Decydujący wpływ na okres eksploatacji silnika ma przede wszystkim zużycie pierścieni tłokowych, tłoka i gładzi cylindra determinowane warunkami tarcia i smarowania wybranych par kinematycznych. Określenie udziału strat tarcia, wyrażonych mocą pochłanianą na pokonanie tarcia wewnętrznego w filmie olejowym tłokowych pierścieni uszczelniających i zgarniających, oraz tłoka w ogólnych stratach mechanicznych i opracowanie odpowiednich metod ich ograniczenia stanową główny czynnik w dążeniu do poprawy sprawności mechanicznej silnika. Niezbędny jest tu kompromis. Spełnienie warunków sprzyjających powstaniu tarcia płynnego w całym zakresie kąta OWK (obroty wału korbowego) niezależnie od obciążenia silnika i warunków jego eksploatacji stanowi warunek zasadności stosowania metod ograniczania strat tarcia w grupie tłokowo-cylindrowej. Ze względu na warunek trwałości silnika, a tym samym możliwości uzyskania długich przebiegów międzynaprawczych, dąży się do uzyskania możliwie grubej warstwy filmu olejowego pomiędzy pakietem pierścieni tłokowych a gładzią cylindra, co powoduje znaczny wzrost zużycia oleju. Obecnie ze względu na rygorystyczne normy emisji związków toksycznych spalin, przedostawania się znacznych ilości oleju silnikowego do komory spalania w suwie sprężania i wylotu jest niedopuszczalne. Poza tym sprzyja to nadmiernemu odkładaniu się nagaru w obszarze komory spalania, tj. denkach tłoków i przylgniach zaworów. Analizując aspekty tarcia i smarowania w silniku tłokowym, należy uznać, że jednym z najważniejszych elementów są pierścienie tłoka i tłok. Warunki smarowania tych części są bardzo złożone i trudne do ustalenia na etapie rozważań teoretycznych, a nawet eksperymentalnych. Zarówno geometria powierzchni ślizgowej pierścieni tłokowych i bocznej tłoka podlegających tarciu, jak i ich wzajemne położenie oraz szybkość względna, wypływają na warunki sprzyjające powstaniu tarcia płynnego pomiędzy tymi powierzchniami a gładzią cylindra. Smarowanie górnego pierścienia uszczelniającego jest szczególnie ważne, bowiem pracuje on w pobliżu komory spalania, a więc w obszarze występowania wysokich temperatur oraz w bezpośrednim kontakcie z produktami spalania oddziaływującymi na właściwości oleju. Ponadto pomiędzy górnym pierścieniem uszczelniającym a gładzią cylindra występuje najmniejsza grubość filmu olejowego – szczególnie 10° OWK po GMP w suwie rozprężania. Spełnienie warunku ciągłości pokrycia profilu powierzchni ślizgowej górnego pierścienia uszczelniającego filmem olejowym w newralgicznych zwrotnych punktach tłoka jest niebywale trudne w aspekcie redukcji strat tarcia w tym obszarze pracy silnika, jeśli dodatkowo ma się to odbywać bez szkody dla trwałości tego złożenia kinematycznego.

Metody redukcji strat tarcia w grupie tłokowo-cylindrowej

Przyjmuje się, że najbardziej znaczącą redukcję strat tarcia w grupie tłokowo-cylindrowej można osiągnąć poprzez:

• ograniczenie liczby pierścieni uszczelniających,
• redukcję lepkości dynamicznej oleju,
• optymalizację luzu między pierścieniami tłoka i tłokiem a gładzią cylindra,
• zmniejszenie osiowej wysokości pierścieni tłokowych i tłoka, w szczególności pakietu pierścieni uszczelniających,
• zmianę kształtu profilu powierzchni ślizgowej pierścieni tłokowych i bocznej tłoka,
• wykorzystanie manipulacji stosunkiem przyrostu ciśnienia w funkcji prędkości liniowej tłoka i prędkości obrotowej silnika z uwzględnieniem trwałości złożenia T-P-C (tłok–pierścień–cylinder),
• wykorzystanie powłok charakteryzujących się małą chropowatością i dużą odpornością na ścieranie w warunkach tarcia mieszanego – redukcja strat tarcia poprzez ograniczenie luzu montażowego pakietu pierścieni tłokowych i tłoka, przy uwzględnieniu lokalnej, minimalnej grubości filmu olejowego pomiędzy powierzchnią ślizgową pierścieni tłokowych i boczną tłoka a gładzią cylindra w całym cyklu pracy silnika,
• zastosowanie odpowiednich materiałów konstrukcyjnych do wyrobu pierścieni tłokowych i tłoka – redukcja masy własnej, wymiarów geometrycznych i wytrzymałości na przenoszone obciążenia.

