Zmniejszanie pojemności silników, turbodoładowanie, układ start-stop oraz dążenie do zmniejszenia wagi pojazdu to dominujące trendy w motoryzacji. Stanowią one nowe wyzwania dla tłoków silnikowych. Opowie o nich specjalista Federal-Mogul Motorparts, Adam Gołąbek.
Nowoczesne pojazdy muszą spełniać coraz surowsze normy emisji zanieczyszczeń. Jednym z popularniejszych trendów jest downsizing, który wiąże się z montowaniem bardziej wysilonych jednostek z turbodoładowaniem. Zmniejsza się pojemność skokowa silnika i liczba cylindrów, jednak moc pozostaje na tym samym poziomie lub nawet rośnie. Nikogo nie dziwią dziś trzycylindrowe jednostki o mocy bliskiej 100 KM. Wszystkie te zmiany oznaczają wzrost obciążenia silnika. Jego najbardziej obciążonym elementem mechanicznym są tłoki. Specjaliści Federal-Mogul Motorparts nieustannie pracują nad poprawą ich trwałości oraz zmniejszeniem zużycia paliwa oraz oleju silnikowego. O technologiach stosowanych w tłokach i pierścieniach tłokowych oraz najczęstszych przyczynach uszkodzenia tłoków opowiada Adam Gołąbek, Technical Support Training and Warranty Manager w Federal-Mogul Motorparts.
Jakie cechy wyróżniają dobre tłoki? Jak zwiększa się ich trwałość?
Adam Gołąbek, Technical Support Training and Warranty Manager, Federal-Mogul Motorparts: Trzy główne aspekty techniczne związane z produkcją tłoków do nowoczesnych silników spalinowych to ich odporność termiczna, wytrzymałość mechaniczna i przewodność cieplna. Wysoka odporność termiczna wynika z faktu, że temperatura w komorze spalania może sięgać nawet 2000°C podczas rozprężania. Druga z cech ma związek z naciskiem działającym na powierzchnię tłoka. W przypadku pojazdów osobowych może on sięgać 8 ton, a ciężarowych – nawet 36 ton.
Działanie ekstremalnie wysokich temperatur jest destrukcyjne również dla silnika. Dlatego ważne jest zapewnienie wysokiej przewodności cieplnej. W praktyce oznacza to dobre odprowadzanie ciepła z denka tłoka do cylindra. Inne cechy, o których warto wspomnieć, to niska rozszerzalność termiczna, niskie straty na skutek tarcia, długie przerwy międzyobsługowe, odporność na korozję i ścieranie oraz niski ciężar ze względu na działające na tłok siły bezwładności.
Wysokiej jakości tłoki powinny wykazywać również ponadprzeciętną żywotność. W przypadku Federal-Mogul, spełnienie tak surowych wymagań jest możliwe dzięki technologii produkcji tłoków Nural DuraBowl. Pozwala ona zwiększyć trwałość tłoka nawet siedmiokrotnie w porównaniu z konwencjonalnymi, grawitacyjnie odlewanymi tłokami aluminiowymi. Nasza technologia zwiększa wytrzymałość denka tłoka w silnikach Diesla przez miejscowe, ponowne przetopienie stopów wokół wgłębienia na środku denka. Ten zabieg znacząco poprawił odporność zmęczeniową aluminium w newralgicznych miejscach tłoka.
Jakie technologie są wykorzystywane podczas produkcji tłoków, by poprawić ich parametry?
Adam Gołąbek, Federal-Mogul Motorparts: Przełomem w konstrukcji tłoków Federal-Mogul był tłok Nural Monosteel, który od 2005 roku jest szeroko wykorzystywany w silnikach Diesla do pojazdów ciężarowych. Jego konstrukcja opiera się na procesie zgrzewania tarciowego (ang. friction welding) dwóch różnych materiałów. Technologia Monosteel, mająca zastosowanie w górnej części oraz na płaszczu tłoka, podniosła wytrzymałość mechaniczną denka tłoka oraz poprawiła przewodność cieplną. W obniżaniu temperatury pracy tłoka pomaga również duża galeria chłodzenia.
Kolejnym przełomem technologicznym było wprowadzenie w 2010 roku technologii produkcji tłoków Nural DuraBowl, zapewniającej bardzo dużą trwałość. Rok później, chcąc poprawić wydajność silnika wysokoprężnego, Federal-Mogul opracował powłokę EcoTough Diesel, zmniejszającą nawet o 13 proc. tarcie pomiędzy płaszczem tłoka a cylindrem w porównaniu z konwencjonalnymi powłokami grafitowymi. EcoTough Diesel wykorzystuje stałe środki smarne i bazę polimerową wzmocnioną włóknem węglowym w celu zapewnienia niższego tarcia oraz lepszej ochrony przed zużyciem. W 2014 roku, podczas targów Automechanika została zaprezentowana nasza najnowsza technologia tłoków Elastothermic.
