Termeni asociați:

  • Cam-uri
  • Frecare
  • Supapă de admisie
  • Supapă de ieșire
  • Balansier
  • Inserarea scaunului
  • Supapă din oțel

Descărcați în format PDF

Despre această pagină

Efectele cinetice ale trenului supapei

Nealinierea inserției scaunului în raport cu ghidajul supapei

Deoarece supapele ușoare au o rezistență mai mică decât supapele clasice din oțel complet, nealinierea inserției scaunului față de ghidajul supapei sau orice urzeală a supapei poate duce la o uzură corespunzătoare mai rapidă sau deteriorarea ansamblului ghidaj - supapă - scaun [245] .

Nealinierea cauzată de deformarea sau modificarea formei metalului din bloc va crea frecare între tija supapei și ghidajul supapei [246]. Aceasta va purta ghidajul și tija supapei într-un punct care va reduce eficacitatea supapei.

O supapă nealiniată sau o inserție distorsionată a scaunului datorită șuruburilor de cap strânse neuniform afectează funcționarea unui motor din cauza schimbărilor de sincronizare, a întreruperii fluxurilor de gaz, a distribuției inegale a temperaturii pe fețele scaunului și chiar a pre-aprinderilor.

Nealinierea supapei/scaunului afectează uzura supapei/scaunului deoarece duce la solicitări inegale de contact și etanșare slabă [247]. Concentricitatea ghidului/scaunului este, de asemenea, importantă. În mod ideal, orificiile de ghidare și suprafețele de așezare sunt prelucrate în același timp în chiulasă. Nealinierea inițială a inserției scaunului afectează transferul de căldură de la capul supapei la chiulasa [248] .

Tribologia trenului supapelor

Probleme tribologice în ghid - Supapă ușoară - Subsistemul inserării scaunului

Utilizarea supapelor ușoare în camele și trenurile de supape fără camă necesită soluții la trei probleme tribologice de bază:

Uzura în contact între capul supapei și inserția scaunului (Fig. 7.1, nodul I)

generală

Figura 7.1. Schema supapei acționate fără cameră cu inserția și ghidajul scaunului.

BC1, Suprafețele transferului de căldură prin conducție între tachetă și vârful supapei, între inserția scaunului și materialul chiulasei și între ghidaj și materialul chiulasei. BC2, Suprafețele transferului de căldură convectivă între supapă, inserția scaunului și ghidajul și gazele înlocuite. BC3, Suprafețele transferului de căldură între scaunele supapei și inserția acesteia periodic prin conducție și periodic prin convecție.

Fricțiunea și uzura în contact între tija supapei și ghidajul acesteia (Fig. 7.1, nodul II)

Împerecherea butonului, barei de basculare sau a feței camului cu vârful supapei, mai ales atunci când supapa se rotește

Cauzele acestor probleme sunt următoarele:

Ungerea limitată a tijei supapei în ghidajul acesteia, în cazul acționării supapei fără camă

Viteza ridicată a supapei în timpul instalării în inserția scaunului

Incapacitatea de a asigura rotirea supapei în unele soluții pentru acționare

Problemele tribologice care apar în nodurile din afara sistemului de ghidare - supapă - scaun sunt discutate în Ref. [3], [4] și [228] [3] [4] [228] pentru trenul supapei cu came și în Ref. [380] pentru trenul de supape fără camă. Prin urmare, nu sunt discutate aici.

Supapa și scaunul supapei

6.5.1 Ceramică

Au fost testate materiale noi pentru producerea supapelor ușoare. Pentru motoarele cu supape cu diametru mare, materialele ușoare reprezintă un avantaj clar. Supape de nitrură de siliciu (Si 3N4), prezentate în Fig. 6.14, au fost cercetate pe larg. Si3N4 cântărește doar 3,2 g/cm 3. Are o rezistență la îndoire de 970 MPa la temperatura camerei și 890 MPa chiar și la 800 ° C. Prin contrast, oțelul austenitic SUH35 prezintă o rezistență la îndoire de numai 400 MPa la 800 ° C (Fig. 6.8). S-a raportat că reducerea în greutate a utilizării Si3N4 în locul unei supape din oțel rezistente la căldură este de 40%. 14

(prin amabilitatea NGK Insulators, Ltd.)

