Data publikacji: 2017-02-02

Aluminiowe czy stalowe?

Od konstruktorów oczekuje się, że masa własna silników ma być coraz mniejsza, a parametry jednostkowe powinny ciągle rosnąć. Jakie są granice wytrzymałości tłoków, które nota bene zalicza się do najbardziej obciążonych części silnika?

Nieustający wyścig o zwiększanie ciśnienia wtrysku paliwa czy ciśnienia doładowania powoduje wzrost ciśnień nad tłokiem i zwiększone obciążenia termiczne i mechaniczne tłoków. Wszak w dieslach z bezpośrednim wtryskiem paliwa komora spalania znajduje się całkowicie w tłoku. Oddziaływujące na niego ciśnienia i panujące temperatury determinują materiał, z którego jest wykonany. Kilkadziesiąt lat temu w niskoobrotowych silnikach Diesla do pojazdów użytkowych tłoki były wykonywane z żeliwa, a potem ze stali. Wraz ze wzrostem maksymalnych obrotów silników tłoki zaczęto wykonywać ze stopów aluminium. Zaletami aluminiowych tłoków są: mniejsza masa, która ma istotne znaczenie przy wysokich prędkościach poruszania się tłoka w cylindrze, i lepsze przewodzenie ciepła w porównaniu z tłokami stalowymi.

Jednak każdy z tych materiałów – stal i aluminium -ma swoje zalety i wady. Ich połączenie w jednym tłoku wydawało się więc idealnym rozwiązaniem. Stąd 20 lat temu pojawił się tzw. dwuczęściowy tłok Mahle Ferrotherm®, w którym denko w postaci odkuwki stalowej połączono z aluminiową częścią prowadzącą. Dzięki temu denko charakteryzowało się wysoką odpornością na temperaturę i dobrze znosiło wysokie naciski powierzchniowe między panewką a sworzniem tłokowym. Tłoki te, jako wyposażenie fabryczne swoich silników, stosowało wielu producentów - Volvo, Scania, Detroit Diesel i Caterpillar. Niestety wadą stali jest mniejsza przewodność cieplna w porównaniu z aluminium. W tym kontekście chłodzenie, szczególnie korony tłoka, odgrywa istotną rolę. Dlatego w tłokach stalowych stosuje się kanał chłodzący, do którego wtryskiwany jest olej silnikowy celem schłodzenia lub stalowe płytki sprężyste. W tłoku Ferrotherm dodatkowo zastosowano szczelinę termiczną między częścią stalową a aluminiową. Przy okazji zwracamy uwagę, że tłoki Ferrotherm są dostarczane w zestawach naprawczych w postaci rozmontowanej. Przy montażu należy przestrzegać prawidłowego kierunku ustawienia: montaż części górnej i prowadzenia tłoka może się odbywać tylko w jednym kierunku.

Jednak stalowy?

Od kilku lat konstruktorzy ponownie odkryli zalety tłoków stalowych, w czym pomogły nowoczesne technologie produkcji. Zdaniem specjalistów z firmy Federal Mogul, przy średnicy cylindra do 120 mm, polecane są tłoki ze stopów aluminium. Tłoki stalowe stosuje się w cylindrach o średnicy od 130 mm. Jednak stopniowo wzmacnia się trend stosowania tłoków stalowych także dla mniejszych średnic cylindra, zwłaszcza przy ciśnieniach przekraczających 210- 220 barów.

Skąd wynika powrót do tłoków stalowych? Tłok stalowy cechuje się większą wytrzymałością mechaniczną, wytrzymuje też wyższe temperatury (powyżej 400°C) i może być niższy (odległość od osi sworznia do korony tłoka) w stosunku do tłoka aluminiowego. Zdaniem specjalistów z firmy Mahle, tłoki wykonane ze stopów aluminium wytrzymują temperatury w komorze spalania do „tylko” 360°C oraz ciśnienia wtrysku do 170 barów. Z termicznego punktu widzenia im wyższa temperatura w komorze spalania, a więc również korony tłoka, tym większa sprawność procesu spalania w obiegu Diesla. Wybierając tłok stalowy, konstruktor może zastosować wyższe temperatury korony tłoka niż w przypadku tłoka aluminiowego. Ograniczeniem jest jednak temperatura, przy której następuje zwęglanie się oleju silnikowego i tworzenie nagaru.

Kolejną zaletą tłoków ze stali jest niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej stali w porównaniu z aluminium, co umożliwia zachowanie mniejszego luzu między tłokiem i wierzchołkową częścią cylindra. Wpływa to korzystnie na ilości zanieczyszczeń emitowanych w spalinach. A w dzisiejszych czasach czystość spalin ma priorytetowe znaczenie.
Tłok stalowy wcale nie musi być już cięższy od aluminiowego. Firma Kolbenschmidt z powodzeniem stosuje technologię produkcji o nazwie Steelteks dla jednoczęściowych tłoków stalowych umożliwiającą uzyskanie drobnej struktury krystalicznej materiału, co przekłada się na wysoką wytrzymałość przy cieńszych ściankach i w rezultacie zmniejszenie masy własnej.

