Federal-Mogul испытывает новые материалы

На международном автосалоне во Франкфурте подразделение Federal-Mogul Powertrain представит новые материалы для седел и направляющих втулок клапанов с улучшенной теплопроводностью. Материалы с высокой теплопроводностью (HTC) и покрытие с материалами теплового взаимодействия (TIM) можно использовать для серийного выпуска компонентов. Эти технологические решения позволяют снизить температуру головок клапанов на 70 °C, что оптимизирует процесс сгорания и способствует снижению объемов выброса вредных веществ.

Использование материалов с высокой термостойкостью позволяет более равномерно распределить периферическую температуру по окружности вкладыша седла клапана, а также по материалу головки блока цилиндра. За счет этого удается устранить локальный перегрев, уменьшить износ и деформацию, вызванные высокой температурой.

Передача тепла от головки клапана к рубашке охлаждения головки блока цилиндров осуществляется, в первую очередь, через вкладыш седла клапана. Новые материалы, из которых выполнены седла клапанов, более эффективно отводят тепло от головки клапана, за счет чего достигается снижение температуры в перегретых частях камеры сгорания и уменьшение температуры отработавших газов в конце такта сжатия. Как следствие, появляется возможность увеличить ударную прочность и управлять углом опережения зажигания в более широком диапазоне, что обеспечивает оптимальное сгорание топливовоздушной смеси. За счет использования новых материалов можно снизить выбросы CO₂, отказавшись от применения обогащенной топливовоздушной смеси как средства понижения температуры. В случае со сплавами для головок выпускных клапанов снижение температуры на каждые 20 °C исключает необходимость использования более дорогостоящих типов сплава.

Направляющая втулка клапана – важный компонент для отвода тепла от штока клапана к головке блока цилиндров. Применение новых материалов для направляющих втулок клапанов снижает локальный перегрев, который негативно влияет на уплотнения штока и качество моторного масла, за счет более эффективного отвода тепла от штока клапана.

Материалы с высокой теплопроводностью, разработанные Federal-Mogul Powertrain, представляют собой порошковые сплавы, которые используются для изготовления как седел клапанов, так и направляющих втулок. Рабочие характеристики таких сплавов можно задавать с высокой точностью. Для улучшения теплопроводности при изготовлении седел клапанов используется сплав на основе меди с применением инфильтрации. Для производства направляющих втулок клапанов, которые работают в условиях менее высоких температур и имеют пористую структуру, удерживающую масло, применяется эффективный мелкодисперсный связанный медный сплав со свободными частицами меди. В случае двухслойной композитной прокладки седла клапана этот дополнительный материал больше не является просто недорогим «носителем» функционального посадочного слоя, контактирующего с головкой клапана. Он берет на себя важную задачу эффективного отвода тепла от головки клапана.

Покрытие с материалами теплового взаимодействия, разработанное Federal-Mogul Powertrain, значительно улучшает теплопроводность в зоне контакта прокладок седла клапана и направляющих втулок с головкой блока цилиндров. За счет этого заполняются пустоты между неровностями сопрягаемых поверхностей. Это устраняет мельчайшие воздушные карманы, которые препятствуют передаче тепла, и улучшает прилегание к поверхности головки блока цилиндров. Материалы с высокой теплопроводностью способны снизить температуру клапанов, однако испытания показали, что в ряде двигателей применение покрытия с материалами теплового взаимодействия позволяет достичь еще большего снижения температуры. Покрытие работает как тепловой мост, устанавливая контакт между двумя компонентами двигателя. Для эффективной работы TIM-покрытия на основе меди предварительно требуется провести несколько этапов обработки поверхности.

Эффективность новых материалов была установлена в ходе испытаний на бензиновых двигателях с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива, проводившихся в исследовательском центре Federal-Mogul Powertrain в Буршайде.

Сочетая технологии HTC и TIM, разработчики смогли снизить максимальную температуру головок впускных клапанов на 26–32 °C. Еще более значительного снижения температуры удалось достичь в головках выпускных клапанов. Максимальную температуру цельных клапанов удалось снизить на 70 °C, а для пустотелых клапанов с натриевым наполнителем – на 67 °C.

Технологии HTC и TIM готовы для использования в производственном процессе. Опытные образцы прокладок седел и направляющих втулок проходят предварительные испытания у нескольких заказчиков. Подразделение Federal-Mogul Powertrain уже получило первый заказ на выпуск таких компонентов. Старт производства запланирован на 2018 год.