Materialele ceramice sunt fragile în condiții de tensiune, astfel încât designul și calitatea materialelor sunt foarte importante. Figura 6.15 prezintă procesul de fabricație. Pulberea de nitrură de siliciu este mai întâi turnată și apoi coaptă. Pentru a crește fiabilitatea, se acordă o atenție deosebită purității materialelor, mărimii bobului și procesului de coacere.

6.15. Procesul de producție a unei supape ceramice cu nitrură de siliciu.

Unele piese ceramice au fost deja comercializate ca piese de motor. Acestea includ izolatori pentru bujii de aprindere, fagure de miere pentru convertoarele de gaze de eșapament, rotoare turbo-încărcătoare, așchii rezistente la uzură într-un braț basculant cu supapă și precamera pentru motoarele diesel. Cu toate acestea, în ciuda eforturilor vaste de cercetare, supapele ceramice nu au fost încă comercializate.

Proiectarea și analiza componentelor mecanice

Tratamente pentru îmbunătățirea condițiilor de lubrifiere și transfer de căldură pentru componentele tijei ușoare a supapei - Pereche de frecare ghid

Îmbunătățirea condițiilor de lubrifiere și transfer de căldură în spațiul dintre tija ușoară a supapei și ghidaj poate fi realizată prin modificări structurale, așa cum se arată în Ref. [4]. Aici este menționat conceptul de utilizare a autolubrifierii tijei supapei [448]. Având în vedere anularea intenționată a utilizării uleiului din sistemul central de lubrifiere a motorului, în cazul soluției descrise anterior este posibil să se utilizeze rezervoare separate de lubrifiant. O altă idee este de a sigila suprafețele dintre tijă și ghidajul supapei printr-un inel [448]. Pentru astfel de modificări, utilizate în supapele convenționale din oțel, supapele complete trebuie să fie din aliaj TiAl sau compozite ceramice.

Proiectare și analiză avansată a trenului de valve mecanice

Rezumatul unităților cu supapă cu came

Deși sincronizarea fixă ​​a supapelor este cel mai ieftin și utilizat pe scară largă pentru motoarele SI, reprezintă un compromis care împiedică realizarea eficienței maxime a motorului în întreaga gamă a vitezei și a sarcinii sale. Cu toate acestea, utilizarea sincronizării variabile a supapelor a devenit populară, iar avantajele sale sunt discutate în Ref. [27] și [90] [27] [90]. La motoarele moderne, fazele de sincronizare sunt reglate atât pentru supapele de admisie, cât și pentru cele de ieșire. Uneori, controlul numai al supapelor de intrare este suficient [91] .

În exemplele de sincronizare în motoarele cu combustie SI care utilizează arborele cu came pentru acționarea supapelor, este preferată aplicarea materialului ușor al supapelor. Cu toate acestea, eficacitatea utilizării lor scade odată cu creșterea complexității sistemului, odată cu creșterea numărului și greutății pieselor mobile. Aplicarea supapelor ușoare este foarte de dorit în exemplele de realizare, folosind schimbarea profilului camei în timpul acționării supapelor datorită unor sarcini de șoc care afectează elementele trenului supapelor. Problemele tribologice asociate cu supapa afectează contactul dintre balansier cu o suprafață întărită de tip supapă sau a capacului montat pe ea, între tija supapei și ghidaj și între capul supapei și inserția scaunului său. În trenurile de supape cu prindere cu came, contactul dintre prindere și vârful supapei întărite influențează doar formarea proceselor tribologice asociate supapei.

