Nowe materiały zaworów zwiększają moc i wydajność silnika

Nowoczesne konstrukcje silników o wysokich osiągach ewoluują w niespotykanym dotychczas tempie, a konfiguracje wielozaworowe na cylinder, lekkie zawory i zoptymalizowane objętości dolotowe stają się głównymi trendami zwiększania mocy. Jednakże podczas procesów przebudowy lub modernizacji silnika, regeneracja i wymiana prowadnic zaworów i gniazd w głowicach cylindrów pozostaje kluczowa dla utrzymania stopnia sprężania i kontrolowania zużycia oleju.

Aby osiągnąć optymalne uszczelnienie zaworów i zmaksymalizować moc silnika oraz zużycie paliwa, konstruktorzy silników muszą skrupulatnie ocenić i wymienić lub naprawić wszystkie zawory, gniazda i prowadnice. Precyzyjne procesy obróbki, w tym wiercenie, rozwiercanie, wymiana prowadnic zaworów, usuwanie zużytych lub uszkodzonych gniazd zaworów, wycinanie nowych pogłębień gniazdowych i obróbka gniazd zaworów, wymagają specjalistycznej wiedzy warsztatowej i dokładności sprzętu.

Konstruktorzy silników zorientowani na osiągi często zaczynają od gołych elementów odlewanych podczas pracy z nowymi głowicami cylindrów o wysokiej wydajności, dostosowując pakiety sprężyn, zawory, prowadnice i inne krytyczne komponenty w celu stworzenia unikalnych zespołów napędowych dostosowanych do konkretnych wymagań klienta.

Zawory odgrywają kluczową rolę w działaniu silnika. Zawory dolotowe zazwyczaj ważą więcej niż zawory wydechowe ze względu na większą średnicę główki, a ta różnica w masie znacząco wpływa na potencjał maksymalnych obrotów silnika. Nawet kilka gramów zmniejszenia masy może zapewnić zauważalny wzrost wydajności przy prędkościach obrotowych bliskich 9000 obr./min.

Aby sprostać temu wyzwaniu, producenci zaworów coraz częściej stosują technologię z pustym trzpieniem. Obejmuje to procesy precyzyjnego wiercenia i mikropolerowania w celu utworzenia pustych struktur w trzpieniach zaworów, podobnych do popychaczy. Wiercenie koncentruje się głównie w górnych dwóch trzecich trzonu, gdzie wymagania dotyczące sztywności są mniej krytyczne. Po wierceniu do góry przyspawany jest hartowany kapturek zaworu. Taka konstrukcja może zmniejszyć masę zaworu o około 20% w porównaniu do trzpieni pełnych.

Kolejnym pojawiającym się trendem jest ciągłe zmniejszanie średnicy pnia. Eksperci branżowi zauważają, że rozmiary mostków 5,5 mm, 6 mm, 7 mm i 8 mm stały się powszechne w wielu zastosowaniach silników, w tym w niektórych modelach krajowych.

W obróbce powierzchni azotowanie stopniowo zastępuje tradycyjne chromowanie, szczególnie na rynkach krajowych. Chociaż chromowanie jest nadal powszechne w silnikach o dużym obciążeniu, azotowanie jako technologia hartowania oferuje coraz większe korzyści i szybko zyskuje na popularności, zwłaszcza w silnikach europejskich i japońskich.

Azotowanie znacząco zwiększa mikrotwardość powierzchni (typowo przekraczającą 800HV na podłożach ze stali nierdzewnej 21-4N) przy jednoczesnym zachowaniu dobrej ciągliwości podłoża, zapewniając wytrzymałość pod twardą warstwą azotku. Azotowane powierzchnie zapewniają również doskonałą gładkość w porównaniu do chromowania, zmniejszając tarcie pomiędzy trzonkami i prowadnicami. Co ważne, azotowane gniazda zaworów charakteryzują się zwiększoną odpornością na zużycie, lepszą odpornością na korozję spowodowaną benzyną bezołowiową, paliwami alkoholowymi, paliwami nitro i innymi paliwami specjalnymi, wydłużając w ten sposób żywotność.

Azotowane zawory zachowują doskonałą kompatybilność z różnymi materiałami gniazd, w tym z żeliwem sferoidalnym, stopami metalurgii proszków, hartowanym brązem aluminiowym lub miedzią berylową. W przypadku silników wysokoobrotowych wszechstronne zalety azotowanych zaworów stają się szczególnie widoczne, ponieważ warstwa azotku jest nakładana na poziomie mikroskopijnym, co zapobiega łuszczeniu się lub pękaniu, nawet w przypadku kontaktu zaworu z tłokiem.

Zawory wydechowe zazwyczaj wykorzystują stopy o wysokiej wydajności, takie jak 21-4N i 23-8N. Te austenityczne stale chromowo-niklowe zawierające azot zapewniają wyjątkową wytrzymałość, twardość i odporność na korozję w podwyższonych temperaturach, skutecznie wytrzymując produkty uboczne spalania. W przypadku zaworów wydechowych narażonych na działanie ekstremalnych temperatur popularność zyskują „superstopy”, takie jak Inconel, szczególnie w zastosowaniach z turbodoładowaniem i doładowaniem.

