Tłoki silnikowe – jak i po co?

W artykule zaprezentowano część, bez której silnik spalinowy nie mógłby pracować. Chodzi o tłok silnikowy. Jak zbudowane są tłoki i jakie najczęściej sprawiają problemy?

Większość zainteresowanych samochodami zna zasadę działania silnika spalinowego. Tym, którzy nie wiedzą, jak działa stosowana w pojazdach tłokowa jednostka napędowa, postaram się to w uproszczony sposób przybliżyć.

Energia chemiczna zawarta w paliwie zasilającym silnik (olej napędowy, benzyna silnikowa itd.) zamieniana jest w procesie spalania na energię mechaniczną i cieplną. W wyniku spalania paliwa w komorze spalania powstają gazy o wysokiej temperaturze i przy wysokim ciśnieniu, które oddziałują na denko tłoka. Powoduje to przesunięcie tłoka w kierunku dolnego martwego położenia (suw pracy).

W silnikach czterosuwowych powyżej opisany proces następuje naprzemiennie (pary tłoków współpracujących przy czterech cylindrach 1-3 oraz 2-4). W efekcie para tłoków 1-3 znajduje się w dolnym martwym położeniu, a para tłoków 2-4 w górnym martwym położeniu (w górnym martwym położeniu następuje zapłon i spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej oraz wypychanie go w kierunku dolnego martwego punktu).

Tłok wykonujący ruch posuwisto-zwrotny mocowany jest sworzniem z korbowodem. Odbiera on energię mechaniczną od spalanej w cylindrze mieszanki. Większość tłoków silnikowych zrobiona jest przy tym ze stopów aluminium i krzemu. Materiałom na tłoki stawiane są wysokie wymagania. Należą do nich m.in.:

• duża wytrzymałość materiału przy wysokich temperaturach roboczych,
• duża wytrzymałość zmęczeniowa,
• odpowiednia przewodność cieplna,
• mały współczynnik rozszerzalności cieplnej,
• mała masa właściwa,
• odporność na zużycie cierne,
• odporność na korozję.

Podczas produkcji tłoków przeprowadzane są dwie selekcje. Pierwsza (dotycząca wymiarów) pozwala wybrać tłok zapewniający optymalny luz pary tłok-cylinder. Druga w zależności od jego masy pozwala wybrać tłok, tak aby wyrównoważenie układu tłokowo-korbowego było jak najłatwiejsze.

Tłok ma denko, mocowanie na piastę, mocowanie na sworzeń tłokowy, część pierścieniową oraz część nośną. Denko kształtowane jest zależnie od wymaganych rozwiązań w odniesieniu do komory spalania. Najprostszym jego rozwiązaniem jest denko płaskie. W silnikach z zapłonem iskrowym, ale także z zapłonem samoczynnym z dzielonymi komorami spalania używane są kształty denka lekko wypukłe. Zwiększa to sztywność konstrukcji. Stosowanie podcięć denka tłoka stosuje się nie dla ukształtowania komory spalania, ale dla zabezpieczenia jej przed kontaktem z zaworami i ukierunkowania przepływu gazów powstających w procesie spalania.

Piasta tłoka służy do osadzania sworznia tłokowego. Piasta z reguły znajduje się w środku ciężkości tłoka. Ze względu na skłonność do wychyleń bocznych (prowadzących do szybszego zużywania się tłoka oraz większego hałasu powodowanego przez tłok) przy sytuowaniu piasty w połowie części nośnej tłoka odchodzi się jednak od takiego rozwiązania.

Sworzeń tłokowy łączy korbowód z tłokiem oraz przenosi siłę powodowaną przez powstające w procesie spalania gazu z tłoka na oś korbowodu. Z uwagi na panujące w komorze spalania temperatury, działające siły, zmienne obciążenia oraz konieczność smarowania stosuje się na tłoki różne materiały (przykładowo stal do nawęglania 15H, 15N, stal do ulepszenia cieplnego 38HN czy stal do azotowania 38 HMJ). Główne wymiary sworznia tłokowego ustala się na podstawie obliczeń wytrzymałościowych i dobiera na podstawie stosowanych norm. Wymiary sworznia tłokowego oblicza się np. z zależności:

długość sworznia l = (0,8 ÷ 0,9)*D

średnica zewnętrzna d = (0,3 ÷ 0,4)*D

gdzie D to średnica tłoka

Część pierścieniowa tłoka znajduje się w jego części górnej. W silnikach dwusuwowych występuje od 1 do 4 pierścieni tłokowych, a w przypadku silników czterosuwowych od 2-4 pierścieni (przeważnie używane są trzy pierścienie). Liczba stosowanych pierścieni tłokowych zależna jest m.in. od stopnia sprężania.