Mahle opracowało aż cztery różne konstrukcje tłoków stalowych, z których najpopularniejszy jest jednoczęściowy tłok stalowy Monotherm. Jego ewolucją stanowi dwuczęściowy tłok MonoGuide, przeznaczony do silników z aluminiowym kadłubem. Dla ciśnień w granicach 200 barów polecany jest tłok MonoWeld® produkowany metodą zgrzewania ciernego. Pewną nowością są dwuczęściowe lub nawet trzyczęściowe tłoki stalowe. Tym razem nie łączy się stali z aluminium, lecz stal o różnych właściwościach - często górna część to stal obrabiana cieplnie, a dolna w postaci odlewu. Poszczególne części łączy się ze sobą metodą zgrzewania tarciowego – ta technologia produkcji jest bardzo popularna i stosunkowo niedroga. Do silników o wysokich obciążeniach produkuje się trzyczęściowe, łączone gwintowo tłoki MonoXcomp®. Federal Mogul wytwarza tłoki stalowe Monosteel wykonywane z dwóch różnych materiałów i łączone metodą zgrzewania tarciowego.

A może jednak aluminiowy?

Jednak tłoki aluminiowe nadal są stosowane, i to nie tylko ze względu na niższe koszty obróbki mechanicznej. Współcześnie produkowane tłoki są wykonywane ze stopów aluminium i krzemu. Jak zapewnia firma, jej tłoki aluminiowe wytrzymują maksymalne ciśnienie ok. 200 barów i milion kilometrów przebiegu pojazdu.
Trwałość tłoków aluminiowych determinuje odporność komory spalania na temperaturę i ciśnienia. Istnieje bowiem ryzyko pęknięć zmęczeniowych krawędzi i podstawy komory. Federal-Mogul opracowała nawet proces DuraBowl polegający na wtórnym topieniu i bardzo szybkim schładzaniu krawędzi komory spalania w wykonanym już tłoku. Powstaje warstwa aluminium o bardzo drobnej ziarnistości krzemu, do jednej dziesiątej jego pierwotnej wielkości, co znacznie poprawia trwałość zmęczeniową odlewu tłoka. Podobny efekt uzyskała także firma Kolbenschmidt, opracowując nowy stop aluminium tajemniczo nazwany V4. Wówczas tłoki aluminiowe wytrzymują dotychczas nieosiągalne temperatury rzędu 400°C. Innym pomysłem Federal-Mogul jest ochrona komory spalania w denku tłoka powłoką zawierającą nanodiamenty w warstwie chromu, by odbijać ciepło i ograniczać stopniowe niszczenie krawędzi denka.
W tłokach aluminiowych istotną rolę odgrywa chłodzenie górnej części, tzw. korony. Producenci stosują różne sposoby chłodzenia – zazwyczaj za pomocą specjalnych galerii zasilanych olejem silnikowym umieszczonych możliwie najbliżej pierścieni tłokowych. Stosuje się galerie o zmiennym przekroju (Kolbenschmidt) lub o przekroju schodkowym, w którym olej jest mechanicznie pompowany przez posuwisto-zwrotny ruch tłoka. Wykonanie galerii olejowych w procesie masowej produkcji jest dość trudne ze względu na zapewnienie powtarzalności wymiarów. Federal Mogul opracował system badań ultradźwiękowych 2d, umożliwiający w ciągu 30 s kontrolę jakości wykonania galerii, co ma spowodować zmniejszenie reklamacji.

Z powodu ruchu posuwisto-zwrotnego tłok wraz z pierścieniami generuje znaczne straty mechaniczne w silniku. W tłokach stalowych i aluminiowych Federal Mogul stosuje się powłokę EcoTough Diesel zmniejszającą tarcie pomiędzy płaszczem tłoka a cylindrem do 13% w porównaniu do konwencjonalnych powłok grafitowych. Tarcie między pierścieniem uszczelniającym a cylindrem stanowi 25% wszystkich strat mechanicznych silnika, co odpowiada około 4% zużycia paliwa. Producenci stosują więc różne metody obróbki powierzchniowej pierścieni tłokowych, czego efektem jest utworzenie powłoki odpornej na ścieranie i jednocześnie obniżającej tarcie, np. powłoka DuroGlide® firmy Federal Mogul. We wszystkich tłokach stosuje się bardzo precyzyjne przygotowanie otworu sworznia. Federal-Mogul opracował proces obróbki przy użyciu bardzo precyzyjnej elektrodrążarki. W otwór sworznia wstawiona jest tuleja ze stopu kolorowego jako element współpracujący ze sworzniem tłokowym. W najnowocześniejszych konstrukcjach sworzeń jest pokryty innym metalem, co poprawia wzajemne oddziaływanie pomiędzy tłokiem i sworzniem.

Tłok stał się produktem dość skomplikowanym, podobnie jak cały silnik, którego dni są jednak policzone. Wytwórcy tłoków zapewne zastanawiają się, co będą produkować, gdy zapotrzebowanie na silniki tłokowe zacznie spadać.