Valorile de deplasare ale supapelor de intrare și ieșire în raport cu ghidajele lor, ajungând până la 25 mm, pot fi similare în unele aplicații de sincronizare a supapelor, în timp ce în altele pot varia cu mai mult de 20%. Viteza supapei se poate schimba de la ciclu la ciclu în raport cu ghidajul. Pentru fiecare supapă, aceste modificări apar atunci când se schimbă turația motorului. Acest lucru face ca intensitatea uzurii și fricțiunea în zonele de contact dintre tije și ghidaje să fie diferite pentru supapele de intrare și de ieșire. Ca rezultat, modelele de uzură și frecare în contact între tija supapei și ghidarea își pierd universalitatea, deoarece parametrii lor trebuie să fie definiți individual pentru fiecare sincronizare. Acest lucru este cel mai evident în cazul înlocuirii oțelului din tijele supapelor cu materiale ușoare, care de obicei necesită și o schimbare a materialului ghidajelor.

Presiunea maximă cauzată de presiunea gazului din cilindru în contactele dintre supapele de admisie și inserțiile scaunelor acestora poate fi cu până la 20% mai mică decât în ​​cazul supapelor de ieșire. Schimbările de sarcină de contact apar cu modificări ale turației motorului. Utilizarea supapelor ușoare permite utilizarea arcurilor mai slabe și, în consecință, o reducere a sarcinii contactelor dintre supape și inserțiile scaunului acestora. Prin urmare, intensitatea de uzură a fețelor scaunelor supapelor și a inserțiilor acestora este diferită pentru supapele de intrare și de ieșire. De asemenea, în acest caz, versatilitatea modelelor de uzură și fricțiunea în contact între fețele scaunului supapei și inserția acesteia scade, deoarece parametrii lor trebuie să fie definiți individual pentru fiecare sincronizare. Acest lucru este evident mai ales atunci când oțelul capetelor supapelor este înlocuit cu materiale ușoare, de obicei asociate cu o modificare a materialului inserțiilor scaunelor.

Condițiile de lubrifiere și formele de undă ale temperaturii în contactele supapelor cu ghidaj, inserție de scaun și tachetă sau basculantă în variante cu control fix și variabil al sincronizării nu diferă între ele. Aceasta permite utilizarea modelelor existente și a programelor de calcul dezvoltate pentru acționarea clasică a supapelor. Acest lucru necesită presupunerea că de fiecare dată când analiza este efectuată utilizând parametri fixi (geometrie) de sincronizare, există posibilitatea modificării acestor parametri și, de asemenea, în formele de undă și valorile repetitive ale unghiurilor de fază și ale ridicărilor supapelor atunci când motorul funcționează.

Analiza dinamicii, fricțiunii și uzurii elementelor din trenurile de supape mecanice avansate necesită modele mai complexe, în special modele cu metode cu elemente finite, decât cele utilizate pentru trenurile de supape DOHC sau SOHC clasice.

Aliaje ușoare pentru echipamente sportive

16.3.3 Motoare sportive cu motor

După cum sa discutat în secțiunea 16.2.3, aliajele de titan și aluminiu sunt utilizate pe scară largă în construcția motoarelor de curse. Cu toate acestea, aceste aliaje sunt caracterizate de proprietăți tribologice slabe și necesită tratament de suprafață. Două studii de caz sunt prezentate după cum urmează:

Conversia ceramică a supapelor TiAl

La motoare, sistemele de trenuri de supape reciprocizează și controlează fluxul de gaz și combustibil în și din cilindri pentru a facilita arderea. Atunci când sunt utilizate componente ale trenului cu supape mai ușoare, performanța motorului poate fi îmbunătățită prin zgomotul redus și fricțiunea. Klause (Gebauer, 2006) a demonstrat că cuplul necesar al camei este redus în mod clar utilizând supape ușoare, în special atunci când viteza de rotație a camei este mai mică de 2000 rpm.