Pierwszy pierścień tłokowy odpowiedzialny jest za uszczelnianie cylindra. Nazywany jest pierścieniem uszczelniającym (kompresującym). Uszczelnia on komorę spalania. Uniemożliwia przedostanie się gazów do kadłuba silnika. Ze względu na jego położenie narażony jest on na korozję i najwyższe temperatury pracy. Przez pierścień kompresyjny przekazywane jest do 70% ciepła z tłoka do cylindra. Zazwyczaj pierścień ten ma kształt prostokątny lub baryłkowy.

Pierścień o kształcie baryłkowym ma zakrzywioną powierzchnię roboczą, by umożliwić smarowanie. Zakrzywiona powierzchnia zmniejsza możliwość zaniku warstwy oleju przez nadmierne naciski pierścienia na cylinder.

Pierścień osadzony na dole tłoka nazywany jest pierścieniem zbierającym (olejowym). Służy on do zgarniania nadmiaru oleju ze ścianki cylindra podczas ruchu tłoka. Olej wraca przez szczeliny w pierścieniu i tłoku do kadłuba silnika (w silnikach dwusuwowych pierścień ten nie jest używany, gdyż olej dostarczany jest z paliwem, a i jego spalanie jest zamierzone).

Pierścień zbierający ma dwie powierzchnie robocze, pomiędzy którymi znajdują się owalne lub okrągłe otwory, którymi zebrany nadmiar oleju spływa do kadłuba silnika. W wielu pierścieniach olejowych wykorzystuje się sprężynę rozpierającą w celu zwiększenia siły nacisku na ścianki cylindra.

Występuje również pierścień kompresyjno-zgarniający, który umieszczony jest między pierścieniem uszczelniającym i zgarniającym. Jego zadaniem jest zatrzymanie gazów, które przedostały się przez pierścień uszczelniający, oraz zgarnianie nadmiaru oleju z gładzi cylindra. Ma on specjalny kształt powierzchni roboczej, aby mógł spełniać swoje zadanie.

Niektóre pierścienie mają tzw. nosek, czyli nacięcie, dzięki któremu lepiej zgarniają olej smarujący. Niepoprawne zamontowanie pierścienia kompresyjno-zgarniającego powoduje większe zużycie oleju.

Zadaniem pierścieni tłokowych jest uszczelnienie komory spalania. Przekazywanie ciepła z tłoka do cylindra i kontrolowanie zużycia oleju. Aby zostało to spełnione, pierścienie muszą mieć możliwość sprężystego układania się pod wpływem wysokiej temperatury. Z tego względu musi zostać zachowany tzw. luz zamka. Wielkość luzu jest zależna od średnicy pierścienia oraz materiału, z jakiego wykonany został pierścień. Pierścień ma dokładnie określony kształt. Spowodowane jest to koniecznością dokładnego przylegania do ścianek cylindra w celu zapewnienia szczelności. Odpowiedni kształt pierścieni tłokowych uzyskuje się w procesie owalizacji.

Przeważnie pierścienie tłokowe robione są z żeliwa szarego. Wykorzystuje się ten materiał ze względu na łatwość dostosowania się do ściany cylindra. Można je pokryć innymi materiałami w celu zwiększenia trwałości.

Zużycie tłoków silnikowych    

Częstym problemem jest pękanie denek tłoków i kruszenie się pierścieni tłokowych w wyniku zmęczenia cieplnego. Rozwój motoryzacji w ostatnich latach spowodował, że efektywność działania zarówno tłoków, jak i pierścieni tłokowych w sil­nikach spalinowych zależy przede wszystkim od trwałości zastosowanych materiałów. Istotną kwestią są również warunki pracy jednostki napędowej. Prawdopodobieństwo występowania uszkodzeń wzrasta wraz ze zwiększaniem obciążeń cieplnych, związanych z podwyższeniem osiągów (np. przez zwiększenie stopnia sprężania, zwiększenie mocy znamionowej, zwiększenie doładowania, stosowanie więcej niż dwóch zaworów na cylinder).

Czynniki konstrukcyjne i eksploatacyjne wpływają na degradację materiału zastosowanego przy budowie tłoków silnikowych. W zależności od ww. czyn­ników można wyszczególnić następujące rodzaje zużyć:

• zużycie spowodowane tarciem,
• zużycie spowodowane zmęczeniem materiału (działanie zmiennych ob­ciążeń mechanicznych i cieplnych),
• zużycie związane z procesami korozji (zmiana właściwości fi­zykochemicznych wierzchniej warstwy materiału),
• zużycie erozyjne (w skutek dynamicznego oddziaływania czynnika gazowego lub ciekłego).

Uszkodzenia cieplne tłoków ujawniają się w postaci pęknięć w obszarze denka tłoka. Bardzo często miejscami inicjacji pęknięć są karby utworzone przez brzegi wgłę­bień zaworowych.

Może to prowadzić m.in. od zaburzeń procesu spalania mieszanki paliwowo-gazowej czy do zmniejszenia szczelności komory. W przypadku silników z wtryskiem do komory wstępnej właściwie najczęstszym defektem jest pękanie denek tłoków. (Komora wstępna jest to komora spalania w silnikach z zapłonem samoczynnym z wtryskiem pośrednim. Jej objętość wynosi zazwyczaj 20-40% objętości całej komory spalania).

