Новые седла и направляющие с высокой теплопроводностью от Federal-Mogul

Новые седла и направляющие с высокой теплопроводностью от Federal-Mogul Powertrain охлаждают клапаны двигателя

02.11.2017

Улучшенная теплопередача снижает температуру клапана до 70°C.

БУРШАЙД, Германия, – подразделение компании Federal-Mogul Powertrain представило новые материалы для клапанных седел и направляющих с улучшенной теплопроводностью на выставке IAA 2017 во Франкфурте, Германия. Подходящие для серийного производства новые материалы с высокой теплопроводностью (High Thermal Conductivity — HTC) и покрытие Термоинтерфейс (Thermal Interface Material — TIM) могут снизить температуру головки клапана до 70°C, что позволяет улучшить сгорание и сократить выбросы.

«Предельные температуры клапанов, испытываемые современными двигателями уменьшенных размеров с турбонаддувом, могут приводить к снижению усталостной долговечности клапанов, а также к критическим значениям температуры направляющих клапанов и уплотнений штоков, что обусловливает необходимость использования дорогостоящих сплавов легированной стали для клапанов. Если установка момента позднего зажигания используется для уменьшения стука, а обогащение защищает компоненты от критических температур, выбросы CO2 увеличиваются», — объясняет Джиан Мария Оливетти, главный технолог компании Federal-Mogul Powertrain. «Уменьшая температуру головки клапана, мы помогаем устранить эти проблемы, а разрабатывая технологии, подходящие для серийного производства, мы имеем возможность поддержать массовое применение в рынке». Материалы HTC также способствуют достижению более равномерного окружного распределения температуры на вставке клапанного седла и окружающем материале головки цилиндра, устраняя локальные горячие точки в целях снижения износа и сокращения искажения под воздействием высокой температуры.

Почему улучшенная теплопередача означает лучшее охлаждение клапанов

Вставка седла — это первичный путь тепла от головки клапана к охлаждающему кожуху головки цилиндров. При передаче большего количества тепла от головки клапана новые материалы седла снижают температуру в самой горячей части камеры сгорания и снижают температуру газа в конце такта сжатия: улучшают антидетонационную стойкость топлива и предоставляют более широкий диапазон опережения зажигания для оптимизации сгорания. Эти материалы также позволяют сократить выбросы CO2, устраняя необходимость в обогащении топлива в качестве средства охлаждения. Для сплавов головки выхлопного клапана каждое снижение температуры на 20°C сводит на нет потребность в обновлении до следующей, более дорогой спецификации сплава.

Направляющая клапана является основным путем тепла от штока клапана до головки цилиндров. При передаче большего количества тепла от штока клапана новый материал направляющей клапана снижает локальную температуру ниже критических порогов, при которых уплотнения штока клапана и смазочный материал начинают разрушаться.

Материалы HTC для лучшего отвода тепла

Материалы HTC от Federal-Mogul Powertrain представляют собой составы порошковых металлов, используемые как для производства вставки седла, так и для производства направляющих, а также имеют очень гибкие характеристики. В седлах клапанов используется медная инфильтрация для улучшения теплопередачи; в направляющих клапанов, испытывающих более низкие температуры и требующих пористости для сохранения масла, используется нетипичная комбинация свободных частиц меди и мелких фракций взаимосвязанных медных сплавов. В случае с двухслойными композитными вставками седел клапанов вторичный материал кольца больше не является просто недорогим «несущим» для функционального слоя седла, который контактирует с головкой клапана; он служит в инженерных целях, отводя больше тепла от головки клапана.

Покрытие TIM – дифференциатор

Покрытие TIM от Federal-Mogul Powertrain значительно улучшает передачу тепла через границу между вставкой седла или направляющей и головкой цилиндров, заполняя промежуточное пространство между неровностями противоположных поверхностей. Это устраняет мельчайшие воздушные карманы, которые обычно преграждают путь тепла и улучшают соответствие поверхности головки цилиндров. Материалы HTC могут снизить температуру клапана, но результаты испытаний показывают, что в некоторых двигателях покрытие TIM может значительно снизить температуру, поскольку оно действует как тепловой мост, устраняя барьер между двумя компонентами. Это покрытие на основе меди требует соответствующей последовательности предварительных обработок для эффективности и обеспечения хорошего сцепления даже с пористыми поверхностями без ослабления теплопроводности.

«Успешная разработка покрытия TIM для серийного производства означает, что технология может быть немедленно принята нашими клиентами», — сказал Денис Кристоферсон, директор подразделения исследований и разработок седел клапанов и направляющих компании Federal-Mogul Powertrain. «Улучшая тепловой поток через границу между головкой цилиндра и вставкой, покрытие TIM позволяет полностью реализовать преимущества теплопередачи материалов HTC».

Результаты испытаний

Испытания, проведенные в ультрасовременном испытательном центре компании Federal-Mogul Powertrain в г. Буршайд, Германия, на самых популярных современных бензиновых двигателях с турбонаддувом с прямым впрыском, показали эффективность новых материалов. Сочетание технологий HTC и TIM позволило снизить максимальную (пиковую) температуру головки впускного клапана в диапазоне от 26 до 32°C. Улучшение температуры головки выпускного клапана стало еще более заметным; на цельном клапане предельная температура снижена до 70°C, а на полом, наполненном натрием клапане, до 67°C. Результаты испытаний были использованы для корреляции прогнозов с применением программ расширенного теплового моделирования Federal-Mogul Powertrain. Они позволяют точно оценивать будущие цели применения и выбирать оптимальные материалы, в то время как конструкция двигателя находится только на ранней стадии разработки.

Материалы HTC и TIM являются готовыми к производству, а образцы компонентов вставки седла и направляющей клапана проходят предварительные испытания у нескольких клиентов. Federal-Mogul Powertrain получил первую заявку с предполагаемым началом производства в 2018 году. Хотя предназначенные, в основном, для применения в самых популярных бензиновых двигателях, они могут быть одинаково полезны для седел и направляющих выпускных клапанов высокопроизводительных турбодизелей и для тяжело-нагруженных дизельных двигателей. Компания Federal-Mogul Powertrain представила новые материалы наряду с многими другими продуктами на выставке IAA с 12 по 15 сентября (только для прессы и выставочные дни) на стенде E33 в зале 4.1.