Мощность, которую развивает двигатель, в значительной степени зависит от того, сколько воздуха он может втянуть. Чем больше рабочий объем двигателя, тем больше воздуха и тем больше топлива может сгореть. Теоретически, увеличение оборотов вдвое удваивает выходную мощность. То есть двигатель, который производит 400 лошадиных сил при 4500 об/мин, должен выдать 800 при 9000 оборотах.
Это звучит замечательно, но в реальных условиях двигатели не дышат со 100-процентной эффективностью при увеличении оборотов. Изгибы и повороты впускного коллектора, форма и объем каналов в головке цилиндров, препятствия и турбулентность, создаваемые ножками клапанов, а также форма камеры сгорания влияет на расход воздуха при увеличении оборотов.
Объемная эффективность - это термин, который используется для описания взаимосвязи между тем, сколько воздуха теоретически может поместиться в цилиндрах двигателя и сколько воздуха он действительно всасывает. Модификации, которые увеличивают объемную эффективность при более высоких оборотах двигателя, увеличивают мощность. Это включает в себя все традиционные приемы производительности, такие как портирование головок цилиндров, увеличение подъема и продолжительности работы клапана с более широкофазным распредвалом, использование дросселя с большим диаметром или использование отдельного дросселя на цилиндр, которые пропускают больше воздуха в минуту, или даже переход к принудительной закачке воздуха под давлением (турбокомпрессор или нагнетатель).
Зачем нужны облегченные клапаны?
Клапаны играют решающую роль во всем этом, потому что клапаны - это дроссельная точка, после которой весь воздух, который поступает в двигатель и выходит из него, должен перемещаться по нему. Клапаны, которые увеличивают поток воздуха и позволяют двигателю раскручиватся выше, увеличивают объемный КПД и мощность.
Еще одним преимуществом использования клапанов со стержнями меньшего диаметра является уменьшенный вес. Клапан со штоком меньшего размера обычно весит примерно на 8-10 процентов меньше, чем клапан со штоком стандартного размера. Более легкий клапан означает, что двигатель может набирать более высокие обороты без зависания клапана. Более легкий клапан также оказывает меньшую нагрузку на пружины клапана, коромысла, толкатели и кулачки распредвала.
Впускные клапаны обычно тяжелее выпускных клапанов из-за их большего диаметра. Следовательно, вес впускных клапанов является более ограничивающим фактором для потенциала оборотов двигателя, чем выпускных клапанов. Даже облегчение на несколько граммов может сильно повлиять на двигатель, который работает на оборотах от 8500 до 9000 об/мин.
Полые клапаны
Поставщики облегченных клапанов сегодня убирают дополнительный вес с впускных и выпускных клапанов и предлагают клапаны с «полым штоком». Шток клапана просверливают. Сверление выполняется только в верхних 2/3 штока, где жесткость менее важна, чем площадь над головкой клапана. После того, как ствол высверлен клапан на 20-22% становится легче стандартного клапана.
Сверление стержня клапана приносит в жертву некоторую прочность, поэтому можно использовать более прочный сплав, чтобы сохранить ту же прочность, что и раньше. Долговечность клапанов с полым штоком не является проблемой в безнаддувных двигателях. Но он не рекомендован для использования в двигателях с турбонаддувом.
Клапаны заполненные натрием
Шток заполненный натрием выдерживают более высокие температуры и обычно используются для выпускных клапанов. Натрий внутри штока клапана плавится и поглощает тепло от клапана. Это предотвращает прогорание тарелки. Тарелка в обычном клапане охлаждается на 75 процентов через седло клапана, а 25 процентов тепла уходит через шток. В выпускном клапане, заполненном натрием, 40 процентов охлаждения осуществляется через шток, поэтому клапан может выдерживать больше тепла.
