Výfukový svod patří k nejhůř namáhaným kovovým dílům celého automobilu. Nesedí v klidu jako blok motoru a neprochází jím proud chladicí kapaliny jako je tomu u hlavy válců. Visí na hlavě, jedním koncem připevněný šrouby k přírubě, a několikrát za vteřinu jím protékají spaliny o teplotě, která se u zážehových motorů běžně pohybuje kolem 800 až 900 stupňů Celsia a u přeplňovaných agregátů krátkodobě atakuje hranici tisíce stupňů.
Svody výfuku rády praskají. Stojí za tím tepelné cykly
Články na téma výfuk automobilu:
- Výfuk auta a motorky - jak jej utlumit?
- Čištění koncovky výfuku
- Proč teče voda z výfuku? Není to problém?
- Vliv výfuku na výkon motoru je dost zásadní (1. díl)
- Vliv výfuku na výkon motoru je dost zásadní (2. díl)
- Výfukové svody: Proč tak rády praskají? - právě čtete
Studený start v zimě začíná na pár stupních nad nulou, po několika minutách svižné jízdy je materiál svodů rozpálený klidně do ruda. Tento rozdíl, opakovaný tisíckrát, je přesně to, co svod nakonec rozláme. Nejde o korozi ani o mechanický náraz, ale o jev, kterému materiáloví inženýři říkají tepelná únava.
Co se v rozpáleném kovu odehrává
Každý kov se s teplotou roztahuje. U litin a ocelí se koeficient teplotní roztažnosti pohybuje kolem dvanácti milióntin na kelvin, u austenitických nerezí je téměř o polovinu vyšší. V praxi to znamená, že metr dlouhá trubka by se při ohřátí o 600 stupňů chtěla protáhnout o sedm až deset milimetrů. Svod se ovšem volně roztahovat nemůže. Jedním koncem je pevně přišroubovaný k hlavě, druhým navazuje na zbytek výfukové soustavy. Materiál se chce zvětšit, ale okolí mu v tom brání, a právě z toho omezení vzniká napětí.
Velikost tohoto napětí lze u dokonale upnutého dílu odhadnout jednoduchým vztahem σ = E · α · ΔT, kde E je modul pružnosti, α koeficient teplotní roztažnosti a ΔT teplotní rozdíl. Po dosazení reálných hodnot pro ocel (modul pružnosti kolem 200 GPa, roztažnost 12 milióntin na kelvin, ohřev o 600 kelvinů) vychází napětí přes 1400 MPa.
To je číslo, které žádný materiál používaný na svody nevydrží v pružné oblasti. Mez kluzu litiny i nerezi za vysokých teplot klesá na pouhých několik set megapascalů, takže kov nemá jinou možnost než se zdeformovat plasticky. A v té plastické deformaci leží podstata celého problému.
Praktici to popisují názorně. Když se svod při zahřátí nemůže roztáhnout, je stlačen sám do sebe a v nejteplejších místech se trvale zkrátí. Po vychladnutí je tedy o něco kratší než původně, jenže svými konci je stále upevněný na stejných místech. Studený, zkrácený materiál je tím pádem napínán v tahu a v něm vzniká zbytkové napětí, které se s každým dalším cyklem přidává k tomu provoznímu. Čím hlouběji se materiál při ohřevu zdeformoval, tím rychleji potom při chladnutí dospěje k trhlině.
- Přečtěte si také: Svody výfuku mohou být součástí hlavy motoru. Proč?
Únava, která nepotřebuje milióny cyklů
Klasická únava materiálu, jakou známe od namáhaných hřídelí nebo křídel letadel, počítá se statisíci až milióny zatěžovacích cyklů při napětích hluboko pod mezí kluzu. Tepelná únava svodu patří do jiné kategorie, do takzvané nízkocyklové únavy. Tady napětí mez kluzu překračuje, materiál se v každém cyklu plasticky deformuje a životnost se nepočítá na milióny, ale na tisíce nebo dokonce stovky cyklů.
Chování v této oblasti popisuje vztah, který nezávisle na sobě odvodili koncem padesátých let Coffin a Manson. Říká, že počet cyklů do porušení klesá s rostoucí amplitudou plastické deformace podle mocninného zákona. V překladu do běžné řeči to znamená, že nezáleží ani tak na tom, jak vysoko teplota vyšplhá, ale jak velký je rozkmit. Motor, který se opakovaně rozpálí a hned zase prudce vychladne, ničí svod mnohem rychleji než motor, jenž drží stabilní provozní teplotu.
Experimenty na slitinách používaných pro svody to potvrzují velmi názorně. U vysokokřemíkové litiny s molybdenem se při cyklování do 800 stupňů objevily první trhliny po sedmdesáti až devadesáti cyklech, při zvýšení horní teploty na 900 stupňů ale stačilo pouhých čtyřiadvacet až šestatřicet cyklů. Sto stupňů navíc tedy zkrátilo životnost zhruba na třetinu.
