Każdy z nas widząc po raz pierwszy z bliska pracujący silnik ciągnika, zapewne zadawał sobie pytanie: co tam jest w środku i jak to działa? Spróbujmy więc dziś spojrzeć na silnik od środka i zobaczyć, jak to jest zrobione. Na pierwszy ogień idzie tłok i jego pierścienie.
Gdybyśmy chcieli choć pobieżnie opisać, jak działa silnik w ciągniku, zajęłoby nam to dużo czasu, a wyszłaby z tego spora książka. Wewnątrz silnika w ciągu jednej sekundy zachodzi tyle różnych procesów z dziedziny fizyki i chemii oraz im pokrewnych, że trudno je opisać. Spróbujmy jednak choć pobieżnie przyjrzeć się dziś tylko jednemu elementowi silnika w naszym ciągniku, a będzie nim tłok.
Tłok jaki jest, każdy widzi lub widział. Dla tych, którzy nie widzieli, przedstawiamy go na zdjęciu poniżej.
Jeśli widzieliście inny, nic nie szkodzi, bo tłoki w silnikach naszych ciągników mogą się różnić. Celowo wybrałem taki, bo ma on wszystkie cechy, które za chwilę omówimy.
W dużym uproszczeniu tłok jest zbudowany z aluminium, a nieco dokładniej to ze specjalnych stopów tego metalu. Sprawiają one, że jest jednocześnie łatwy w precyzyjnej obróbce, jak i wytrzymały na siły działające wewnątrz cylindra oraz panujące tam ogromne temperatury. Czyste aluminium jest miękkie i plastyczne oraz topi się przy zaledwie 660°C, więc tłok z czystego chemicznie aluminium spłynąłby po chwili pracy na wał korbowy.
Tłok w silniku. Budowa i zadania
Tłok w silniku ma kilka zadań, które wpływają na to, że wygląda tak, jak wygląda. Omówię je ogólnie w punktach:
– Jego górna powierzchnia stanowi dolną część komory spalania, co wymusza jego wytrzymałość na ciśnienia i temperaturę. Zawiera, choć nie zawsze, wydrążoną komorę wirową układu wtryskowego.
– Boczne powierzchnie tłoka mają wycięte kanały, w których osadzamy kilka rodzajów pierścieni tłokowych mających za zadanie uszczelnienie komory spalania. Zazwyczaj dolne kanały mają, jak widzicie na zdjęciach, otwory na wylot. Omówimy to za chwilę.
– W dolnej części tłoka znajduje się otwór na stalowy sworzeń, którego zadaniem jest utrzymanie go w korbowodzie. W otworze sworznia znajdziemy dodatkowe kanały na pierścienie stabilizujące go w określonej pozycji. Czasem może się on obracać w tłoku, ale nie może poruszać się poosiowo (na boki).
– Choć z zewnątrz tłok wygląda jak walec, to nim nie jest. Od spodu jest wydrążony w procesie ciśnieniowego odlewania. Ma to za zadanie wzmocnienie jego konstrukcji i znaczne zwiększenie powierzchni celem oddawania ciepła.
Na poniższym zdjęciu widzicie przekrój tłoka w komorze cylindrowej.
Widać wyraźnie, symetryczną w tym przypadku, komorę wirową na górze i pogrubienie ścianek tłoka w miejscu osadzenia pierścieni. I w tym miejscu warto omówić same pierścienie oraz to, jaką funkcję spełniają.
Pierścienie tłokowe. Budowa i zadania
Mimo że pierścienie tłokowe są niepozorne i bardzo kruche, to ich budowa jest bardzo skomplikowana. Ich kształt i materiały, z jakich są wykonane, to szczyt technologii metalurgii, która w ich przypadku jest ciągle rozwijana. Pierścienie muszą wytrzymać ogromne temperatury i ciśnienia, a trzeba pamiętać, że znajdują się w ciągłym ruchu.
Głównym zadaniem pierścieni tłokowych jest uszczelnienie granicy między komorą spalania a skrzynią korbową ze znajdującym się w niej wałem silnika i korbowodami. Tak specjalistyczne zadanie nie może być rozwiązane przez tylko jeden rodzaj pierścieni, dlatego, mimo że są podobne, jest ich na tłoku kilka rodzajów. Każdy z nich spełnia określoną funkcję. Omówmy je.
– Pierścień uszczelniający. Zwany jest czasem chromowym z tytułu pokrycia jego powierzchni roboczej (styku z tuleją cylindrową) warstwą związków chromu – najczęściej azotku chromu CrN. Jego zadaniem jest utrzymanie wysokiej kompresji w komorze spalania przez zapobieganie przedostawania się spalin do skrzyni korbowej. Na tłoku jest tylko jeden i występuje jako pierwszy od góry. Na zdjęciu powyżej widzicie taki pierścień z charakterystyczną srebrzystą obwódką na brzegach.
– Pierścienie zgarniające. Znajdujące się poniżej pierścienie zgarniające zazwyczaj występują parami jeden pod drugim. Mają za zadanie zgarnianie i odpowiednie powlekanie cienką warstwą oleju (filmem olejowym) wewnętrznej gładzi cylindra. W odróżnieniu od pierścienia chromowego nie przylegają one do gładzi cylindra całą powierzchnią, a jedynie ostrym dolnym rantem. Dzieje się tak dlatego, że ich powierzchnia boczna jest nachylona pod małym kątem w stosunku do pionowej powierzchni cylindra.
– Pierścienie olejowe. W zależności od producenta i rodzaju silnika mogą być jednorodne lub składać się zazwyczaj z trzech elementów. Ich wspólną cechą jest to, że są ażurowe. Przez otwory w pierścieniu i (jak widzieliście na wcześniejszym zdjęciu) także w kanale samego pierścienia przemieszcza się zgarniany ze ścianek cylindra nadmiar oleju. Takie najczęściej stosowane w silnikach pierścienie olejowe widzicie na zdjęciu poniżej.
Musimy tu jeszcze zaznaczyć, że pierścienie tłokowe są sprężyste. Ta ich cecha pozwala na ścisłe przyleganie ich zewnętrznych krawędzi do ściany cylindra. Pozostaje jednak miejsce styku zwane zamkiem pierścienia. Ta szczelina między jedną a drugą krawędzią jest niewielka (wynosi czasem mniej niż 1 mm), ale powiększa się wraz ze zużywaniem się powierzchni roboczego styku pierścieni z tuleją.
Nasza rada. Zakładając nowe pierścienie na tłok, trzeba pamiętać o przesuwaniu ich zamków jak najdalej od siebie, bo gdy znajdują się w jednej pionowej linii, kompresja docelowo wytwarzana przez pierścienie całkowicie zanika. Pierścienie mają też ściśle określoną polaryzację góra-dół, która jest zaznaczona przy krawędzi zamka. Tam, gdzie widzicie napis, znaczek czy inny wybity lub namalowany symbol – zakładajcie tą stroną ku górze, czyli do wtryskiwacza. Może się też tak zdarzyć, że producent silnika nie przewidział takiej polaryzacji dla pierścienia chromowego i nie ma na nim puncy. Wtedy jego położenie jest obojętne, o ile potwierdzi to znający się na rzeczy mechanik.
Przyjrzeliśmy się dzisiaj i omówiliśmy pokrótce dwa z wielu elementów silnika wysokoprężnego w ciągniku. Przed nami jeszcze kilka i do tematu budowy wewnętrznej silników wrócimy już niedługo.