Pierścienie kluczem

Obecnie większość producentów tłokowych silników spalinowych stosuje dwa pierścienie uszczelniające o powierzchniach ślizgowych baryłkowych cylindrycznie, symetrycznie i niesymetryczne. Na poprawność współpracy pakietu pierścieni wraz z tłokiem i gładzią cylindra wpływa wiele czynników, m.in. strumień ciepła tarcia absorbowany przez grupę tłokowo-cylindrową, strumień gazów przepływających z komory spalania cylindra do skrzyni korbowej, strumień oleju smarującego infiltrowany do komory spalania i bezpowrotnie tracony wskutek odparowywania wraz z gazami spalinowymi oraz intensywność zużycia powierzchni ślizgowej pierścieni tłokowych, rowków pierścieniowych tłoka i gładzi cylindra. Każdy z tych czynników jest warunkowany proporcjami geometrycznymi, tj. powierzchni bocznej tłoka, półek pierścienia zgarniającego, dolnego i górnego pierścienia uszczelniającego oraz rozmieszczeniem pierścieni tłokowych na tłoku. Opory tarcia pierścieni uszczelniających zależą m.in. od wysokości i kształtu profilu powierzchni ślizgowej pierścieni, właściwości zastosowanych materiałów, rozkładu jednostkowych nacisków pierścieni na gładzi cylindra determinowanych sprężystością własną pierścieni oraz działaniem sił zewnętrznych, granicznych błędów makrokształtów otworu cylindrowego (jego okrągłości, prostoliniowości lub współosiowości), profili rowków tłokowych, odkształceń termicznych tłoka i cylindra, lepkości dynamicznej oleju oraz temperatury elementów grupy tłokowo-cylindrowej.

W ogólnym ujęciu na podstawie dotychczas publikowanych badań można przyjąć, że ponad 40% strat tarcia w silniku tłokowym pochodzi od mechanizmu tłokowo-korbowego. Zatem można stwierdzić, że ograniczenie strat tarcia w obszarze współpracy pierścieni tłokowych i tłoka z gładzią cylindra w tłokowym silniku spalinowym daje możliwość istotnego ograniczenia zużycia paliwa przez obecnie produkowane samochody.

Technologie materiałowe

Współcześnie większość producentów samochodów redukuje straty tarcia w grupie tłokowo-cylindrowej przez zastosowanie specjalnych powłok przeciwtarciowych o podwyższonej odporności na zużycie na powierzchnie ślizgowe pierścieni tłokowych, powierzchnię boczną tłoka i gładź cylindra. Najczęściej stosowaną metodą zabezpieczania powierzchni przed zużyciem jest zwiększenie jej twardości. Pierwszą powłoką zabezpieczającą przed erozją kawitacyjną stosowaną na gładzie tulei kadłubów odlewanych z siluminów była powłoka niklowa Nikasil zawierająca cząstki SiC (węglik krzemu). Obecnie stosuje się bardzo skomplikowane pod względem składu chemicznego i wyspecjalizowane powłoki oraz technologie ich nakładania, np. powłoki SUMEBore są nakładane metodą natryskiwania APS na tuleje silników wysokoobrotowych.

Firma Mercedes-Benz, w celu redukcji strat tarcia w grupie tłokowo-cylindrowej, coraz częściej wprowadza w swoich pojazdach technologię NanoSlide, która zakłada połączenie aluminiowego kadłuba ze stalowymi tłokami. Taka technologia obejmuje natryskiwanie powłoki z przewodów żelazo-węgiel w łuku elektrycznym twin-wire w pojazdach opartych na założeniu Blue-EFFICIENCY. Przepływ gazów jest wówczas stosowany do rozpylania stopionego materiału na gładzi cylindra, prowadząc do powstania nanokrystalicznej powłoki. Proces wykończenia powierzchniowego UltraSmooth zmniejsza chropowatość powierzchni do wartości przypominającej lustrzaną gładź. Tłoki do tego silnika są wykonane z kutej, wysoko wytrzymałej stali. Takie właściwości zastosowanych materiałów umożliwiają redukcję wymiarów geometrycznych współpracujących części, korzystniejszy rozkład nacisków jednostkowych powierzchni bocznej tłoka na gładź cylindra, przy zachowaniu wymaganej trwałości podzespołów.

