Istnieje wyraźny trend w przemyśle motoryzacyjnym i silnikowym: zapotrzebowanie na silniki o coraz większej mocy. W szczególności układ wtrysku do silnika wysokoprężnego skupił uwagę konstruktorów. W ostatnich latach w tej dziedzinie powstał nadzwyczajny potencjał: dzięki wysokiemu ciśnieniu w połączeniu z elektronicznym sterowaniem procesu spalania stworzono warunki sprzyjające znaczącemu wzrostowi osiągów silników wysokoprężnych.
Oczywiście rzeczą nieuniknioną jest, że wyższe moce właściwe zwiększają również termiczne i mechaniczne obciążenie tłoków. Trend, który musi być wzięty pod uwagę w szczególności w procesie rozwoju konstrukcji tłoków – tłoki plasują się między częściami silnika spalinowego podlegającymi najwyższym naprężeniom. Przy temperaturach wyższych niż 360°C generowanych we wnękach spalania tłoków oraz ciśnieniach wtrysku przewyższających 170 bar tłoki wykonane ze stopów aluminium osiągają granice swojej wytrzymałości.
Potrzebne więc były nowe idee konstrukcyjne i konieczne stało się zastosowanie nowych materiałów. Rozwiązanie autorstwa deweloperów z MAHLE: tłok z denkiem w postaci odkuwki stalowej o wysokiej odporności na temperaturę z aluminiową częścią prowadzącą – w ten sposób narodził się tłok FERROTHERM®.
DOBRE PROWADZENIE I PRACA PRZY DUŻYCH OBCIĄŻENIACH
Konstrukcja ta jest oparta na wyraźnym podziale zadań: aluminiowa część prowadząca odpowiada jedynie za prowadzenie tłoka w otworze, podczas gdy głowica tłoka wykonuje pracę przy dużych obciążeniach i uszczelnienie. Stalowa odkuwka denka tłoka dopuszcza znacznie wyższe temperatury pracy i wyższe naciski powierzchniowe pomiędzy panewką a sworzniem tłokowym. Wysoka wytrzymałość odkuwki stalowej działa również w kierunku zwiększenia odporności na zużycie i żywotności rowków pierścieniowych znajdujących się w górnej części tłoka.
LUZ WIERZCHOŁKOWY
Dodatkową ważną zaletą stali w porównaniu ze stopami aluminiowo-krzemowymi jest jej znacznie niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej, który pozwala na utrzymanie mniejszego luzu pomiędzy tłokiem i wierzchołkową częścią cylindra. To znów umożliwia osiąganie dużych korzyści w zakresie uszczelnienia i redukcji przedmuchów, a ponadto pozwala na bardzo wąski luz pomiędzy tłokiem i cylindrem, co sprzyja dobremu podparciu pierścieni tłokowych podczas ich pracy. Mały luz wierzchołkowy ma również korzystny wpływ na ilości zanieczyszczeń emitowanych w spalinach – ponieważ mniejszy luz oznacza mniejszą objętość prześwitu a przez to optymalne i czyste spalanie.
SZTUCZKA Z WSTRZĄSANIEM
Jednak stal ma również swoje wady – jej przewodność cieplna jest mniejsza w porównaniu z aluminium. Stąd zachodzi konieczność zapewnienia niskiego poziomu temperatury poprzez optymalizację chłodzenia tłoka. Rozwiązanie: stalowe płytki sprężyste albo konstrukcja prowadzenia tłoka tworząca kanał chłodzący, poprzez który wtryskiwany jest olej silnikowy celem chłodzenia. Dzięki dużej średnicy oraz ruchów tłoka w górę i w dół generowany jest tzw. efekt wstrząsania powodujący wystarczające chłodzenie denka.
DWAJ RÓŻNI PARTMERZY – JEDNA UDANA WSPÓŁPRACA
W jaki sposób można połączyć dwa tak różne materiały jak stal i aluminium w jeden funkcjonalny zespół? Jak widać na zdjęciu, gdzie górna część tłoka i prowadzenie połączone są sworzniowo. Ciśnienia spalania i wtrysku mają swój wpływ na denko tłoka – a powstające w wyniku ich działania siły przekazywane są bezpośrednio z denka poprzez sworzeń tłokowy na korbowód. W otwór sworznia wstawiona jest tuleja ze stopu kolorowego jako element idealnie współpracujący ze sworzniem tłokowym. W najnowocześniejszych konstrukcjach sworzeń jest pokryty innym metalem, co poprawia wzajemne oddziaływanie pomiędzy tłokiem i sworzniem, a nawet dalej. Pomiędzy górną sekcją stalową a prowadzeniem aluminiowym pozostawiona jest szczelina. Taka spiralna separacja działa jako odsprzężenie termiczne. Stąd temperatury na prowadzeniu tłoka są znacznie niższe niż w przypadku tłoka wykonanego całkowicie z aluminium. Dzięki niskiemu poziomowi temperatury na prowadzeniu tłoka oraz odsprzężeniu przeniesienia mocy konstrukcja prowadzenia tłoka może być zoptymalizowana w zakresie jej funkcji prowadzenia. I można to zauważyć: w cicho i elastycznie pracującym silniku pomimo twardego spalania diesla – przy wyższej mocy użytecznej i większym momencie obrotowym.
TŁOK FERROTHERM®: PRZEKONYWUJĄCY JAKO WYPOSAŻENIE PIERWOTNE …
Tłok FERROTHERM® jest na rynku od prawie 20 lat – ale ciągle pozostaje tłokiem o nowoczesnej konstrukcji, stosowanym szczególnie w sektorze pojazdów do eksploatacji handlowej. Wiele silników z Volvo, Scania, Detroit Diesel i Caterpillar ma tłoki FERROTHERM® z MAHLE jako wyposażenie oryginalne. Wielu wiodących producentów wciąż polega na tej pomysłowej zasadzie: obecnie silniki z tłokami dwuczęściowymi opracowywane są dla firmy Mercedes-Benz i jednego z dużych rosyjskich producentów silników.
… I ODNOSZĄCY SUKCES NA RYNKU WTÓRNYM
Program sprzedaży MAHLE obejmuje również tłoki FERROTHERM® w aktualnym katalogu komponentów silnikowych, które są rozpoznawalne poprzez podwójne numery tłoków: stalowe denko tłoka ma kombinację liter “KB”, podczas gdy aluminiowe prowadzenie można rozpoznać poprzez literę “L” (patrz fragment katalogu).
Wgląd do katalogu oryginalnych komponentów silnikowych MAHLE: stalowe denko dwuczęściowego tłoka FERROTHERM® jest rozpoznawalne poprzez kombinację liter “KB”, prowadzenie aluminiowe posiada oznaczenie “L”.
WAŻNE: PRAWIDŁOWY MONTAŻ
Tłoki FERROTHERM® są dostarczane w postaci rozmontowanej – górna i dolna część starannie opakowane i umieszczone jedna przy drugiej w pudełku. Przy montażu części górnej, prowadzenia i korbowodu należy przestrzegać prawidłowego kierunku ustawienia: montaż części górnej i prowadzenia tłoka może się odbywać tylko w jednym kierunku.
Częściowy przekrój perspektywiczny tłoka FERROTHERM® z denkiem stalowym.