Temperatura na krawędzi denka tłoka w obszarze komory spalania może wynosić nawet nieco ponad 380[sup]o[/sup]C. W przypadku zetknięcia z cieczą powstają ekstremalne warunki pracy, które mogą powodować pęknięcia lub trwa­łą deformację tłoka. Wyżej wymienione uszkodzenia denka mogą być spowodowane przedostawaniem się np. wody lub paliwa do komory spalania. Nagłe obciążenie tłoka i jego podzespołów (sworzeń tłoka i korbowód) powstają w wyniku tzw. uderzenia cieczy (woda bądź paliwo nie dające się sprężyć). Wymienione ciecze mogą przedostać się do komory spalania przez np. system zasysania, przez uszkodzone uszczelki pod głowicą lub uszkodzoną dyszę wtryskową.

Kolejną przyczyną uszkodzenia tłoka jest jego przeciążenie termiczne. Wystąpić może wtedy tzw. przegrzanie korony. Zjawisko to może się pojawić, jeśli zbyt rzadko wymienia się olej (znaczące przekroczenie okresu międzyserwisowego; w samochodach z silnikiem o zapłonie samoczynnym wymiana oleju powinna być wykonana mniej więcej co rok; w przypadku aut z silnikiem o zapłonie iskrowym mniej więcej co 1,5 roku). Prowadzić to może również do zapychania się dysz chłodzenia olejem silnikowym.

Od 40 do 50% strat mechanicznych w silniku spalinowym to straty powstałe od tarcia pierścieni i tłoka o gładź cylindra. Z tego względu coraz częściej zmniejsza się wymiary powierzchni trącej pierścieni (przy niezmienionych naciskach). Prowadzi to do obniżenia spręży­stości pierścieni tłokowych. To z kolei może powodować pęknięcia pierścieni wynikające z pracy w trudnych warunkach. Pękanie pierścieni tłokowych może być spowodowane też np.:

• zużyciami tribologicznymi,
• przeciążeniami mechanicznymi, wywołanymi zakłó­ceniami w procesie spalania, błędami montażowymi lub silnymi obciążeniami podczas rozruchu zimnego silnika.

Zużycie tribologiczne jest to rodzaj zużycia będącego efektem procesów tarcia. W procesach zużycia następuje zmiana masy, struktury i własności fizycznych warstw wierzchnich obszarów styku. Intensywność zużywania się jest funkcją różnego rodzaju oddziaływań oraz odporności obszarów tarcia warstw wierzchnich.

Kolejnym spotykanym uszkodzeniem tłoków są tzw. zatarcia. Występują one na płaszczu tłoka oraz w okolicach pierścieni. Częstą przyczyną takiego zjawiska są cząsteczki z procesów zużywania tribologicznego lub miejscowe przegrzanie. Stop aluminium, z którego wykonany jest tłok, rozszerza się termicznie dwukrotnie bardziej niż żeliwo cylindra. To w przypadku zbyt dużego obciążenia ter­micznego, przy zimnym silniku i gorącym tłoku może doprowadzić do jego za­cierania.

Warto pamiętać, że podstawowe parametry silnika spalinowego to:

• Objętość skokowa – jest to objętość zawarta pomiędzy górnym zwrotnym i dolnym zwrotnym położeniem tłoka w cylindrze.
• Objętość komory spalania – jest to objętość, która znajduje się nad denkiem tłoka, gdy tłok jest w górnym zwrotnym położeniu.
• Objętość całkowita silnika – jest to suma objętości skokowej i objętości komory spalania.
• Stopień sprężania – jest to objętość całkowita podzielona przez objętość komory spalania.

Źródło: [url=http://www.autokult.pl]Gardyński L., Weroński A., Próba podwyższenia odporności na zmęczenie ciepl­ne powierzchni tłoków silników spalinowych, Inżynieria Materiałowa, 2000, Nr 6.

Gardyński L., Badania nad podwyższeniem odporności na zmęczenie cieplne tłoków do wysoko doładowanych silników ZS, Rozprawa doktorska, Politechni­ka Lubelska, Lublin 1999.

Silva F.S., Fatigue on engine pistons – A compendium of case studies, Engine­ering Failure Analysis, 2006, No 13.

Wojciechowski A., Motoryzacja XXI wieku. Metalowe materiały kompozytowe. Motor, 2003, Nr 21.

Rudnik D., Studium eksperymentalne materiału tłoka kompozytowego do silni­ka spalinowego, Autoreferat pracy doktorskiej, Lublin 2001.

Niewczas A., Trwałość zespołu tłok-pierścienie tłokowe-cylinder silnika spalino­wego, WNT, Warszawa 1998[/url] • Pierścienie Tłokowe