Ferrea: Сталеві клапани з порожнистими стовбурами є бюджетною альтернативою титану

каже Уррутія

Переваги титанових клапанів у роботі, безумовно, призводять до фінансових витрат для багатьох виробників двигунів; однак існують хитрощі щодо зменшення маси на звичайних сталевих клапанах, які допоможуть досягти подібних покращень потужності.

"Порожнистий стовбур повертається", - говорить Зеке Уррутія з Ferrea Racing Components. «Це сильно вдарило на ринок протягом останніх п’яти років через економію ваги та збільшення обертів на хвилину. Крім того, загальний рівень стресу навесні знижується десь з 20 до 30 відсотків ".

Виробники двигунів розглядають порожнисті клапани як спосіб зменшити вагу та збільшити оберти без переходу на дорогі титанові клапани. Ключ до добре розробленого клапана з пеклою штангою є концентрична товщина стінки.

Ми любимо залишатися в межах від 18 до 22 відсотків зниження ваги. -Зеке Уррутія, Ферреа

"Ми бачили збільшення від 300 до 600 об/хв лише від переходу на порожнисті штоки", - повідомляє Urrutia .

Замовники драг-рейсингу та кругових доріжок продовжують рухати ринок легких сталевих клапанів.

Оскільки правила обмежують методи збільшення кінських сил, виробники двигунів прагнуть зменшити масу клапана, щоб збільшити оберти та збільшити потужність.

"Обидві ці сфери постійно розвиваються у розробці двигунів", - додає Уррутія, зазначаючи, що буде менше привабливості до технологій з порожнистими штоками із застосуваннями, де довговічність має перевагу над топовими характеристиками та в деяких двигунах з малим діаметром штока клапана. "Ось тут це виводиться з рівняння. Ви не збираєтесь досягти тих самих успіхів при свердлінні 5,5-мм штока у порівнянні з клапаном із більшим штоком ".

Клапани з порожнистими штоками складають приблизно третину ціни порівняно з титановими клапанами. Вони доступні в найпопулярніших розмірах, і виробники, як правило, можуть виконувати на замовлення свердлильні клапани з порожнистими штоками, які доступні на полиці. У більшості випадків замовлення можна заповнити за три-чотири тижні. Цей додатковий крок у деяких додатках трохи дорожчий, проте він все ще дешевший, ніж титан.

Порівняння порізу порожнистого клапана.

Звичайно, ти можеш навіть взяти титановий порожнистий ствол і справді збільшити свій будівельний бюджет.

"Якщо ваші правила не дозволяють приймати титан, найкращим варіантом є запуск нержавіючої сталі з порожнистими стеблами", - каже Уррутія.

Наскільки велике зниження ваги можна отримати за допомогою порожнистих клапанів?

При проектуванні посуду на стороні згоряння клапана інженери використовують моделі САПР для визначення товщини в критичних зонах.

"Ми любимо залишатися в межах від 18 до 22 відсотків зниження ваги", - каже Уррутія. «Іноді ми можемо отримати 25 відсотків, подивившись на сторону горіння та видаливши частину цього матеріалу. Це просто залежить від програми ».

Клапани з порожнистим штоком виготовляються методом свердління з використанням високоякісного свердла для видовбування штока. Свердло спрямоване вгору через головку клапана в шток на задану відстань.

"Ми дотримуємося точних допусків, щоб переконатись, що в цій порожнистій зоні є концентрація .0001 дюйма", - говорить Уррутія. Потім отвір герметизують перед остаточною механічною обробкою та поліруванням.

Порівняння клапана з нержавіючої сталі та титанового клапана з плоскою поверхнею для додаткової підтримки.

“Полірування важливо. Ви дивитесь на недоліки будь-якого матеріалу, і коли ви його відшліфуєте, міцність, очевидно, збільшується на 10, 15 відсотків і більше », - говорить Уррутія.

Порожнисті штоки можна застосовувати як до впускних, так і до випускних клапанів; однак, акцент зазвичай робиться на впускній стороні, оскільки довговічність є більш важливим фактором при високому тепловому середовищі випускного клапана.

"Ви не можете покласти порожнисті нержавіючі в високоазотисті або високошвидкісні програми", - попереджає Уррутія. “Це спрацює? Звичайно. Це триватиме? "

Інженери також можуть грати з запасом на клапані, щоб допомогти зменшити вагу.

Клапани з порожнистими штоками можуть забезпечити до 25 відсотків економії ваги порівняно з аналогічними традиційними аналогами з нержавіючої сталі.

Колись наповнення вихлопної труби натрієм було популярною тенденцією серед виробників, але Уррутія каже, що це вже не гоночне рішення, яке він рекомендував би.

Ямочки, хто завгодно?

Не всі клапани мають блискучу гладку поверхню верхньої сторони. Будівельники двигунів давно експериментували з різними фактурами, включаючи ямки, схожі на м'ячі для гольфу, і хребти, схожі на скроні майя (вгорі). "Ми грали з ямочками", - каже Зеке Уррутія Ферреа. "Ми вважаємо, що це може відкрити себе для провалу".

Тим не менш, Уррутія каже, що Ferrea постачала клапани клієнтам, які обробляли власні ямочки, і вони повідомили, що модифікація порушила потік повітря, як передбачалося, з позитивними результатами. Фактично, ямочки були оброблені у вершинах поршнів (внизу), всередині впускних колекторів та по всьому впускному отвору. Ці тести часто спонукають інших виробників двигунів спробувати ще більш радикальні ідеї.

