Klepzetels - Selectie, Afwerking en Materialen
Klepzetels slijten en moeten vervangen worden als ze niet meer opnieuw gefreesd kunnen worden. Uitlaatzetels hebben het zwaar te verduren vanwege de hogere temperaturen die ze moeten kunnen weerstaan.
Als een klepzetel niet gemonteerd is met de juiste hoeveelheid voorspanning kan het gebeuren dat een zetel losraakt en de Zuiger, Cilinderkop en Kleppen beschadigt. Juist bij aluminium cilinderkoppen is dit een reëel gevaar. Dit omdat de uitzettingscoëfficiënt van aluminium veel groter is dan die van het klepzetelmateriaal, of dit nu een legering, gietijzer of PowederMetal(PM) is. het losraken van klepzetels kan ook het gevolg zijn van een koelingsprobleem in de cilinderkop, of voorontsteking.
De meeste motorbouwers zijn het er over eens dat een perspassing van .002" (0.05mm), aan de ruime kant is en adviseren en een perspassing van .005"-.007" (0.13-.18mm) voor gietijzeren zetels in een aluminium cilinderkop (uiteraard is dat afhankelijk van de diameter van de zetel).
De thermische expansie van gietijzeren cilinderkoppen is veel minder dan aluminium en kan er in veel gevallen volstaan worden met een perpassing zo rond .005" (0.13mm). Zetels van PowderMetal(PM) kunnen zelfs in aluminium cilinderkoppen gemonteerd worden met een perspassing van .003"-.005" (0.8-0.13mm).
Het gebruik van de juiste perspassing is dus van het groootste belang. Er zijn motorbouwers die hiernaast ook gebruik maken van locking compounds om de zetel te fixeren, maar dit levert weer tegenstrijdige meningen op. De ene groep steld dat de locking compound zich gedraagt als een barrière tussen de zetel en de cilinderkop waarbij de warmteoverdracht wordt belemmerd, en de andere groep stelt dat de locking compound eventuele ruimtes opvult en dus voor een betere warmte afdracht zorgt.
Hoe het ook zit, het blijft een feit dat een correct gesneden zetel en passing altijd een 100% contactvlak hebben (en dus geen locking compound nodig hebben).
Het losraken van klepzetels kan ook veroorzaakt worden door incorrecte montage. Een braam kan de cilinderkop beschadigen. Zorg er dus altijd voor dat de klepzetel altijd puntgaaf en braamvrij is. Voor het beste resultaat is het een aanrader om de zetels voor montage met CO2 te koelen (krimpen), en de cilinderkop te verwarmen (uitzetten). Dit vereenvoudigd de montage aanzienlijk en geeft een veel beter resultaat.
MATERIALEN
Als vanzelfsprekend benadrukt elke leverancier de kwaliteit van zijn klepzetels, en niet zonder reden. De materiaalsterkte, hardheid, slijtvastheid en thermische eigenschappen zijn het grootste belang bij de keuzen van het klepzetelmateriaal in combinatie met de toepassing waarvoor het bedoeld is.
Een legering die niet de eigenschappen bezit die nodig zijn voor bijvoorbeeld een Hi-Performance motor (veel hitte, veel vermogen) zal het snel begeven. Elke motortoepassing stelt specifieke eisen aan het materiaal van de klepzetel.
Als vuistregel geldt: "Hoe hoger het vermogen, de belasting en de temperatuur, hoe kwalitatief hoogwaardiger het materiaal van de klepzetel moet zijn. Kies voor een goedkoop alternatief en je zult er zeker spijt van krijgen.
De meeste Staal- of Gietijzer klepzetels hebben een thermische geleiding van 20-22BTU per foot per uur per graad Fahrenheit (British Thermal Unit = ca 1,055 joules). Dit is voldoende om de warmte van de Stainless Steel klep in een Gietijzer of Aluminium cilinderkop af te voeren. het is echter onvoldoende voor motoren met een vermogen van meer dan 600hp of Titanium kleppen.
Titanium kleppen houden veel langer warmte vast waardoor er klepzetels nodig zijn met hogere thermische eigenschappen. Nog steeds wordt er Beryllium voor de zetels gebruikt. Beryllium geleidt warmte drie keer zo goed en zes keer zo snel als de meeste (giet)ijzer legeringen.