Титановые клапаны
Титановые клапаны являются самыми легкими из имеющихся клапанов и обычно весят примерно на 40 процентов меньше, чем клапаны из нержавеющей стали того же размера (с твердыми стержнями). Титановые клапаны отлично подходят для двигателей с высокой частотой вращения и позволяют использовать более агрессивные профили кулачков. Но титановые клапаны не для всех из-за их высокой цены. Титановые клапаны могут стоить от 80 до 85 долларов каждый, а набор изготовленных на заказ титановых клапанов может стоить от 90 до 100 долларов за штуку.
Поскольку титановые клапаны очень дороги, многие титановые клапаны изготавливаются по индивидуальному заказу, а не производятся с учетом размеров для конкретных головок.
Обычным сплавом, используемым для титановых клапанов, является 6242, сплав, который содержит 6 процентов алюминия, 4 процента циркония и 2 процента олова. Термическая обработка (закалка) определяет предел прочности и твердость металла.
Штоки титановых клапанов часто имеют покрытие, для улучшения смазывающей способности и снижения риска истирания штока. Покрытия могут быть плазмораспылительным молибденом или аналогичным материалом, снижающим трение, или тонкопленочным покрытием, таким как алмазоподобный углерод, нитрид титана (TiN) или нитрид хрома (CrN), нанесенным путем физического или химического осаждения. Тонкопленочные покрытия легче, чем напыляемые, до 4 грамм и не сильно меняют допуски. Твердые тонкопленочные покрытия, такие как алмазоподобный углерод, имеют толщину всего 20 микрон, но при этом чрезвычайно долговечны.
Некоторые производители используют «изотропный» процесс обработки своих титановых клапанов. Клапаны помещены в вибрационную машину, заполненную керамическими гранулами и жидкостью. Когда машина включена, керамические гранулы скрабируют и полируют поверхность клапанов, создавая ненаправленную обработку поверхности, которая, как сообщается, не имеет микроскопических пиков. Обработка, которая занимает около 10 часов, снижает трение, помогает клапанам работать на 20 процентов холоднее и повышает долговечность.
Как бы ни был хорош титан, с этим конкретным металлом есть некоторые компромиссы. Титановые клапаны не выделяют тепло так же быстро, как клапаны из нержавеющей стали, поэтому клапаны имеют тенденцию к перегреву. Поэтому многие производители двигателей используют седла клапанов из бериллиевой меди с титановыми клапанами (как впускными, так и выпускными). Бериллиево-медные седла имеют желтый или золотой внешний вид и обычно содержат около 2 процентов бериллия (хотя некоторые сплавы содержат только 0,2-0,6 процента бериллия).
Сплав проводит тепло лучше, чем стальные сплавы или чугун, прочность на растяжение похожа на чугун. Но бериллий является токсичным металлом, поэтому следует соблюдать осторожность, чтобы избежать вдыхания пыли при обработке.
Какой клапан выбрать
Для двигателя не превышающего 5500 оборотов в минуту, более легкие клапаны, будут пустой тратой денег. Современные полые клапаны из нержавеющей стали даже чуть легче титановых клапанов при гораздо меньшей стоимости и не требуют каких-либо изменений в седлах клапанов. Они обеспечат наилучшее сочетание экономии веса, долговечности и стоимости.
Доработка клапанов двигателя - видео
Клапана и Пружины! Вес, Жесткость и Седло Клапана - видео
Клапаны играют решающую роль во всем этом, потому что клапаны - это дроссельная точка, после которой весь воздух, который поступает в двигатель и выходит из него, должен перемещаться по нему. Клапаны, которые увеличивают поток воздуха и позволяют двигателю раскручиватся выше, увеличивают объемный КПД и мощность. Еще одним преимуществом использования клапанов со стержнями меньшего диаметра является уменьшенный вес. Клапан со штоком меньшего размера обычно весит примерно на 8-10 процентов меньше, чем клапан со штоком стандартного размера. Более легкий клапан означает, что двигатель может набирать более высокие обороты без зависания клапана. Более легкий клапан также оказывает меньшую нагрузку на пружины клапана, коромысла, толкатели и кулачки распредвала. Впускные клапаны обычно тяжелее выпускных клапанов из-за их большего диаметра. Следовательно, вес впускных клапанов является более ограничивающим фактором для потенциала оборотов двигателя, чем выпускных клапанов. Даже облегчение на несколько граммов может сильно повлиять на двигатель, который работает на оборотах от 8500 до 9000 об/мин.
