Титановые клапаны

   На протяжении всего периода развития двигателей внутреннего сгорания (ДВС) уменьшение массы движущихся деталей является актуальной проблемой. В прошлом движущиеся массы в клапанных механизмах могли быть значительно уменьшены за счет конструктивных мер. После того как возможности изготовления клапанных механизмов с облегченными элементами, выполненными из обычных для этих механизмов материалов, были в значительной мере исчерпаны, на передний край выступают альтернативные материалы такие, как, например, керамика или сплавы на основе интерметаллидов титана: Ti₃Al (α2- фаза) и TiAl (γ-фаза). Эти материалы, обладая более высокими жаропрочными свойствами в сравнении с клапанными сталями, при меньшей плотности, позволяют снизить массу клапанов до 50%.

   При уменьшении массы клапанов до 50% достигаются следующие результаты:

   1.Снижение до 40% инерционных сил, обусловленных в основном массой клапанов; соответственно, предоставляется возможность уменьшить силы, развиваемые клапанными пружинами на 20-25%. Благодаря этому обеспечиваются следующие результаты:

• уменьшение усилий на коромысло (рокер) на 20-25% и на стержень клапана до 45%;
• снижение сил трения в головке цилиндров на 20-30% и моментов сопротивления на распределительном вале до 30%.

   2.Возможность (без изменения конструкции механизма газораспределения) повышения литровой мощности двигателя за счет увеличения «времени – сечения» и коэффициента наполнения путем изменения профилей кулачков, т.е. более резкого открытия и закрытия клапанов или повышения частоты вращения коленчатого вала для спортивных вариантов двигателей.

   3.Возможность открытия и закрытия клапанов с более высокими скоростями также позволяет:

• уменьшить перекрытие клапанов, что обеспечит повышение топливной экономичности и снижение токсичных выбросов в режиме холостого хода без ухудшения ездовых качеств автомобиля;
• минимизировать подъемы клапанов при сохранении требуемого «времени-сечения» и коэффициента наполнения, что приведет к дополнительному снижению усилий клапанных пружин.

   4.Возможность снижения требований к распределительному валу и его опорам и другим деталям клапанного механизма без уменьшения надежности и ресурса всего механизма газораспределения.

   5.Уменьшение корпусного шума и снижение вибраций силового агрегата.

   Согласно данным от фирмы Toyota при замене 16-ти стальных клапанов на 4-х цилиндровом автомобильном двигателе достигается снижение расхода топлива на 5%.

Седла клапанов

   Вставные седла, обеспечивающие герметичность клапанов, работают в очень сложных условиях: посадочные фаски подвергаются ударной нагрузке при закрытии клапанов, 70-80% теплоты отводится от клапанов в седла.

   При форсировании двигателя увеличение нагрузки и частоты вращения вызывает повышение температур, их перепадов и механических нагрузок, а вследствие резкого изменения режимов работы двигателя увеличиваются амплитуды изменения температур, напряжений и деформаций седел клапанов.
   При длительной эксплуатации двигателя повышаются температуры клапанов и седел в результате увеличения зазоров в направляющих клапанов и ухудшения контактов фасок клапанов и седел, отложений нагара, солей и соединений металлов, содержащихся в присадках к маслам и топливам, ухудшения рабочего процесса.

   Для улучшения работы титановых клапанов в подобных условиях эксплуатации двигателей мы рекомендуем изготавливать седла клапанов из бериллиевых бронз. Бериллиевые бронзы обладают уникальным набором свойств, наиболее соответствующих условиям нагружения седел клапанов: высокой теплопроводностью и твердостью, стабильностью коэффициента температурного расширения в широком диапазоне температур, высокой циклической прочностью и коррозионной устойчивостью.
   Седла клапанов из бериллиевых бронз обеспечивает передачу наибольшего количества теплоты от клапанов в головку цилиндров. В результате снижаются температуры, как клапана, так и седла, а это способствует сохранению посадочных фасок в работоспособном состоянии более длительное время.

Направляющие втулки клапанов

   Основное назначение направляющих втулок клапанов – восприятие боковых нагрузок, действующих на стержень клапана.
   Направляющие втулки обеспечивают центрирование клапанов относительно седел клапанов и отводят часть теплоты (10-15%) от головок клапанов через стержень в головку цилиндров. Для улучшения отвода теплоты зазоры между направляющими втулками и стержнями клапанов выполняются минимально допустимыми для работы клапанов без заедания.
   Поскольку направляющие втулки работают в сложных условиях нагружения при ограниченной смазке, прежде всего материал и его свойства являются определяющим фактором для обеспечения их качества.

   ООО «Компоненты двигателя» изготавливает направляющие втулки для спортивных высокофорсированных двигателей из бронзы.