Współczesne silniki spalinowe są konstrukcyjnie odmienne od jednostek, które dominowały na rynku jeszcze dwie czy trzy dekady temu. Dążenie do ograniczenia emisji spalin oraz obniżenia spalania sprawiło, że wiele kluczowych elementów uległo znacznemu odchudzeniu, jednym z nich są pierścienie tłokowe. Choć pierścienie tłokowe o słabszym naprężeniu obniżają opory pracy, coraz częściej okazuje się, że odbywa się to niemałym kosztem. Dlaczego nowoczesne silniki „biorą” olej?

Jak zmieniły się pierścienie na przestrzeni dekad

W latach 80. i 90. standardem były masywne, sztywne pierścienie tłokowe o dużym naprężeniu. Zapewniały one bardzo dobre uszczelnienie komory spalania i skutecznie odprowadzały olej z powierzchni cylindra. Tego typu rozwiązania generowały jednak spore opory ruchu, co przekładało się na wyższe zużycie paliwa.

Z początkiem XXI wieku producenci zaczęli wprowadzać kompromisowe rozwiązania. Pierwszy pierścień kompresyjny wciąż pozostawał relatywnie sztywny, natomiast drugi, miał już znacznie mniejsze naprężenie. Dzięki temu możliwe było obniżenie strat mechanicznych bez istotnego pogorszenia trwałości.

Od około 10 lat w wielu nowoczesnych silnikach stosuje się już bardzo cienkie, niskonapięciowe pierścienie zgarniające i kompresyjne. Również pierścienie olejowe przeszły uproszczenia – ograniczono liczbę elementów w pakiecie zgarniającym i zredukowano siłę docisku do ściany cylindra.

Mniejsze napięcie – mniej tarcia, ale i mniej szczelności

Zmniejszenie siły, z jaką pierścień dociska się do powierzchni cylindra, oznacza oczywiste korzyści: niższe zużycie paliwa, mniejsze opory tarcia oraz potencjalnie dłuższą żywotność oleju. Jednak w tym samym czasie rośnie ryzyko przedostawania się gazów do skrzyni korbowej (tzw. blow-by) oraz oleju do komory spalania.

W starszych rozwiązaniach każdy pierścień miał swój margines tolerancji i przy lekkim zużyciu nadal spełniał swoją funkcję. Obecnie margines ten praktycznie nie istnieje. Nowoczesne pierścienie już po stosunkowo krótkim okresie eksploatacji mogą przestać skutecznie uszczelniać, co prowadzi do nadmiernego zużycia oleju. Nawet drobne różnice w geometrii tulei cylindrowej, błędy montażowe czy nietypowe warunki pracy silnika mogą prowadzić do trwałej utraty szczelności.

Skutki w praktyce: olej znika między przeglądami

Konsekwencje tej strategii konstrukcyjnej są dziś widoczne w statystykach i opiniach użytkowników. Coraz więcej współczesnych samochodów, także marek o wysokiej reputacji, wykazuje normatywne zużycie oleju sięgające 1-2 litrów na 10 000 kilometrów. W skrajnych przypadkach wartości te są znacznie wyższe, a niektórzy producenci uznają spalanie nawet 1 litra na 1000 km za „mieszczące się w normie”. W efekcie wielu kierowców nie zdaje sobie sprawy, że ich nowoczesny, sprawny technicznie silnik wymaga już regularnego dolewania oleju między przeglądami.

Dawniej instrukcje obsługi samochodów wskazywały jaką ilość oleju na 10 tysięcy kilometrów może pobrać sprawny silnik. Wiązało się to jednak z uwzględnianiem zgłoszeń gwarancyjnych w przypadku przekroczenia wyznaczonego zużycia oleju. Dziś w instrukcji np. Toyoty Corolli 2020 możemy przeczytać:

Podczas jazdy zużywana jest pewna ilość oleju silnikowego. W następujących sytuacjach zużycie oleju może wzrosnąć, a olej trzeba będzie uzupełnić pomiędzy przeglądami okresowymi.
– Gdy silnik jest nowy, np. bezpośrednio po zakupie samochodu lub po wymianie silnika.
– Jeżeli zostanie użyty olej o niskiej jakości lub o niewłaściwej lepkości.
– Podczas jazdy z dużymi prędkościami lub z dużym obciążeniem, podczas holowania lub podczas częstego przyspieszania i hamowania.
– Jeżeli silnik pracuje przez dłuższy czas na biegu jałowym lub podczas częstej jazdy w ruchu ulicznym o dużym natężeniu.

Wszystko wskazuje więc na to, że zużycie oleju „może wzrosnąć” niezależnie od tego w jaki sposób korzystamy z naszego samochodu.

Nowoczesne powłoki we współpracy z pierścieniami

Zastosowanie bardzo cienkich i elastycznych pierścieni tłokowych stało się możliwe dzięki rozwojowi nowoczesnych technologii materiałowych. Powierzchnie cylindrów coraz częściej pokrywane są specjalnymi powłokami o bardzo niskim współczynniku tarcia, jak nikasil, alusil, czy PTWA.

Z punktu widzenia inżynierii materiałowej cienki pierścień w połączeniu z wysokiej klasy powłoką może działać równie skutecznie, jak grubszy komponent w starszej konstrukcji. Warunkiem jest jednak absolutna powtarzalność produkcji i perfekcyjne warunki pracy jednostki napędowej. Nawet niewielkie odchyłki, czy to w jakości obróbki, czy w sposobie eksploatacji mogą zaburzyć delikatną równowagę układu tłokowego. A jak powszechnie wiadomo, owe idealne warunki w przyrodzie nie występują.

Testy emisji oderwane od eksploatacyjnej rzeczywistości

Warto zauważyć, że większość obowiązujących dziś testów emisji spalin (np. WLTP czy EPA) przeprowadzana jest na świeżych, dopiero dotartych silnikach. Nie uwzględnia się zużycia pierścieni, zmian w szczelności cylindrów ani rzeczywistego spalania oleju po przejechaniu kilkudziesięciu tysięcy kilometrów. W praktyce oznacza to, że homologacja dotyczy wyłącznie początkowego okresu pracy silnika. Zupełnie jakby jednostki napędowe były wymieniane co 20-30 tys. km.

Z punktu widzenia środowiska i użytkownika jest to podejście niepełne. Rzeczywiste emisje po nieco większym przebiegu mogą znacząco odbiegać od danych katalogowych, zwłaszcza jeśli silnik zaczyna intensywnie spalać olej silnikowy, który nie jest w pełni wypalany, a jego spaliny zawierają szereg szkodliwych związków, w tym popioły siarczanowe i tlenki fosforu.

Efektywność czy trwałość?

Współczesne jednostki napędowe balansują na granicy między sprawnością a trwałością. Minimalizacja oporów tarcia w cylindrze to skuteczna metoda redukcji emisji i zużycia paliwa, ale cena tej zmiany to często większe ryzyko awarii, skrócenie realnego czasu bezobsługowej eksploatacji, a także, paradoksalnie, wzrost emisji. Cieńsze pierścienie tłokowe działają zgodnie z założeniami o ile wszystkie pozostałe czynniki pozostają pod pełną kontrolą. W praktyce jednak rzadko tak bywa. A wtedy to właśnie silnik i jego użytkownik ponoszą konsekwencje kompromisów konstrukcyjnych.