Поставщики облегченных клапанов сегодня убирают дополнительный вес с впускных и выпускных клапанов и предлагают клапаны с «полым штоком». Шток клапана просверливают. Сверление выполняется только в верхних 2/3 штока, где жесткость менее важна, чем площадь над головкой клапана. После того, как ствол высверлен клапан на 20-22% становится легче стандартного клапана. Сверление стержня клапана приносит в жертву некоторую прочность, поэтому можно использовать более прочный сплав, чтобы сохранить ту же прочность, что и раньше. Долговечность клапанов с полым штоком не является проблемой в безнаддувных двигателях. Но он не рекомендован для использования в двигателях с турбонаддувом.
Титановые клапаны являются самыми легкими из имеющихся клапанов и обычно весят примерно на 40 процентов меньше, чем клапаны из нержавеющей стали того же размера (с твердыми стержнями). Титановые клапаны отлично подходят для двигателей с высокой частотой вращения и позволяют использовать более агрессивные профили кулачков. Но титановые клапаны не для всех из-за их высокой цены. Титановые клапаны могут стоить от 80 до 85 долларов каждый, а набор изготовленных на заказ титановых клапанов может стоить от 90 до 100 долларов за штуку. Поскольку титановые клапаны очень дороги, многие титановые клапаны изготавливаются по индивидуальному заказу, а не производятся с учетом размеров для конкретных головок. Обычным сплавом, используемым для титановых клапанов, является 6242, сплав, который содержит 6 процентов алюминия, 4 процента циркония и 2 процента олова. Термическая обработка (закалка) определяет предел прочности и твердость металла.
Штоки титановых клапанов часто имеют покрытие, для улучшения смазывающей способности и снижения риска истирания штока. Покрытия могут быть плазмораспылительным молибденом или аналогичным материалом, снижающим трение, или тонкопленочным покрытием, таким как алмазоподобный углерод, нитрид титана (TiN) или нитрид хрома (CrN), нанесенным путем физического или химического осаждения. Тонкопленочные покрытия легче, чем напыляемые, до 4 грамм и не сильно меняют допуски. Твердые тонкопленочные покрытия, такие как алмазоподобный углерод, имеют толщину всего 20 микрон, но при этом чрезвычайно долговечны. Некоторые производители используют «изотропный» процесс обработки своих титановых клапанов. Клапаны помещены в вибрационную машину, заполненную керамическими гранулами и жидкостью. Когда машина включена, керамические гранулы скрабируют и полируют поверхность клапанов, создавая ненаправленную обработку поверхности, которая, как сообщается, не имеет микроскопических пиков. Обработка, которая занимает около 10 часов, снижает трение, помогает клапанам работать на 20 процентов холоднее и повышает долговечность. Как бы ни был хорош титан, с этим конкретным металлом есть некоторые компромиссы. Титановые клапаны не выделяют тепло так же быстро, как клапаны из нержавеющей стали, поэтому клапаны имеют тенденцию к перегреву. Поэтому многие производители двигателей используют седла клапанов из бериллиевой меди с титановыми клапанами (как впускными, так и выпускными). Бериллиево-медные седла имеют желтый или золотой внешний вид и обычно содержат около 2 процентов бериллия (хотя некоторые сплавы содержат только 0,2-0,6 процента бериллия). Сплав проводит тепло лучше, чем стальные сплавы или чугун, прочность на растяжение похожа на чугун. Но бериллий является токсичным металлом, поэтому следует соблюдать осторожность, чтобы избежать вдыхания пыли при обработке.