Klepzetels van Beryllium/Koper (Be/Cu) bevatten ongeveer 1.5-2.5% Beryllium. Dit is echter voldoende om een hoogwaardige klepzetel te krijgen met een hogere thermische geleiding en slijtvastheid die nodig is voor Titanium kleppen in een Hi-Performance motor.
Sommige Be/Cu klepzetels bevatten 97% koper en 1.8-2.0% Beryllium, en hebben een hardheid van 38 tot 41 Rockwell C (eenheid van hardheide gemeten met een Tungsten/Carbide punt). Andere legeringen bevatten minder Beryllium (0.2-0.6%) en voegen Nikkel toe (1.4-2.2%) om de hardheid terug te brengen to 20 Rockwell C.
Ter vergelijking: Een gietijzer klepzetel heeft een hardheid van ongeveer 32 Rockwell C.
Een Beryllium klepzetel heeft ook nadelen. Ten eerste is de legering zeer kostbaar en ten tweede is Beryllium giftig (in stofvorm bij het frezen van de zitting).
In recentere jaren worden er in plaats van Be/Cu zetels steeds vaker een legering van Koper/Nikkel gebruikt. Enkele van deze legeringen hebben een thermische geleiding tot wel 90BTU per foot per uur per graad Fahrenheit. Dit is ruimschoots voldoende om de Titanium, of Stainless Steel, kleppen te koelen.
Een nieuwe ontwikkeling bij autofabrikanten zoals GM, Mercedes en BMW is een koper geïmpregneerde PowderMetal klepzetel. Tijdens de productie wordt er een dunne laag koper aangebracht die tijdens het sinter-proces vloeit het koper tussen het materiaal en vormt een goed geleidend materiaal.
In de aftermarket is naast dit type zetels ook een budget vanadium legering leverbaar.
Zwaar belaste dieselmotoren gebruiken sinds jaar en dag legeringen van Kobalt en Chroom om de hoge temperaturen en belasting te weerstaan. De reguliere klepzetels van benzine motoren zijn van onvoldoende kwaliteit in diesel motoren.
De aangescherpte milieu-eisen (EGR-Exhaust Gas Recirculation) hebben geleidt tot nog hogere verbrandingstemperaturen en dus ook nog hoogwaardigere klepzetels.
Omdat Kobalt een hogere uitzettingscoëfficiënt (ongeveer 25%) dan reguliere (giet)ijzer. De perspassing is dan ook ongeveer 10% minder.
Motoren die op "droge" brandstoffen draaien zoals LPG of Propaan vragen een klepzetel die een hoge slijtvastheid heeft. Stelliet, Chroom, Kobalt, Tungsten en Nikkel legeringen worden vaak gebruikt.
PowderMetal (PM) zetels
PM zetels worden veel gebruikt in de nieuwere personenauto's en lichte trucks vanwege de lage kosten. PM zetels zijn zeer slijtvast en tonen bijna geen slijtage na een lang gebuik. Echter, PM zetels "harden uit" na verloop van tijd en zijn moeilijk(er) te bewerken. Een nieuwe PM zetel is relatief zacht (25 Rockwell C) en mogen tijdens het bewerken niet te warm worden (uit harden). Een PM zetels is gemaakt van een scala aan materialen zoals, Ijzer, Tungsten, Molybdeen, Chroom, Vanadium, Nikkel, Mangaan, Silicium, Koper etc. Het poeder wordt in een mal geperst en daarna gesinterd tot een materiaal met een uniforme verdeling en eigenschappen.
AFWERKING
Een goed afgewerkte zetel kan gemonteerd worden met zeer kleine toleranties (minder dan .0002"(0.005mm)). Het is daarbij belangrijk dat het monteren van de klepzetel pasd gebeurt na de montage van de klepgeleider. De klepgeleider is immers het absolute midden van de klepzetel en uitgangspunt voor het frezen van de klepzetel.
De zetelhoek is in de meeste gevallen 45 graden. Veel zetelfrezen snijden in drie hoeken (30-45-60graden) om een zo gunstig mogelijke flow te bereiken. Er zijn motorbouwers die zweren bij een hoek van 33/37-58-70 graden met het argument dat een steilere hoek een beter effect heeft op de flow (minder turbulentie). Uiteraard is dit per motor verschillend.