W środowiskach o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu spalania, takich jak zastosowania CNG, zastosowania morskie i turbodiesel, technologia okładzin ze stopu Stellite stała się powszechnie stosowana w przypadku zaworów wydechowych. Niedawne zastosowania rozszerzają tę technologię nawet na zawory dolotowe, głównie ze względu na nowe przepisy dotyczące EGR nakładające bardziej rygorystyczne wymagania na silniki o dużej wytrzymałości, co skutkuje podwyższonymi temperaturami, składem oleju napędowego o niskiej zawartości siarki oraz zmianami w składzie płynów i smarów.

W przypadku większości silników wolnossących i niektórych silników z turbodoładowaniem w zaworach dolotowych nadal stosuje się tradycyjne materiały, takie jak Silchrome 1 (Sil 1) i 8645H. Wiele nowoczesnych i wysokowydajnych silników wykorzystuje do zaworów dolotowych stop Sil 1 o zawartości chromu do 8,5%. Wybór materiału ostatecznie zależy od konkretnego środowiska zastosowania i temperatury roboczej, począwszy od stali niskostopowych (Sil 1) po stale średniostopowe (21-2N, 21-4N, 23-8N) i superstopy o wysokiej zawartości niklu (Inconel, Nimonic). Eksperci przewidują dalszy rozwój nowych, zastrzeżonych stopów zawierających różne kombinacje niklu, chromu, molibdenu i innych pierwiastków.

Żeliwo jest nadal szeroko stosowane w prowadnicach zaworów, ale pojawiły się nowe, zastrzeżone receptury żeliwa, które pozwalają sprostać rosnącym wyzwaniom związanym ze zużyciem w wysokoobciążonych silnikach wysokoprężnych. Udoskonalenia te odpowiadają wymaganiom systemów EGR, oleju napędowego o niskiej zawartości siarki i zmieniających się składów środków smarnych. Prowadnice wykonane z metalurgii proszków (PM) również zyskują na popularności w zastosowaniach wymagających dużych obciążeń, zazwyczaj wykorzystujących zastrzeżone materiały. Ponadto specjalistyczne powłoki, w tym fosforanowanie i dodatkowa obróbka cieplna, stają się standardem w sektorach silników ciężkich.

Eksperci branżowi podkreślają, że zwykła wymiana zaworów czy prowadnic na elementy o identycznych wymiarach jest niewskazana. Materiały na oryginalne wyposażenie (OE) są wybierane w oparciu o wymagania konkretnego zastosowania i zaprojektowane tak, aby wytrzymać wyjątkowe warunki pracy. Zamiennik, który sprawdza się dobrze w jednym zastosowaniu, może nie działać odpowiednio w innym. Dlatego samo dopasowanie rozmiaru może prowadzić do nieoczekiwanego pogorszenia wydajności lub skrócenia żywotności.

Według dostawców prowadnic zaworów tuleje prowadzące z brązu fosforowego zapewniają doskonałe właściwości smarne. Niektórzy dostawcy oferują również wkładki z powłokami podobnymi do teflonu. Elastyczność tulei sprawia, że ​​są one szybkim i ekonomicznym rozwiązaniem do naprawy uszkodzonych prowadnic zaworów. Z punktu widzenia kompatybilności tuleje te dobrze współpracują z zaworami chromowanymi, nieplaterowanymi, azotowanymi lub powlekanymi w różnych zastosowaniach paliwowych. Jednakże połączenie żeliwnych prowadnic ze specjalną obróbką powierzchni trzpienia zaworu i zastosowaniami paliwowymi może stworzyć bardziej złożone scenariusze.

Obecne technologie umożliwiają konstruktorom silników przynajmniej odtworzenie żywotności oryginalnego sprzętu. Osiągnięcie standardów jakości odpowiadających standardom OEM – np. oferowanie regenerowanych silników z gwarancjami równoważnymi dla nowego pojazdu – zazwyczaj wymaga zainstalowania nowych zaworów i prowadnic, a nie ponownego wykorzystania lub renowacji starych komponentów. Chociaż ponownie użyte komponenty mogą nadal mieć wartość w określonych sytuacjach, gdy części są niedostępne lub głównym problemem jest koszt, eksperci ostrzegają, że sama zgodność rozmiarów nie gwarantuje optymalnej wydajności w danym zastosowaniu.

Twardość materiału zmienia się w zależności od temperatury roboczej – materiał, który dobrze sprawdza się w temperaturach spalin, może okazać się niewystarczający w temperaturach na wlocie. Dlatego utrzymanie specyfikacji materiałów oryginalnego wyposażenia pozostaje kluczowe. Tymczasem renomowani producenci i dostawcy na rynku części zamiennych nadal opracowują rozwiązania, które przewyższają wydajnością materiałów OEM.