Tłok ma ciężkie życie i wie o tym każdy, kto musiał go w życiu wymieniać (nie tylko jako mechanik). Pytanie zasadnicze brzmi – czy był TYLKO wymieniany, a może najpierw (oby) nastąpiła diagnostyka? Kończmy już z wymienianiem, uczmy się jak wygląda prawdziwe środowisko tłoka, w tym choćby bezwładność. Taka wiedza pozwoli nam zrozumieć wiele innych rzeczy w przyszłości.

Od tłoka wymagamy wypełnianie różnych zadań, takich jak:

• wytrzymałość strukturalna,
• adaptacja się do warunków pracy (ten sam silnik a np. różne stopnie zużycia),
• niskie tarcie,
• niskie zużycie,
• płynność biegu,
• niska waga przy wystarczającej stabilności kształtu,
• niskie zużycie oleju oraz niskie wartości emisji zanieczyszczeń.

Wymagania te są często jednocześnie częściowo lub mocno sprzeczne, zarówno pod względem projektu, jak i materiału. Dlatego każdorazowo (mimo wielu lat doświadczeń) kryteria muszą być dokładnie skoordynowane dla każdego typu silnika. Optymalne rozwiązanie może zatem być zupełnie inne w każdym przypadku. Co tak mocno wpływa na to, że trzeba prawie za każdym razem na nowo projektować nowy tłok?

1 – Ciśnienie gazu

Tłok jest poddawany równowadze gazu, bezwładności i sił zewnętrznych, które są wypadkową siły korbowodu i sił bocznych. Maksymalne ciśnienie gazu w cyklu spalania ma krytyczne znaczenie dla obciążeń mechanicznych. Maksymalne ciśnienie gazu występujące w zależności od procesu spalania (benzyna, olej napędowy, dwusuw, czterosuwowy) i wlotu ładunku (ssanie naturalne/turbosprężarka). Na prędkość 6000 obr/min w silniku benzynowym 4-suwowym np. przy maksymalnym ciśnieniu gazu w cykl spalania 75 bar, każdy tłok (D = 90 mm) poddawany jest obciążeniu ok. 4,75-5 ton, 50 razy na sekundę.

Oprócz maksymalnego ciśnienia gazu, tempo wzrostu ciśnienia wpływa również na nacisk na tłok. Wartości dla silników wysokoprężnych wynoszą około 6 do 12 barów/1 CAD (z ang. crank angle degree – stopnie kąta korby), ale mogą być znacznie wyższe w przypadku zakłóceń spalania. Zakres wzrostu ciśnienia w silnikach benzynowych mieści się w zakresie od 3 do 6 barów/1 CAD. Zwłaszcza jeśli stosowane są nieodpowiednie paliwa (zbyt niska liczba oktanowa), przy dużym obciążeniu mogą wystąpić zakłócenia spalania, znane jako „spalanie stukowe (detonacyjne). Możliwy jest wzrost ciśnienia do 30 bar/1 CAD. W zależności od intensywności stukania i okresu eksploatacji, może to doprowadzić do znacznego uszkodzenia tłoka i awarii silnika. Jako metodę zapobiegawczą, nowoczesne silniki benzynowe są wyposażone w systemy kontroli stuków.

2 – Temperatura

Temperatura tłoka i cylindra jest ważnym parametrem dla bezpieczeństwa pracy i żywotności. Szczytowe temperatury spalin, nawet jeśli występują tylko przez krótki czas mogą osiągnąć poziom powyżej 2200 °C. Temperatury spalin wahają się między 600°C do 850°C dla silników wysokoprężnych i 800°C do 1050°C dla silników benzynowych. Temperatura świeżej mieszanki wlotowej (powietrza lub mieszanki) może przekraczać 200°C do silników z turbodoładowaniem. Chłodzenie powietrzem doładowującym obniża ten poziom temperatury do 40–60°C, co z kolei obniża temperaturę składników i poprawia wypełnienie obszaru spalania dawki.

Ze względu na swoją bezwładność w obszarze wysokiego ciepła, tłok i inne części w komorze spalania nie są łatwo mierzalne ze względu na wahania temperatury. Amplituda wahań temperatury na powierzchni tłoka wynosi tylko kilka °C i gwałtownie opada w kierunku jego wnętrza. Korona tłoka, która jest wystawiona na działanie gorących spalin, pochłania różne ilości ciepła, w zależności od punktu pracy (obr/min, moment obrotowy). W przypadku tłoków niechłodzonych olejem ciepło jest przede wszystkim prowadzone do ścianki cylindra przez pierścień dociskowy i w znacznie mniejszym stopniu przez płaszcz tłoka. Natomiast w przypadku chłodzonych tłoków, olej silnikowy odprowadza dużą część akumulującego się ciepła.

Poziomy i rozkłady temperatury w tłoku zależą zasadniczo od następujących czynników:

parametry:

• proces operacyjny (benzyna/olej napędowy),
• zasada działania (czterosuwowy/dwusuwowy),
• proces spalania (wtrysk bezpośredni/pośredni),
• punkt pracy silnika (prędkość, moment obrotowy),
• chłodzenie silnika (woda/powietrze),
• konstrukcja tłoka i głowicy cylindrów (położenie i ilość kanałów gazowych i zaworów,
• rodzaj tłoka, materiał tłoka),
• chłodzenie tłoka (tak/nie),
• intensywność chłodzenia (chłodzenie natryskowe, kanał chłodzący, lokalizacja kanału chłodzącego itp.).

Właściwości wytrzymałościowe materiałów tłoków, zwłaszcza stopów lekkich, są bardzo zależne na temperaturę. Określają poziom i rozkład temperatur w tłoku i naprężenia, które może wytrzymać. Wysokie obciążenia termiczne powodują drastyczną redukcję wytrzymałości zmęczeniowej materiału tłoka. Krytyczne lokalizacje dla silników Diesla z wtryskiem bezpośrednim to krawędź komory spalania, a dla silników benzynowych to obniżenie na denku tłoka.

Modyfikacje silników w zakresie ich mocy czy zmiana turbosprężarki na niestandardową, niosą ze sobą znaczące zmiany w środowisku pracy tłoka. Krótka praca w temperaturze przekraczającej przewidzianą przez konstruktora równa się szybszemu procesowi zmęczenia tłoka.

Autor: Maciej Hadryś, MAHLE Polska.