2023-01-26
Wszystko, co należy wiedzieć o pierścieniach tłokowych
2023-01-18
Pierścienie tłokowe istnieją tak długo, jak istnieją silniki spalinowe. Mimo to, wśród niektórych mechaników na temat pierścieni tłokowych, mamy jeszcze dzisiaj niejednokrotnie do czynienia z brakiem wiedzy lub wiedzą połowiczną. Dlaczego akurat ten element budzi tyle kontrowersji? Na co zwrócić uwagę podczas jego serwisowania?
Układ silnikowy
Żaden inny element pracujący w silniku nie jest tak krytykowany jak pierścienie tłokowe, zwłaszcza jeśli w grę wchodzi nadmierne zużycie oleju lub w spadek mocy. Zaufanie, jakiego oczekuje się w stosunku do pierścieni, często weryfikowane jest w momencie kiedy dochodzi do awarii. Z tego względu w warsztatach i wśród użytkowników aut krążą często półprawdy, nieprawdy, uprzedzenia i błędne oceny. Wszystkie przeczą rzetelnej wiedzy. Najczęstszą przyczyną uszkodzeń pierścieni tłokowych są szybkie i tanie naprawy oraz nieprofesjonalny montaż. Chociaż zdarzają się sytuacje, że na poziomie projektowym lub produkcyjnym danego silnika dochodzi do pomyłek.
Podstawową funkcją pierścieni tłokowych jest zapewnienie szczelności w komorze spalania, tak aby energia i ciśnienie wytwarzane w tym procesie było prawidłowo wykorzystane. Równie istotną rolą pierścieni jest uszczelnienie, które uniemożliwia przedostawania się oleju ze skrzyni korbowej do komory spalania, jednocześnie zapewniając precyzyjną warstwę filmu olejowego na ścianie cylindra. Pierścienie tłokowe uczestniczą także w przepływie ciepła z tłoka do bloku cylindrów.
Pierścienie tłokowe – rodzaje
Górny pierścień kompresyjny – często wykonany ze stali, żeliwa ciągliwego i żeliwa szarego. Ten rodzaj pierścieni odpowiada za uszczelnienie komory spalania w trakcie kompresji i spalania mieszanki paliwowo-powietrznej.
Drugi pierścień kompresyjny – zasadniczo produkowany z żeliwa ciągliwego i żeliwa szarego. Ten rodzaj pierścieni łączy funkcję pierścieni kompresyjnych i pierścieni olejowych.
Pierścień olejowy – może być wytwarzany z żeliwa ciągliwego oraz żeliwa szarego, a także ze stali w przypadku pierścieni wieloelementowych. Funkcją tego pierścienia jest regulowanie ilości oleju niezbędnego do smarowania górnego i drugiego pierścienia kompresyjnego.
Rodzaje pierścieni tłokowych
Zdjęcie: MS Motorservice International GmbH
Podstawowym rodzajem pierścienia górnego kompresyjnego oraz drugiego pierścienia kompresyjno-zagarniającego są pierścienie prostokątne, pierścienie trapezowe jednostronne oraz dwustronne. Jeśli chodzi natomiast o pierścienie zgarniające olej, mamy do czynienia z pierścieniami jednoczęściowymi, dwuczęściowymi oraz trzyczęściowymi. Pierścienie jednoczęściowe ze względu że są raczej sztywne i mają gorszą zdolność wypełnienia formy, a co za tym idzie stanowią gorsze uszczelnienie niż wieloczęściowe pierścienie zgarniające olej.
Dwuczęściowy pierścień olejowy ze względu na swoją budowę zapewnia wysoką trwałość przy jednoczesnym zapewnieniu elastyczności. Odprowadzanie oleju pomiędzy szynami zachodzi przez odpowiednie otwory. Ten rodzaj pierścienia zgarniającego olej jest stosowany przede wszystkim w silnikach wysokoprężnych. Trzyczęściowy pierścień natomiast doskonale dopasowuje się do komory, nawet przy niskich napięciach przez co powoduje mniejsze tarcie i lepszą wydajność. Dlatego pierścienie tego rodzaju stosowane są częściej w silnikach o zapłonie iskrowym.
Materiały na pierścienie
Materiały na pierścienie tłokowe dobierane są na podstawie właściwości bieżnych oraz warunków roboczych, w których muszą pracować dane pierścienie. Dobra elastyczność i odporność na korozję są tak samo ważne, jak duża odporność na uszkodzenia w ekstremalnych warunkach zastosowania. Do dzisiaj żeliwo jak również stal pozostaje głównym materiałem, z którego produkuje się pierścienie tłokowe.
Pokrycia powierzchni roboczych
W pierścieniach stosuje się różnego rodzaje pokryć powierzchni roboczych. Materiał powłoki spełnia jednocześnie warunki dostosowane zarówno do materiału samego pierścienia tłokowego oraz ściany cylindra, jak i z substancją smarującą. Zastosowanie powłok powierzchni bieżnych jest w przypadku pierścieni tłokowych bardzo rozpowszechnione. Pierścienie seryjnie produkowanych silników powlekane są często chromem, molibdenem lub tlenkiem żelaza.
Rodzaje pokryć:
Pokrycie chromowe (CR)
Twarda galwaniczna powłoka chromowa łączy wysoką twardość z dużą odpornością na ścieranie. Te właściwości powodują, że pierścienie chromowane mają przewagę nad pierścieniami niepokrywanymi lub pierścieniami z ulepszonymi powierzchniami roboczymi.