Na czym polega przewaga tłoków Elastothermic?
Adam Gołąbek, Federal-Mogul Motorparts: Postawiliśmy przede wszystkim na poprawę odporności na działanie wysokich temperatur w nowoczesnych, turbodoładowanych silnikach benzynowych o małej pojemności. Tłoki Elastothermic marki Nüral mają owalny płaszcz, mniejszą ilość naddatku materiału w miejscach mocowania sworznia oraz mniejszą odległością pomiędzy nachylonymi panelami bocznymi. Mogą one mieć budowę wielokątową i przekrój zaledwie 2,5 mm. Wszystko to wpływa na ograniczenie wagi i tarcia przy jednoczesnej poprawie wytrzymałości konstrukcyjnej tłoka.
Niższe temperatury tłoków Elastothermic poprawiają odporność na zatarcie, ograniczają ilość sadzy oraz przywieranie pierścienia, co przekłada się na lepszą kompresję i mniejsze zużycie oleju. Warto zwrócić uwagę, że obniżenie wagi nie wpływa negatywnie na wytrzymałość. Dzięki temu możemy uzyskać większą moc z bardziej wysilonych jednostek o małej pojemności oraz lepszą pracę w przypadku zastosowania technologii start-stop.
Wszystkie nowe rozwiązania technologiczne Federal-Mogul Motorparts wpływają na wzrost wydajność silnika, redukcję hałasu i wibracji oraz, co równie istotne, dają inżynierom możliwość pracy nad nową generacją silników o jeszcze wyższej mocy i niskim poziomie emisji zanieczyszczeń.
Nowsze silniki często zużywają więcej oleju silnikowego, niż starsze konstrukcje. Co ma na to wpływ?
Adam Gołąbek, Federal-Mogul Motorparts: Mówiąc o tłokach, trudno nie wspomnieć o roli pierścieni. Ich głównym zadaniem jest uszczelnienie komory spalania, zmniejszenie tarcia i ograniczenie zużycia oleju, wyeliminowanie ewentualnych przedmuchów do komory korbowej oraz stabilizacja ruchu tłoka. Te wszystkie cechy mają zapobiec utracie mocy i skróceniu żywotności silnika.
Zmniejszenie tarcia o ściankę cylindra i strat podczas suwu sprężania jest możliwe dzięki zmniejszeniu powierzchni bocznej pierścienia. Podczas suwu pracy (rozprężania) poruszający się ku dołowi tłok pomaga zbierać olej ze ścianek cylindra do miski olejowej. Środek smarny nie przenika do komory spalania, a tym samym unikamy powstawania osadów węglowych. Podsumowując, pierścienie LKZ zapewniają niskie zużycie oleju przy jednoczesnej ochronie jakości procesów spalania.
Na co warto zwrócić uwagę podczas wymiany tłoków i jakie mogą pojawić się ich uszkodzenia?
Adam Gołąbek, Federal-Mogul Motorparts: Gdy kompresja w komorze spalania spada, to wymiana samych pierścieni często nie przynosi zamierzonego efektu. Niezbędna jest wymiana tłoków oraz pierścieni ze standardowych na nadwymiarowe. By nowe elementy pracowały poprawnie, tuleja cylindra powinna zostać poddana obróbce z honowaniem, czyli bardzo precyzyjnym gładzeniem powierzchni. Trzeba pamiętać, że obróbka musi zostać wykonana do określonego nadwymiaru. Jest to wartość znormalizowana i każdy serwis motoryzacyjny powinien znać dostępne nadwymiary.
Jeżeli chodzi o uszkodzenia tłoków, podczas swojej pracy często spotykam się z uszkodzeniami powstałymi w wyniku nieprawidłowego procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze spalania. Podczas spalania detonacyjnego (stukowego) następuje niekontrolowany wybuch mieszanki paliwowo-powietrznej oraz gwałtowny przyrost ciśnienia działającego na denko tłoka – o wiele większy niż podczas spalania w prawidłowych warunkach. Skutkuje to działaniem o wiele większych sił na tłok, sworzeń oraz korbowód. W efekcie może dojść do pęknięcia tłoka lub wykruszenia materiału w okolicach rowków pierścieniowych, jak również uszkodzenia tulei silnikowej.
W pojazdach z dużym przebiegiem, zalecam sprawdzenie dawkowania wtryskiwaczy paliwowych podczas wymiany tłoków. Warto także z bliska przyjrzeć się starym tłokom. Ich szczegółowa inspekcja pozwoli uniknąć powtórzenia naprawy oraz nieprzyjemnych niespodzianek na drodze.
Komentarze