Vật liệu van mới tăng cường sức mạnh và hiệu quả động cơ

Thiết kế động cơ hiệu suất cao hiện đại đang phát triển với tốc độ chưa từng thấy, với cấu hình nhiều van trên mỗi xi-lanh, van nhẹ và lượng nạp được tối ưu hóa đang trở thành xu hướng chủ đạo để tăng cường sức mạnh. Tuy nhiên, trong quá trình xây dựng lại hoặc nâng cấp động cơ, việc phục hồi và thay thế các thanh dẫn hướng van và chỗ ngồi trong đầu xi lanh vẫn rất quan trọng để duy trì tỷ số nén và kiểm soát mức tiêu thụ dầu.

Để đạt được khả năng bịt kín van tối ưu và tối đa hóa công suất động cơ cũng như hiệu suất nhiên liệu, các nhà chế tạo động cơ phải đánh giá và thay thế hoặc sửa chữa một cách tỉ mỉ tất cả các van, ghế và thanh dẫn hướng. Các quy trình gia công chính xác liên quan - bao gồm khoan, doa, thay thế dẫn hướng van, loại bỏ các đế van bị mòn hoặc hư hỏng, cắt các mặt tựa đế mới và gia công các đế van - đòi hỏi chuyên môn chuyên môn của xưởng và độ chính xác của thiết bị.

Các nhà chế tạo động cơ định hướng hiệu suất thường bắt đầu với các bộ phận đúc trần khi làm việc với đầu xi-lanh hiệu suất cao mới, tùy chỉnh các gói lò xo, van, thanh dẫn hướng và các bộ phận quan trọng khác để tạo ra các động cơ độc đáo phù hợp với yêu cầu cụ thể của khách hàng.

Van đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất động cơ. Van nạp thường nặng hơn van xả do đường kính đầu lớn hơn và sự khác biệt về trọng lượng này ảnh hưởng đáng kể đến tiềm năng vòng tua tối đa của động cơ. Ngay cả việc giảm một vài gam trọng lượng cũng có thể mang lại hiệu suất tăng đáng kể ở tốc độ quay đạt tới 9.000 vòng/phút.

Để giải quyết thách thức này, các nhà sản xuất van đang ngày càng áp dụng công nghệ thân rỗng. Điều này bao gồm quá trình khoan chính xác và đánh bóng vi mô để tạo ra các cấu trúc rỗng trong thân van, tương tự như cần đẩy. Việc khoan chủ yếu tập trung ở 2/3 trên của thân cây, nơi yêu cầu về độ cứng ít quan trọng hơn. Sau khi khoan, nắp van cứng được hàn lên trên. Thiết kế này có thể giảm trọng lượng van khoảng 20% ​​so với thân đặc.

Một xu hướng mới nổi khác là việc liên tục giảm đường kính thân cây. Các chuyên gia trong ngành lưu ý rằng kích thước thân 5,5 mm, 6 mm, 7 mm và 8 mm đã trở nên phổ biến trong nhiều ứng dụng động cơ, bao gồm cả một số mẫu xe nội địa.

Trong xử lý bề mặt, thấm nitơ đang dần thay thế mạ crom truyền thống, đặc biệt tại thị trường trong nước. Trong khi mạ crom vẫn còn phổ biến trong các ứng dụng động cơ hạng nặng thì thấm nitơ như một công nghệ làm cứng mang lại những lợi thế ngày càng tăng và đang được áp dụng nhanh chóng, đặc biệt là trong các ứng dụng động cơ ở Châu Âu và Nhật Bản.

Thấm nitơ làm tăng đáng kể độ cứng vi mô bề mặt (thường vượt quá 800HV trên nền thép không gỉ 21-4N) trong khi vẫn duy trì độ dẻo của nền tốt, đảm bảo độ dẻo dai bên dưới lớp nitrit cứng. Bề mặt thấm nitơ cũng đạt được độ mịn vượt trội so với mạ crom, giảm ma sát giữa thân và thanh dẫn hướng. Điều quan trọng là đế van được thấm nitơ thể hiện khả năng chống mài mòn được nâng cao, chịu được sự ăn mòn tốt hơn từ xăng không chì, nhiên liệu cồn, nhiên liệu nitro hoặc các loại nhiên liệu đặc biệt khác, từ đó kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Van nitrided duy trì khả năng tương thích tuyệt vời với các vật liệu ghế khác nhau bao gồm sắt dễ uốn, hợp kim luyện kim bột, đồng nhôm cứng hoặc đồng berili. Đối với động cơ có tốc độ vòng tua cao, những ưu điểm toàn diện của van nitrit hóa trở nên đặc biệt rõ ràng, vì lớp nitrit được áp dụng ở mức độ vi mô, ngăn ngừa bong tróc hoặc gãy ngay cả khi xảy ra tiếp xúc giữa van với pít-tông.

Van xả thường sử dụng hợp kim hiệu suất cao như 21-4N và 23-8N. Các loại thép crom-niken chứa nitơ austenit này có độ bền, độ cứng và khả năng chống ăn mòn đặc biệt ở nhiệt độ cao, chống lại các sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy một cách hiệu quả. Đối với các van xả chịu nhiệt độ khắc nghiệt, “siêu hợp kim” như Inconel đang ngày càng phổ biến, đặc biệt là trong các ứng dụng tăng áp và siêu nạp.