Aliajele pe bază de titan înlocuiesc treptat oțelul la automobilele de înaltă performanță, cum ar fi mașinile de curse și motocicletele (Badami și Marino, 2006). Aliajele pe bază de aluminură de titan gamma (TiAl) au o densitate mică (3,8-4,0 g/cm 3), care este aproximativ jumătate din cea a oțelului. Aceste aliaje posedă o rezistență bună la temperaturi ridicate, reținerea modulului și proprietăți excelente de fluare. De asemenea, prezintă o bună rezistență la oxidare sub 700 ° C. Deoarece motoarele pentru o eficiență mai bună trebuie să funcționeze la temperaturi și turații mai mari, TiAl este un bun material candidat pentru supapele motorului. Cu toate acestea, rezistența la uzură a TiAl este o preocupare majoră pentru astfel de aplicații.

16.3. Proiectarea supapelor și zonele caracteristice (Gebauer, 2006).

16.4. Schema „efectului de gheață” (Jenkins, 2003).

Pulverizare termică pentru blocuri de motor din aluminiu

În timpul funcționării motoarelor, se formează particule de carbon tare din cauza combustiei ineficiente a combustibilului și se acumulează pe inelele superioare ale pistonului. Datorită durității scăzute și a proprietăților slabe de uzură ale aliajelor de aluminiu (a se vedea capitolul 2), suprafața poate suferi o uzură a căptușelii, ceea ce duce la un consum excesiv de ulei, la spargerea inelului și a forajului și la confiscarea.

Acoperirile avansate cu pulverizare cu plasmă (Capitolul 7) au fost dezvoltate cu succes pentru a rezolva această problemă. Conform cerințelor specifice motoarelor, pot fi aplicate diferite acoperiri pulverizate, așa cum se arată în Tabelul 16.2 (Barbezat, 2005). De exemplu, acoperirea cu particule discrete poate fi utilizată pentru motoarele diesel foarte încărcate, deoarece aceste particule pot crește rezistența la compresiune și rezistența la uzură. O microstructură tipică a materialelor compozite cu matrice metalică (MMC) dezvoltată de Sulzer Metco este prezentată în Fig. 16,5 (Ernst și Barbezat, 2008). Această acoperire a fost testată la AVL Austria cu un motor diesel cu patru cilindri (50 kW/l, 150 bari). Rezultatele arată că pierderea totală de uzură a fost redusă semnificativ de la 9,7 nm/h pentru căptușelile standard din fontă la 1,4 nm/h. Consumul de petrol și explozia au fost, de asemenea, reduse dramatic.

Tabelul 16.2. Materiale de acoperire depuse prin pulverizare cu plasmă (Barbezat, 2005)

Tip de acoperire Duritate/HV0.3 Microstructură
A: Oțel carbon cu lubrifiant solid wustiti și magnetit400Ferită cu carburi de fier fine și FeO (wustiti) și Fe3O4 (magnetit)
B: Compozit din oțel pentru scule din carbon și molibden400Ferită cu carburi de fier fine și fază izolată a molibdenului. Nivel scăzut de oxizi de fier
C: Oțel rezistent la coroziune (aliat Cr și Mo)350Fier cu carburi fine și niște oxizi
D: Compozit cu matrice metalică (MMC, tip 1)450Material A cu adaos de aproximativ 20% particule ceramice discrete
E: Compozit cu matrice metalică (MMC, tip 2)400Material C cu adaos de aproximativ 20% particule ceramice discrete

16.5. Microstructură tipică a stratului de plasmă MMC (oțel carbon cu 30% vol. De particule ceramice neabrazive) (Ernst și Barbezat, 2008).

În prezent, aceste acoperiri au fost aplicate nu numai vehiculelor de pasageri, ci și în sporturile de curse cu motor. De exemplu, mai multe motoare de curse V10, V8 și V4 calificate sunt produse cu acoperiri cu plasmă (Gebauer, 2006).

Publicații recomandate:

  • Procese tribologice în sistemele de trenuri de supape cu supape ușoare
  • Despre ScienceDirect
  • Acces de la distanță
  • Cărucior de cumpărături
  • Face publicitate
  • Contact și asistență
  • Termeni si conditii
  • Politica de Confidențialitate

Folosim cookie-uri pentru a ne oferi și îmbunătăți serviciile și pentru a adapta conținutul și reclamele. Continuând sunteți de acord cu utilizarea cookie-urilor .