimo vožtuvai patiria nuolatinį karščio poveikį, dar geriau tinka natriju pripildyti vožtuvai. Šie vožtuvai yra tuščiaviduriai ir iš dalies pripildyti metalinio natrio. Natrio lydymosi temperatūra yra nepaprastai žema, be to, jis yra labai šilumą laidus elementas. Kai vožtuvas veikia, natrias sulydėja ir juda švytuodamas vožtuvo kamieno viduje, efektyviai perduodamas šilumą iš karštesnės vožtuvo galvutės į šaltesnį kamieną. Perteklinė šiluma per vožtuvo įvorę išleidžiama į variklio aušinimo sistemą.
Nerūdijantis plienas ir Inconel: medžiagų pasirinkimas našumo varikliams
Pirmoji apsauga vožtuvui – tai medžiaga, iš kurios jis pagamintas. Yra dvi lydinio rūšys, kurios išsiskiria našumo varikliuose, kiekviena turėdama savo privalumų.
Nerūdijančio plieno lydiniai, ypač aukšto nikelio ir chromo turintys lydiniai (pvz., 21-4N), yra plačiai naudojami ir universalūs. Jie puikiai subalansuoja aukštos temperatūros stiprumą, puikią oksidacinei atsparumą (aplink skalavimąsi) bei nusidėvėjimo savybes. Tai juos daro galingu įleidimo, taip pat išleidimo vožtuvų pasirinkimu daugelyje aukšto našumo variklių, siūlant rimtą pagerinimą palyginti su senesniais anglies plienais, nekainuojant neįveikiamai didelės kainos specializuotesniems medžiagoms.
Norint pasiekti aukščiausią karščio atsparumą, dažniausiai naudojamas Inconel (chromo ir niklio superlydis), kai reikia geriausių medžiagų sudėtingiausioms lenktynių ir priverstinio aušinimo sistemoms kurti. Inconel netenka tokio didelio savo tempties atsparumo procento aukštesnėse temperatūrose kaip nerūdijantis plienas. Šis aukštas lėtinio deformavimosi greitis reiškia, kad jis yra žymiai mažiau linkęs į ištempimą, deformaciją arba vėzduolį ekstremaliomis terminėmis apkrovomis. Papildoma kaina ir svoris gali būti kompensuojami tuo, kad jis gali išgyventi aukštą temperatūrą stipriai prikeltame arba aukšto sūkių skaičiaus variklyje, todėl tai yra būtina blogybė dėl galimų katastrofiškų pasekmių, jei vožtuvas sugestų.
Užtikrinant vožtuvo sėdynės suderinamumą ir nusidėvėjimo atsparumą
Vožtuvo ilgaamžiškumas negali būti apibrėžiamas atskirai; svarbiausias vaidmuo atitenka vožtuvo elgsenai kartu su vožtuvo sėdyne. Šiuo atveju nesuderinamumas sukelia greitą nusidėvėjimą ir variklio gedimą.
Moderniuose varikliuose cilindro galvutėje naudojamos sukietintos vožtuvų sėdynės. Vožtuvo medžiaga taip pat turėtų būti tinkamai suderinta su sėdynės medžiaga, kad būtų pasiekta kompromiso tarp nusidėvėjimo atsparumo ir ilgaamškumo. Vožtuvas neturėtų būti pernelyg kietas, nes tai greitai sunaikintų sėdynę. Kita vertus, pernelyg kieti sėdynė greitai susidėvės vožtuvą.