Tarcie pod (ostrożną) kontrolą
Czy nam się to podoba, czy nie, zjawisko tarcia towarzyszy wszystkim ruchomym elementom mechanicznym. Nie inaczej jest z silnikami, a mianowicie ze stykiem tłoków i pierścieni z wewnętrzną stroną cylindrów, tj. z ich gładką powierzchnią. To właśnie w tych miejscach dochodzi do największych strat spowodowanych szkodliwym tarciem, dlatego twórcy nowoczesnych napędów starają się je maksymalnie zminimalizować poprzez zastosowanie innowacyjnych technologii.
Nie tylko temperatura
Aby w pełni zrozumieć jakie warunki panują w silniku, wystarczy wpisać wartości w cyklu silnika iskrowego, osiągającego 2.800 K (ok. 2.527 st. C), oraz diesla (2.300 K - ok. 2.027 st. C) . Wysokie temperatury wpływają na rozszerzalność cieplną tzw. zespołu cylinder-tłok, na który składają się tłoki, pierścienie tłokowe oraz cylindry. Te ostatnie również odkształcają się w wyniku tarcia. Konieczne jest zatem skuteczne odprowadzanie ciepła do układu chłodzenia, a także zapewnienie odpowiedniej wytrzymałości tzw. filmu olejowego pomiędzy tłokami pracującymi w poszczególnych cylindrach.
Najważniejsza jest szczelność.
Ten rozdział najlepiej oddaje istotę funkcjonowania wspomnianej wyżej grupy tłoków. Dość powiedzieć, że tłok i pierścienie tłokowe poruszają się po powierzchni cylindra z prędkością do 15 m/s! Nic więc dziwnego, że tak dużą wagę przywiązuje się do zapewnienia szczelności przestrzeni roboczej cylindrów. Dlaczego to takie ważne? Każdy wyciek w całym układzie prowadzi bezpośrednio do spadku sprawności mechanicznej silnika. Zwiększenie szczeliny między tłokami a cylindrami wpływa również na pogorszenie warunków smarowania, w tym najważniejszą kwestię tj. na odpowiedniej warstwie filmu olejowego. Aby zminimalizować niekorzystne tarcie (wraz z przegrzewaniem się poszczególnych elementów) stosuje się elementy o podwyższonej wytrzymałości. Jedną z obecnie stosowanych innowacyjnych metod jest zmniejszenie masy samych tłoków pracujących w cylindrach nowoczesnych zespołów napędowych.
NanoSlide - stal i aluminium
Jak zatem w praktyce osiągnąć powyższy cel? Mercedes stosuje na przykład technologię NanoSlide, która wykorzystuje stalowe tłoki zamiast powszechnie stosowanego tzw. wzmocnionego aluminium. Tłoki stalowe, będąc lżejsze (są o ponad 13 mm niższe od aluminiowych), pozwalają m.in. na zmniejszenie masy przeciwwag wału korbowego oraz przyczyniają się do zwiększenia trwałości łożysk wału korbowego i samego łożyska sworznia tłokowego. To rozwiązanie jest obecnie coraz częściej stosowane zarówno w silnikach o zapłonie iskrowym, jak i samoczynnym. Jakie są praktyczne zalety technologii NanoSlide? Zacznijmy od początku: rozwiązanie zaproponowane przez Mercedesa polega na połączeniu stalowych tłoków z aluminiowymi obudowami (cylindrami). Pamiętaj, że podczas normalnej pracy silnika temperatura pracy tłoka jest znacznie wyższa niż powierzchnia cylindra. Jednocześnie współczynnik rozszerzalności liniowej stopów aluminium jest prawie dwukrotnie wyższy niż stopów żeliwnych (większość obecnie stosowanych cylindrów i tulei cylindrowych jest wykonana z tych ostatnich). Zastosowanie stalowego połączenia tłoka z aluminiową obudową może znacznie zmniejszyć luz montażowy tłoka w cylindrze. Technologia NanoSlide obejmuje również, jak sama nazwa wskazuje, tzw. napylanie. powłoka nanokrystaliczna na powierzchni nośnej cylindra, co znacznie zmniejsza chropowatość jego powierzchni. Natomiast same tłoki wykonane są z kutej i wysokowytrzymałej stali. Ze względu na to, że są niższe od swoich aluminiowych odpowiedników, charakteryzują się również niższą masą własną. Tłoki stalowe zapewniają lepszą szczelność przestrzeni roboczej cylindra, co bezpośrednio zwiększa sprawność silnika poprzez podwyższenie temperatury pracy w jego komorze spalania. To z kolei przekłada się na lepszą jakość samego zapłonu i efektywniejsze spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej.
