Mekanik (Otto döngüsü) motorların yoğunlaştığı malzemelerin evrimi, dayanıklılıklarını ve verimliliğini ve güç yoğunluğunu yeniden şekillendirmiştir. Modern metallurgy, seramik mühendisliği ve kompozit bilim, bileşenleri daha yüksek ısıtmasına, mekanik streslere ve prerosif ortamlara daha fazla dayanmaya yardımcı olan bileşenleri araştırmıştır. Bu genişleme, motor uzunluğa yol açan özel yeniliklere ve maliyetle, ticaretle uğraşan eğilimlere ve daha fazla bileşen hayatına söz veren eğilimlere dayanan eğilimlere yol açtı.

Tarihsel Vakıf: Cast Iron ve Plain Carbon Steels'in Çağı

Erken Otto döngüsü motorları, Nikolaus Otto'nun 1876 prototipinden, orta 20. yüzyılın ortalarından itibaren neredeyse sadece bloklar için demir atladı, kafalar, silindirler ve pistonlar, düz karbon çelikleri cranks için servis ederken, hızlı ısı kontroller ve valfler sundu.Bu çağın motorları genellikle büyük ölçüde sınırlı miktarda malzemeye sahip olmak için 20 mil boyunca inşa edildi.

Valve malzemeleri özellikle savunmasızdı. Karbon çelik egzoz valfleri, uçak ve lüks otomotiv motorlarına karşı yapılan baskılar altında oksit ve savaşlar, bu temel malzemelere göre, 20. yüzyılın ortalarındaki devrimlere kadar kırılmayacak olan bir tavana bağlı olarak, bu temel malzemelere olan baskıya karşı baskıya karşı baskıya karşı baskıya maruz kalacaktı.

Alüminyum Devrimi: Kilo, Heat Transfer ve Modern Motor Mimarisi

1950'lerde pistonlar, silindir kafaları ve sonunda motor blokları, üç kat daha yüksek ısı dağılımı ile ilk büyük sıçramayı işaret ediyor.Bu gelişmiş ısı dağılımı ısı dağılımı ısı kesicileri azaltır (örneğin, 356, 390 ve hipereutectic Al-Si Like A390) düşük yoğunlukla birleştirir (yaklaşık üçte biri - üç ila beş kat daha yüksek ısı değiştiricisi ile.

Alüminyum

Forged alüminyum pistonlar, genellikle 2618 veya 4032 gibi alaşımlardan üretilmiştir, şimdi yüksek performanslı ve üretim Otto döngüsü motorlarına hükmedmektedir. Operasyon sıcaklıklarında 3,00 °C'ye kadar, tam olarak birlikte, camlı kaplamalar yoluyla dolaşıma giren ve taşan kaplamalar ile birlikte, modern turboşarjlı direkt şarj motorlarında yaklaşık 100.000 milden fazla yüksek performanslı ve üretime hükmedmiştir.

Alüminyum Banyo Liners ve Kaplamalar

Bulk-iron silindir çizgileri alüminyum bloklarda yaygındır, Nikasil (nickel- ⁇ likit) ve plazma transfer teli (PTWA) kaplamalar minimum silindir aşınma ile 300 milden fazla elde etmek için izin verdi, bazı yakıtlarda korozyona neden oldu, camdan kaldırmaya yardımcı oldu.

Yüksek hacimli yüzeyler: Valves, Koltuklar ve ⁇ ler

Nickel tabanlı süperalloylar en sıcak Otto döngüsü bileşenlerinin iş arkadaşları haline geldi - tükenen valfler, valf koltukları ve turboşark türbin tekerlekleri. Sıcaklıklarında güç tutma yeteneği 1000 °C'ye yaklaştı.

Inconel ve Nimonik Alaşımlar

Inconel 751 ve Nimonik 80A, yüksek performanslı ve modern turboşarj motorlarında egzozlar için yaygın olarak kullanılır. Bu alaşımlar, chromium, cobalt ve 900 °C'nin üzerindeki istikrarlı bir gaz sıcaklık seviyesini artıran titanyum ekleri içerir, örneğin, Ford EcoBoost 3.5L V6'daki egzoz ısı geçişi için 50 °C'nin üzerindeki baskıları artırmak için 50 °C'nin üzerinde basınçları artırmak için motor sağlar.

Seramik ve Cermet Valve Koltukları

Toz metal kobalt bazlı alaşımlardan veya cermetlerden (seramik-metal kompozitleri) yapılan, Stellite 12 veya Tribaloy T-700 yüksek sıcaklıklarda galon ve aşınmaya karşı direnir.Indüksiyon-hardized veya lazer-clback koltuklar daha fazla dayanıklılık sağlar, valf durgunluğunu önler - erken alüminyum motorlarda yaygın bir başarısızlık.