W produkcji tłoków na ich powierzchnię boczną stosuje się coraz więcej różnorodnych powłok i pokryć ochronnych zmniejszających siłę tarcia – grafityzację, chromowanie, pokrycia molibdenowe i ceramiczne, powłoki dyspersyjne i powłoki nakładane metodą CVD (ang. Chemical Vapour Deposition) i PVD (ang. Physical Vapour Deposition). Obecnie istnieje wiele nazw handlowych wymienionych powłok i pokryć, np. powłoki zawierające dwusiarczek molibdenu (EvoGlide) albo zawierające grafit rozpuszczony w żywicy poliamidowo-imidowej nanoszone metodą sitodruku i utwardzane w wysokiej temperaturze (Grafal 255). Metodami CVD wytwarza się najczęściej twarde i odporne na ścieranie, a także na korozję powłoki zawierające np. azotki tytanu (TiN), węgliki tytanu (TiC), węgloazotki tytanu (TiCN), węgliki niobu (NbC), węgliki wanadu (WC), węgliki cyrkonu (ZrC) oraz wielościenne nanorurki węglowe MWNT (ang. multiwall carbon nanotubes). Z kolei metoda PVD to fizyczny sposób tworzenia pokryć z fazy gazowej, obejmujący kilkadziesiąt metod, m.in. naparowywanie próżniowe i napylanie katodowe. Materiałem napylanym tą metodą może być tytan (Ti), aluminium (Al), miedź (Cu), warstwy złożone, w których podsieć jednego pierwiastka wypełniona jest częściowo innym pierwiastkiem, np. stopowe wieloskładnikowe HfN z C, ZrN, VN, wielofazowe TiN/Ti₂N, kompozytowe TiC/TiN/ZrN i gradientowe TiN/Ti(CN)/TiC i wiele innych. Przyczepność powłoki do podłoża jest najważniejszą własnością metod PVD. Jeżeli jest ona nieodpowiednia, cała funkcjonalność zostaje utracona, a ponadto może wywołać intensyfikację zużycia ciernego. Na adhezję cienkich powłok do materiału wpływa głównie struktura materiału, obciążenia zewnętrzne wynikające z warunków pracy węzła trącego oraz aspekty środowiskowe, tj. temperatura, ciśnienie, wilgotność itp.

Produkowana przez Federal-Mogul powłoka CarboGlide, stosowana na powierzchnię ślizgową pierścieni tłokowych, umożliwia znaczącą redukuję strat tarcia przy zachowaniu ciągłości filmu olejowego podczas całego cyklu pracy silnika. Powłoka CarboGlide bazuje na amorficznej pozbawionej wewnętrznej struktury krystalicznej warstwie węgla o dużej twardości do 5000 HV 0.2. Jest odporna na odwarstwienie od materiału bazowego i pękanie nawet w przypadku dużych obciążeń ścinających. Jest to możliwe dzięki specjalnej metodzie nakładania i obróbki powierzchniowej, m.in. procesowi polerowania warstw węglowych, dzięki którym występuje możliwość uzyskiwania powłok o grubości do 25 µm bez ryzyka ich rozwarstwienia pod wpływem wysokich temperatur i nacisków jednostkowych występujących pomiędzy powierzchnią ślizgową pierścieni tłokowych i gładzią cylindra. Pierścienie tłokowe produkowanych silników tłokowych samochodów osobowych klasy średniej są powlekane najczęściej chromem, molibdenem lub tlenkiem żelaza. Stosuje się także powłoki chromowo-ceramiczne oraz pierścienie powlekane w technologii fizycznego osadzania z fazy gazowej PVD. Powłoki na bazie azotku tytanu (TiN) i azotku chromu (CrN) są stosowane w samochodach wyczynowych. Najczęściej takie powłoki, w szczególności na bazie molibdenu, są nakładane w procesie natrysku płomieniowego lub plazmowego. Obecnie prowadzone są także badania nad zasadnością zastosowania powłok Cr₃C₂/NiCr oraz WC/Co, w których występuje równomierne rozłożenie węglików oraz brak pęknięć podczas znacznych obciążeń o charakterze udarowym i powłok natryskiwanych z przetopieniem materiałem samotopnikującym typu NiCrSiB w celach redukcji strat tarcia.

Niezależnie od zastosowanej powłoki ochronnej, redukcja strat tarcia w grupie tłokowo-cylindrowej w warunkach tarcia płynnego jest zawsze ściśle związana z kompromisem pomiędzy ograniczeniem sił tarcia a grubością filmu olejowego pomiędzy współpracującymi parami kinematycznymi mechanizmów głównych silnika oraz zużyciem oleju silnikowego. Każdorazowa próba poprawy sprawności mechanicznej silnika w tych węzłach wiąże się z redukcją grubości filmu olejowego, z kolei łączy się z zastosowaniem coraz to nowszych i bardziej kosztowych powłok i pokryć charakteryzujących się nie tylko dużą twardością powierzchniową, ale także małą chropowatością. W tym przypadku należy także pamiętać o umiejętnym doborze lepkości dynamicznej oleju, która – w sytuacji jej zmniejszenia – wpływa również na ograniczenie grubości filmu olejowego w parach kinematycznych.