Trhlina přitom téměř vždy začíná na povrchu a postupuje dovnitř. Numerické simulace ukazují, že špička napětí se u litinových svodů koncentruje do míst, kde se setkává teplotní gradient s tvarovou změnou, typicky do vnějších, krajních větví a do okolí příruby. Naměřené hodnoty tepelně mechanického napětí v kritických místech dosahují kolem 150 MPa a přesně tam, kde simulace předpovídá maximum, se na zkušebních motorech objevují skutečné praskliny.
Proč nestačí mít prostě silnější kov
Klíčem k pochopení je rozdíl teplot mezi vnitřní a vnější stěnou svodu. Spaliny ženou teplotu vnitřního povrchu rychle nahoru, zatímco vnější stěna se ohřívá s prodlevou a navíc předává teplo do okolí. Vnitřek se chce roztáhnout víc než vnějšek, jenže jsou to dvě strany jedné stěny, takže si navzájem brání v pohybu. Tento gradient v tloušťce materiálu generuje napětí i bez ohledu na upevnění konců. Čím tlustší stěna a čím prudší ohřev, tím větší rozdíl a tím větší namáhání. Paradoxně tedy nemusí pomoci stěnu jen zesílit, protože silnější stěna drží větší teplotní gradient.
Materiály se proto volí podle teploty, kterou motor produkuje. Po desetiletí byla standardem litina legovaná křemíkem a molybdenem, takzvaná SiMo litina. Křemík zlepšuje odolnost proti oxidaci, molybden drží pevnost za horka. Tato litina spolehlivě slouží do teplot kolem 800 až 850 stupňů. Má ovšem jednu zrádnou vlastnost, totiž pokles tažnosti v okolí 400 stupňů, kde materiál křehne. Při tepelném cyklu, kdy svod touto teplotou pokaždé prochází, právě toto zkřehnutí urychluje vznik trhlin.
Pro náročnější aplikace se sahá po austenitické litině s vysokým obsahem niklu, známé jako Ni-resist v jakosti D5S, která obsahuje kolem pětatřiceti procent niklu a snese trvalý provoz do 850 stupňů s krátkodobými špičkami až ke tisícovce. S nástupem přeplňovaných motorů a stále vyšších teplot spalin se ovšem prosadily nerezové oceli.
Levnější jakosti typu 409 a 441 nabízejí dobrou odolnost proti oxidaci a tvarovou stálost kolem 900 stupňů, austenitické nerezi pak posouvají hranici ještě výš, na úkor vyšší ceny a větší teplotní roztažnosti. Trubkové svary svařené z tenké nerezové trubky mají navíc menší tepelnou setrvačnost a menší gradient ve stěně, což jim u sportovních a závodních aplikací svědčí.
- Mohlo by vás zajímat: Vliv výfuku na výkon motoru je dost zásadní (1. díl)
Oxidace, koroze a další urychlovače
Tepelná únava nepracuje ve vakuu. Horký povrch svodu trvale reaguje s kyslíkem a vytváří oxidickou vrstvu. Když se na špičce mikrotrhliny obnaží čerstvý kov, okamžitě zoxiduje, oxid je křehčí než základní materiál a trhlina jím prorůstá snáz. Měření na SiMo litině při 700 stupních ukázala, že korozivní výfukové plyny zkracují únavovou životnost o 30 až 50 procent oproti vzduchu a až o 60 až 75 procent oproti inertnímu prostředí. Spaliny tedy nejsou jen zdrojem tepla, ale aktivně se podílejí na šíření trhliny.
K tomu se přidávají faktory z běžného provozu. Časté krátké jízdy, při kterých motor nestihne ustálit teplotu, znamenají hodně prudkých cyklů. Vynechávání zapalování posílá do výfuku nespálené palivo, které dohoří až ve svodu a teplotu skokově zvýší. Voda nastříknutá na rozpálený svod při průjezdu kaluží způsobí lokální teplotní šok. Únavu urychluje i poškozené nebo zkorodované uchycení zbytku výfuku, protože hmotnost soustavy pak visí na svodu a přidává k tepelnému namáhání ještě mechanické.
Konstruktéři proti tomu bojují několika cestami. Vícedílné svody s posuvnými spoji, takzvanými slip joints, dovolují materiálu dilatovat, místo aby ho nutily se zkracovat. Tenkostěnné trubkové konstrukce snižují teplotní gradient. Tepelné bariérové povlaky chrání povrch před oxidací a zároveň zpomalují prostup tepla do stěny. A volba materiálu se ladí přímo na teplotu, kterou konkrétní motor produkuje, protože předimenzovaný svod zbytečně přidává hmotnost a poddimenzovaný brzy praskne.
Zdroj info: ScienceDirect, DiVA, Oak Ridge National Laboratory, imim, Springer.
Zdroj médií: Depositphotos.
Zdroj médií: Depositphotos.