Malzemeler

Akustik üretimde Otto döngüsü motorlarında bulunan Türbin tekerlekleri şimdi yaygın olarak Inconel 713C veya Mar-M 247 (Stratlı süperalloy ile hafnium ve Tantalum for improve oxidation direnişi önlemek için kullanılır) Garrett GTX serisi Mar-M 247'yi hayatta kalmak için kullanıyor

Metallik Yenilikler: Polimerler, Seramikler ve Kompozitler

Metaller yanma odasına hükmedirken, polimer ve seramik malzemeler, satın alma, soğutma ve yatak sistemleri için önemli nişler topladı.

Polimer Kompozit Intake Manifolds

% 30-40 cam elyaf ile güçlendirilmiş (örneğin, BASF Ultramid) büyük ölçüde, pompalanan iç yüzeyler için alüminyumu alır. Polimerlerin pürüzsüz iç yüzeyleri akış direncini azaltır, daha düşük ısı absorpsiyonunu azaltırken,% 40-60'lık bir miktar daha düşük genel motor hacmine ve inertiaya katkıda bulunmak için% 40-60 tasarruf sağlar, dinamik yüklere azaltarak dayanıklılık sağlar.Bu malzemeler aynı zamanda yakıt alkol karışımlarından direnç azaltır.

Seramik Kaplamalar ve Monolithic Bileşenleri

Sıcaklık bariyer kaplamaları (TBCs) ve ısı transferini serinletmek için, TBCs yanma gaz sıcaklıklarını yükselterek, termodinamik verimliliği artırmak, gelecekteki metalden emin olmak için silikon nitrit (Si3N4) seramik turboşark rotorları ve homojen şarjlar için ısı transferleri ve ısı transferleri için ısı transferleri azaltılır.

Kaplamalar ve Yüzey Tedavisi: Değişen Bulk Malzemesi olmadan Bitirme Yaşamını Genişletirin

Gelişmiş yüzey mühendisliği, egzotik alaşımlar ile karşılaştırılabilir dayanıklılık elde etmek için temel metallere (daha ucuz çeliklere veya alüminyuma) olanak sağlamıştır: Anahtar teknikler şunlardır:

  • [DLC) kaplamalar: [DLCT:0)Diamond-like karbon (DLC) kaplamalar: [DLCT:1] pistonlu pins, muslukpets ve yakıt enjekte edici iğneler. DLC düşük bir sürtünme kat sunar (0.05-0.15) ve aşırı sert sert sertliği ( 70 GPa kadar), fikre sahip kontaktları azaltır ve sınırdan arındırır.
  • [FONT:0]Nitriding ve karbonitriding:) Crankshafts, camshafts ve valf kökleri için tedaviler zor, aşınmaya dayanıklı bir yüzey (≥ 62 HRC) korurken.
  • [FONT:0]Plasma-sprayed kaplamalar: Chromium oksit ve alüminyum oksit termal sprey kaplamaları, alüminyum silindirleri ve yüksek performanslı motorlarda ring pistonları korur. Plazma-transferred tel yay (PTWA) kaplamalar, Ford tarafından 5.0L Coyote V8'de öncüller, demir ketenleri ortadan kaldırır ve daha sıkıleştirici toleransları azaltır.

Kombinasyon Derin Dive

Pistons: Cast Iron'dan Soğutma Kanalları ile Atılı Atıf

Modern pistonlar basit döküm değildir. Çelik ring taşıyıcıları (daha fazla takmak için) ve döküm soğutma galerileri turboşarj motorlarında standart hale gelir. Soğutma galerisi, petrol jetleri tarafından beslenir, pistonlu bir miktar iyileştirmeye izin verir, 1970'lerin üzerinde dolayabilmeli bir artış sağlar.

Rods'i Bağlamak: Toz Metal vs. Forged Steel

Metal üretimine bağlı olarak Otto döngüsü motorları, yüksek boyutlu doğrulukla (±0.05 mm) çelikten toz metaline geçiş yaptı (PM) çubukları mükemmel bir şekilde ayarlayıp, Toyota 2-GR-FE gibi demir çubukları kaldırarak, yüksek boyutlu doğrulukla (±0.05 mm) yüksek çözünürlükte motor hızlarına izin verdi.

Crankshafts: Mikroalloyed Steel ve Induction Harding

Modern cranks genellikle mikrobiyli çeliklerden (örneğin, 38MnSiVS5), yüksek güçten kontrol edilen soğutmaya kadar yüksek güç elde eden, yüksek hacimli veya indüksiyon-hardized dergi yüzeylerde 150 barın üzerindeki ihtiyacı ortadan kaldırmak için gerekli olan baskıları ortadan kaldırmak için izin verdi.

