Новые седла и направляющие с высокой теплопроводностью от Federal-Mogul

Нові сідла і направляючі з високою теплопровідністю від Federal-Mogul Powertrain охолоджують клапани двигуна

02.11.2017

Покращена теплопередача знижує температуру клапана до 70ºС

БУРШАЙД, Німеччина, – підрозділ компанії  Federal-Mogul Powertrain представив нові матеріали для сідел і направляючих клапанів із покращеною теплопровідністю на виставці ІАА 2017 у Франкфурті, Німеччина. Нові матеріали, які підходять для серійного виробництва, мають високу теплопровідність (High Thermal Conductivity — НТС) і покриття Термоінтерфейс (Thermal Interface Material — ТІМ), можуть знизити температуру головки клапана до 70ºС, що дозволяє покращити згоряння і зменшити викиди.

«Граничні температури клапанів, які відчувають сучасні двигуни зменшених розмірів з турбонаддувом, можуть призводити до зниження втомної довговічності клапанів, а також до критичних значень температур направляючих клапанів і ущільнень штоків, що обумовлює використання дорогих сплавів легованої сталі для клапанів. Якщо встановлення моменту пізнього запалювання використовують для зменшення стуку, а збагачення захищає компоненти від критичних температур — викиди СО₂ зростають», — пояснює Джіан Марія Оліветті, головний технолог компанії Federal-Mogul Powertrain. «Зменшуючи температуру головки клапана, ми допомагаємо усунути ці проблеми, а розробляючи технології, які підходять для серійного виробництва, ми маємо можливість підтримати масове застосування в ринку». Матеріали HTC також сприяють досягненню більш рівномірного окружного розподілу температури на вставці клапанного сідла і навколишньому матеріалі головки циліндра, усуваючи локальні гарячі точки в цілях зниження зносу і скорочення спотворення під впливом високої температури.

Чому покращена теплопередача означає краще охолодження клапанів

Вставка сідла — це первинний шлях тепла від головки клапана до охолоджуючого кожуху головки циліндрів. При передачі більшої кількості тепла від головки клапана нові матеріали сідла знижують температуру в самій гарячій частині камери згоряння і знижують температуру газу в кінці такту стиснення, а також покращують антидетонаційну стійкість палива і надають більш широкий діапазон випередження запалювання для оптимізації згоряння. Ці матеріали також дозволяють зменшити викиди СО₂, вже немає необхідності збагачувати паливо задля охолодження. Для сплавів головки випускного клапана кожне зниження температури на 20ºС зводить нанівець необхідність оновлення сплавів до наступної, дорожчої специфікації.

Направляюча клапана є основним шляхом тепла від штоку клапана до головки циліндрів. При передачі більшої кількості тепла від штоку клапана новий матеріал направляючої знижує локальну температуру нижче критичних меж, при яких ущільнення штоку клапана і мастильний матеріал починають руйнуватись

Матеріали НТС для кращого відведення тепла

Матеріали НТС від Federal-Mogul Powertrain є композиціями порошкових металів, які використовуються як для виробництва вставки сідла, так і для виробництва направляючих, а також мають дуже гнучкі характеристики. В сідлах клапанів використовується мідна інфільтрація для покращення теплопередачі, в направляючих клапанів, які витримують нижчі температури і мають бути пористими для збереження масла, використовується нетипова комбінація вільних частинок міді і дрібних фракцій взаємопов’язаних мідних сплавів. У випадку з двошаровими композитними вставками сідел клапанів вторинний матеріал кільця вже не є просто недорогим «несучим» матеріалом для функціонального шару сідла, який контактує із головкою клапана, тепер його метою є відвід більшої кількості тепла від головки клапана.

Покриття ТІМ – диференціатор

Покриття ТІМ від Federal-Mogul Powertrain значно покращує передачу тепла через межу між вставкою сідла чи направляючою і головкою циліндрів, заповнюючи проміжний простір між нерівностями протилежних поверхонь. Це усуває найдрібніші повітряні кишені, які зазвичай є перешкодами на шляху тепла, і покращує відповідність поверхні головки циліндрів. Матеріали НТС можуть знизити температуру клапана, але результати випробувань показують, що на деяких двигунах покриття ТІМ може значно знизити температуру, оскільки воно діє, як тепловий міст, усуваючи перешкоди між двома компонентами. Це покриття на основі міді потребує відповідної послідовності попередніх обробок для ефективності і забезпечення гарного зчеплення навіть із пористими поверхнями без зменшення теплопровідності.

«Успішна розробка покриття ТІМ для серійного виробництва означає, що технологія може бути негайно прийнята нашими клієнтами», — сказав Деніс Крістоферсон, директор підрозділу досліджень і розробок сідел клапанів і направляючих компанії Federal-Mogul Powertrain. «Покращуючи тепловий потік через межу між головкою циліндра і вставкою, покриття ТІМ дозволяє повністю реалізувати переваги теплопередачі матеріалів НТС»

Результати випробувань

Випробування проведені в ультрасучасному випробувальному центрі компанії Federal-Mogul Powertrain в м. Буршайд, Німеччина, на найпопулярніших сучасних бензинових двигунах із турбонаддувом і з прямим впорскуванням, показали ефективність нових матеріалів. Поєднання технологій НТС і ТІМ дозволило знизити максимальну (пікову) температуру головки впускного клапана в діапазоні від 26 до 32ºС. Покращення температури головки випускного клапана ще більш помітним, на цільному клапані гранична температура знижена до 70ºС, а на порожнистому, наповненому натрієм клапані — до 67ºС. Результати випробувань були використані для кореляції прогнозів із застосуванням програм розширеного теплового моделювання Federal-Mogul Powertrain. Вони дозволяють точно оцінити майбутні цілі застосування і вибирати оптимальні матеріали, в той час, коли конструкція двигуна знаходиться ще тільки на стадії розробки.

Матеріали НТС і ТІМ готові до виробництва, а зразки компонентів вставки сідла і направляючої клапана проходять попередні випробування у декількох клієнтів. Federal-Mogul Powertrain отримала першу заявку із можливим початком виробництва в 2018 році. Хоча призначені, в основному, для застосування в найпопулярніших бензинових двигунах, вони можуть бути однаково корисними для сідел і направляючих випускних клапанів високоефективних турбодизельних двигунів та для важко-навантажених дизельних двигунів. Компанія Federal-Mogul Powertrain представила нові матеріали разом із багатьма іншими продуктами на виставці ІАА з 12 по 15 вересня (тільки для преси і виставкові дні) на стенді Е33 в залі 4.1.