Pokrycie molibdenowe (MOL, MO)
Dla uniknięcia ścierania się powierzchni skrajnych stosuje się pokrycie molibdenem. To rozwiązanie daje doskonałe rezultaty. Molibden ma bardzo wysoką temperaturę topnienia (2620° C) i dobrą przewodność cieplną , czyli cechy bardzo korzystne jeśli chodzi o odporność na ścieranie i rysowanie.
Pokrycie rozpyloną plazmą (PS)
Pokrycie rozpyloną plazmą charakteryzuje się dużą odpornością na zużycie, ścieranie i pęknięcia oraz dużą wytrzymałością. Nie powoduje przy tym znacznego zużycia powierzchni cylindra. Dzięki tym właściwościom ten rodzaj pokrycia jest obecnie z powodzeniem stosowany w produkcji.
Fosforowanie (P)
Ten proces jest stosowany w celu poprawienia i przyspieszenia procesu docierania się pierścieni tłokowych. Powierzchnia pierścienia jest zmieniona przez reakcję chemiczną w kryształy fosforowane.
Azotowanie (NT)
Jest to obróbka powierzchni stalowych w celu zmniejszenia zużycia w stalowych pierścieniach kompresyjnych oraz stalowych elementach pierścieni olejowych.
Pokrycie chromowo-ceramiczne (CK)
Pokrycie CK wytrzymuje wyższe mechaniczne i termiczne obciążenia niż istniejące pokrycia chromowe, molibdenowe i plazmowe. Właściwościami pierścieni to, m.in.: minimalne straty na tarcie dzięki bardzo gładkiej powierzchni. Niewielkie zużycie własne warstwy pierścienia tłokowego przy jednoczesnym niewielkim zużyciu cylindra.
Pokrycie diamentowe (GDC)
Bardzo drobne diamenty, o rozmiarach nanometrycznych, charakteryzujące się hybrydowymi właściwościami są niejako wbudowane w twardą chromową powierzchnię roboczą. Powierzchnia pierścieni pokrytych metodą GDC jest bardziej odporna na zużycie i zdecydowanie bardziej odporna na ścieranie w porównaniu do innych rodzajów pokryć.
Zalecenia montażowe
Istotnym warunkiem prawidłowej i długotrwałej pracy pierścieni tłokowych, jest ich prawidłowy montaż. Przed przystąpieniem do montażu pierścieni należy sprawdzić i ewentualnie oczyścić rowki pierścieniowe w tłoku. Proces czyszczenia należy przeprowadzić z odpowiednią uwagą, by nie uszkodzić powierzchni bocznych ani denka rowka. Jeśli na używany tłok mają być zamontowane nowe pierścienie tłokowe, wtedy o możliwości dalszej eksploatacji tłoka decyduje luz pionowy w rowkach tłoków. Miara zużycia odnosi się do zewnętrznych krawędzi mierzonego rowka pierścieniowego. Należy pamiętać, że granicznym luzem jaki producenci zalecają to 0,12 mm.
Zdjęcie: MS Motorservice International GmbH
Kolejną ważną cechą pozwalającą na prawidłowe działanie pierścienie tłokowych jest tzw. luz zamka.
Można go porównać do luzu zaworowego w zaworach dolotowych lub wydechowych. Podczas pracy silnika dochodzi do rozszerzalności termicznej co powoduje zwiększanie średnicy. Aby zapewnić poprawne działanie pierścieni w stanie gorącym potrzebny jest odpowiedni luz w zależności od średnicy cylindra. Poniżej przedstawione są tolerancje luzu dla odpowiednich średnic cylindra.
Montaż pierścieni
Pierścienie tłokowe powinny być montowane przy użyciu specjalnych szczypiec, by uniknąć większego niż konieczne rozchylenia pierścienia. To może doprowadzić do uszkodzenia, np. odkształcenia, a w konsekwencji – do pęknięcia. W trakcie montażu należy zwrócić szczególną uwagę na pierścienie oznakowane znakiem montażowym "TOP" i montować je w rowki tłoka tak, aby oznaczenie "TOP" skierowana było ku górze denku tłoka.
Zdjęcie: MS Motorservice International GmbH
Sprawdzanie poprawności montażu pierścieni tłokowych
Po zamontowaniu pierścieni na tłoku należy upewnić się, że mogą się swobodnie obracać w rowkach. Następnie pierścienie należy umieścić tak, by szczeliny pierścieni były rozmieszczone co 120°.
Zdjęcie: MS Motorservice International GmbH
Regeneracja zużytych powierzchni cylindra
Podczas wymiany tłoków lub pierścieni tłokowych powinno się za każdym razem sprawdzić powierzchnię cylindra. Dobrą praktyką jest honowanie powierzchni cylindra w celu przywrócenia właściwego stanu.
Często po honowaniu stosuje się tak zwane szczotkowanie specjalnymi osełkami. Czynności te mają jednak niewiele wspólnego z typowym honowaniem. Używanie osełek służy czyszczeniu powierzchni. Dostosowują się one do każdej nieokrągłości i każdej deformacji cylindra. Nie dochodzi jednak do poprawy geometrii.
Ponadto wskutek niewielkiego nacisku na płaszczyznę cylindra nie można uzyskać rozsądnej chropowatości mogącej się przyczynić do polepszenia smarowania. Uzyskuje się przez to jedynie nieco większy opór tarcia dla nowych pierścieni tłokowych. W ten sposób będą mogły dopasować się szybciej do ściany cylindra. Nie da się w ten sposób cofnąć ani naprawić istniejącego zużycia powierzchni. Przez szczotkowanie bez wstępnego honowania nie można uzyskać trwałej naprawy gładzi cylindrów. Jedynym efektem jest nieco lepszy wygląd i nieco skrócony okres docierania.
Zobacz także:
Centrum Kompetencji Silnikowej