Taşlar: Trimetal ve Polimer Overlays

Motor vericiler basit bir öncü-bronze'den karmaşık trimetal inşaatlarına bir çelik geri dikme, bakır-lead veya alüminyum-tin interkat ve ince polimer aşırı yüklemesi (örneğin, poliamid-imide with Paint) polimer aşırı yükleme ve toz tutma, alüminyum-tin tabakasının yorgunluk gücü sunuyor.

Gerçekleştirilmiş Faydaları: Durability, Verimliliği ve Güç Yoğunluğu

Bu maddi ilerlemelerin genel etkisi dramatikdir. Modern Otto döngüsü motorları rutin olarak büyük müdahale gerektiren yaklaşık 250.000 mil, 1970'lerden 80.000 mil daha yüksek yoğunlukta bulunan ve daha yüksek kompresyon oranlarının 30 hp / litreden 100 hp / litreden fazla üretime kadar yükseldi, ancak özellikle de bu verimlilik artışının 1,5'i yüksek oranda azalttığında, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte 13 bin mil daha yüksek basınç artışına izin verilen yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte ısı yönetimine izin verilen yüksek çözünürlükte 1,5'den fazla artış gösterdi.

Meydanlar: Maliyet, İmalat ve Geri Dönüşüm

Bu kazanımlara rağmen, modern malzemeler yeni kısıtlamalar getiriyor. Nickel tabanlı süperalloylar karbon çelikten on kat daha fazla kilo verebilir ve machinability zayıftır - demir ketenleri ile alüminyum bloklar yüksek ve özel kesim sıvıları gerekir. Toz metal bağlantı noktaları, hassas olsa da, özel basınlar ve sintering fırınları yükselterek, sermaye harcamalarını yükselterek kompleks meclislerin geri dönüşümü (örneğin, demir ketenleri veya bakır taşımaları ile alüminyum blok) daha karmaşık hale getirir.

Bir başka meydan okuma kimyasal uyumluluktır. sodyum dolu valfler, eğer ihlal edilirse, valf kılavuzunun yıkıcı korozyonuna neden olabilir. Ethanol-blended yakıtlar, alaşım kompozisyonu optimize edilmezse alüminyum bileşenlerin korozyonunu hızlandırabilir.

Future: Manufacturing, Nanomateryals ve Sürdürülebilirlik

Önümüzdeki üç trend, Otto döngüsü bileşeninin sınırlarını daha da zorlamaya söz veriyor.

Katkı İmalatı (3D Baskı)

Mekanik toz yatakları, Inconel 718 gibi nikel bazlı süperalloylarınfüzyonu zaten alüminyum konut ve pistonların ısıtılması için kullanılır. Katkılı üretim, ısıya dayanıklı parçaların 30–50% oranında azaltılmasına olanak sağlar.

Nanomalzemeler ve Nanoyapılı Kaplamalar

Nanokristal metaller, nano kristalin nikel-cobalt alaşımları gibi, 2 GPa'yı aşan güçlü bir şekilde sunar - geleneksel çeliklerin beş katıdır - yüzeysel kaplamalar altındayken, plazma-sprayed nanocomposite kaplamaları (e.g., Al2O3-TiO2 nano ölçekli domainler ile) geleneksel kaplamalar üzerinde% 50'yi direnç iyileştirmeler göstermiştir.

Sürdürülebilir ve Biyo-yaralı Malzeme

Çevre düzenlemeleri sıkılaştığı için, araştırmacılar kontrol edilen yağ salıverilmiş malzemeler ve polimer kompozitleri yenilenebilir kaynaklardan (örneğin, ligin-reinforced Pull) Biyodegradable Seramik kaplamaları (MOFs) kontrol edilen yağ salıverilmiş yağlar için erken aşama testlerinde bulunur.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Modern malzemeler, Otto döngüsü motor bileşenlerini demir-ve-çevreli meclislerden gelişmiş hibrit sistemlere dönüştürdüler, seramikler, polimerler ve kaplamalar. Sonuç, eğilimi iki ila üç kat daha uzun süren bir motordur ve daha az yakıt tüketimine bağlı olarak, daha az maliyet, üretilebilirlik ve yeniden uygulanabilirlik sağlar.

Motor dayanıklılık için malzeme seçimi hakkında daha fazla okuma için, [[Üyetim:0)SAE International teknik kağıtlar ) yüksek sıcaklık alaşımları üzerinde, [[Üyetim:2.ASM Handbook) mühendisi tarafından yapılan malzemelere atıfta bulunur ve ).