"Одного разу ми фактично поклали чотири лопаті на клапан, щоб допомогти з напрямком потоку", - каже Уррутія. "Це ніколи нікуди не йшло, але це був чудовий експеримент".

Порожниста головка, очевидно, ще більше зменшить вагу, але є момент зменшення віддачі, як з точки зору витрат, так і довговічності.

"Ми розглянули це. Це дизайн із 2 частин », - каже Уррутія.

В основному головка клапана ділиться навпіл, а відповідні ділянки кожної секції головки обробляються та поліруються для створення камери. Подумайте розрізати великий пиріг навпіл і випотрошити фруктову начинку. Потім дві половини головки клапана приварюються тертям з подальшою обробкою та поліруванням.

"Процес дуже нудний", - пояснює Уррутія. “Коли ви дивитесь на загальну концентрацію, ви повинні бути на місці, і ви повинні бути на місці за допомогою зварювання тертям. По всій цій ділянці не може бути забруднення або того, що може призвести до згинання головки клапана ".

Потужною, більш доступною та практичною альтернативою порожнистим головкам є добре продумана посуд на торці клапана.

"Це набагато структурніше, і процес механічної обробки займає буквально третину або четверту частину часу в порожнистій головці", - говорить Уррутія, відзначаючи, що він бачив клапани з порожнистими головками, де товщина днища не підтримувала тиску в циліндрі, і врешті-решт подрібнений. "Клапан буквально був схожий на сандвіч з арахісовим маслом та желе, який було віджато".

Більше видів порожнистого клапана.

Посуд популярний серед клапанів Pro Stock, де розмір головки становить від 2,610 до 2,640 дюймів. Звичайно, недоліком посуду є те, що об’єм камери згоряння збільшується, що призводить до нижчого ступеня стиснення.

"Вони кажуть, що страва їх насправді не турбує, тому що вони можуть знайти компресію в іншому місці", - каже Уррутія.

Приклад плоскозакритого впускного клапана та випускного випускного клапана.

Титан і надалі залишається найвищим легким варіантом. Сирі витрати стали рівномірними, тому збільшення витрат буде не надто великим. Акцент продовжує зосереджуватися на довговічності.

"Покриття все ще залишаються темою дня", - каже Уррутія. "Ми все ще використовуємо наш нітрид хрому (CrN)".

Застосовуваний до клапана у вакуумній камері за допомогою процесу, який називається фізичним осадженням пари (PVD), CrN вдвічі твердіший за хром, забезпечує високу зносостійкість і допомагає при відведенні тепла. Він також пропонує рівномірне покриття; тобто він дуже рівномірно дотримується текстури поверхні деталі і не залишає скупчень по краях. Навіть якщо клапан згинається, CrN виграє або розшарується.

Виробники двигунів можуть замовити титанові клапани з порожнистими штоками, але зменшення ваги становить лише від 10 до 12 відсотків для підтримки міцності.

"Ви вже починаєте з більш легкого матеріалу, тому в деяких випадках він може становити лише вісім відсотків", - додає Уррутія.

Ще один легкий прийом - це підрізання стебла.

Єдиним іншим прийомом зменшення маси, доступним для виробників двигунів, є підрізання штока; тобто якщо це дозволяють правила. У деяких випадках можна знищити до чотирьох грамів ваги за допомогою підрізування, що також може поліпшити потік повітря, залежно від динаміки головки блоку циліндрів на стороні впуску. Зниження підрізу, здається, не так сильно допомагає потоку вихлопних газів

"Це щось покласти на стіл", - каже Уррутія. «Це все складається, коли є вісім впускних клапанів. Але це відкрите питання. Деякі головки просто не люблять підрізані клапани ".

Виробники двигунів завжди прагнутимуть легших клапанів, щоб забезпечити більш агресивні кулачкові профілі або коромисла. Просто, чим швидше клапан можна відкрити та закрити, тим більша користь для двигуна - особливо впускних клапанів. Однак виробники двигунів або повинні працювати в рамках бюджету або правил, які обмежують технології та матеріали.

Остання динаміка ніколи не була інтригуючою, ніж тоді, коли виробники експериментували із алюмінієво-берилієвим сплавом. Спочатку пробували як поршневий матеріал у Формулі 1, але згодом його заборонили, про нього також ходили чутки при будівництві коромисел та поршневих штифтів для Pro Stock. Берилій має половину ваги титану, а також дуже міцний, але не дуже пластичний. Найбільшими недоліками берилію є витрати - це приблизно втричі дорожчий титан - і це дуже токсично, оскільки пил берилію надзвичайно канцерогенний.

"Ви дивитесь на клапан, який коштував би 500 доларів за штуку", - каже Уррутія, яка розробила прототипи, але зараз не пропонує цей матеріал. "Хто поніме такий тип витрат?"

3D-друк металом може призвести до дуже хитромудрих дизайнів як зсередини, так і зовні. Це унікальний теплообмінник, надрукований для гоночного автомобіля.

Мабуть, найперспективнішою технологією найближчим часом є виробництво добавок або 3D-друк. На цьому етапі ведуться суперечки щодо того, чи можуть певні властивості металів, надрукованих 3D-зображенням, бути прогнозованими та послідовними. Однак, коли ця технологія вдосконалюється для металів, можуть бути виготовлені порожнисті клапани з дуже складною внутрішньою решіткою для опори.

"Це те, що ми розглядали, і процес стає більш ефективним", - каже Уррутія. "Вони випускають з титаном та нержавіючими матеріалами, які можна друкувати у форматі 3D, але в цілому вони не зовсім там за якістю матеріалів".