Trong các môi trường nhiệt độ cao, áp suất đốt cao như các ứng dụng CNG, hàng hải và động cơ diesel, công nghệ mặt hợp kim Stellite đã được áp dụng rộng rãi cho van xả. Các ứng dụng gần đây thậm chí còn mở rộng công nghệ này sang van nạp, chủ yếu do các quy định EGR mới áp đặt các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với động cơ hạng nặng, dẫn đến nhiệt độ tăng cao, công thức diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp và những thay đổi trong thành phần chất lỏng và chất bôi trơn.

Đối với hầu hết động cơ hút khí tự nhiên và một số động cơ tăng áp, van nạp tiếp tục sử dụng các vật liệu truyền thống như Silchrome 1 (Sil 1) và 8645H. Nhiều động cơ hiện đại và hiệu suất cao sử dụng hợp kim Sil 1 cho van nạp, có hàm lượng crom lên tới 8,5%. Lựa chọn vật liệu cuối cùng phụ thuộc vào môi trường ứng dụng cụ thể và nhiệt độ vận hành, từ thép hợp kim thấp (Sil 1) đến thép hợp kim trung bình (21-2N, 21-4N, 23-8N) và siêu hợp kim niken cao (Inconel, Nimonic). Các chuyên gia dự đoán sẽ tiếp tục phát triển các hợp kim độc quyền mới kết hợp nhiều sự kết hợp khác nhau của niken, crom, molypden và các nguyên tố khác.

Gang vẫn được sử dụng rộng rãi để dẫn hướng van, nhưng các công thức gang độc quyền mới đã xuất hiện để giải quyết những thách thức mài mòn ngày càng tăng trong các ứng dụng diesel hạng nặng. Những phát triển này đáp ứng nhu cầu của hệ thống EGR, động cơ diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp và sự thay đổi thành phần chất bôi trơn. Hướng dẫn luyện kim bột (PM) cũng đang trở nên phổ biến trong các ứng dụng nặng, thường sử dụng vật liệu độc quyền. Ngoài ra, các lớp phủ chuyên dụng bao gồm phốt phát và xử lý nhiệt bổ sung đang trở thành tiêu chuẩn trong lĩnh vực động cơ hạng nặng.

Các chuyên gia trong ngành nhấn mạnh rằng việc chỉ thay thế van hoặc thanh dẫn hướng bằng các bộ phận có kích thước giống hệt nhau là không nên. Vật liệu thiết bị gốc (OE) được lựa chọn dựa trên các yêu cầu ứng dụng cụ thể, được thiết kế để chịu được các điều kiện vận hành riêng. Một sự thay thế hoạt động tốt trong một ứng dụng có thể không hoạt động đầy đủ trong một ứng dụng khác. Do đó, chỉ việc khớp kích thước có thể dẫn đến suy giảm hiệu suất không mong muốn hoặc giảm tuổi thọ sử dụng.

Theo các nhà cung cấp dẫn hướng van, ống lót dẫn hướng bằng đồng phốt pho mang lại đặc tính bôi trơn tuyệt vời. Một số nhà cung cấp cũng cung cấp các lớp lót có lớp phủ giống như Teflon. Tính linh hoạt của lớp lót khiến chúng trở thành giải pháp nhanh chóng, tiết kiệm chi phí để sửa chữa các thanh dẫn hướng van bị hỏng. Từ góc độ tương thích, các lớp lót này hoạt động tốt với các van mạ crom, không mạ, thấm nitơ hoặc phủ trên các ứng dụng nhiên liệu khác nhau. Tuy nhiên, việc kết hợp các thanh dẫn hướng bằng gang với các phương pháp xử lý bề mặt thân van cụ thể và các ứng dụng nhiên liệu có thể tạo ra những tình huống phức tạp hơn.

Các công nghệ hiện tại cho phép các nhà chế tạo động cơ ít nhất có thể tái tạo được tuổi thọ sử dụng của thiết bị gốc. Để đạt được các tiêu chuẩn chất lượng tương đương với OEM - chẳng hạn như cung cấp động cơ được chế tạo lại với chế độ bảo hành tương đương với xe mới - thường yêu cầu lắp đặt van và thanh dẫn hướng mới thay vì sử dụng lại hoặc tân trang lại các bộ phận cũ. Mặc dù các thành phần được tái sử dụng vẫn có thể có giá trị trong các tình huống cụ thể khi không có sẵn các bộ phận hoặc chi phí là mối quan tâm hàng đầu, nhưng các chuyên gia cảnh báo rằng chỉ riêng khả năng tương thích về kích thước sẽ không đảm bảo hiệu suất tối ưu cho một ứng dụng nhất định.

Độ cứng của vật liệu thay đổi theo nhiệt độ vận hành - vật liệu hoạt động tốt ở nhiệt độ khí thải có thể tỏ ra không đủ ở nhiệt độ nạp. Vì vậy, việc duy trì các thông số kỹ thuật vật liệu thiết bị gốc vẫn rất quan trọng. Trong khi đó, các nhà sản xuất và nhà cung cấp hậu mãi có uy tín tiếp tục phát triển các giải pháp vượt xa hiệu suất của vật liệu OEM.