Sedi e guide valvole costituiscono dei ‘ponti termici’ fondamentali per trasmettere alla fusione della testata il calore raggiunto dalle valvole di aspirazione e, soprattutto, di scarico. Utilizzare materiali ad elevata conducibilità termica può dunque aiutare a mantenere le valvole motore più fredde, abbassando la loro temperatura fino a 70°C.
Federal-Mogul Powertrain ha una lunga esperienza in questo settore e ha annunciato che in occasione dello IAA Show 2017 di Francoforte presenterà dei nuovi materiali destinati a sedi e guide valvola caratterizzati da una migliore conducibilità termica e da una elevata lavorabilità. Si tratta dei nuovi materiali High Thermal Conductivity (HTC) e del rivestimento Thermal Interface Material (TIM). “Le temperature estreme della valvola che si manifestano nei moderni motori downsized ad elevata potenza specifica possono ridurre la vita a fatica della valvola stessa e comportare temperature critiche per la guida e la tenuta dello stelo, rendendo necessario l’utilizzo di costose leghe d’acciaio per le valvole. Se si ritarda la fasatura di accensione per ridurre il battito in testa e si utilizza una miscela arricchita per proteggere i componenti dalle temperature critiche, le emissioni di CO2 aumentano”, a dichiarato Gian Maria Olivetti, Chief Technology Officer di Federal-Mogul Powertrain. “Riducendo le temperature del fungo della valvola eliminiamo queste problematiche e sviluppando tecnologie che possono essere prodotte in serie, supportiamo le applicazioni di massa.”
Valvole più fredde coi materiali HTC
L’anello che costituisce la sede è la via principale utilizzata dal calore per passare dal fungo della valvola alla testata e quindi al fluido refrigerante. I nuovi materiali della sede, poiché in grado di allontanare maggior calore dalla testata, riducono la temperatura nella zona più calda della camera di combustione e abbassano la temperatura dei gas alla fine della fase di compressione. In questo modo si migliora la resistenza al battito in testa e possono essere utilizzati anticipi di accensione più consoni ad ottimizzare la combustione. I nuovi materiali consentono anche minori emissioni di CO2 poiché riducono il bisogno di adoperare come metodo di raffreddamento una miscela aria-carburante arricchita.
La guida valvola rappresenta la via principale per trasmettere il calore dallo stelo valvola alla testata. Il nuovo materiale per guide valvola, poiché allontana più calore dallo stelo, riduce localmente le temperature al di sotto delle soglie critiche in corrispondenza delle quali le tenute dello stelo e l’olio lubrificante iniziano a scomporsi.
I materiali HTC di Federal-Mogul Powertrain sono formulazioni sinterizzate. Le sedi utilizzano infiltrazioni in rame per migliorare la trasmissione di calore; le guide, che sono a contatto con temperature inferiori e devono essere porose per trattenere l’olio usano un’accorta combinazione di particelle libere di rame e di leghe di rame finemente interconnesse. Nel caso di sedi a doppio strato, il materiale secondario dell’inserto non è più solo una base di appoggio low cost per lo strato funzionale della sede a contatto con la testa della valvola, ma svolge anche funzioni legate all’allontanamento di maggior calore dal fungo della valvola.
Il rivestimento TIM di Federal-Mogul Powertrain migliora notevolmente la trasmissione di calore lungo il confine tra l’anello della sede o la guida e la testata, andando a riempire gli spazi interstiziali tra le irregolarità delle superfici opposte. Questo elimina le piccole sacche d’aria che normalmente interrompono il passaggio di calore e migliora l’adattabilità contro la superficie della testa del cilindro.
Se i materiali HTC riducono la temperatura della valvola, il rivestimento TIM può contribuire a una ancor maggiore riduzione, rimuovendo le barriere geometriche isolanti tra i due componenti. TIM, rivestimento a base di rame, necessita di un’adeguata sequenza di pre- trattamenti per essere efficace e ha richiesto un ingente sviluppo da parte di Federal-Mogul Powertrain per assicurare una buona adesione anche su superfici porose, senza pregiudicare i benefici legati alla conducibilità termica.
Test condotti presso il centro prove di Burscheid su innovativi motori a benzina a elevata potenza dotati di turbocompressore e iniezione diretta hanno dimostrato l’efficacia di questi nuovi materiali. Una combinazione di tecnologie HTC e TIM ha ridotto le temperature di picco sulla testa della valvola di mandata da un minimo di 26°C a un massimo di 32°C. Il miglioramento per le valvole di scarico è stato ancora più marcato: su una valvola solida il picco è stato ridotto anche di 70°C e su una valvola cava, riempita al sodio, anche di 67°C. I test hanno consentito di mettere a punto un software in grado di aiutare i motoristi fin dalle prime fasi progettuali. I materiali HTC e TIM sono già pronti per la produzione e alcuni campioni di inserti sedi valvola e di guide sono in fase preliminare di test presso alcuni clienti. Federal-Mogul Powertrain ha previsto l’inizio produzione nel 2018. Sebbene siano stati inizialmente concepiti per motori a benzina ad alto rendimento, questi materiali potrebbero portare eguali vantaggi alle sedi e alle guide di valvole di scarico montate su motori turbodiesel ad alte prestazioni o su motori diesel per applicazioni heavy duty.
